大型分層取水電站進(jìn)口水力學(xué)研究進(jìn)展

段文剛，王才歡，杜 蘭，薛阿強(qiáng)

(長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010)

1 研究背景

大型水庫(kù)建成運(yùn)行后，水體溫度具有明顯的沿深度成層分布的特點(diǎn)。水庫(kù)上層為表溫層，夏季水體與空氣直接進(jìn)行熱交換，水溫接近氣溫;下層為深水層，水溫變化小，常年維持在較穩(wěn)定的低溫狀態(tài)。大型水庫(kù)表層水溫和底層水溫最大溫差可達(dá)20°左右。常規(guī)電站進(jìn)水口為單層進(jìn)水口，由于水庫(kù)運(yùn)用水位變幅較大，考慮到進(jìn)水口不出現(xiàn)有害漩渦的淹沒(méi)深度要求，其進(jìn)水口高程一般較低。電站下泄的水溫通常低于建壩前的天然河道水溫，從而對(duì)下游河道的生態(tài)系統(tǒng)造成影響。如新安江水庫(kù)建成后，下游河道水溫降低，影響?hù)~(yú)類(lèi)的繁殖和生長(zhǎng)，鰣魚(yú)產(chǎn)量顯著減少。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，公眾對(duì)生態(tài)環(huán)保的需求越來(lái)越高。為了降低大型水庫(kù)水溫分層帶來(lái)的危害，避免下泄低溫水對(duì)下游河道珍稀魚(yú)類(lèi)繁殖和農(nóng)作物灌溉的不利影響，電站分層取水勢(shì)在必行，且目前已成為學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)施的熱點(diǎn)。由于投資相對(duì)較小，對(duì)庫(kù)水位變化適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)行操作靈活，疊梁門(mén)分層取水廣泛應(yīng)用于大型電站進(jìn)口設(shè)計(jì)［1－4］。目前中國(guó)的高壩電站分層取水基本采用疊梁門(mén)結(jié)構(gòu)布置，部分大型分層取水電站實(shí)施見(jiàn)表1。分層取水電站進(jìn)水口主要由攔污柵段、疊梁門(mén)段、喇叭口段、閘門(mén)段和漸變段等組成(見(jiàn)圖1)。

表1 國(guó)內(nèi)部分大型分層取水電站實(shí)施情況Table 1 Cases of multi-level water intake for large hydropower station in China

圖1 分層取水電站進(jìn)水口和疊梁門(mén)布置示意圖Fig.1 Layout of multi-level water intake and stoplog gate of hydropower station

疊梁門(mén)分層取水原理:根據(jù)庫(kù)水位變化調(diào)整疊梁門(mén)節(jié)數(shù)(高度)，以保證發(fā)電引用水主要來(lái)自疊梁門(mén)門(mén)頂高程以上的水體，有效減少水庫(kù)底層低溫水流的下泄，從而提高電站下泄水溫。已有的研究成果表明，通過(guò)疊梁門(mén)的分層取水作用，上游門(mén)頂高程以上水流流速大，下泄水流主要來(lái)自門(mén)頂高程以上的水體即水庫(kù)表層水。疊梁門(mén)門(mén)頂高程根據(jù)滿(mǎn)足下泄水溫和進(jìn)水口水流條件的要求確定，用疊梁門(mén)擋住水庫(kù)中下層低溫水，水庫(kù)表層水通過(guò)取水口疊梁門(mén)頂部進(jìn)入機(jī)組引水流道。其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)不同庫(kù)水位及水溫要求來(lái)調(diào)節(jié)取水高度，運(yùn)行靈活。

貴州光照和浙江灘坑水電站是我國(guó)最早建成的采用疊梁門(mén)方式實(shí)施分層取水的大型電站［5－7］，光照水電站于2007年9月建成分層取水進(jìn)水口，同年12月下閘蓄水。疊梁門(mén)分層取水實(shí)施開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)大型水電工程通過(guò)工程措施解決環(huán)境保護(hù)難題的先河，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)水電站建設(shè)領(lǐng)域環(huán)保事業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。研究表明，光照電站采用分層取水方案以后，水庫(kù)全年平均下泄水溫為14.6℃，比常規(guī)取水方案提高3.1℃，汛期下泄低溫水恢復(fù)距離最大比常規(guī)取水方案縮短180km(發(fā)生在7，8月份)，水溫恢復(fù)效果明顯。

