关键词：
水流模型（精选六篇）
水流模型 篇1
明渠流动是自然界中最广泛的流动现象之一。前人对其开展了大量的试验研究工作,取得了系统的试验数据。如1933年Nikuradse提出用对数分布来描述水深方向的主流流速分布。Sarama、Nezu和Rodi等采用激光流速仪测量发现:当断面宽深比小于5时,断面最大流速出现在相对水深0.6~0.8的范围内[1]。Tominaga和Nezu[2]等系统研究了不同宽深比的光滑矩形明渠的水流特性等。这为明渠流的数值模拟奠定了良好的基础。
现基于现代计算流体动力学软件Fluent,模拟Tominaga和Nezu的矩形明渠试验环境,将模拟值与试验值进行比对分析,验证数值模型的可靠性。
1 软件介绍及模型建立
Fluent是具有丰富物理模型、先进数值方法及强大的前后处理功能的CFD(Computer Fluid Dynamics)软件包,主要是用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动、热交换、化学反应与燃烧等问题。模型计算求解步骤为:(1)在gambit(前处理器)中建立几何和网格模型。(2)将网格模型导入Fluent,并设置相关参数。参数包括求解器及运行环境、计算模型、材料特性和边界条件等。(3)对流场的初始化、求解及后处理。
目前,自由水面问题的研究方法主要有:刚盖假定、弹性盖法、高度函数法(HOF)、标记网格法(MAC)法、体积率法(VOF)和等值面函数法等各种方法。现采用的是刚盖假定方法和VOF方法。刚盖假定就是假定自由水面是一个规则的刚性平面,各变量在法向方向的值为零,在切向方向的梯度值为零,自由水面的位置不随时间变化而发生变化,此时自由面就单纯的转变为一个边界条件,并且该固壁边界条件具有很多相似之处,就相当于流动可滑移的固壁条件。VOF法,是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪的方法。在VOF模型中,不同的流体组分共用着一套动量方程,计算时在全流场的每一个计算单元内,都记录下了各流体组分所占有的体积率[3]。
1.1 试验资料
试验数据来自Tominaga和Nezu等人的试验模型资料,模拟了不同宽深比的光滑矩形明渠的水流特性,试验数据见表1。
1.2 刚盖假定法
本计算区域采用笛卡儿坐标系,使用非均匀的六面体结构化正交网格进行剖分。对河床底部、边壁和水面进行网格加密,如图1。S1生成185 200个网格,S2生成225 500个网格,S3生成244 800个网格。
边界条件:水面—对称边界(symmetry),
进口—速度进口(velocity-inlet),
对称面—对称边界(symmetry),
出口—自由出流(outflow)。
采用分离式求解器,RSM紊流模型,离散采用QUICK格式,压力离散格式采用SIMPLE算法。
收敛标准:计算各残差量小于1×10-6,且监视变量不随时间发生变化。
1.3 VOF方法
在网格剖分时,为保证模拟的精确性,分别对河床底部、边壁和水面进行网格的加密。初始化设置时下层为水流,上层为气流(为避免计算区域的顶部边界对计算结果带来的影响,流体空气部分与液体部分的深度之比应大于1/3[4])。S1生成256 200个网格,S2生成378 600个网格,S3生成467 500个网格,如图2所示。进口处分为上下两个:水流进口和空气进口如图3所示。
边界条件:液体进口—速度进口(velocity-inlet),
气体进口—压力进口(pressure-inlet),
出口—压力出口(pressure-outlet)。
采用分离式求解器,RSM紊流模型,离散采用QUICK格式,压力离散格式采用SIMPLE算法。
2 模拟结果对比分析
2.1 断面流速等值线模拟结果对比
三种工况下采用刚盖假定和VOF方法计算的断面流速等值线见图4、图5和图6,由图可见,采用刚盖假定法对自由水面作对称面处理后,无法模拟自由水面由于二次流的影响而产生水面附近流速减小的现象。而VOF方法计算的流速等值线与试验值吻合较好,特别是对于宽深比较小的情况,故采用VOF方法的模拟结果优于刚盖假定方法。
2.2 垂线流速分布模拟结果对比
两种方法模拟的垂线流速分布与试验值的比
较见图7,可以看出:刚盖假定法模拟得到的垂线流速最大值均出现在水面,而VOF法模拟的s1流速出现在水面,s2和s3(断面宽深比均小于5)时的垂线流速最大值出现在相对水深0.6~0.8的范围内,这也验证了Sarama、Nezu和Rodi等采用激光流速仪测量所得到的发现。由此看出,与刚盖假定模拟值相比较,VOF模拟值更接近试验值。
3 结语
近年来由于传统试验模型费用高、周期长等局限,许多研究者将目光投向借助计算流体动力学软件来分析流场结构,但是软件应用的可靠性也随之受到质疑。笔者利用Fluent建立了与前人试验模型相同环境的数学模型,并将所得到的模拟值与试验值进行了对比,取得了较好的结果。这一验证有助于将Fluent软件推广于其他复杂流场模拟,使得对复杂流场的结构全面、精确的数值模拟成为了可能。
