疊梁門(mén)分層取水水溫-水動(dòng)力動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬及分析

鄭鐵剛，孫雙科，柳海濤，王 岑，李廣寧

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬及調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 研究背景

眾所周知，水庫(kù)溫度分層是隨著大規(guī)模水利水電工程興建帶來(lái)的系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一［1］。為緩解水庫(kù)下泄水溫對(duì)下游河道生態(tài)環(huán)境的不利影響，分層取水已經(jīng)成為水電生態(tài)友好實(shí)踐的重要組成部分［2-3］。大型水電分層取水主要型式為多層取水口與疊梁門(mén)取水口結(jié)構(gòu)，而對(duì)比研究表明疊梁門(mén)結(jié)構(gòu)對(duì)改善低溫水下泄的效果要優(yōu)于多層取水方式，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛［4］。

取水水溫是評(píng)估疊梁門(mén)運(yùn)行效果的主要指標(biāo)，目前學(xué)者已開(kāi)展大量疊梁門(mén)分層取水效果的物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。高學(xué)平等［5］以糯扎渡水電站為例，分別采用物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法研究了疊梁門(mén)不同運(yùn)行方案下取水水溫的變化情況；鄭鐵剛等［6-7］采用三維模型預(yù)測(cè)了不同水溫分布條件下電站取水高程對(duì)下泄水溫的影響，并建立了分層取水下泄水溫估算關(guān)系式；柳海濤等［8］采用分層加熱的方法結(jié)合錦屏一級(jí)水電站針對(duì)疊梁門(mén)分層取水開(kāi)展了試驗(yàn)研究，預(yù)測(cè)了疊梁門(mén)運(yùn)行高度與下泄水溫的關(guān)系；匡亮等［9］采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)了梯級(jí)水庫(kù)不同疊梁門(mén)運(yùn)行方案下下游水溫的變化規(guī)律。由上可知，目前下泄水溫預(yù)測(cè)相關(guān)研究已較為成熟，可在一定程度上指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)度過(guò)程［10］。

考慮到數(shù)值模擬方法的優(yōu)越性與物理模型試驗(yàn)的局限性等，目前水溫方面的研究較多采用數(shù)值模擬方法開(kāi)展。現(xiàn)階段疊梁門(mén)分層取水相關(guān)模擬研究中［6，11］，通常采用統(tǒng)一的上游水溫邊界條件，設(shè)定不同疊梁門(mén)運(yùn)行高度，然后在此條件下開(kāi)展不同疊梁門(mén)高度的取水水溫預(yù)測(cè)，進(jìn)而評(píng)價(jià)疊梁門(mén)運(yùn)行效果。該方法盡管對(duì)于預(yù)測(cè)穩(wěn)定邊界條件下疊梁門(mén)運(yùn)行方案時(shí)的取水效果具有一定的可行性，但存在一些不足。溫度分層型水體中，水溫與流速相互影響，流態(tài)發(fā)生變化時(shí)水溫分層隨之變化，重新調(diào)整水溫與流速的耦合過(guò)程，達(dá)到新的平衡［12-14］。實(shí)際工程中，當(dāng)根據(jù)需要疊梁門(mén)高度進(jìn)行調(diào)整再運(yùn)行后，取水口近區(qū)水溫-水動(dòng)力初始場(chǎng)發(fā)生了改變，此時(shí)，若仍采用統(tǒng)一的上游水溫邊界條件作為水溫初始場(chǎng)開(kāi)展預(yù)測(cè)研究，則忽略了水溫與流速分布的相互影響作用，不能反映真實(shí)的邊界條件，其預(yù)測(cè)結(jié)果將產(chǎn)生一定的誤差。也就是說(shuō)，傳統(tǒng)取水水溫預(yù)測(cè)模擬方法不能準(zhǔn)確捕捉疊梁門(mén)運(yùn)行高度改變時(shí)對(duì)取水口近區(qū)水溫-水動(dòng)力特性的影響，進(jìn)而無(wú)法獲取取水水溫的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。為解決上述問(wèn)題，本研究通過(guò)建立電站發(fā)電運(yùn)行時(shí)疊梁門(mén)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)上游邊界條件的連續(xù)性模擬，從而可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)疊梁門(mén)運(yùn)行高度改變對(duì)分層取水水溫-水動(dòng)力的影響。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 基本控制方程 在笛卡爾直角坐標(biāo)系下，本文控制方程由連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成，為更好地模擬取水口近區(qū)的漩渦與回流等，紊流模型采用RNG k-ε模型。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

