水電站疊梁門多層取水下泄水溫公式

高學(xué)平，陳 弘，宋慧芳

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實驗室，天津 300072)

1 前言

大型水電站建成后，水庫水體溫度具有明顯的沿深度成層分布的特點(diǎn)，表層水溫和底層水溫相差很大，有時溫差值可達(dá)20℃左右［1］。以往的深層取水方式，發(fā)電時所取水體基本為水庫的深層水，水溫較低，影響下游河段的生態(tài)環(huán)境。水電站進(jìn)水口分層取水方式能實現(xiàn)有選擇地取用水庫的不同層水體，是目前采用的主要措施。

水電站進(jìn)水口分層取水方式對控制下泄水溫的效果是工程上最為關(guān)注的問題。水庫水溫分布規(guī)律是研究下泄水溫的基礎(chǔ)，目前水庫水溫分布規(guī)律的成果較多，而下泄水溫的成果相對較少。對于水電站進(jìn)水口多層取水方式的設(shè)計，需要下泄水溫的簡潔公式對進(jìn)水口的下泄水溫進(jìn)行評估，但目前還沒有這方面的研究成果。

水庫水溫分布規(guī)律的研究方法主要有模型試驗、數(shù)學(xué)模型和經(jīng)驗公式3種。試驗方面，James J．Sharp等［2］在水槽中用鹽淡兩層水體模擬水庫水溫分布，研究不同形式進(jìn)水口的取水效果。Yaser Shammaa等［3］用同樣方法，研究底層冷水在控制幕下水流流動。數(shù)學(xué)模型有較大的發(fā)展，鄧云等［4］建立了計入浮力影響的立面二維水溫模型，精細(xì)地模擬出斜溫層的形成、發(fā)展和消失，分析了水庫全年的溫度分層結(jié)構(gòu)。經(jīng)驗公式方面，在國內(nèi)外多座水庫實測資料基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［5］［6］假定水庫水溫沿水深呈指數(shù)衰減，但其不能很好的反應(yīng)出成層型水庫的垂向水溫分布特點(diǎn)。經(jīng)驗公式中具有代表性的東勘院法［7］和朱伯芳法［8］被編入水文計算規(guī)范和混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范［9］。李懷恩公式［10］以水溫分布冪函數(shù)為基礎(chǔ)，引入溫躍層中心點(diǎn)水深和水溫及分層強(qiáng)弱參數(shù)，更好地反映水庫典型的三層式分布，參數(shù)意義更加明確。水庫水溫分層取水下泄水溫也取得了一些成果，高學(xué)平等［11］直接模擬水庫的溫度分層，對糯扎渡水電站分層取水下泄水溫進(jìn)行了量測;鄧云等［12］采用寬度平均的立面二維水溫模型，預(yù)測溪洛渡電站庫區(qū)水溫及下泄水溫。

文章結(jié)合糯扎渡水電站多層取水進(jìn)水口疊梁門方案，試驗研究不同疊梁門運(yùn)行方式運(yùn)行時的下泄水溫，考慮水庫水溫垂向分布、疊梁門高度等因素，總結(jié)疊梁門多層取水方式的下泄水溫公式。

2 模型試驗研究

糯扎渡水電站工程為云南省瀾滄江中下游河段梯級規(guī)劃的第五級，堆石壩最大壩高261．5 m，總裝機(jī)容量5850 MW。水電站設(shè)9臺機(jī)組，單機(jī)單管引水，單機(jī)引用流量393 m3/s。水庫正常蓄水位812．0 m。根據(jù)環(huán)保方面的需要，為減免下泄低溫水對下游生態(tài)環(huán)境的影響，糯扎渡水電站擬采用多層取水進(jìn)水口疊梁門方案。進(jìn)水塔底板高程736 m，引水道進(jìn)口前緣寬度225 m，布置9個進(jìn)水口。每個進(jìn)水口，疊梁門共3節(jié)門葉，每節(jié)門葉高12．68 m，依次疊放，整體疊梁門高度38．04 m。疊梁門運(yùn)行方式見表1，整個擋水高度分成四擋，門葉整體擋水，擋水高程為774．04 m，為第一層取水;吊起第一節(jié)門葉，僅用第二、第三節(jié)門葉擋水，擋水高程761．36 m，為第二層取水;繼續(xù)吊起第二節(jié)門葉，僅用第三節(jié)門葉擋水，擋水高程748．68 m，為第三層取水;繼續(xù)吊起第三節(jié)門葉，無疊梁門擋水，為第四層取水。