参考文献
[1]林斌良,Shiono K.复式断面明渠三维紊流的数值模拟.水利学报,1995;3:52—61
[2] Tominaga A,Nezu I,Ezaki K,et al.Three-dimensional turbulentstructure in straight open channel flows.Journal of Hydraulic Re-search,1989;27(1):149—173
[3]王福军.计算流体动力学分析.北京:清华大学出版社,2004
水流模型 篇2
由于汉江及东荆河洲滩众多,流路多变,一维水流模型无法求解现状及工程实施后的水位流量等水文要素,必须建立较大范围的全二维水流数值模拟模型,并通过近年水文资料进行率定和验证,才能较好的模拟汉江下游及东荆河河口段的水流运动规律。本文通过建立包含汉江下游兴隆至仙桃110km和东荆河河口段9.8km的全二维河道水流数学模型,较准确的模拟了现状及河道整治工程实施后汉江不同流量条件下的东荆河分流量,据此分析了整治工程对枯水期和洪水期分流量的影响效果,为河道整治工程方案的选取提供了技术支撑。
1 模型的建立
1.1 基本控制方程
经一般曲线变换后的平面二维水流模型控制方程为[3,4]:
水流连续方程:
河道主流方向(ξ方向)的水流运动方程:
河道河宽方向(η方向)的水流运动方程:
式中:h为水深,m;Z为水位,m;u和v分别为x、y方向的垂线平均流速,m/s;M和N分别为x,y方向的单宽流量,m2/s,M=uh,N=vh;n为曼宁糙率系数;g为重力加速度;D为紊动黏性系数,L2 T-1;U、V为曲线坐标中流速在ξ和η方向的分量;q11=ξ2x+ξy2;q12=ξxηx+ξyηy;q22=ηx2+ηy2;Mξ、Mη、Nξ、Nη表示偏导数,如。
1.2 数值解法
微分方程的离散采用有限体积法[5,6],模型采用同位网格,即计算物理量布置在控制体中心点P上。模型控制方程可表达成对流扩散方程形式:
采用压力校正法求解压力场,根据静压假定,压力校正方程的推导也就转化为水位校正方程。水位修正法采用SIM-PLE算法。
1.3 边界条件
本次模型进口边界给出流量过程,出口边界给出水位过程或水位流量关系。初始水位场可根据进口和出口水位进行线性插值。初始流速场令η方向流速为0,ξ方向由曼宁公式计算出,并进行断面总流量校正。
河道中的江心洲、边滩等区域在不同流量条件下水深变动较大,水边线的位置总是不断变化,因此在数学模型中需要解决水边线的自动调整问题。本模型把整个计算区域作为固定计算域,在计算过程中采取“冻结法”对露出水面的网格进行动边界处理,即根据水位及结点处河底高程来判断该网格单元是否露出水面,若不露出,糙率取正常值;反之糙率取一个接近于无穷大的正数。同时为了不影响水流控制方程的求解,在露出水面的节点处需给定一个薄水层,厚度为0.5cm。
1.4 计算河段及网格划分
计算区域的进口断面位于汉江干流兴隆水利枢纽下游1km处,汉江出口断面位于仙桃水文站所在位置,东荆河出口断面位于潜江水文站所在位置。计算区域汉江干流全长约110km,东荆河河口至潜江水文站约8.3km。
洪水期计算区域共划分成994×121个网格(ξ方向×η方向),平均网格尺度为100m×25m;在岳口以下河道缩窄,计算网格宽度减小至约5m。因东荆河河道较窄,且为了更精确地对工程进行概化,对整个东荆河河道及工程附近网格进行了加密处理,东荆河主槽区网格长、宽在1.5~4m之间。计算网格布置图见图1。
1.5 模型验证
洪水期模型计算边界条件和验证参数见表1。
通过2010年7月22日20时-8月6日20时共计15d的实测洪水过程试算获取洪水期河床糙率,模型验证采用2011年9月15日2时-9月30日2时实测洪水过程。计算得出的沿程各测站水位、流量过程与实测值的对比见图2和图3。从图2和图3可看出,计算得出的各站水位和流量过程与实测过程线变化趋势一致,计算值与实测值相差较小。
由于枯水期汉江和东荆河河道流量变化幅度和涨落速度均较小,因此采用不同量级的流量,通过恒定流方法计算。枯水期采用2011年7月12各站的实测水位、流量值试算获取枯水期糙率值,并采用2011年6月9日的水文资料验证模型的糙率取值,验证结果见表2。从表2可看出,验证计算得到的枯水期各站水位和流量的计算值与实测值误差较小。鉴于实测地形施测时间与水文资料施测时间的差异等原因,洪水期和枯水期率定、验证计算结果精度较好,模型可供下一步研究使用。
2 河道整治工程方案
2.1 东荆河分流目标
通过分析南水北调中线工程调水及引江济汉工程补水对汉江下游河段径流的影响,各保证率流量均有减少。综合汉江生态、灌溉、航运要求,兴隆枢纽下游汉江干流的流量大于511m3/s的保证率应达到97%。