2.1.2 溫度方程 假設(shè)流體為不可壓縮流，則溫度計(jì)算方程可表示為：

式中：αeff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)； ST為熱源項(xiàng)，主要受太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、大氣溫度及濕度等影響。

2.1.3 狀態(tài)方程 對(duì)于常態(tài)下的水體，可忽略壓力變化對(duì)密度的影響，密度與溫度的關(guān)系可表示為：

式中：β為熱膨脹系數(shù)，本文取0.5463（1/℃）；ρ為密度，kg/m3；T 為溫度，℃；ρ0、T0分別為參考狀態(tài)的密度和溫度，本文分別取998.203 kg/m3和25.15 ℃。

根據(jù)Boussinesq 假定，在密度變化不大的浮力流問(wèn)題中，只在重力項(xiàng)中考慮密度的變化，而控制方程的其它項(xiàng)中不考慮浮力作用。

2.1.4 動(dòng)網(wǎng)格模型 上文提及，傳統(tǒng)疊梁門(mén)取水水溫預(yù)測(cè)模擬研究方法中，通常將疊梁門(mén)設(shè)置為固定建筑物，無(wú)法靈活適應(yīng)疊梁門(mén)運(yùn)行調(diào)度，進(jìn)而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)疊梁門(mén)取水效果。因此，本文應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格模型來(lái)控制疊梁門(mén)運(yùn)行調(diào)度過(guò)程，進(jìn)而預(yù)測(cè)該過(guò)程中取水水溫的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

考慮由移動(dòng)邊界S 所包圍的任意控制體積Ω內(nèi)非定常不可壓縮紊流流動(dòng)，它的基本控制方程為Reynolds 評(píng)價(jià)的體積、質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程。

體積守恒：

質(zhì)量守恒：

動(dòng)量守恒：

其中，t 為時(shí)間，s；Ω為控制體積的體積，m3；S 為包圍控制體積的表面，m2；n 為表面S 上方向朝外的法向單位向量；U 為流體的時(shí)均速度，m/s；Ub為邊界移動(dòng)的速度，m/s；P 為時(shí)均壓力，N/m2；I 為單位向量；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)，N·s/m2。

積分形式的通用輸運(yùn)方程為：

式中：Φ為通用變量；Γ為Φ的擴(kuò)散系數(shù)；SΦ為Φ的源項(xiàng)。

2.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分為探討疊梁門(mén)分層取水水溫動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，本研究結(jié)合實(shí)際工程取水口設(shè)計(jì)方案及相關(guān)尺寸，采用1∶150 的比尺建立了數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域，其中取水口上游段模型長(zhǎng)為8.20 m，對(duì)應(yīng)原型1230 m；模型寬0.23 m，對(duì)應(yīng)原型34.5 m；模擬水深為0.95 m，對(duì)應(yīng)原型142.5 m。此外，取水口由3 個(gè)通道構(gòu)成，取水口底板距離水面0.50 m，對(duì)應(yīng)原型75 m；模擬疊梁門(mén)高度為0 ～0.31 m，對(duì)應(yīng)原型0 ～46.5 m；模擬取水水頭0.19 ～0.50 m，對(duì)應(yīng)原型28.5 ～75 m。

計(jì)算網(wǎng)格尺度必須能準(zhǔn)確反應(yīng)建筑物細(xì)部構(gòu)造及水溫分布等對(duì)流場(chǎng)的影響，因此需要足夠的網(wǎng)格密度，尤其在垂線方向上。本文采用穩(wěn)定性與收斂性較好的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行研究區(qū)域剖分，垂線方向網(wǎng)格尺寸為0.02 ～0.03 m，縱向方向?yàn)?.01 ～0.05 m，橫向方向?yàn)?.01m，進(jìn)水口區(qū)域進(jìn)行了局部加密，網(wǎng)格總數(shù)為10 萬(wàn)。進(jìn)水口附近局部網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 計(jì)算區(qū)域示意圖