2 研究現(xiàn)狀與實(shí)施進(jìn)展

分層取水作為調(diào)控下泄水溫、減緩下游水生態(tài)影響的有效措施，在國(guó)內(nèi)外有較多研究成果和應(yīng)用實(shí)踐，迄今世界各國(guó)仍在致力于各種不同型式分層取水裝置的研究和設(shè)計(jì)。

20世紀(jì)50，60年代，美國(guó)即開(kāi)展了水庫(kù)分層取水設(shè)計(jì)和研究工作。1969年頒布的《環(huán)境保護(hù)法》明確要求，在修建分層取水設(shè)施前應(yīng)開(kāi)展環(huán)境影響研究，以確保工程實(shí)施后的環(huán)境效益和效果。美國(guó)先后對(duì)沙斯塔、餓馬、格蘭峽等電站進(jìn)水口分別進(jìn)行了疊梁門(mén)分層取水的研究和改建工作［8－10］，運(yùn)行實(shí)踐表明，電站下泄水溫有所改善，下游河流生態(tài)環(huán)境得到一定程度的修復(fù)。

早在20世紀(jì)40年代，日本針對(duì)水庫(kù)下泄低溫水問(wèn)題建造了分層取水建筑物，在二戰(zhàn)后分層取水得到了廣泛推廣并取得了不錯(cuò)的效果，日本所興建的分層取水結(jié)構(gòu)已被國(guó)際大壩會(huì)議環(huán)境特別委員會(huì)作為典型工程推薦。

我國(guó)從20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始在一些中小型水庫(kù)中采用分層取水建筑物，主要用于提高灌溉水溫。21世紀(jì)以后隨著國(guó)內(nèi)高壩大庫(kù)的不斷增多，以下游生態(tài)保護(hù)和農(nóng)業(yè)灌溉為目標(biāo)的大型水庫(kù)分層取水措施研究成為重點(diǎn)，總的來(lái)說(shuō)，分層取水措施的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和效果評(píng)估研究在國(guó)內(nèi)尚處于初級(jí)水平，需要在分層取水結(jié)構(gòu)型式、施工方便性、操作簡(jiǎn)易性、運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面開(kāi)展深入系統(tǒng)的科學(xué)研究。目前電站分層取水研究重點(diǎn)主要包含:分層取水下泄水溫預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)、進(jìn)口流速流態(tài)和漩渦特性、進(jìn)口段水頭損失、疊梁門(mén)動(dòng)水壓力及機(jī)組甩負(fù)荷對(duì)其附加沖擊力等，研究手段主要側(cè)重于水工模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算。

2.1 下泄水溫預(yù)測(cè)研究

電站分層取水下泄水溫預(yù)測(cè)是評(píng)價(jià)分層取水措施效果的重要依據(jù)和制約條件，分層取水建筑物運(yùn)行對(duì)下游生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)效果，對(duì)于生態(tài)環(huán)境友好型工程的建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。這方面開(kāi)展研究較多，下泄水溫預(yù)測(cè)多倚重?cái)?shù)值模型計(jì)算成果，部分工程進(jìn)行了數(shù)模和物模的對(duì)比研究。

高學(xué)平等［11］利用三維數(shù)值模型，研究了糯扎渡水電站進(jìn)水口分層取水下泄水溫變化。認(rèn)為進(jìn)水口疊梁門(mén)分層取水對(duì)提高下泄水溫有較為明顯的作用，下泄水溫提高的幅度，不僅取決于疊梁門(mén)的高度，還取決于水庫(kù)水溫垂向分布。同時(shí)，高學(xué)平等［12］進(jìn)行糯扎渡水電站分層取水進(jìn)水口疊梁門(mén)水工模型試驗(yàn)，考慮水庫(kù)水溫垂向分布因素，提出了疊梁門(mén)分層取水方式的下泄水溫公式。

柳海濤等［13］對(duì)錦屏一級(jí)水電站分層取水進(jìn)行水溫物理模型試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)上游來(lái)流分層加熱，獲得穩(wěn)定的流速與水溫邊界，定量研究不同運(yùn)行工況下進(jìn)水口下泄水溫的影響變化。試驗(yàn)表明，在下泄水溫偏低的3—5月，放置2層疊梁門(mén)可使下泄水溫上升2℃左右，接近天然水溫，有利于下游生境恢復(fù)。