从2011年的实测分流比来看,在汉江流量为579m3/s(P=85%)时,东荆河分流比仅为0.69%,接近断流。为保证东荆河潜江段的生产生活用水及生态基流需要,东荆河流量宜达到10~50m3/s。东荆河河口整治的目标为:汉江流量保证率小于85%的流量条件下东荆河不断流,同时为避免影响航运,汉江流量小于511m3/s(P=97%)时东荆河维持断流。初步拟定不同汉江流量保证率下东荆河的分流目标见表3。
2.2 河道整治工程方案
由于汉江下游局部航道整治工程已开始实施,整治线根据现在航道走向,在上过渡段从右岸黄家场向左岸梁滩一带过渡,进入左岸深槽后,向右岸泽口深槽过渡。由于航道整治工程已确定了汉江主流走左汊的格局,要增加右汊东荆河的分流比,较为可行的方案是扩挖河槽,并用护岸工程对主槽岸坡进行守护。
根据2010年和2011年实测汉江各站水位和流量记录,汉江流量为511 m3/s(最小通航流量)时东荆河河口的水位为27.16m,为避免影响航运,挖槽起点高程定为27.0 m。终点位于东荆河田关闸附近,为与上下游河槽平顺衔接,并尽量减小开挖工程量,挖槽终点的设计高程与现状地形接近,取23.24m。为减小对东荆河河势的影响,避免淤积,挖槽顺现有主槽,呈曲线布置,弯顶贴近凹岸,挖槽平面布置见图4。挖槽断面为梯形,根据现状岸坡坡比和土质,设计坡比取1∶5。东荆河现状主槽宽度30~80m,为比较不同挖槽断面条件下的东荆河分流比,在允许范围内尽可能增加东荆河的流量,挖槽底宽拟定了40和60m两个方案,挖槽工程对东荆河枯水期的分流量的效果需通过数学模型计算。
3 东荆河分流量计算及结果分析
3.1 枯水期分流量计算
分别计算汉江不同流量条件下东荆河的分流量,见表4。由表4可看出,汉江不同流量条件下,东荆河分流量均明显增加。底宽40m挖槽实施后,汉江流量为568 m3/s时,东荆河流量由现状的5.2m3/s增加到17m3/s;底宽60m挖槽实施后,东荆河流量增加到26 m3/s。60 m底宽方案较40 m底宽方案分流量增加19%~53%。在流量越小的情况下,60 m方案的流量增加越明显。由于挖槽基本顺现有主槽布置,开挖深度也较浅,底宽60m方案的土方开挖工程量较40m方案仅增大约20%,岸坡防护工程量增大3%。为增加东荆河枯水期的分流量,在工程量增加的不多的情况下推荐60m挖槽方案。
挖槽工程实施前后的流场对比见图5,由图5可看出,汉江河道在东荆河口沙洲的影响下分为左右两汊,主流走左汊,进入东荆河的右汊流量较小。挖槽工程实施后,水流流向改变不大,东荆河水流沿挖槽走向流动。流速值较现状地形条件明显增大,最大流速达到0.9m/s,东荆河流量同时增大。
3.2 洪水期分流量计算
使用根据现状河道地形建立的模型,对1983年实际洪水过程进行复演,计算出潜江站的流量过程见图6。如发生1983年实际洪水过程,现状河床地形条件下,在2.5d沙洋站出现峰值21 300m3/s时,1983年实测东荆河流量为4 660m3/s,现状地形的计算值为4 477 m3/s;在4.5d沙洋站流量为18 900m3/s(防洪调度控制流量)时,1983年实测东荆河流量为4 910m3/s,计算值为4 483m3/s。第2.5d至6d的洪峰期,现状河道的分流量与1983年基本相当,差值在+0.7%~-2.3%之间。现状地形的东荆河分流比略小于1983年实测值。再统计1.5~8.5d的7天最大洪量,1983年实测值为24.0亿m3,计算值为23.5亿m3,略小于实测值。因此现状河床地形条件下东荆河的分流比较1983年略有减小。扩挖主槽对东荆河洪水期分流量的影响很小,流量增加比例为0.3%~4.4%。
4 结论
(1)汉江下游和东荆河入口段兼具蜿蜒性和游荡性河道的特点,洲滩众多,不同水位时流路多变。采用分汊河道全二维水流数学模型可较好的模拟东荆河口分汊河道的流场,通过实测资料进行率定后,验证计算结果精度较高,可为东荆河河口整治工程提供计算依据。
(2)现有河势条件下,扩挖河槽是增加东荆河分流量的有效工程措施。实施底宽60m的挖槽工程后,东荆河的分流量大幅增加,汉江流量保证率为85%的条件下东荆河分流量可增大到20m3/s左右,减小了东荆河断流对居民用水和生态环境造成的不利影响。
(3)使用根据现状河道地形建立的模型,对1983年实际洪水过程进行复演,现状河床地形条件下东荆河的分流能力较1983年略有减小,分流量最大减小比例为-2.3%。
参考文献
[1]何小花,翁朝晖,张小峰,等.汉江东荆河民垸防洪调度研究[J].人民长江,2011,42(13):23-26.
[2]张艳霞,张小峰,杨芳丽.长江与汉江两江洪水演进数学模型研究[J].中国农村水利水电,2008,32(6):32-34.
[3]谢作涛,张小峰,袁晶,等.一般曲线坐标系平面二维水沙数学模型研究与应用[J].泥沙研究,2005,(6):60-66.
[4]闫金波,张小峰,陶冶,等.非正交曲线坐标系平面二维丁坝绕流数值模拟研究[J].中国农村水利水电,2007,(1):107-110.
[5]谭维炎.计算浅水动力学-有限体积法的应用[M].北京:清华大学出版社,2000.