表1 疊梁門運(yùn)行方式Table 1 The operating scheme of stoplog gates

2．1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

筆者依據(jù)水庫水溫模型試驗的相似關(guān)系［13］，建立水溫試驗?zāi)Ｐ?，即保持原型與模型的弗勞德數(shù)Fr與密度弗勞德數(shù)Fd相等。

綜合考慮相似關(guān)系及水溫加熱能力，選定模型幾何比尺λl=100(原型量/模型量)。流量比尺λQ=λ5/2l=105。水溫分布溫差比尺λΔT=1。模型模擬部分庫區(qū)和三個進(jìn)水口。進(jìn)水口包括攔污柵槽、檢修閘門、疊梁門、工作閘門、事故閘門、收縮段、部分引水管段等。模型長20 m，寬2 m，高0．8 m，其中水庫段長14 m，模型布置如圖1所示。

2．2 水溫模擬與量測

采用分層加熱法進(jìn)行水庫水溫分布的模擬。根據(jù)原型水庫水溫分布的特點(diǎn)，將其分為3～4層，如圖1所示;確定各層的溫差，根據(jù)各層的溫差，分別在對應(yīng)的加熱池對水體進(jìn)行加熱至所需溫度;將各加熱池水體由下至上依層注入模型，靜置后，形成符合溫差要求且穩(wěn)定的垂向水溫分布。試驗時開啟進(jìn)水口，控制下泄流量，利用水溫采集系統(tǒng)，實時監(jiān)測庫內(nèi)水溫分布，量測各進(jìn)水口的下泄水溫。

圖2給出了原型水庫水溫分布(目標(biāo)水溫)和試驗?zāi)M形成的水溫分布(模擬水溫)的比較，二者吻合較好，說明試驗較好地模擬了原型水庫水溫分布。

圖1 試驗?zāi)Ｐ筒贾脠DFig．1 The layout of experimental model

圖2 目標(biāo)水溫與模擬水溫(3月和8月)Fig．2 The actual and simulated water temperature(March and August)

依據(jù)糯扎渡各典型年水庫水溫分布資料(糯扎渡水電站分層取水水溫預(yù)測數(shù)值分析報告，中國水利水電科學(xué)研究院，2008)，保持某一月份水庫水溫分布和水位不變，變化疊梁門高度(3節(jié)門葉擋水，2節(jié)門葉擋水，1節(jié)門葉擋水，參見表1)，量測各工況下的下泄水溫，研究疊梁門高度對下泄水溫的影響。表2給出了其中典型平水年下泄水溫試驗數(shù)據(jù)。

表2 典型平水年下泄水溫試驗結(jié)果Table 2 The experimental results of temperature of water released in a typical normal year℃

3 下泄水溫公式

在各典型年下泄水溫試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合進(jìn)水口前流速分布特征，分析進(jìn)水口不同運(yùn)行工況(疊梁門高度不同)所取水體的范圍，以及水庫水溫分布、疊梁門高度和下泄水溫之間的關(guān)系，建立下泄水溫預(yù)測公式。

3．1 取水范圍的確定

取水范圍包括門頂以上部分和門頂以下部分，如圖3所示。依據(jù)3節(jié)門葉擋水，2節(jié)門葉擋水，1節(jié)門葉擋水3種工況下，根據(jù)門頂以上取水層厚度與門頂水頭，門頂以下取水層厚度與門頂水頭的數(shù)據(jù)，利用多項式擬合得出以下關(guān)系:其中，h為門頂水頭(適用范圍在37．96～63．32);d上為門頂以上取水層厚度;d下為門頂以下取水層厚度。已知門頂水頭h，則由公式(1)和(2)可以確定取水范圍。

圖3 取水范圍示意Fig．3 The schematic diagram of withdrawal region

3．2 下泄水溫預(yù)測

將取水范圍等分為10層，用每層的水庫水溫乘上該層所占的權(quán)重，得到下泄水溫公式:

式(3)中，Ti為取水范圍內(nèi)自上而下每層的水溫;αi為相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，與疊梁門運(yùn)行方式、流量和水溫分布有一定關(guān)系。依據(jù)各工況的試驗數(shù)據(jù)，權(quán)重系數(shù)αi經(jīng)回歸曲線擬合得到:

式(4)中，xi為每層水體的深度與門頂水頭之比?？衫檬?4)求出10個權(quán)重。

4 下泄水溫公式的應(yīng)用

為說明下泄水溫公式的應(yīng)用，對錦屏一級水電站下泄水溫進(jìn)行估算。錦屏一級水電站最大壩高305 m，是雅礱江干流中下游河段的控制梯級電站。水電站進(jìn)水口采用多層取水疊梁門方案，疊梁門整個擋水高度分為四檔，當(dāng)水庫水位在1842．00 m以上時，門葉整體擋水，門頂高程為1814 m;水庫水位1842．00～1828．00 m 時，吊起第一節(jié)門葉，第二、三節(jié)門葉擋水，門頂高程為1807．00 m;水庫水位1828．00 ～1814．00 m 時，吊起第二節(jié)門葉，第三節(jié)門葉擋水，門頂高程為1793．00 m;水庫水位在1814．00 m以下時，吊起第三節(jié)門葉，無門葉擋水。