張世杰等［14］以MIKE3數(shù)學(xué)模型為技術(shù)手段，研究不同電站取水方案條件下的下泄水溫變化。成果表明分層取水措施能有效提高水庫(kù)下泄水溫，疊梁門(mén)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)表層取水，對(duì)水庫(kù)低溫水的改善效果優(yōu)于多層進(jìn)水口結(jié)構(gòu)。

張陸良和孫大東［15］分析高壩大水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的分布情況，預(yù)測(cè)水溫改變對(duì)環(huán)境的影響。通過(guò)多方案比選，推薦采用疊梁門(mén)分層取水，有利于維持下游生態(tài)環(huán)境。

任華堂等［16］利用三維水溫?cái)?shù)值模型對(duì)阿海水庫(kù)2種取水口高程下的水溫分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，重點(diǎn)分析了取水口高程對(duì)庫(kù)首水體的溫躍層強(qiáng)度、均溫層的位置和下泄水溫的影響。

灘坑水電站下游為國(guó)家一級(jí)保護(hù)水生動(dòng)物黿的保護(hù)區(qū)，楊芳麗等［7］采用平面二維水溫模型對(duì)灘坑水庫(kù)下泄水溫進(jìn)行了模擬，并用一維非恒定水流水溫?cái)?shù)模對(duì)建庫(kù)后下游水溫變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)比分析了平水年條件下，不同電站開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)和不同電站取水口高程水庫(kù)下泄水溫對(duì)壩下游河道自然保護(hù)區(qū)的影響。

姜躍良和何濤［17］結(jié)合溪洛渡水電站進(jìn)水口分層取水設(shè)計(jì)，疊梁門(mén)最大擋水高度為48 m(4層門(mén)葉，單層門(mén)高12m)，認(rèn)為疊梁門(mén)分層取水方案使魚(yú)類(lèi)集中繁殖期增溫效果較明顯，同時(shí)具備工程量小和運(yùn)行操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。疊梁門(mén)分層取水方案較原單進(jìn)水口方案新增投資2.61億元。

2.2 進(jìn)口水流條件研究

電站分層取水進(jìn)口水流條件也是制約分層取水措施的重要指標(biāo)。眾所周知，進(jìn)水口水力特性關(guān)乎機(jī)組安全高效運(yùn)行，是工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理部門(mén)關(guān)注的核心問(wèn)題之一。由于進(jìn)口前加設(shè)疊梁門(mén)結(jié)構(gòu)，門(mén)頂上水深一般在20m左右，進(jìn)口水流近似薄壁堰流態(tài)，局部水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常帶來(lái)2大水力學(xué)問(wèn)題:其一，惡化進(jìn)口水流條件，甚至出現(xiàn)危害性立軸吸氣漩渦;其二，顯著增加進(jìn)口段水頭損失(1～2m)，降低機(jī)組發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益，不利于機(jī)組安全高效運(yùn)行。分層取水電站疊梁門(mén)前流場(chǎng)縱剖面示意圖見(jiàn)圖2，進(jìn)口水流流向經(jīng)過(guò)2次90°轉(zhuǎn)彎后進(jìn)入引水管道，引起進(jìn)水口段局部水頭損失增加。水頭損失與流速、形體阻力2因素密切相關(guān)。一方面，放置疊梁門(mén)后壓縮過(guò)流斷面，造成疊梁門(mén)門(mén)頂部位流速增大;另一方面，加設(shè)疊梁門(mén)后形體阻力明顯增加。近年來(lái)隨著分層取水工程不斷實(shí)施興建，其進(jìn)口水流條件引起設(shè)計(jì)高度重視，開(kāi)展了相關(guān)研究。