水流模型 篇3
计算开采井中的水位变化,是地下水开采动态预测的一个重要任务,也是地下水资源评价和管理中不可缺少的内容。然而,有些从事地下水数值模拟的工作者直接将有限差分法求得的格点(或结点)水位认为就是该点抽水井的水位。这是一种错误的做法[1]。事实上,由于在有限差分模型中节点(或格点)代表着一定的有限差分均衡区(见图1),而开采井流量被处理为井点均衡区体积上水的抽出[2]。为了提高精度,应使井点均衡区(剖分单元)尽量缩小,以适应抽水井的实际尺寸,例如有限差分模型可以在井近旁用小单元(见图2)。如果井点所在单元小到接近实际井径时,均衡区的平均水头就接近井中水头。但实际问题剖分的网格通常都比较大,难以实现上述愿望[3]。这样的有限差分模型就不可能精确模拟井附近的水力坡度,计算出的水头只是代表整个均衡区的某种平均水头,而不是井中水头,误差比较大。另外,不管利用有限差分法还是解析法,计算出的开采井水位都没有扣除井损。两种效应叠加的结果是利用有限差分法求得的井点水头值远远高于实测值,若不加特殊处理,便不能使用。一般情况下,解决此问题的核心是对有限差分法预测出的所谓“开采井水位(格点或结点水位)”进行必要的处理。由于利用有限差分计算出的远离抽水井的格点水头准确度比较高,而在抽水井的附近利用解析解常常也能获得较为准确的结果,因此本文拟利用数值法与解析法相结合的方法[1]来确定开采井的井壁水位(没扣除井损的水位),同时利用多落程抽水试验的数据确定出井损后扣除,从而得到较为准确的开采井中水位值。笔者设计实施了一个室内沙箱抽水试验,对这种校正方法进行了验证。
(圆点为井孔,阴影部分为均衡区)
1 开采井井壁水位的确定
文中所谓“开采井井壁水位”皆指没有扣除井损的水位(即只考虑了水头在含水层中的损失)。
考虑一个均质各向同性承压含水层中的地下水完整井流问题,在正方形网格一般把抽水井设置在某网络单元的中心(如图3所示)。用有限差分法计算的水位Hi,j,是均衡区的某种平均水位,因此Hi,j既不能代表该井的井壁水位Hw,又不能代表该井的井内水位值H内。为了计算井壁的水位,普利凯特(Prickett)提出了一个较为简单,亦能满足生产上精度要求的方法[4,5]。若流场接近稳定或达到似稳定状态,在正方形差分网格中,可以近似认为抽水井与周围相邻四个格点所在区域已形成理想漏斗,其形状可以用蒂姆公式描述。这个漏斗的实际降深值在井壁上要比差分法计算的值大,相当于把井壁面移到了一个较大的假想与井轴同心的圆上,设此圆的半径为rf(见图3)。
以△h表示用有限差分法计算出来的井点与相邻格点间的水头差,设这一地段的导水系数为T,抽水井流量为Q,则根据蒂姆公式[6]有
利用差分公式计算的从周围单元进入i,j单元的流量与井流量相同,有
联合式(1)式(2)可求得:
式(3)就是Prickett公式,表示有限差分模型得到的井点单元水头,相当于距离井心为0.208Δx处的水头,即某种平均水头,并非实际的井壁水位[7,8]。
设井筒半径为rw,在rw与rf间再次应用蒂姆公式
式(5)就是井壁水位的校正公式。由于井孔半径rw一般远小于模型的网络尺寸Δx,模型算出的水头往往偏小,在绘制井孔周围等值线图时显示出过小的水力梯度。有了校正公式之后,就可以先用有限差分模型计算出开采井所在格点水位,然后利用式(5)得到井壁水位。在校正时,rw是必须提供的参数。
对于潜水含水层则可按上面的思路作近似处理得到如下井壁水位校正公式[7]:
2 开采井井内水位的确定
利用公式(5)和(6)可分别确定出承压含水层和潜水含水层中开采井的井壁水位,但井壁水位仅仅考虑了地下水在含水层中向水井流动时所产生的水头损失,没有扣除井损,只有减去井损后才能得到井内的实际水位H内,即
式中S损(Q)为井损函数。
井损函数S损(Q)可由多落程抽水试验近似获得。文献[9]对此有详细的阐述,而且还附有相应的电算程序,读者可以直接借用书中的源程序进行计算。承压含水层抽水的井损计算采用公式为[9]:
式中,a2为Si/Qi-f(Qi)的斜率,即Si/Qi=a1+a2×Qi。可根据多落程单井抽水试验资料用相关分析法求出a1、a2,然后代入(8)式计算出不同涌水量Q对应的井损值S损(Q)。潜水含水层抽水的井损计算公式为[9]:
式中:h为与涌水量Q对应的井中潜水含水层厚度,a2为Si2/Qi-f(Qi)的斜率,即Si2/Qi=a1+a2×Qi。可根据多落程单井抽水试验资料用相关分析法求出a1、a2,然后代入(9)式计算井损S损。
3 校正试验
对于有限差分模型开采井内水位校正的研究工作,以往大多学者都仅仅停留在理论层面上的分析和探讨,而没有利用有效的检验方法对理论的可靠性进行验证,为此笔者在实验室专门利用沙槽建立了可作为检验理论标准的抽水实验实例,并利用该实例对文中所提校正方法进行有效地检验。
笔者利用500cm×500cm的沙槽,模拟了在承压水含水层中的抽水过程(见图4)已知,沙槽中所装细沙渗透系数K=0.14cm/min,贮水率Ss=0.00005,初始水头设置为200cm,利用微型水泵分别以流量Q1=500cm3/min、Q2=600cm3/min、Q3=700cm3/min。从位于沙槽中心的井进行抽水,井径为rw=3cm。并利用地下水位自动观测仪将抽水井中水位实时地存储在计算机上,通过观测值可知以Q1、Q2、Q3分别进行抽水时,井中稳定后的降深分别为S1=27.89cm、S2=33.75cm、S3=41.76cm。
利用有限差分模型对以上沙槽抽水的过程进行模拟。网格剖分如图5所示,将正方形模拟区等距剖分成25行25列(△x=20cm,△y=20cm),
非稳定流模拟的初始时间步长为1min,此后以1.03的倍数依次递增。利用有限差分模拟计算求得不同时刻开采井所在单元格水位降深(见表1),同时利用公式(5)对不同时刻的水位降深进行校正后得到井壁水位,最后再扣除利用公式(8)计算出的井损,可得开采井井中水位。
抽水井井损的确定首先根据此次多落程单井抽水试验结果对Si/Qi-Qi进行线性相关分析,求出截距a1=0.0456、斜率a2=0.00002,从而确定出井损函数为S损(Q)=0.00002×Q2,再利用井损函数可确定出不同抽水量情况下的井损,计算结果见表1。
备注:Si/Qi-Qi线性回归函数为:Si/Qi=0.00002 Q+0.0456
从表2和图6可以看出利用有限差分模拟计算得到的传统认识上的所谓“井点水位降深”明显偏小,甚至只有实际观测值的60%,而按照本文理论校正后的水位降深非常接近于实测值,相对误差一般小于3%。这充分说明本文所提校正方法是行之有效的。
4 结论
在水井工程管理中,需要预测水泵的扬程以确定抽水能耗,计算抽水费用,分析是否会出现吊泵问题以及换泵时间,估算换泵费用等。解决这些问题,首先必须确定出开采井的水位或水位埋深,如果开采井水位计算误差过大,势必导致后期地下水资源管理上的失误[10]。本文通过理论分析及理想模型验证得除有限差分模型计算得出的井所在格点水位必须减去用普勒凯特(Prickett)公式计算出的校正降深和井损值后才更符合井中水位的实际情况。值得注意的是,本文涉及的仅仅是正方形网络的有限差分模型中开采井水位校正问题,对于不规则多边形网络有限差分模型开采井水位的校正问题还待读者作进一步研究。
1.有限差分模拟水位降深;2.校正后的井壁水位降深理论值;3.扣除井损后的井中水位降深理论值;4.利用沙槽实验实测的井中水位降深。
参考文献
[1]陈崇希,唐仲华.地下水流动问题数值方法[M].武汉:中国地质大学出版社,1990:239.
