水電站漂浮物堆積形態(tài)模擬方法探討

吳時強,童中山,周 輝,吳修鋒

(1.南京水利科學研究院,江蘇南京 210029;2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210029)

我國大多數(shù)河床式徑流水電站進口攔污柵前都堆積著大量的漂浮物,這些漂浮物的存在增加了電站進口的水頭損失,嚴重干擾機組的正常運行,影響其發(fā)電效率,特別是在水量豐沛的洪水期,機組因污物堵塞而不能滿負荷工作,經(jīng)濟損失巨大。如沙溪口水電站因污物造成的年電能損耗就達2.4×107kW?h。此外,大量漂浮物囤積在電站進口,加大了攔污柵承受的荷載,對攔污柵的安全運行構(gòu)成較大的威脅,同時也影響庫區(qū)環(huán)境美觀,造成庫區(qū)水域水質(zhì)惡化。因此水電站漂浮物綜合治理是河床式徑流電站所面臨的一個難題。

目前水電站進水口處污物的處置方法主要有人工或機械清理、水電站調(diào)度運行、通過泄水建筑物排向下游、設置導漂系統(tǒng)(如攔污排)等,這些方法各有其適用范圍和缺陷,無法十分有效地解決水電站漂浮物帶來的問題[1-2]。

庫區(qū)漂浮物運動及其堆積形態(tài)往往會影響其處置方式選擇及其效果,因此通常利用水工模型試驗來預測庫區(qū)漂浮物的堆積形態(tài),比選處置方式,評價漂浮物處置效果。但由于庫區(qū)漂浮物種類復雜、形態(tài)各異、大小不一,其運動狀況千差萬別,漂浮物運動、堆積及其相互作用機理尚難以準確描述,要完整地模擬漂浮物堆積形態(tài)非常困難[3]。因此在模擬庫區(qū)漂浮物堆積形態(tài)時,只能抓住漂浮物的主要特征加以模擬。本文結(jié)合沙溪口水電站,探討漂浮物的運動規(guī)律和堆積形態(tài)模擬方法,提出相應的模型相似準則。

1 水電站漂浮物運動特性分析

漂浮物運動與水庫內(nèi)水流運動特別是表層水流運動狀態(tài)緊密相連。但由于漂浮物種類和形狀各異,漂浮物運動與水流運動不可能完全一致,因此這里僅就代表性的漂浮物運動特征進行說明。觀察表明,在河流及水庫中漂浮物輸送呈明顯的帶狀分布,漂浮物運動方向與水流的主流方向較為一致,大多數(shù)漂浮物沿水流主流方向運動。

主要的漂浮物隨主流運動可從理論上加以解釋。從明渠水流運動特性分布可知,受邊界阻力影響,水流在平面上分布一般是中部流速大、兩側(cè)流速較小。圖1為漂浮物隨水流運動位置示意圖。當漂浮物B面的水流速度大于A面的水流速度(uB＞uA)時,流速較小的漂浮物A面水流壓力大于流速較大的B面水流壓力,漂浮物在向前運動過程中,A,B 2個面之間存在一個壓力差,該壓力差將漂浮物推向主流一邊,即漂浮物隨水流運動一段時間后,逐漸會隨主流一起運動。

圖1 漂浮物隨水流運動示意圖

由于漂浮物有隨主流一起運動的趨勢,所以在模型試驗時,只要水流流態(tài)能夠得到正確的模擬,基本上就可模擬漂浮物的運動特性。

單個漂浮物運動受到浮力、水流拖曳力、慣性力、阻力和撞擊力的綜合作用。根據(jù)牛頓運動基本定律,可列出基本方程:

垂直方向

水平方向

式中:F上為漂浮物所受的浮力;G重力為漂浮物所受重力;m為漂浮物質(zhì)量;a上為漂浮物垂向加速度;a水為漂浮物水平加速度。

在垂直方向,漂浮物僅受水流作用而上下波動;在水平方向,漂浮物運動較為復雜。圖2為漂浮物運動受力分析示意圖。如圖2所示,漂浮物運動特性關(guān)鍵受漂浮物水平方向合力控制,漂浮物受到的水流力與水流速度及方向有關(guān)。在復雜的水庫水流運動中,主流常發(fā)生隨機變化,可導致漂浮物受力的改變,從而影響其運動軌跡的變化。

