引汉济渭秦岭输水隧洞水力、水质动态模拟分析

摘要

陕西省引汉济渭工程是一项巨型跨流域调水工程，通过汉江引水至渭河，补充了关中渭河沿线几大城市的用水量，缓解了城市用水紧缺的问题，实现了水资源优化调配。秦岭输水隧洞作为连接水源区与受水区的关键工程，全段除黄金峡、三河口泵站、及控制闸以外，无其他可调控工程，当水流流经控制闸到达越岭段之后，管理者将无法主动控制。因此，研究越岭段隧洞水力特性、水质规律，不仅可以保障隧洞自身安全与供水安全，也为提高供水时效、控制水质风险、保证工程的经济效益提供科学决策支撑，具有重要的理论意义与应用价值。 本文以引汉济渭秦岭输水隧洞越岭段为研究对象，采用分段求和法、MIKE11 HD、简单水力法、MIKE11 AD、ECO Lab等模型和方法，对隧洞水力特性及基本水质规律进行了研究。本论文取得的主要研究成果如下： (1)针对秦岭输水隧洞复杂断面形态，进行了简化处理：根据水力学公式，计算设计流量下的正常水深、临界水深和临界底坡：利用水深法判别标准，判断水流流态为缓流，底坡为缓坡。 (2)建立了MIKE11 HD模型，模拟了隧洞水流过程，得到水面线及关键断面水位变化；与分段求和法计算的水面线进行对比，计算的水面线一致，相同断面水位谡差甚小。结果表明：水面线基本平行于隧洞底板：同一糙率系数，流量越大水面线越高，流量越小水面线越低;同一流量，隧洞糙率系数越大，水面线越高，糙率系数越小，水面线越低，符合水力学基本规律。 (3)通过MIKE11 HD模型进行参数试算，设计流量下满足隧洞无压条件的临界糙率为0.0161：设计糙率下隧洞最大流量为76m3/s，与设计报告一致。 (4)建立了MIKE11 AD模型，模拟保守物质A在水流中的流动，获得不同流量的演进时间：与简单水力法计算的流量演进时间对比，各工况下相对误差均保持在0.3%-2.6%；在设计糙率下，输水流量为设计流量70M3/S时，采用简单水力学法得出流量演进时间为9.77h，MIKE11 AD模型模拟时间为lO.OOh。结果表明：MIKE11 AD模型计算简便，结果直观可靠。同时，相同糙率，流量越大，演进历时越短;相同流量，糙率系数越大，演进历时越长。 (5)建立了MIKE11 AD与ECO Lab的耦合模型，以DO、BOD、氨氮为指标，模拟了两种点源位置下隧洞内水质变化过程。结果表明：点源不含DO时，出口断面其浓度峰值随隧洞输水流量增大而减小；隧洞输水流量与点源流量、组分含量一定时，点源位置距离下游出口越近，出口断面物质浓度峰值越大，峰现时间越早；不论点源位于何处，其流量一定时，随着输水隧洞流量的增加，出口断面BOD、氨氮浓度峰值减小，峰现时间缩短；输水隧洞流量一定时，点源流量越大，出口断面BOD、氨氮浓度峰值越高。

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