[2]薛禹群,谢春红.地下水数值模拟[M].北京:科学出版社,2007:246.
[3]孙讷正.地下水流的数学模型和数值方法[M].北京:地质出版社,1981:187～188.
[4]李俊亭.地下水流数值模拟[M].北京:地质出版社,1989:60～61.
[5]Prickett T A.Designing pumping well characteristics into electricalanalog models[J].Ground Water,1967,5(4):38～46.
[6]薛禹群,李同斌,贾贵庭.地下水动力学[M].北京:地质出版社,1997:63～67.
[7]杨金忠,蔡树英,王旭升.地下水运动数学模型[M].北京:科学出版社,2009:95～98.
[8]Peaceman D W.Interpretation of well2block pressures in numericalreservoir simulation[J].Society of Petroleum Engineers Journal,1978,18(3):183～194.
[9]李云峰.供水水文地质计算[M].北京:地质出版社,2007:210～216.
水流模型 篇4
河南省赵口引黄灌区位于黄河南岸豫东平原,始建于1970年,是以引黄灌溉为主要任务的大型灌区。灌区中牟县境内赵口总干渠为土渠,未护砌,农业用水直接引自渠内黄河水。而作为当地生产生活用水取水水源则多为深层地下水,靠赵口总干渠及黄河侧渗补给。为查明该区域作为城区水源地时深层地下水允许可开采量,采用地下水流数值模拟软件GMS建立三维水流数值模型,对地下水资源进行评价计算。依据水源地的地形、地貌、水文地质条件和水源地开采后的影响范围,评价计算的范围:北至黄河水边线,南至郑开大道;东至瓦坡,西至万滩,面积324. 5km2。
2 水文地质条件
2. 1 含水层组
赵口引黄灌区中牟境域地处黄河下游平原,本区地下水类型均为松散岩类孔隙水。
根据含水层的埋藏条件、成因类型、水力性质等,将区内550m以上划分为浅层孔隙含水层组、中层孔隙含水层组和深层孔隙含水层组三个含水层层组,分别对应浅层水、中层水和深层水。浅层水系指埋藏于地表下100m以浅的含水岩组,中层水系指埋藏于地表下100 ~ 250m深度的含水岩组,250 ~ 500m为深层水。富水程度以单井涌水量为指标进行评价。单井涌水量浅层按降深5m和深层按降深15m进行换算。
2. 2 富水性特征
2. 2. 1 富水区(3000 ~ 2000m3/ d)
分布在勘查区盆王—贺岗—太平庄一线以西,水文地质井抽水试验时,水位降深10. 74m,单井涌水量1688. 4m3/ d,推算涌水量为2359. 26m3/ d。地下水矿化度 < 1g/L,水位埋深19 ~ 21m。
2. 2. 2 中等富水区(2000 ~ 1000m3/ d)
分布在勘查区盆王—贺岗—太平庄一线以东,水文地质井抽 水试验时,降深17. 59m,单井涌水 量1680. 24m3/ d,推算涌水量为1432. 63m3/ d,该区地下水矿化度 < 1g/L,水位埋深20 ~ 21m。
3 地下水补给、径流与排泄
3. 1 浅层地下水
浅层地下水的补给以大气降水入渗为主,其次为黄河测渗及其他河流、渠道渗漏、农田灌溉回渗及地下径流补给。
浅层地下水径流总体流向为自西北向东南径流。浅层地下水的排泄主要是开采和蒸发及侧向径流,本区河流洪水期水位高补给地下水,枯水期地下水位高向河流径流排泄。乡镇以居民生活用水开采为主,外围以农业、灌溉开采为主。
3. 2 中层地下水
中层水补给主要来自北部、西北部侧向径流补给。另外浅层与中层之间无良好隔水层,且由于本区农村集中供水均采用中层水,造成中层水位低于浅层水位,故浅层水对中层水具有一定的补给作用。
中层地下水的径流,由西北、北部向东南、南部径流。排泄主要是农村集中供水开采及向深层越流排泄。将来大量开采浅层地下水时,有可能向浅层越流排泄。
3. 3 深层地下水
深层地下水主要来自西北部的径流补给,深层与中层之间弱透水层较薄,且中层水位高于深层,故中层水对深层水有一定的补给作用。深层水的径流方向由西北向东南。排泄主要是侧向径流排泄。
4 地下水动态特征
4. 1 浅层地下水动态特征
潜水蒸发是浅层地下水保持均衡状态的一个重要因素,随着年开采量的增加,浅层水位下降,蒸发排泄量相应减少,直至遇到丰水年和丰水季节,接受降水补给再度回升。根据浅层地下水位的变化过程划分出两种动态类型:入渗—开采型与入渗—蒸发型。
4. 2 中层地下水动态特征
中层地下水来源于侧向径流及浅层越流补给,消耗于开采和侧向径流及向深层越流排出。由于人工开采,地下水位已降至8 ~ 12m左右,因中层开采在本区均布,区内未形成明显降落漏斗。故其动态类型为径流—开采型。其变化主要受开采量大小控制。
