水電站疊梁門分層取水流動規(guī)律及取水效果

高學(xué)平，陳 弘, ，李 妍，徐茂杰

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津農(nóng)學(xué)院水利工程系，天津 300384；3. 天津普澤工程咨詢有限責(zé)任公司 天津 300204)

大型水庫水體水溫具有顯著的沿深度成層的特點，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，水電站進(jìn)水口均為單層進(jìn)水口，進(jìn)水口位置較低，發(fā)電時下泄水體基本為水庫底層水體，水溫較低，影響下游河段的生態(tài)環(huán)境．近年來，隨著對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，水電站進(jìn)水口分層取水方式正逐漸被采用，疊梁門取水方式是常采用的方案之一．我國已建成的貴州光照水電站、在建的壩高261.5,m 的云南糯扎渡水電站和壩高 305,m 的四川雅礱江錦屏一級水電站均采用了疊梁門分層取水方式．

在水庫水溫分層結(jié)構(gòu)方面，目前取得了較多的成果，主要研究手段是數(shù)值模擬，包括一維模型、二維模型和三維模型，陳弘等[2]對這方面的研究成果進(jìn)行了總結(jié)．在水庫分層取水下泄水溫方面，雖然較水庫水溫分層結(jié)構(gòu)起步晚，仍取得了一定的成果．郝紅升等[3]采用寬度平均的立面二維水溫模型，研究了某在建工程不同取水口高程的水庫水溫分布及下泄水溫變化規(guī)律，得出了不同時期水庫下泄水溫隨取水口高程的變化規(guī)律；張少雄等[4-5]利用 EFDC 三維模型分別對糯扎渡水電站取水口和 Glen Canyon 壩的下泄水溫進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；Ettema 等[6]運用變態(tài)模型研究了 Almanor 湖進(jìn)水口改造(取底層冷水)的可行性；Shammaa 等[7]利用淡水和鹽水在水槽中模擬水庫溫度沿深度分兩層，研究了壩前設(shè)置溫度控制幕實現(xiàn)選擇性取水的效果，低溫水從控制幕底部流向進(jìn)水口，量測了壩前水流演變、取水水質(zhì)、流速場等；文獻(xiàn)[8]提出了試驗?zāi)M水庫分層取水水溫的模型相似關(guān)系，并得到了二灘實測水溫資料的驗證；文獻(xiàn)[9]通過直接模擬水庫水溫分層試驗研究了糯扎渡水電站多層進(jìn)水口的下泄水溫．在進(jìn)水口分層取水水流特性方面，文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了格倫峽谷大壩分層取水口水工模型試驗；文獻(xiàn)[11]進(jìn)行了糯扎渡水電站疊梁門分層取水進(jìn)水口水工模型試驗；文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了錦屏一級水電站疊梁門分層取水進(jìn)水口水工模型試驗；文獻(xiàn)[13]對疊梁門分層取水進(jìn)水口進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究；雷艷等[ 1 4 ]進(jìn)行了分層取水進(jìn)水口三維紊流模型模擬研究．

筆者結(jié)合糯扎渡水電站進(jìn)水口疊梁門分層取水方式，利用數(shù)值模擬手段研究疊梁門進(jìn)水口分層取水的水流特性和控制取水的水溫效果，揭示取水的水溫效果與水流特性的關(guān)系．

1 疊梁門布置及運行方式

進(jìn)水口疊梁門分層取水，利用調(diào)整疊梁門的高度達(dá)到取用水庫不同層的水體，對下泄水溫進(jìn)行控制．

糯扎渡水電站進(jìn)水口采取疊梁門分層取水方案，設(shè)計為3 節(jié)門葉，每節(jié)門葉高12.68,m，依次疊放，疊梁門整體高度 38.04,m．圖 1 為糯扎渡水電站進(jìn)水口疊梁門取水運行方式．疊梁門擋水高度分成 4 擋：3節(jié)門葉擋水，擋水高程為 774.04,m；吊起第 1 節(jié)門葉，僅用第2、第 3 節(jié)門葉擋水(2 節(jié)門葉擋水)，擋水高程761.36,m；繼續(xù)吊起第 2 節(jié)門葉，僅用第3 節(jié)門葉擋水(1 節(jié)門葉擋水)，擋水高程 748.68,m，繼續(xù)吊起第3 節(jié)門葉，無門葉擋水．