嘉陵江亭子口水電站分層取水進(jìn)口布置疊梁門(mén)10節(jié)，單節(jié)門(mén)高2.8 m，采用1∶50局部水工模型，對(duì)其進(jìn)水口水力特性進(jìn)行較全面研究。試驗(yàn)成果表明:①在兼顧盡量多地獲取水庫(kù)表層水和不影響機(jī)組安全運(yùn)行(不出現(xiàn)危害性漩渦)的原則下，確定了進(jìn)水口疊梁門(mén)的最大放置高度:即正常蓄水位458 m及4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水口前最多可放置10節(jié)疊梁門(mén)(門(mén)頂水深15m);②疊梁門(mén)設(shè)置改變了常規(guī)進(jìn)水口的水流運(yùn)動(dòng)軌跡，加之疊梁門(mén)及通倉(cāng)段支撐梁對(duì)水流的局部阻力影響，使進(jìn)口段水頭損失及水頭損失系數(shù)均明顯增大，疊梁門(mén)頂水頭越小，水頭損失及水頭損失系數(shù)愈大;在滿(mǎn)足該工程生態(tài)取水的前提下，電站進(jìn)口段的局部水頭損失系數(shù)是無(wú)疊梁門(mén)時(shí)的4～6倍，對(duì)機(jī)組發(fā)電量會(huì)產(chǎn)生一定影響;③機(jī)組甩負(fù)荷條件下，試驗(yàn)測(cè)得疊梁門(mén)所承受的最大附加沖擊壓力為3.0×9.81kPa，通倉(cāng)段側(cè)邊墻所承受的最大附加沖擊壓力為2.0×9.81kPa。

錦屏一級(jí)水電站分層取水進(jìn)口疊梁門(mén)布設(shè)3節(jié)，單節(jié)門(mén)高14m，采用1∶20水工模型進(jìn)行試驗(yàn)研究［18－19］。結(jié)果表明，常規(guī)進(jìn)水口水頭損失系數(shù)為0.224;布置疊梁門(mén)后，進(jìn)口水流流向經(jīng)過(guò)2次90°轉(zhuǎn)彎后進(jìn)入引水管道，流場(chǎng)分布比較復(fù)雜，引起進(jìn)水口段局部水頭損失明顯增加，設(shè)置1，2，3層疊梁門(mén)時(shí)進(jìn)水口段水頭損失系數(shù)分別達(dá)0.765，0.853和0.950，設(shè)置1層疊梁門(mén)的水頭損失系數(shù)是無(wú)疊梁門(mén)方案的3.42倍。

某大型水電站進(jìn)口前布設(shè)10節(jié)疊梁門(mén)，單節(jié)門(mén)高5m。采用可行性k-ε(Realizable k-ε)紊流模型對(duì)分層取水電站進(jìn)口進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，獲得了進(jìn)口三維流場(chǎng)特征和水力特性，并與1∶40水工模型試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比分析，二者基本吻合［20］。成果表明:疊梁門(mén)層數(shù)越多，門(mén)頂水深減小，流速增大，水頭損失相應(yīng)增大，表層水進(jìn)入流道的比例越大;當(dāng)疊梁門(mén)設(shè)置過(guò)高時(shí)，進(jìn)水口存在橫向流速，表面流態(tài)紊亂，甚至出現(xiàn)漩渦等不利流態(tài)。

圖2 分層取水電站疊梁門(mén)前流場(chǎng)縱剖面示意圖Fig.2 Longitudinal profile of flow field at the stoplog gate

3 有待深入研究的問(wèn)題

3.1 疊梁門(mén)減阻研究

疊梁門(mén)分層取水改善壩下游河道水溫特性的同時(shí)，不可避免地顯著增加電站進(jìn)口段的水頭損失，降低機(jī)組發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益。湯世飛［5］結(jié)合光照水電站分層取水運(yùn)行實(shí)踐，指出進(jìn)水口疊梁門(mén)會(huì)造成1～2m的水頭損失。發(fā)電耗水率相差0.02～0.03 m3/(kW·h)，以0.025m3/(kW·h)的耗水率計(jì)算，每年電站設(shè)計(jì)發(fā)電量為27.5億kW·h，則由疊梁門(mén)造成的水量損失為0.69億m3，電量損失約為0.26億kW·h。認(rèn)為疊梁門(mén)造成的電站經(jīng)濟(jì)損失是一個(gè)不可忽略的問(wèn)題，在滿(mǎn)足生態(tài)環(huán)境要求前提下，盡量減小疊梁門(mén)水頭損失，以爭(zhēng)取發(fā)電效益最大化。以往試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):嘉陵江亭子口電站不設(shè)疊梁門(mén)時(shí)進(jìn)水口段水頭損失約0.1m，放置疊梁門(mén)后水頭損失達(dá)1.2m，附加水頭損失1.1m;金沙江白鶴灘電站進(jìn)水口不設(shè)疊梁門(mén)時(shí)水頭損失約0.4m，放置疊梁門(mén)后水頭損失達(dá)2.0m，附加水頭損失1.6m，可見(jiàn)疊梁門(mén)的增阻效應(yīng)十分明顯，有必要進(jìn)行減阻特性研究。如能提出一種減小附加阻力的疊梁門(mén)體型，既可提高電站下泄水溫，又不明顯降低機(jī)組發(fā)電效率，公眾生態(tài)環(huán)保需求和機(jī)組發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益兼得，其應(yīng)用前景將十分廣闊。