4. 3 深层地下水动态特征
深层地下水天然状态下来源于侧向径流补给,消耗于侧向径流排出,工程区深层开采量较小。所以,本区深层地下水动态,仍大致保持着天然状态,年变幅1m左右。随着人工开采量的 增加,将变为径流-开采型。
5 数值法评价地下水允许开采量
5. 1 地下水系统概念模型
5. 1. 1 含水层结构特征
本区地下水类型均为松散岩类孔隙水。
模型将勘察区在空间上大致划分为浅层孔隙含水层组(100m以浅)、中层孔隙含水层组(100 ~ 250m)和深层孔隙含水层组(250 ~ 500m)三个含水层组。
5. 1. 2 地下水流动特征
浅层地下水的径流受地形和补给源控制。由于黄河现行河道是下游平原的中脊和地表水、地下水的分水岭。所以,在黄河影响带内,黄河以南地下水自西北向东南径流;黄河以北地下水自西南向北径流。由于黄河在东坝头北折,地下水流向逐渐变为西北。黄河影响带外,由于受西部山区的侧向径流补给,黄河北侧地下水自西南向东北测流,黄河南侧自西向东逐渐变为东南方向。水力坡度和地形坡降相近,属径流滞缓类型。
5. 1. 3 边界条件的概化
根据区内水文地质条件和地下水开发利用情况,将地下水系统模拟区定为:模型的北部以黄河为界,南边界至郑开 大道,西至万滩,东到瓦坡 村,总面积324. 5km2。
a. 侧向边界:对于浅层含水层,北边界黄河定为River边界;参照区域内多年平均的流场图将东部和南部边界定为通用水头边界,将西部定为隔水边界,对于中层和深层含水层,将模型各边界均定义为通用水头边界。
b. 垂向边界:潜水含水层自由水面为系统的上边界,通过该边界,潜水与系统外发生垂向水量交换,如接受大气降水入渗补给、河渠补给、田间入渗补给、蒸发排泄等。三个含水层组之间通过越流交换物质和能量,其越流量由含水层在垂向上的渗透系数及含水层的厚度决定。
c. 水力特性:地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律;含水层分布广、厚度大,在常温常压下地下水运动符合达西定律;考虑浅、深层之间的流量交换以及软件的特点,地下水运动可概化成空间三维流;地下水系统的垂向运动主要是层间的越流,三维立体结构模型可以很好地解决越流问题;地下水系统的输入、输出随时间、空间变化,故地下水为非稳定流;参数随空间变化,体现了系统的非均质性,而且在水平和垂直方向上各不相同,所以参数概化成各向异性。
综上所述,分析评价区可概化成非均质各向异性、空间三维结构、非稳定地下水流系统,即地下水系统的概念模型。
5. 2 模型预测条件
地下水数值预测模型的模拟期为20年(2011年1月至2030年12月),以一个月为一个应力期,共240个应力期,其初始流场为2010年模拟期末的流场,如图1。
根据降雨的周期性,选取历史上1980—1999年的降雨量作为预测模型20年的降雨量,该20年的降雨量中有7个枯水年份,尤其是最后5年中包含了3个枯水年份,可以达到预测极端气候下地下水变化趋势的要求。
以2010年补给、排泄量作为预测期间的源汇项,在枯水年份相应地增加农业和生活用水开采量,在丰水年份相应地减小农业和生活用水开采量。水源地开采井的开采层位根据其具体坐标和开采量加载在模型相应的网格上。
5. 3 模型预测结果
在规划开采条件下运行20年预测模型,得出该水源地2030年末深层地下水预测流场如图2。由图中可以看出,在深层的开采井附近形成了局部的降落漏斗,但水位下降幅度并不大,影响范围也在开采井周围的区域内。水源地深层含水层在预测期末的水位降深如图3所示。
5. 4 允许开采量分析
开采资源量的预报,应在现有开采技术条件下,以不影响已有水源地正常运行和工、农业用水等为原则,限定预报开采约束条件为:根据现有开采技术和本区水文地质条件,模型预测水源地开采主井最大水位降深不应超过含水层厚度的1 /3;根据实际取水能力,由开采引起的主井水位降深不大于设计降深;预测开采量不应超过区域可开采资源量;开采状态下,保证浅层地下水水位不可下降太快。
在以上约束条件下,通过模拟计算得出雁鸣湖水源地一期深层的开采量如表1所列,深层允许开采量为9980m3/ d,完全可以满足规划开采条件下9980m3/ d的开采要求。
注 水源地开采井最大水位降深小于设计降深。
5. 5 水源地开采量组成分析
对比深层含水层未开采条件下和开采9980m3/ d条件下预测模型20年间地下水多年平均水量均衡情况,可以得到深层地下水各补排量的变化如表2所列。