圖1 糯扎渡水電站進(jìn)水口疊梁門取水運行方式(單位：米)Fig.1 Operating scheme of stop logs gate in Nuozhadu hydropower station(unit：m)

2 計算模型

2.1 控制方程

1) 連續(xù)性方程

2) 運動方程

3)k方程

4)ε方程

5) 能量方程

6) 狀態(tài)方程

2.2 模型建立

考慮水庫水流運動的三維性，同時精確模擬進(jìn)水口體型，計算區(qū)域取水庫橫向范圍 425,m，進(jìn)水口上游 1 ,000,m 斷面作為進(jìn)流邊界，引水主管漸變段下游200,m 處管道斷面為出流邊界．進(jìn)流邊界，給定庫水位，壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)分布給出，溫度按水庫水溫分布給定；出流邊界，出口流速按引水主管平均流速給出，? p /? x = 0，? u /? x = 0，? T /? x = 0．圖 2 為模型網(wǎng)格．

圖2 模型網(wǎng)格Fig.2 Model grid of multi-level intake

2.3 模型驗證

利用上述三維數(shù)學(xué)模型，計算了典型工況糯扎渡水電站進(jìn)水口前的流速分布和下泄水溫，并與試驗值進(jìn)行了比較，驗證了該數(shù)學(xué)模型的合理性．

庫水位 765,m，單機(jī)引用流量 393,m3/s，無門葉擋水，圖 3 為該工況的進(jìn)水口前 1.96,m 斷面的流速分布，并與試驗值[15]進(jìn)行了對比，計算值與試驗值吻合較好．

庫水位812,m，單機(jī)引用流量393,m3/s，3 節(jié)門葉擋水，典型平水年3 月、8 月和11 月水庫水溫分布參見圖 4，該 3 工況的下泄水溫數(shù)值模擬結(jié)果列于表1，并與相應(yīng)的物理模型試驗值[9]進(jìn)行比較，各月份的下泄水溫計算值與試驗值的相對誤差均小于1.6%，計算值與試驗值吻合較好．

圖3 進(jìn)水口前1.96 m流速分布Fig.3 Velocity distribution in front of intake(1.96,m to intake)

圖4 代表月份的水庫水溫分布與部分下泄水溫Fig.4 Representative temperature distributions and water temperature released

表1 下泄水溫計算值與試驗結(jié)果的比較Tab.1 Simulated and measured temperatures of water release of intake

3 疊梁門取水流動規(guī)律

計算了疊梁門不同擋水高度的流動情況，結(jié)果表明，不同門葉擋水的流動規(guī)律相同．以庫水位812,m、單機(jī)引用流量 393,m3/s、3 節(jié)門葉擋水為例，圖5 給出了進(jìn)水口疊梁門前流速沿垂向分布，疊梁門頂上部一定范圍內(nèi)流速較大，門頂 774.04,m 以上約6,m(高程 780,m)處流速最大，約為 0.63,m/s．遠(yuǎn)離疊梁門，流速逐漸減小，而沿垂向流速的變化范圍逐漸增大，說明進(jìn)水口所取水體的垂向范圍逐漸加大．圖6 為進(jìn)水口疊梁門前流速沿橫向分布，正對進(jìn)水口位置的流速最大，進(jìn)水口兩側(cè)流速逐漸減小，說明兩側(cè)水體亦流入進(jìn)水口，表明了流動的三維特性．

圖5 進(jìn)水口流速垂向分布(3 節(jié)門葉擋水，庫水位812,m)Fig.5 Velocity distribution near intake in vertical direction(3,sections of stop logs gates，water level 812,m)

圖6 進(jìn)水口流速橫向分布(3 節(jié)門葉擋水，庫水位812,m，高程780,m 平面)Fig.6 Velocity distribution near the intake in horizontal direction (3,sections of stop logs gates，water level 812,m，plane of 780,m)

4 疊梁門取水水溫規(guī)律

選擇具有代表性月份的水庫水溫分布，保持水庫水位 812,m，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，無門葉擋水，參見圖1)，研究疊梁門高度對下泄水溫的影響和流速分布與下泄水溫的關(guān)系．圖4 為典型平水年3 月、8 月和11 月份的水庫水溫分布，具有代表性，如 3 月的表層和底層水溫差為3.39,℃，8 月的表層和底層水溫差為10.46,℃，11 月的表層和底層水溫差為 6.88,℃．各代表月份的水庫水溫分布特征列于表2．