圖2 漂浮物運動受力分析示意圖

當漂浮物運動速度為零時,即漂浮物固定,此時水流以流速為U2的速度從漂浮物周圍繞過,漂浮物對水流產(chǎn)生阻力,假定漂浮物綜合阻力系數(shù)為Cd,則漂浮物受到的水流力為

式中:A為漂浮物水下與水流方向垂直的面積;ρ為水的密度。

當漂浮物運動速度為U1時,漂浮物受到的水流力為

漂浮物受到的水流力與速度差(U2-U1)有關(guān),如果水流速度大于漂浮物運動速度,即U2-U1＞0,則水流對漂浮物產(chǎn)生推力,使得漂浮物運動速度增加;如果U2-U1＜0,則產(chǎn)生方向相反的阻力,使得漂浮物運動速度降低;如果U2-U1=0,則漂浮物跟隨水流一起運動。總體上,漂浮物運動速度應與水流的運動速度基本一致,也就是說漂浮物運動具有較好的水流跟隨性[2]。

2 漂浮物模擬相似性分析

有關(guān)漂浮污染物在庫區(qū)運動特性及壩前堆積形態(tài)方面的研究成果至今尚不多見[3-5],采用水工模型模擬漂浮物運動特性時,缺乏漂浮物運動模擬的相似準則[6-7]。為此,這里定性分析漂浮物模型試驗的相似律問題。

2.1 水流運動相似

庫區(qū)內(nèi)漂浮物隨水流運動,水流是漂浮物運動的載體,因此模型設計首先要滿足水流運動相似要求。對于按重力相似和阻力相似設計的正態(tài)水工模型,一般都能夠滿足水流運動相似要求。

2.2 漂浮物運動相似

漂浮物模擬通常是水流模擬的延伸,主要集中在2個過程:①漂浮物流動和堆積形態(tài);②漂浮物堆積引起的結(jié)構(gòu)荷載。

除了與水流相關(guān)的力以外,漂浮物運動和堆積還涉及單個漂浮物和堆積漂浮物的質(zhì)量和作用于漂浮物上的水動力。對于寬闊水體,如湖泊、水庫和大河流,應該考慮風作用在漂浮物和水面上的力。漂浮物堆積的承受力和變形特性對于堆積厚度是重要的,在一些情況下,單個漂浮物的承受力和變形特性也是重要的,因此要完全模擬漂浮物運動是難以達到的。從前面分析可見,漂浮物具有很好的水流跟隨性,基于此來推導其相似準則。

庫區(qū)漂浮物的種類繁多,漂浮物密度及漂浮程度不盡相同,有的密度較小,幾乎完全浮在水面,例如泡沫塑料制品等,有的半沉半浮,例如長期受水浸泡的木材;漂浮物的尺度相差也很大,形態(tài)各異,大小不一;運動形態(tài)也不相同,有的單獨運動,如大一點的木材,有的一片一片地集聚而行,如雜草、水浮蓮等。壩前漂浮物種類及數(shù)量的隨機性較強,目前尚缺乏完整的原體觀測統(tǒng)計資料。所以要真實地模擬漂浮物運動十分困難,只能選擇一些比較典型的漂浮物加以模擬,其相似性主要考慮以下4個方面。

2.2.1幾何相似

模型中漂浮物運動與原體相似,要求模型中漂浮物的大小和形狀滿足幾何相似。

2.2.2漂浮度相似

漂浮度取決于重力與浮力,與流體的密度有關(guān),只要保證原體與模型的密度相同,即模型與原體選用同樣的材料,同時滿足漂浮物幾何相似,就能保證漂浮物的漂浮度相似。

浮力可通過一個密度FrD數(shù)來計及,定義 FrD為漂浮物慣性力與浮力之比:式中:U為漂浮物漂浮速度(對于表面漂浮物,可認為與水流速度相同);ρd為漂浮物密度;g為重力加速度;L為漂浮物特征長度。

漂浮物運動的相似準則為

式中:(FrD)r為 Fr數(shù)比尺;Ur為流速比尺為密度差比尺為長度比尺。

2.2.3漂送強度相似

設ΔT時間內(nèi)漂浮物的總量為ΔW,漂送強度為N件/s,每件體積為 V,密度為 ρs,則 ΔT時間內(nèi)漂浮物的總量為式中:Nr為漂送強度比尺;tr為時間比尺;Lr為長度比尺。