由表可知,水源地深层含水层在规划开采条件下,动用了储存量,主要激发了边界侧向流入量和中层含水层的越流补给量,且研究区边界的侧向流出量明显减少。水源地规划开采量(365×104m3/ a) 的来源组成分析如表3,由此可见水源地深层含水层的规划开采量是有保证的。
6 结 语
水流云在梦之南 篇5
于是,当同桌飞往山东大学的时候,我坐上汽车,从北回归线上的小城来到了两百多公里以外的云南师范大学。
水自悠悠云自舒
选择到昆明求学的人,大多受了“四季如春”这四个字的蛊惑,然而一旦开始生活便总有一种上当受骗的感觉,就像魔术揭开谜底后引来的唏嘘。阴晴不定的夏日长空,正午时孜孜不倦炙烤行人的阳光,夜晚降临后需要添衣的薄凉,在发展中不断翻新扩建的街道建筑造成的交通拥堵,都让北方的同学抱怨不已。但生活得久了,不知不觉中对这座城市的依恋便取代了当初的抱怨。
所谓“四季看花花不老,一江春月是昆明”,我恋着这里的四季飞花,亦喜欢在花谢花开里出行。春暖花开的时候,我们挤上两个多小时的公交车,从呈贡大学城到昆明市区的圆通山赏樱花,又乐此不疲地辗转三趟公交车回学校;没课的周末,我们相约着去爬西山,站在山顶一览五百里滇池奔来眼底的壮阔,到山脚喂喂在池里戏水的红嘴鸥;国庆黄金周,大多数同学会选择乘几小时的车去丽江或者大理,体验小资情调,在纳西客栈圆一池揉碎的梦,回眸如素颜般擦肩而过的大理。
我最爱的,还是在十二月的暖冬和舍友坐在校园的薰衣草地上,晒着阳光,听上一段音乐,说说彼此的故事,或沉默地看着云朵发呆。沈从文在《云南看云》里说,云有云的地方性,云南的云给人的印象大不相同,它的特点是朴素,影响到人的性情也挚厚而单纯。这大概就是我依恋着这座城市的原因了,将素朴融为自身气质的云南人,无论何时总散发着一股淳和的气息,人与人之间的相处极其简单,似乎每个人都自有一份水流云在的淡然心态。
洗尽铅华呈素姿
作为国立西南联合大学师范学院的前身,学校常常会举办纪念西南联大的系列活动,总有同学对这一类活动很反感,认为云师大在搞面子工程。从校本部搬到呈贡校区的学姐也常常抱怨,新校区虽然有很多仿建的历史遗迹,却失了本部的文化氛围,在这里学习散漫了许多。
“七·七事变”纪念日那天,我终于有机会一睹校本部的风采。我们宿舍六人从当年的西南联大大门进入,依次参观了师林群雕、纪念抗战烈士碑林、西南联大时期办公教学用的茅草房和西南联大纪念馆。
期间,我们遇到一位旅游管理专业的学姐,她身穿“五·四”时期的阴丹士林学生装,刚给一位泰国来访的女士做完讲解。闲聊中我们得知,她是纪念馆的一名义务宣讲员,今年大四,已经从事宣讲工作三年多。
为了详细了解历史,她查阅了大量史料书籍,做了厚厚一本笔记,针对不同的参观者还拟写了不同的解说词;联大老校友回访母校,连夜和队友去采访记录;重大纪念日期间,需要接待大批参观者,有时候接连几轮讲解连水都喝不上一口。一直支撑她的不只是讲解员的身份,而是听众在她透彻的讲解中和她一同回到那个年代的动容。
当我们坐在茅草房笨重的粗木椅上,看着镂空的红木窗里透进来的细碎阳光,我们似乎也回到了那个年代,真正领悟了一所大学的气度。今日云师大的老师,敢于承认云师大“缺大师”,这样一种在历史与山水的沉淀中积累而成的朴实谦逊,让他们孜孜不倦地潜心学术。
在这样谦逊的氛围里,师生是共同成长的,而我们所渴望的,也仅此而已。
遇见理想的自己
作家安宁曾说,最美的原是被浪费掉的时光。我深深赞同,在最美好的年华里,我们肆意挥霍着最美好的大学时光,只为日后不因青春的单调苍白而遗憾。然而我们也懂得,青春是一本太仓促的书,需要用心书写每一天。
新闻人是历史的见证者,也是社会发展的瞭望者。大一的时候,我加入了学校的编辑部,采写了一年多的校园活动新闻,参与校稿编辑排版。大二开始学习摄影摄像,校园里随处可见我们拿着摄像机取景拍摄。期末,老师布置我们拍摄一个短片,他将我们写的镜头脚本修改过后,我们便按脚本拍摄。拍完以后,又将一堆零零散散的镜头画面导入电脑,用视频编辑软件进行编辑。
当时正是元旦,跨年之夜,我们坐在宿舍里,盯着电脑屏幕,看画面一帧帧回放,在最合适的画面剪切,恍惚间有种时光倒流的感觉。偶尔抬头看一眼窗外盛放的烟火,相视一笑,看着即将完成的短片《梦想纪念册》。我们相信,总有一天梦想也会如同烟花般绚烂。
如今隔着两年的时光望过去,那些成长蜕变的轨迹清晰地刻在岁月之中,看着曾经迷茫卑微的自己脱胎换骨,露出自信微笑的模样,我无比庆幸那时自己的坚持。两年前的那一天,我走进了云师大,同时开启了自己的美丽新时代。
地下管道水流量计选型方案 篇6
在能源和环保计量日益重要的今天, 地下管道水流量的测量是各厂矿几乎都要遇到的常见问题。地下管道水流量计通常安装在地下窨井中, 地下水流量计所测量的管道尺寸通常较大, 可使用的流量计原理和产品似乎也比比皆是, 但选型方案不同, 除了会影响采购和施工成本外, 也会严重影响到日后维护保养的成本与便利。