圖7為下泄水溫隨疊梁門頂高程的變化．表 2給出了不同疊梁門高度的下泄水溫數(shù)值模擬結(jié)果．結(jié)果表明，疊梁門高度增加，下泄水溫提高，疊梁門對提高下泄水溫有較明顯的作用．如 8 月份，3 節(jié)門葉擋水的下泄水溫22.40,℃，比 2 節(jié)門葉擋水時高1.81,℃；2 節(jié)門葉擋水的下泄水溫 20.59,℃，比 1 節(jié)門葉擋水時高 2.63,℃；1 節(jié)門葉擋水的下泄水溫17.96,℃，比無門葉擋水時高 0.87,℃；無門葉擋水的下泄水溫 17.09,℃．顯然，水庫水溫分布表底溫差越大，隨疊梁門高度增加，下泄水溫提高幅度越大．3月、11 月、8 月份水庫水溫表底溫差依次增大，3 節(jié)門葉擋水與 2 節(jié)門葉擋水相比，3 月份提高了 0.67,℃，11 月份提高了 0.81,℃，8 月份提高了 1.81,℃．

由垂向流速分布(見圖 5)可知，下泄水體主要源自疊梁門頂高程附近流速較大的水體．分析下泄水溫的數(shù)值對應(yīng)于水溫分布的位置，相當(dāng)于疊梁門頂上部流速較大范圍內(nèi)對應(yīng)的水溫分布某點水溫．如 3節(jié)門葉擋水，門頂上部 14,m 范圍流速較大，高程范圍為 774～788,m，3 月份下泄水溫為 17.00,℃，對應(yīng)水溫分布中高程 784,m 的水溫，8 月份下泄水溫為22.40,℃，對應(yīng)水溫分布中高程 782,m 的水溫，11 月份下泄水溫為 21.46,℃，對應(yīng)水溫分布中高程 788,m的水溫，均在流速較大的高程范圍內(nèi)．如圖 4 與表 2所示．

圖7 下泄水溫隨疊梁門頂高程的變化Fig.7 Relationship of temperature of water released versus height of stop logs gate

表2 不同疊梁門運用方式的下泄水溫(庫水位812,m)Tab.2 Schemes of water temperatures released in different stop logs gate(water level 812,m)

5 結(jié) 論

(1) 疊梁門分層取水口附近的流動具有三維流動性．疊梁門頂高程附近為主要取水范圍．垂向流速分布表明，遠(yuǎn)離疊梁門，取水范圍逐漸加大；橫向流速分布表明，正對進(jìn)水口流速最大，兩側(cè)亦有水體流入進(jìn)水口．

(2) 調(diào)整疊梁門擋水高度可控制下泄水溫，隨疊梁門高度增加下泄水溫提高，水庫水溫分布表底溫差越大，提高幅度越大．

(3) 分析進(jìn)水口疊梁門前垂向流速分布和水庫水溫分布，疊梁門頂上部流速較大的位置所對應(yīng)的水庫水溫，基本與下泄水溫的數(shù)值相當(dāng)．當(dāng)然，下泄水溫還取決于水庫水溫分布的特點，下泄水溫與水庫某點水溫的對應(yīng)關(guān)系還有待進(jìn)一步研究．

［1］黃永堅. 水庫分層取水[M]. 北京：水利電力出版社，1986.Huang Yongjian.Selective Withdrawal in Reservoir[M].Beijing：China Water and Power Press，1986(in Chinese).

［2］陳 弘，高學(xué)平. 水庫水溫分層取水下泄水溫研究進(jìn)展[EB/OL]. http：//www. paper.edu.cn/index.php/ default/releasepaper/content/ 2012-02-161.Chen Hong，Gao Xueping. Research Progress of water temperature released from selective withdrawal intake in thermal stratified reservoirs [EBTOL]. http：//www. paper. edu. cn/index. php/default/releasepaper/content/201202-16(in Chinese).

［3］郝紅升，李克鋒，李 然，等. 取水口高程對過渡型水庫水溫分布結(jié)構(gòu)的影響[J]. 長江流域環(huán)境資源與環(huán)境，2007，16(1)：21-25.Hao Hongsheng，Li Kefeng，Li Ran，et al. On the influence of intake locationon temperature distribution structureof reservoir with seasonal temperature stratification [J].Resources and Environment in the Yangtze Basin，2007，16(1)：21-25(in Chinese).