圖2 進(jìn)水口區(qū)域局部網(wǎng)格

2.3 邊界條件本研究水面模擬采用剛蓋假定方法，忽略風(fēng)速、輻射與蒸發(fā)等影響，僅考慮外界大氣溫度［15-16］，本文設(shè)為22 ℃。水槽上游給定流量邊界，同時(shí)賦予水溫分布，y 方向和z 方向流速為0。出口為自由出流邊界。本研究通過(guò)對(duì)黃登、錦屏一級(jí)、光照等分層取水工程調(diào)研得知，實(shí)際工程單機(jī)引水流量為350 ～690 m3/s，根據(jù)1∶150 比尺換算模型流量為1.27～2.50 L/s，因此本研究參考實(shí)際工程設(shè)定流量工況分別為1.27 L/s、2.0 L/s 和2.50 L/s，分別相當(dāng)于原型流量為350 m3/s、550 m3/s 和690 m3/s。采取的初始水溫分布是根據(jù)某工程實(shí)際水溫分布，通過(guò)文獻(xiàn)［7-8］所述的模型與原型水溫?fù)Q算關(guān)系，計(jì)算得出的研究工況水溫分布，與實(shí)際工程水溫特征具有一定的相符性，研究結(jié)果可以換算為原型工程借鑒

模型中將疊梁門(mén)設(shè)置為獨(dú)立的剛體結(jié)構(gòu)，在計(jì)算中賦予疊梁門(mén)的高度變化過(guò)程及變化時(shí)間，本文疊梁門(mén)高度由0 調(diào)整至0.31 m，變化時(shí)間為10 s，過(guò)程與物理模型試驗(yàn)一致。

3 算例與分析

3.1 物理模型試驗(yàn)為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，本研究結(jié)合物理模型試驗(yàn)開(kāi)展水溫動(dòng)態(tài)變化過(guò)程研究，其中進(jìn)水口體型參考已有典型工程進(jìn)水口進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶150。物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸舶? 個(gè)部分：供水區(qū)、加熱區(qū)和測(cè)試區(qū)。模型總長(zhǎng)10 m，寬度0.23 m，高度1.05 m，模型試驗(yàn)流量q=2.5 L/s。

試驗(yàn)方法如下：首先保持庫(kù)區(qū)水位、上游來(lái)流水溫分層條件、下游取水流量不變；然后在進(jìn)水口加設(shè)疊梁門(mén)，加設(shè)過(guò)程耗時(shí)10 s 左右；最后監(jiān)測(cè)庫(kù)區(qū)水溫分層與取水水溫的變化過(guò)程，直到兩者趨于穩(wěn)定，分析上游水溫分布、取水高程與下游取水溫度之間的相關(guān)關(guān)系。本研究中，水溫傳感器采用中國(guó)水科院自行開(kāi)發(fā)研究的DJ800 多點(diǎn)水溫采集系統(tǒng)，精度為0.01℃。

圖3 物理模型設(shè)計(jì)示意圖

3.2 模型驗(yàn)證分析本文采用物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖4分別為物理模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的斷面水溫分布與下泄水溫對(duì)比情況。圖4（a）為無(wú)疊梁門(mén)方案下，斷面2 水溫分布數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，斷面2 位置示意如圖3所示。圖4（b）中，0～15s 為無(wú)疊梁門(mén)取水過(guò)程，15～25s 為加設(shè)疊梁門(mén)過(guò)程，25s 后為疊梁門(mén)加設(shè)后取水過(guò)程。

Kendall-Jackson 2016 Jackson Estate Outland Ridge Pinot Noir

由圖4（a）可知，針對(duì)無(wú)疊梁門(mén)方案，測(cè)試斷面2 水溫分布的計(jì)算值與試驗(yàn)值基本一致，相同水深下水溫的絕對(duì)差值為0.1℃左右；圖4（b）表明，在0 ～120 s 取水過(guò)程中，疊梁門(mén)運(yùn)行前（0 ～15s）及運(yùn)行后（35 ～120 s）計(jì)算模擬與物理模型試驗(yàn)的取水水溫基本一致，最大誤差為0.2 ℃，相對(duì)誤差小于1%。取水過(guò)程中15 ～35 s 時(shí)段計(jì)算模擬與物理模型試驗(yàn)的水溫誤差較大，尤其是20 ～30 s 時(shí)間段，這是由于模擬過(guò)程中疊梁門(mén)高度為均勻變化，而試驗(yàn)過(guò)程中疊梁門(mén)加設(shè)則為人工操作，下門(mén)速度難以均勻控制，故與數(shù)值模擬相比平順度相對(duì)較差，但疊梁門(mén)加設(shè)完成后，取水水溫突變最高點(diǎn)及回落曲線兩者一致。此外，由圖4（b）還可以發(fā)現(xiàn)，疊梁門(mén)加設(shè)后在80 ～120 s 的取水時(shí)段內(nèi)，物理模型試驗(yàn)與計(jì)算的取水水溫均較為穩(wěn)定，由此表明上游水溫-水動(dòng)力分布已趨于穩(wěn)定，即模型長(zhǎng)度滿足要求，計(jì)算范圍可以反映水溫的分布特征，能夠模擬流場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