地下管道水流量计安装在地下窨井中, 流量计的成本核算和选型要考虑到3个方面:流量计本体设备的采购成本、窨井的设计施工成本、用户未来的维护保养成本。后两块成本经常被企业选型人员忽视。有些缺乏经验的技术人员, 设备采购完之后, 在安装前才发现企业必须要额外再追加一笔不菲的安装施工费用;企业经过计算和询价后有时会发现仅挖个窨井的成本竟然要远远高于设备本身的采购成本;也有到了安装时才发现窨井的安装空间不够, 设备没法安装, 需要重新调整扩大窨井尺寸;维护保养成本是在流量计运营一段时间之后才会遇到的, 企业可能会发现在更换仪表前, 竟然要做很多琐事:掀开窨井上面的大石板, 抽出窨井中的积液, 对于管径尺寸稍微大一些的管道, 可能还需要外部协调, 调用一些机械设备, 浪费不少时间、精力和经济成本。
只有在选型之前, 充分理解日后可能会遇到的麻烦和所需面对的问题, 才能比较和选择最合适的技术方案, 最终降低企业的成本。
2 地下管道水流量计的选型
2.1 电磁流量计
电磁流量计常用于水流量的测量。电磁流量计的优点是精度较高, 但是不同品牌和档次的电磁流量计标称的精度会有差别。电磁流量计的价格特点:在其它参数确定的情况下, 管径越大价格就越高。
选择电磁流量计用于地下管道水流量测量, 要考虑到雨水、地下渗水、冬季积雪融化等因素造成的积液影响, 必须考虑是否需要IP68的防护等级;还要考虑窨井和配对安装法兰的费用, 管径越大, 电磁流量计越贵, 配对法兰的价格也越贵, 需要开挖的窨井也会越大、越贵;开挖窨井时必须要周全考虑到窨井的尺寸, 包括设备安装前期施工作业和后期维护作业的活动空间, 即管道前、后、左、右的作业腾挪空间, 以及管道底部作业的腾挪空间, 确保管道底部的焊接、法兰底部螺丝的拆装便利。
2.2 超声波流量计
超声波流量计一般来说其安装管道的管径大小对价格的影响不大。超声波流量计通常有两种方案可选择:外夹式的不破管安装和需要破管的插入式安装。
外夹式超声波流量计, 由于不破管安装, 企业不需要停工, 所以通常是在不方便停工的应急场合使用。外夹式超声波流量计随着运行时间的增加, 管道内壁水垢会渐渐影响超声波探头的信号强度, 从而影响到超声波流量计的精度, 以至于最终会选择方案替换。外夹式超声波流量计会有周期性的维护量, 管道投用时间越久潜在的维护量就越大。另外, 还要考虑到更换超声波探头耦合剂时的便利性。所以超声波流量计厂家一般会推荐插入式安装, 企业在无法停工的情况下才会不得已选择外夹式的应用方案。插入式超声波流量计大大避免了管道内壁结垢对测量的影响, 且日后的维护量非常低。
插入式超声波流量计探头是插在管道左右两侧, 探头之间的距离会影响到窨井尺寸大小, 具体数据取决于厂家建议的安装方案 (选择Z/V/W中的一种) 。窨井尺寸设计要考虑到探头能正常插入管道所需要的作业空间长度, 一定要在管道左右留够探头插入的空间距离。
超声波流量计的特点是探头本身不怕水浸、显示控制单元在地面。其安装采用开孔连接的方式, 不需要两片大的配对法兰, 所以在选择插入式超声波流量计方案时应主要考虑设备采购成本和窨井成本。
2.3 差压式流量计
对于大管径的水流量测量, 不宜选用差压流量计的典型节流件孔板。大管径的孔板流量计成本较小管径高许多, 并且其两片法兰的价格更高, 安装成本也很不菲, 大管径情形下孔板一定不是最经济的选择。另外, 孔板的磨损很快, 使用时间越久, 精度就越差。孔板标定的国家标准, 建议半年就要做一次标定, 而在实际应用中企业往往无法做到及时标定, 所以在地下管道水流量的测量选型中一般不考虑孔板。采用差压式原理的均速管流量计, 在地下水管道测量中的应用比例并不高, 人们更习惯选择电磁和超声波, 甚至是孔板。实际上均速管流量计在地下水流量测量中的应用综合成本应该是最经济的, 只是由于其应用特点并不被用户了解, 所以通常会被忽视。
均速管流量计在地下水流量中的测量精度可以达到0.5级, 其探头在长期使用后不会存在磨损 (在小颗粒工况下通常会有6年无磨损的保质承诺) , 均速管流量计的材质也不怕窨井中各种污液的浸泡, 探头经正确安装后, 均速管本身在后期不存在任何维护量。
在地下管道流量测量中, 均速管流量计是安装在管道顶部 (OHO安装方式) , 如图1所示。
均速管流量计的窨井成本是最低廉的, 和超声波及电磁不同, 均速管的窨井成本不可能会出现高于流量计本体成本的情况。由于均速管的安装只需要在管道顶部开一个几厘米的安装孔, 所以其所需要窨井的尺寸要远远小于超声波流量计和电磁流量计, 尤其适合在管道密布纵横的工艺场合应用。
从设备的采购成本、工程施工成本, 以及后期的维护保养便利性及维护成本综合考虑, 建议采用均速管方案。
3 使用均速管流量计的注意事项