式(8)表明,模型中單位時間投放的漂浮物件數(shù)應為原體件數(shù)的倍。

2.2.4水流拖曳力和表面張力等的模擬

為了模擬作用于單個漂浮物上的水流拖曳力、表面張力和慣性力,需要原型和模型有相同的拖曳力、表面張力和附加質(zhì)量的水動力系數(shù),而這些系數(shù)的相似性在一個模型中不可能完全滿足。但如果關(guān)注的是漂浮物整體流動特性及堆積形態(tài),則沒有必要要求所有系數(shù)都滿足相似要求。例如,拖力的計算公式為式中:CD為與ReD、漂浮物的形狀和粗糙度、流動紊動強度、相鄰邊界接近程度有關(guān)的拖力系數(shù)(ReD為與漂浮物周圍水流相關(guān)的 Reynolds數(shù),ReD=,其中ud為漂浮物流動速度,l為特征長度,ν為動力黏性系數(shù));AU為漂浮物在垂直于U方向上的投影面積。

水流舉力(與拖力垂直方向的力)可導得類似的表達式。嚴格的相似準則為

式中:CL為舉力系數(shù);CM為增加質(zhì)量系數(shù)。

用同一個模型比尺很難同時滿足式(10),如果采用幾何變態(tài)模型,要滿足式(5)也是非常困難的。在大多數(shù)情況下,由于漂浮物尺度不一,形狀不同,粗糙度變化大,這些困難可以得到緩解,因此CD,CL和CM準確模擬也是不必要的。

在大尺度水域,風拖力是漂浮物流動和堆積的一個主要因素,它產(chǎn)生推動漂浮物的水流和波浪,直接拖動漂浮物。對風拖力和水流拖力給定同樣的相似準則,就像模擬水流拖力一樣,同樣難以模擬風拖力。在模型中難以用氣流來模擬風拖力,大多數(shù)風洞尺度太小,無法容納常規(guī)的模型尺度,在模型中模擬恒定風速場也是十分困難的。

2.3 漂浮物堆積形態(tài)相似

漂浮物在隨水流運動的過程中,其運動的動力來自于水流作用力,當水流流速較大時,一般認為漂浮物與水流運動基本一致,此時水流的推力是漂浮物運動的主要動力源。

漂浮物堆積形態(tài)可處理成單一整體或一個特殊的聯(lián)結(jié)體,單個漂浮物與整個堆積體尺度相比很小。此時,作用于堆積體上的外力包括水流對堆積體的拖曳力,在堆積體形成過程之中,當堆積體之間內(nèi)力小于外力時,堆積體就會失穩(wěn),出現(xiàn)組成堆積體的漂浮物之間相互擠壓重疊,使得堆積體不斷加厚,內(nèi)力也不斷增大,當內(nèi)力增大到能抵抗外力時,堆積體的厚度不再增加,從而形成穩(wěn)定的堆積體。漂浮物的相互擠壓增加了堆積的厚度,也可使堆積形狀發(fā)生變化。因此,堆積形狀的模擬需要模擬堆積漂浮物的強度和變形特性參數(shù),在許多情況下,只能近似估算這些值。

單個漂浮物與堆積體相比尺寸很小,當堆積的漂浮物或多或少地作為連續(xù)體時,可以用摩擦內(nèi)角φ來描述強度和變形,阻力內(nèi)角描述了受壓或剪切的漂浮物的連接和摩擦阻力,其相似準則是

式(11)要求在進行漂浮物堆積形態(tài)試驗時須選用同樣的試驗材料,并采用正態(tài)模型。

當漂浮物相對堆積體尺度較大時,單個漂浮物強度特性也必須考慮。對于線形漂浮物(如木頭),彎曲強度是重要的。對于塊狀漂浮物(例如集聚的雜草),壓縮強度是重要的,這些特性很難量化。

在一個大面積水域,模擬漂浮物堆積形態(tài)需要利用幾何變態(tài)模型,垂向比尺變態(tài)應不會明顯影響到漂浮物二維流動及水流流動特性。在給定的模型比尺條件下,漂浮物模擬需要進行概化處理,不能完全是原體漂浮物尺度和形狀上的準確模擬,漂浮物允許垂向尺度的變形,但需要分析可接受的垂向變形限度。如果需要保證水流輸運漂浮物三維特性,則要求正態(tài)模型或適度變率的變態(tài)模型。