綜上分析，本文采用動(dòng)網(wǎng)格模擬疊梁門(mén)運(yùn)行方案變化的數(shù)值計(jì)算方法可行，計(jì)算結(jié)果可信，可以用于實(shí)際工程中疊梁門(mén)高度改變對(duì)取水近區(qū)流場(chǎng)及水溫等分布的動(dòng)態(tài)影響規(guī)律研究。

圖4 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比情況（q=2.5L/s）

3.3 疊梁門(mén)運(yùn)行對(duì)取水近區(qū)水溫-水動(dòng)力分布的影響文獻(xiàn)研究表明，對(duì)于溫度分層型水庫(kù)，取水口前流動(dòng)具有流場(chǎng)與溫度場(chǎng)相互耦合的三維特性，兩者相互動(dòng)態(tài)影響［17］。為研究疊梁門(mén)運(yùn)行對(duì)取水近區(qū)水溫-水動(dòng)力特性的影響，本文采用前文建立的三維水溫-水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，分別針對(duì)無(wú)疊梁門(mén)、疊梁門(mén)為0.155 m 高度和疊梁門(mén)為0.31 m 高度三種方案下取水近區(qū)水溫-水動(dòng)力開(kāi)展分析研究，探討其變化規(guī)律。計(jì)算模擬過(guò)程中，均首先采用無(wú)疊梁門(mén)方案作為初始方案，分別設(shè)定疊梁門(mén)最終運(yùn)行高度。

文中選取取水口前2#斷面作為典型斷面，分析疊梁門(mén)運(yùn)行前后流速及水溫垂向分布變化規(guī)律，揭示其影響機(jī)制。典型斷面的選取直接影響分析結(jié)果及相互關(guān)系的建立，具有至關(guān)重要的作用，選取過(guò)程中需要考慮選取的斷面是否在有效取水層范圍內(nèi)，并且該斷面水溫-水動(dòng)力分布須與前一斷面分布基本一致。此外，為保證斷面數(shù)據(jù)的代表性，數(shù)據(jù)提取時(shí)應(yīng)保證計(jì)算已達(dá)到收斂狀態(tài)，下游取水水溫保持不變。以此為依據(jù)，本文試驗(yàn)和計(jì)算過(guò)程中，在疊梁門(mén)加設(shè)100 s 后，量測(cè)得出1#斷面和2#斷面水溫-水動(dòng)力分布基本一致，且下游水溫保持不變，典型工況下水溫與流速分布對(duì)比如圖5所示。由此表明取水口上游斷面1 和斷面2 之間已形成較為穩(wěn)定的取水層。因此本研究選取2#斷面作為典型斷面，疊梁門(mén)加設(shè)后100 s 作為典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)開(kāi)展分析。