［4］張少雄，高學(xué)平，張 晨. 糯扎渡水庫流場及水電站下泄水溫三維數(shù)值模擬[C]//水力學(xué)與水利信息學(xué)進(jìn)展．西安：西安交通大學(xué)出版社，2009：51-56．Zhang Shaoxiong，Gao Xueping ，Zhang Chen. 3-D simulaiton of flow pattern and temperature of water released in Nouzhadu Reservoir[C]//Advance in Hydraulic and Hydroinformatics in China. Xi’an，Xian Jiaotong University Press，2009：51-56(in Chinese)．

［5］Zhang Shaoxiong，Gao Xueping. Effects of selective withdrawal on temperature of water released of glen canyon dam[C]//The International Conference on Environmental Pollution and Public Health. Chengdu，China，2010：1-4．

［6］Ettema R，Muste M，Odgaard A J，et al. Lake Almanor Cold-Water Feasibility Study：Hydraulic Model[R]. Iowa：The University of Iowa，2004．

［7］Shammaa Y，David Z Z. 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．

［8］高學(xué)平，趙耀南，陳 弘. 水庫分層取水水溫試驗?zāi)Ｐ拖嗨评碚揫J]. 水利學(xué)報，2009，40(11)：1374-1380.Gao Xueping，Zhao Yaonan，Chen Hong. Similarity theory of water temperature test model for selective withdrawal from reservoirs [J].Journal of Hydraulic Engineering，2009，40(11)：1374-1380(in Chinese).

［9］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.Gao Xueping，Chen Hong，Wang Aoran，et al. Experimental study on temperature of water released from the multi-level intake of Nuozhadu hydropower station[J].Journal of Hydroelectric Engineering， 2010 ，29(3)：126-131(in Chinese).

［10］Vermeyen T B. Clen Canyon Dam Multi-Level Intake Structure Hydraulic Model Study[R]. Denver，USA：Water Resources Services Laboratory，Technical Service Center，1999.

［11］高學(xué)平，董紹堯，宋慧芳，等. 水電站進(jìn)水口分層取水水力學(xué)模型試驗研究[C]//水力學(xué)與水利信息學(xué)進(jìn)展. 南京：河海大學(xué)出版社，2007：299-305.Gao Xueping，Dong Shaoyao，Song Huifang，et al.Experimental study on the hydraulic characteristics of a multi-level intake structure [C]//Advancement of Hydraulics and Hydroinformatics. Nanjing：Hehai University Press，2007：299-305(in Chinese).

［12］章晉雄，張 東，吳一紅，等. 錦屏一級水電站分層取水疊梁門進(jìn)水口水力特性研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報，2010，29(2)：1-6．Zhang Jinxiong，Zhang Dong，Wu Yihong，et al. Experimental study on hydraulic characteristics of the stratified intake for the first-stage Jinping hydropower station[J].Journal of Hydroelectric Engineering， 2010 ，29(2)：1-6(in Chinese).

［13］高學(xué)平，李 妍，宋慧芳. 糯扎渡水電站進(jìn)水口分層取水?dāng)?shù)值模擬研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報， 2010 ，29(6)：132-137.Gao Xueping，Li Yan，Song Huifang. Numerical study on hydraulic characteristics of the multi-level intake of Nuozhadu hydropower station[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2010，29(6)：132-137(in Chinese).

［14］雷 艷，李進(jìn)平，求曉明. 大型水電站分層取水進(jìn)水口水力特性的研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報， 2010 ，29(5)：209-215.Lei Yan，Li Jinping，Qiu Xiaoming. Study on the hydraulic characteristics of multi-elevations intake of hydropower station [J].Journal of Hydroelectric Engineering，2010，29(5)：209-215(in Chinese).

［15］李 妍，高學(xué)平，徐茂杰，等. 水電站進(jìn)水口水力特性數(shù)值模擬研究[J]. 水利水電技術(shù)，2010，41(1)：29-32.Li Yan，Gao Xueping，Xue Maojie，et al. Study on numerical simulation of hydraulic characteristics of intake for hydropower station [J].Water Resources and Hydropower Engineering， 2010 ， 41(1) ： 29-32(in Chinese).