堆積物力平衡分析[3]描述了堆積厚度變形的效果,并顯示假定一個強度指數(shù),例如阻力內(nèi)角,在原型和模型上近似一致,那么在適度變率的變態(tài)模型中可模擬等效的堆積厚度。從這一點看,漂浮物的堆積形態(tài)模擬是非常復雜的,與漂浮物的性質(zhì)有關(guān),在正態(tài)模型中堆積形態(tài)會有一定的失真。

2.4 模擬材料相似

庫區(qū)漂浮物的種類繁多、形態(tài)各異、大小不一,其運動狀況千差萬別。模型試驗中,按相似條件對各種漂浮物進行真實模擬非常困難。因此,在選擇漂浮物模擬材料時,只能考慮其主要特性和影響因素。實際工程中,庫區(qū)漂浮物大多由雜草、樹枝、樹葉、泡沫塑料等組成的,在模型中可以直接采用木材和泡沫塑料作為模擬材料,但要恰當選取單個試驗材料的形狀和大小,使其在水流中運動時具有良好的跟隨性,并能避免表面張力的影響。

綜合上述分析,可以知道漂浮物運動特性的模擬一般要求正態(tài)模型,而堆積形態(tài)的模擬需要適度變率的變態(tài)模型,但是由于漂浮物堆積受力條件極難準確模擬,因此漂浮物堆積形態(tài)模擬無法完全達到,目前漂浮物運動特性的模擬以及堆積形態(tài)的模擬采用正態(tài)模型較合適。

3 沙溪口水電站漂浮物運動模型設計

沙溪口水電站為河床徑流式電站,以發(fā)電為主,電站裝機容量為4×75MW,機組流量為1050m3/s。擋水建筑物采用混凝土重力壩形式,壩頂高程93.0m,最大壩高45.0m,壩頂長度628.0m,溢流壩長317.0m,河床中部共設有17個表孔溢流壩,表孔堰頂高程為74.30m,弧形閘口控制流量,最大過流能力為26300.0m3/s。

沙溪口水電站集水區(qū)水土保持及環(huán)境治理情況較差,每年汛期都有大量的漂浮物隨流而下,匯集于壩前。發(fā)電過程中,這些漂浮物吸附在進水口攔污柵上,造成攔污柵嚴重堵塞,最嚴重時柵前、柵后水位差達7m,大大超過3m的安全水位差,不僅影響了機組的正常出力,還嚴重威脅著攔污柵及機組的安全運行,為此需建一個導漂裝置來減少漂浮物堆積體。為了驗證導漂裝置攔截漂浮物的效果,需要進行物理模型試驗。

根據(jù)沙溪口水電站庫區(qū)水流及漂浮物實際情況,采用正態(tài)模型模擬,模型幾何比尺Lr=70。漂浮物模擬材料采用密度與漂浮物相近的泡沫塑料和木條2種模型材料,比較不同模擬材料的運動特性及堆積形態(tài)的差異[2]。

4 模型試驗結(jié)果分析

為了檢驗漂浮物運動規(guī)律模擬的相似性,選擇電站4臺機滿負荷發(fā)電、溢流壩不過流條件來分析漂浮物堆積形態(tài)。圖3為模擬材料采用泡沫塑料時漂浮物在庫區(qū)隨水流運動及壩前堆積過程。從水流流場測量可知,由于只有發(fā)電水流,溢流壩前沒有水流流動,主流在壩前1000m處開始逐漸偏向右岸,左側(cè)存在強度較低的大回流區(qū)。圖3(a)、圖3(b)顯示漂浮物隨主流一起運動,主流區(qū)漂浮物首先運動到大壩前沿;圖3(c)顯示漂浮物在壩前100m處開始有明顯的堆積,而后漂浮物越來越多,不斷堆積;圖3(i)顯示由于模型中施放的漂浮物有限,流速較大的主流區(qū)域漂浮物已基本堆積到壩前,而流速較小的左側(cè)區(qū)域漂浮物仍繼續(xù)向前運動;圖3(l)為最終堆積形態(tài),此時漂浮物堆積在發(fā)電站進水口前100m左右的水域,由于右側(cè)存在一回流區(qū),部分漂浮物隨回流水一同運動。堆積過程顯示漂浮物運動與水流運動相一致,這說明按重力相似準測設計模型模擬漂浮物運動規(guī)律是較為合理的。同時與原體漂浮物堆積形態(tài)相比(圖4),可見模型與原體的堆積形態(tài)是相似的。但由于庫區(qū)流態(tài)復雜,不同的模擬材料最終會產(chǎn)生不同的堆積形態(tài),為此比較不同模擬材料對堆積形態(tài)的影響。