圖5 不同斷面流速與水溫分布對(duì)比（q=2.5L/s，無(wú)疊梁門(mén)工況）

圖6（a）、（c）、（e）分別為不同取水流量及疊梁門(mén)方案下，典型斷面流速分布變化規(guī)律。由圖可知，不同取水流量下，典型斷面流速分布變化規(guī)律及最大流速位置基本一致，而疊梁門(mén)加設(shè)前后，典型斷面流速分布則變化明顯，由此可知相比取水流量，疊梁門(mén)方案是影響取水層流速分布的主要因素。對(duì)比流速分布可知，當(dāng)疊梁門(mén)高度由0 升高至0.155 m，典型斷面流速分布迅速得到調(diào)整，最大流速發(fā)生位置也對(duì)應(yīng)抬升，抬升高度同樣約為15 cm，與疊梁門(mén)高度基本一致。此外，對(duì)比可知，典型斷面表層和底部流速變化較小，而上游取水近區(qū)中下部變化明顯。此外，對(duì)三種疊梁門(mén)方案下典型斷面流速分布進(jìn)行橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，疊梁門(mén)運(yùn)行方案改變后，疊梁門(mén)門(mén)頂對(duì)應(yīng)的上游取水近區(qū)中部首先進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，并在其影響下表層和底部隨之進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)疊梁門(mén)高度較低時(shí)（H=0.155 m），疊梁門(mén)頂水流產(chǎn)生的拖曳力對(duì)上游取水近區(qū)表層影響較小，即提取表層水效果有限；當(dāng)疊梁門(mén)高度較高時(shí)（H=0.310 m），隨著疊梁門(mén)高度的抬升，底部流速減小，表層流速增大，表層流速由0.01 m/s 增大到0.02 ～0.03 m/s，且最大流速發(fā)生位置由水下0.4 m 上升至水下0.05 m 左右，由此可以發(fā)現(xiàn)該方案下，疊梁門(mén)取水層已到達(dá)水體表層，可有效提取表層高溫水。綜上可知，疊梁門(mén)分層取水取水層主要位于疊梁門(mén)頂?shù)闹胁?，由此向表層和底層擴(kuò)張，而非傳統(tǒng)認(rèn)知的疊梁門(mén)分層取水取水層位于疊梁門(mén)頂上部。此外，由最大流速可知，斷面最大流速發(fā)生位置與疊梁門(mén)高度無(wú)關(guān)，且并非位于取水層的中部，而是均發(fā)生在取水高程以上10 cm 左右，對(duì)應(yīng)原型為取水底高程以上15 m 左右，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［18］研究結(jié)果基本一致。

圖6（b）、（d）、（f）分別為不同取水流量及疊梁門(mén)方案下典型斷面水溫垂向分布變化規(guī)律，由圖可知，與流速分布變化相比，取水流量變化同樣對(duì)斷面水溫分布影響較小，同時(shí)疊梁門(mén)改變對(duì)水溫垂向分布的影響亦變的明顯遲鈍。當(dāng)加設(shè)疊梁門(mén)高度較小時(shí)（H=0.155 m），典型斷面水溫分布在疊梁門(mén)門(mén)頂對(duì)應(yīng)的上游取水近區(qū)中部略有微調(diào)，與流速分布調(diào)整對(duì)應(yīng)，但調(diào)整尺度明顯小于流速調(diào)整尺度。當(dāng)疊梁門(mén)高度達(dá)到0.310 m 時(shí)，水溫分布已得到明顯調(diào)整，且疊梁門(mén)下部水溫分布趨于均勻。由此表明，典型斷面水溫溫躍層分布主要受取水高程影響，而取水流量相比影響甚微。

圖6 典型斷面水溫-水動(dòng)力分布

3.4 取水近區(qū)水溫-水動(dòng)力與下泄水溫的關(guān)系相較于庫(kù)區(qū)水溫和水動(dòng)力研究，取水拖曳區(qū)內(nèi)水溫特性與水流流動(dòng)機(jī)制則是直接影響下泄水溫的關(guān)鍵所在。目前研究中，較多的關(guān)注了取水型式對(duì)下泄水溫的影響［19］，而針對(duì)直接影響下泄水溫的取水拖曳區(qū)水溫特性與水流流動(dòng)機(jī)制的相關(guān)研究則報(bào)道甚少。為分析取水近區(qū)水溫-水動(dòng)力與下泄水溫的關(guān)系，本文同樣選取2#斷面作為典型斷面開(kāi)展研究。

式中：q 為流量，m3/s； ω 為水的比熱容，kJ/（kg·℃）；t 為水溫，℃；ρ為密度，kg/m3。

由于上游水槽等寬，文中將典型斷面分為若干層，每層高度定義為dh，然后將每層水體流速v 與水溫t 相乘，并最終求和得到熱流量Q，即：

則取水水溫可以表示為［6］：

表1 各方案取水范圍計(jì)算結(jié)果

式中：h1為取水層的下緣邊界高度，m；h2為取水層的上緣邊界高度，m。

由式（13）可知，當(dāng)下泄水溫確定后，h1和h2為唯一解，因此本研究根據(jù)下泄水溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果確定各方案條件下取水范圍，如表1所示，H 表示疊梁門(mén)高度，m。