事實(shí)上，通過(guò)疊梁門(mén)布置和體型優(yōu)化，確實(shí)可以明顯降低其水頭損失。如:亭子口分層取水試驗(yàn)中將疊梁門(mén)布置適當(dāng)前移，頂層疊梁門(mén)優(yōu)化為上游傾斜狀，水頭損失降低近一半(由1.2m降為0.6m)。當(dāng)然，疊梁門(mén)布置和體型優(yōu)化在減少水頭損失的同時(shí)，還應(yīng)考慮金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和運(yùn)行操作的便利，今后這方面研究應(yīng)引起設(shè)計(jì)重視。

3.2 考慮水溫黏滯性差異的數(shù)模開(kāi)發(fā)

通過(guò)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前開(kāi)發(fā)建立的分層取水?dāng)?shù)值模型大多并未考慮水流運(yùn)動(dòng)黏滯性變化所帶來(lái)的影響，一般黏滯性系數(shù)取默認(rèn)恒定值。事實(shí)上，由于深庫(kù)水溫分層作用，庫(kù)內(nèi)水流黏滯性差異勢(shì)必客觀存在。如表2所示，當(dāng)庫(kù)內(nèi)水溫10℃，水流運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)為1.308×10－6m2/s;當(dāng)庫(kù)內(nèi)水溫20℃，水流運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)為1.007×10－6m2/s。兩者相差30%。由于水流黏滯性差異引起進(jìn)水口流場(chǎng)流速分布變化不容忽視，而10℃溫差對(duì)于高壩大庫(kù)是較為常見(jiàn)的。

由于水庫(kù)底部水溫低，水流運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)較大，其阻滯作用較為明顯，相對(duì)來(lái)說(shuō)更不容易運(yùn)動(dòng)。換言之，加上水流黏滯性差異變量后，數(shù)模計(jì)算的進(jìn)水口流場(chǎng)底部流速分布愈發(fā)趨小，進(jìn)入引水口的水量更少，電站下泄水溫將會(huì)適當(dāng)增加。

鑒于此，為提高數(shù)模計(jì)算成果的可靠性和精度，根據(jù)水庫(kù)水溫成層分布特性，開(kāi)發(fā)加入水流黏滯性變量的數(shù)學(xué)模型非常必要。

表2 不同溫度下水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)Table 2 Coefficients of kinematic viscosity of water under different temperatures

4 結(jié)語(yǔ)與建議

電站分層取水是近年學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)施熱點(diǎn)，本文介紹了國(guó)內(nèi)外分層取水電站進(jìn)水口研究現(xiàn)狀。鑒于疊梁門(mén)分層取水方式顯著增加進(jìn)口段水頭損失(1～2m)，可結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行便利要求，探索減小水頭損失的疊梁門(mén)布置與體型。考慮到水庫(kù)溫度分層對(duì)水流黏滯性影響較大，應(yīng)逐步開(kāi)發(fā)完善包含水流黏滯性變量的數(shù)值計(jì)算模型，從而使進(jìn)口流場(chǎng)流速模擬和下泄水溫預(yù)測(cè)更為可靠，精度更高。隨著貴州光照和浙江灘坑分層取水電站的相繼投入運(yùn)用，以及金沙江溪洛渡和雅礱江錦屏一級(jí)分層取水電站即將建成，建議逐步開(kāi)展相應(yīng)的原型觀測(cè)研究。觀測(cè)年際年內(nèi)水庫(kù)溫度分層特性、下泄水溫和進(jìn)口水力特性，積累原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)疊梁門(mén)分層取水效果，以便后續(xù)工程參考借鑒，進(jìn)而逐步提升分層取水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)水平，做到生態(tài)環(huán)保需求和機(jī)組安全高效運(yùn)行二者兼顧，既重視自然，又興利社會(huì)。

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