圖5是模擬材料分別為泡沫塑料和木條時壩前最終的漂浮物堆積形態(tài)。表1為不同模擬材料堆積形態(tài)的試驗結(jié)果。由表1可知,相同的試驗工況下,選擇不同的模擬材料,漂浮物堆積形態(tài)有很大差異。由于木條密度在0.8 t/m3左右,而泡沫塑料密度僅0.05t/m3,木條的吃水深度遠大于泡沫塑料的吃水深度。所以同樣水流條件下,作用在木條上的水流力遠大于作用在泡沫塑料上的水流力,木條在水流力作用下擠壓重疊,通過內(nèi)力的調(diào)整形成穩(wěn)定的堆積形態(tài),而泡沫塑料受到的水流力較小,不能有效地擠壓密實,在水流條件稍有變化時,堆積形態(tài)隨之發(fā)生變化。

圖3 庫區(qū)漂浮物運動及堆積過程

圖4 沙溪口水電站進水口前漂浮物堆積

圖5 漂浮物最終堆積形態(tài)

表1 不同材料在相同試驗工況時的堆積特性比較

模型試驗觀測表明,壩前的漂浮物一般都能運動到大壩的前沿,當壩前的回流較弱時,漂浮物一般不能在回流區(qū)運動。泡沫塑料模擬的堆積體只要稍受水流作用即散漂離開大壩前沿,不能形成穩(wěn)定的堆積體,主要原因是泡沫塑料密度較輕,水流跟隨性較差,極易受表面張力的影響,而且泡沫塑料具有互拆性,不宜聚在一起。因此,與原體漂浮物的運動和堆積相比,采用木條作為模擬材料時,模型的漂浮物堆積形態(tài)更接近實際情況。

5 結(jié) 語

水電站漂浮物模擬技術(shù)尚未成熟,本文在分析論證漂浮物具有隨水流運動特性的

圖5 GMS三維地質(zhì)實體模型切割剖面圖

式中:V為庫容,m3;μi為第i個蓄水體的重力給水度;V*i為第i個蓄水體的體積,m3;n為不同巖性的蓄水體個數(shù)。

總之,從含水層條件、地下水補給水源、地下水庫調(diào)蓄空間、地下水開采條件等方面綜合分析可知,建立地下水庫從而進行水資源多年調(diào)節(jié)及開發(fā)利用是可行的。

3.4 情景模擬分析

根據(jù)含水層特征參數(shù),以2002～2006年觀測水位數(shù)據(jù)建立地下水流數(shù)值模擬模型,利用GWMS軟件進行參數(shù)識別、模型驗證后,利用上述地表水與地下水聯(lián)合開發(fā)的思路,設置不同的情景,模擬地表水與地下水聯(lián)合利用的可行性及分析可能出現(xiàn)的問題。

以不同的開采規(guī)模為情景進行模擬分析,結(jié)果表明:以10萬m3/d的規(guī)模持續(xù)開發(fā)不會引起環(huán)境問題,開采穩(wěn)定后形成約6km2的地下水位降落漏斗,漏斗中心水位埋深約13m;若考慮為城市應急供水,分別以25萬m3/d,40萬m3/d,50萬m3/d這3種開采規(guī)模模擬,其持續(xù)應急供水時間可分別達到12個月、6個月及4個月。

4 結(jié) 語

a.受氣候、地形等因素綜合影響,在北方小流域采用地表水與地下水聯(lián)合開發(fā)的模式開發(fā)利用水資源具有較高的可行性。既能較充分地利用地表水資源,又能利用含水層的天然調(diào)蓄功能實現(xiàn)水資源的多年調(diào)節(jié),對區(qū)域的穩(wěn)定供水有較大的現(xiàn)實意義。

b.地表水與地下水聯(lián)合開發(fā)模式在沈陽市遼河支流長河-羊腸河流域內(nèi)可行,可持續(xù)提供10萬m3/d的可供水量,在應急狀態(tài)下可提供更為可觀的供水量,能夠保障當?shù)爻鞘械膽惫┧踩?/p>

c.北方小流域受污染情況較為嚴重,尤其是流域內(nèi)地表水污染已經(jīng)影響當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。人工濕地等水生態(tài)修復措施不僅對小流域生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義,而且對地表水與地下水聯(lián)合開發(fā)的水源水質(zhì)提供保障。未來可加大利用生態(tài)修復對水質(zhì)改善程度的實證研究。

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