首先定義取水層內(nèi)取水高程延長(zhǎng)線以上厚度為上部取水層厚度，取水高程線以下厚度為下部取水層厚度，上部取水層厚度與下部取水層厚度之和為整個(gè)取水層厚度。文獻(xiàn)研究表明，下游取水水溫受到取水水頭及取水流量的影響［7］。表1結(jié)果顯示，對(duì)于無(wú)疊梁門(mén)方案，隨著取水流量增大，取水水溫逐漸升高，而對(duì)于疊梁門(mén)取水方案，則隨著取水流量增大，取水水溫呈下降趨勢(shì)。由此表明，取水水溫與取水流量并非呈單調(diào)關(guān)系，而是與取水方案同時(shí)有關(guān)，這是由于取水高程及取水流量的變化均致使取水層范圍發(fā)生改變，如表1所示，進(jìn)而影響取水水溫，研究結(jié)論與文獻(xiàn)一致。

此外，由表1結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)取水流量固定時(shí)，取水方案改變對(duì)取水層范圍的影響規(guī)律基本一致，因此限于篇幅，下文僅選取q=2.5 L/s 工況針對(duì)取水方案對(duì)取水層范圍的影響展開(kāi)詳細(xì)分析。圖7（a）～（c）分別為q=2.5 L/s 工況不同取水高程條件下取水范圍計(jì)算結(jié)果示意圖，圖7（d）為物理模型試驗(yàn)中無(wú)疊梁門(mén)方案取水范圍的示意圖。由圖7（a）和圖7（d）對(duì)比可知，無(wú)疊梁門(mén)方案取水層基本一致，均表現(xiàn)出上部取水層厚度大于下部取水層厚度的特點(diǎn)，且上部取水層厚度為下部取水層厚度的2 ～3 倍。由此可以得出，本文采用式（14）分析典型斷面位置取水層范圍具有一定的可靠性。

圖7（a）結(jié)果表明，無(wú)疊梁門(mén)方案取水時(shí)，其取水范圍為0.17 ～0.59 m，上部取水厚度為0.33 m，而下部取水厚度僅為0.09 m。分析其原因，這是由于取水塔室長(zhǎng)度較小，受到下游取水管的影響，取水塔室內(nèi)水流方向?yàn)槠蛐毕路剑?0］，進(jìn)而導(dǎo)致該方案取水以上部取水為主，下部取水層厚度較小。此外，根據(jù)圖示結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，該方案下無(wú)法取到表層高溫水，這與實(shí)際工程現(xiàn)象一致。

隨著取水高程的增加，取水層范圍有所調(diào)整，當(dāng)取水水頭為0.345 m 時(shí)，取水范圍為0.12 ～0.56 m，如圖7（b）所示。根據(jù)圖示結(jié)果可知，疊梁門(mén)取水方案下，取水層上部和下部厚度均有所調(diào)整，上部取水層厚度有所減小，而下部取水層厚度增加，上部與下部取水層厚度相當(dāng)。與無(wú)疊梁門(mén)方案不同，這是由于受到疊梁門(mén)及胸墻的影響，取水塔室內(nèi)水流方向的偏斜度降低，疊梁門(mén)頂水流方向基本為水平［21］，進(jìn)而取水層產(chǎn)生了調(diào)整，由此可知疊梁門(mén)頂流速分布對(duì)取水層范圍具有一定的影響。此外，計(jì)算結(jié)果同時(shí)表明，該疊梁門(mén)工況下尚未取到表層高溫水。

圖7 取水層范圍示意圖（q=2.5L/s）

隨著取水水頭的進(jìn)一步降低，當(dāng)取水水頭等于0.19 m 時(shí)，取水范圍調(diào)整至0.0 ～0.36 m，取水層向水體表層移動(dòng)，上部取水層厚度和下部取水層厚度相當(dāng)，但整個(gè)取水層厚度相比減小。眾所周知，水流運(yùn)行過(guò)程中，摩擦切向應(yīng)力與水體運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)成正比關(guān)系，而當(dāng)水溫越高，運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)越小，即切向應(yīng)力越小。對(duì)比圖7（b）和圖7（c）發(fā)現(xiàn)，取水水頭為0.19 m 時(shí)取水高程線附近平均水溫明顯高于取水水頭為0.345 m 時(shí)的平均水溫，即取水高程線附近的切向應(yīng)力相對(duì)減小，故導(dǎo)致取水層厚度減小，且上部取水層厚度略大于下部取水層厚度。該工況下，取水層已到達(dá)水體表層，可以達(dá)到提取表層高溫水的效果，由表1可知，該取水方案下取水水溫明顯高于前兩個(gè)方案。