以錦屏一級平水年1月3節(jié)門葉擋水工況為例，說明公式的應(yīng)用。平水年1月水位為1870．91 m，門頂水頭為56．91 m，根據(jù)門頂水頭，由公式(1)和公式(2)確定取水范圍，門頂以上取水層厚度為32．52 m，門頂以下取水層厚度為7．78 m，得到取水范圍1806．23～1846．52 m。而后將取水層劃分為10層，依據(jù)水溫預(yù)測公式(3)得到下泄水溫為8．95 ℃，與試驗測得8．73 ～9．01 ℃，基本吻合。表3給出了典型工況下泄水溫公式計算結(jié)果以及試驗結(jié)果的比較，二者差值小于1℃。表中試驗數(shù)據(jù)取自雅礱江錦屏一級水電站分層進(jìn)水口水溫模型試驗研究。

應(yīng)當(dāng)指出，對門頂水頭超出公式(1)和(2)適用范圍的工況將無法得到合理的預(yù)測結(jié)果，例如，平水年4月1節(jié)門葉擋水工況，門頂水頭37．76 m不在公式適用范圍，公式計算值較試驗值相差3℃，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

表3 錦屏一級水電站下泄水溫公式計算值Table 3 Estimated value of temperature of water released in Jinping No．1 Hydropower Station

5 結(jié)語

1)針對糯扎渡水電站多層取水進(jìn)水口疊梁門方案，試驗研究不同疊梁門運(yùn)行方式運(yùn)行時的下泄水溫，考慮水庫水溫垂向分布和疊梁門運(yùn)行方式等因素，提出了疊梁門多層取水方式的下泄水溫公式。

2)利用所提出的下泄水溫公式對錦屏一級電站進(jìn)水口的典型工況的下泄水溫進(jìn)行了估算，并與物理模型試驗結(jié)果進(jìn)行了比較，二者基本吻合。

3)所提出的下泄水溫公式可用于類似水電站進(jìn)水口下泄水溫的估算。但該下泄水溫公式是在一個實際工程的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得出的，公式中的權(quán)重系數(shù)αi是在一定流量、疊梁門取水方式、疊梁門位置等因素下得出的，有一定的局限性。在公式的適應(yīng)范圍、計算精度等方面還有待進(jìn)一步完善。

［1］黃永堅．水庫分層取水［M］．北京:水利電力出版社，1986．

［2］James J Sharp，Parchure T M，Guo Z R．Selective withdrawal through an intake fitted with a collar［J］．Journal of hydraulic engineering，1996(12):683 －686．

［3］Yaser Shammaa，David Z Zhu．Experimental study on selective withdrawal in a two－layer reservoir using a temperature－control curtain［J］．Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，2010，136(4):234－246．

［4］鄧 云，李 嘉，羅 麟．河道型深水庫的溫度分層模擬［J］．水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2004，A 輯，19(5):604－609．

［5］劉仲桂．水庫水溫與水稻豐產(chǎn)灌溉［M］．北京:水利電力出版社，1985．

［6］中華人民共和國水利電力部標(biāo)準(zhǔn)．水利水電工程水文計算規(guī)范(SDJ－214－83)附錄五水庫水溫分析與計算［S］．2002．

［7］張大發(fā)．水庫水溫分析及估算［J］．水文，1984(1):19－27．

［8］朱伯芳．庫水溫度估算［J］．水利學(xué)報，1985，16(2):12－21．

［9］蔣 紅．水庫水溫計算方法探討［J］．水力發(fā)電學(xué)報，1999，18(2):60－69．

［10］李懷恩．分層型水庫的垂向水溫分布公式［J］．水利學(xué)報，1993，24(2):43 －49．

［11］高學(xué)平，陳 弘，王鰲然，等．糯扎渡水電站多層進(jìn)水口下泄水溫試驗研究［J］．水力發(fā)電學(xué)報，2010，29(3)，126 －131．

［12］鄧 云，李 嘉，李 然，等．水庫調(diào)度對溪洛渡電站下游水溫的影響［J］．四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版)，2006，38(5):65－69．

［13］高學(xué)平，趙耀南，陳 弘．水庫分層取水水溫試驗?zāi)Ｐ拖嗨评碚摚跩］．水利學(xué)報，2009，40(11):1374－1380．