3.5 討論疊梁門(mén)分層取水下泄水溫與取水近區(qū)水溫分布與流速分布密切相關(guān)，本文針對(duì)疊梁門(mén)方案改變對(duì)水溫-水動(dòng)力特性的影響開(kāi)展了研究，分析了不同取水流量及疊梁門(mén)方案下取水層的變化規(guī)律。文中通過(guò)建立疊梁門(mén)動(dòng)態(tài)模擬方程，實(shí)現(xiàn)了取水近區(qū)水溫-水動(dòng)力特性的連續(xù)模擬，解決了以往固化邊界條件下模擬引起的不連續(xù)影響。由前文分析可知，取水方式發(fā)生改變后，取水近區(qū)流速分布與水溫發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致取水層范圍改變，且不同取水流量條件下其變化規(guī)律基本一致。無(wú)疊梁門(mén)方案時(shí)，取水層上部厚度大于取水層下部厚度，這是由于取水塔室流速分布導(dǎo)致；疊梁門(mén)高程為0.155 m 時(shí)，疊梁門(mén)頂流速分布調(diào)整，進(jìn)而使取水層上部厚度與下部厚度基本一致；疊梁門(mén)高程為0.31 m 時(shí)，盡管疊梁門(mén)頂流速分布與H=0.155 m 時(shí)基本一致，但斷面平均溫度明顯升高，從而形成了取水層下部厚度及整體厚度減小的現(xiàn)象。由此可知，疊梁門(mén)分層取水過(guò)程中，取水層厚度并非一成不變，隨著疊梁門(mén)高度的增加，下部取水層厚度呈現(xiàn)出“先變大后變小”的發(fā)展規(guī)律，取水層下緣擴(kuò)散位置取決于疊梁門(mén)頂流速分布、水深及水溫分布。Bohan 和Grace 于1973年通過(guò)試驗(yàn)研究得出采用堰流方式取水時(shí)［21］，下緣擴(kuò)散位置取決于堰上流速、水深和密度差，而密度差與水溫直接相關(guān)，由此表明本文與文獻(xiàn)研究結(jié)論完全一致。此外，文獻(xiàn)中還指出，采用堰流方式取水時(shí)，取水層上緣取至水體表面，而本文數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，盡管上部取水層厚度隨著取水水頭的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，但當(dāng)取水水頭足夠大時(shí)，取水層上緣無(wú)法到達(dá)水體表面，其上緣范圍應(yīng)同樣與門(mén)頂流速分布、水深及水溫分布有關(guān)，而非一致認(rèn)為到達(dá)水體表面。

4 結(jié)論

本文基于動(dòng)網(wǎng)格模型對(duì)不同取水流量及疊梁門(mén)高度條件下，下游取水水溫、取水近區(qū)水溫-水動(dòng)力變化情況及取水層范圍變化等進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并采用物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。（1）數(shù)學(xué)模型很好地模擬了疊梁門(mén)運(yùn)行調(diào)度對(duì)水溫-水動(dòng)力的影響規(guī)律，與物理模型試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差小于1%，計(jì)算方法可行，計(jì)算結(jié)果可信。（2）疊梁門(mén)分層取水取水層主要位于疊梁門(mén)頂?shù)闹胁?，由此向表層和底層擴(kuò)張。（3）取水近區(qū)斷面最大流速發(fā)生位置與疊梁門(mén)運(yùn)行高度無(wú)關(guān)，研究表明最大流速均發(fā)生在取水最低高程以上10 cm 左右，相當(dāng)于原型15 m 左右。（4）取水層內(nèi)流速及水溫分布主要受取水高程影響，而取水流量相比影響甚微。（5）相同邊界條件下，隨著取水水頭的增加，上部取水層厚度逐漸增大，下部取水層厚度呈現(xiàn)先變大后變小的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)取水水頭足夠大時(shí)，取水層上緣將無(wú)法到達(dá)水體表面。（6）取水層上緣與下緣擴(kuò)散位置均取決于疊梁門(mén)頂?shù)牧魉俜植?、水溫分布及水深?/p>