分層取水結構型式對取水水溫影響的試驗研究

王 岑，柳海濤，王繼保，郭子琪，3，石小濤，孫雙科

（1.三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.河北農(nóng)業(yè)大學，河北 保定 071001）

1 研究背景

分層取水設施作為水庫調(diào)控下泄水溫，維持下游河道魚類生境的重要手段之一［1-2］，在實際工程中得到廣泛的應用［3-6］。目前應用較多的分層取水形式主要有4種：溢流式取水口（疊梁門）、多層孔型取水口［7］、浮式管型取水口［8］和控制帷幕取水［3］，主要采用物理模型與數(shù)學模型相結合的方法開展研究。如高學平等人通過水溫分層物理模型試驗，針對不同類型取水口下泄水溫進行了試驗研究，表明取水結構對于下泄水溫存在明顯影響［9-10］；武玉濤等人［11］通過水溫模型試驗，定量研究了水庫水溫分層隨取水過程的變化規(guī)律；路振剛等人［12］通過水溫物理模型，針對豐滿電廠重建工程分層取水方案的取水特性進行了定量研究。與此同時，考慮實際工程大范圍庫區(qū)水溫分布，練繼建等人［13］采用三維數(shù)學模型，針對庫區(qū)隔水幕布對低溫水的改善效果進行了研究；王海龍等［14］運用MIKE3軟件，針對糯扎渡水電站疊梁門進水口取水效果進行了研究；張少雄等［15］運用三維水溫計算軟件EFDC，針對水庫溢流式取水口的下泄水溫進行數(shù)值分析；陳弘等［16］采用Fluent軟件，針對水溫分層條件對進水口流速分布的影響進行研究。在上述分析結果基礎上，還需要通過實際工程運行監(jiān)測，對于分層取水的實際效果進行驗證。如陳棟為等［17］針對光照水電站疊梁門分層取水口進行實地觀測，表明取水溫升可達3.4℃，取得良好生態(tài)效益；傅菁菁等［18］針對灘坑水電站疊梁門取水水溫進行了實際觀測，發(fā)現(xiàn)疊梁門運行高度不足，下泄水溫明顯低于建壩前天然水溫，建議盡可能減小門頂水深以提高下泄水溫；李坤等［19］針對糯扎渡電站疊梁門運行期間，實測取水水溫與數(shù)值模擬水溫數(shù)據(jù)進行了對比分析，表明兩者存在一定差異，建議充分利用實測水溫數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化疊梁門運行調(diào)度方案。

綜上所述，已有研究往往針對具體的特定工程、特定的取水結構開展，對于不同水溫分層與取水結構條件下取水效率的對比研究則缺少統(tǒng)一的衡量標準?；诖?，本文擬建立水溫分層物理模型，通過熱通量平衡試驗方法，針對傳統(tǒng)疊梁門、疊梁門+水平帷幕、前置帷幕三種典型取水結構，開展對比試驗研究，通過分析取水水溫與取水高程特征水溫之間的關系，研究不同取水結構取水效果的不同與出現(xiàn)差異的原因，為分層取水進水口結構布置的優(yōu)化改進提供參考。

2 水溫模型設計與試驗方法

水溫物理模型在體型布置、水溫分布、取水流量、取水水溫等方面，參考已有典型工程進水口的布置特點與運行情況進行設計，具體參數(shù)見表1。經(jīng)綜合考慮，模型比尺為1∶150。模型總長10 m，寬度0.23 m，高度1.05 m，自上而下分為供水區(qū)、分層加熱區(qū)、水溫監(jiān)控區(qū)與取水拖曳區(qū)，上述布置方案參見圖1。模型試驗流量2.5 l/s，對應原型流量690 m3/s；模型取水水深0.5 m，對應原型取水水深75 m；模型疊梁門頂部水深7～31 cm，對應原型門頂水深10.5～46.5 m；水溫監(jiān)控區(qū)長6 m，對應原型庫區(qū)長度900 m。

表1 國內(nèi)部分水電站疊梁門進水口布置特性

取水方案包含傳統(tǒng)疊梁門、疊梁門+水平帷幕、前置帷幕三種方式，具體位置參見圖1。其中水平帷幕的長度0.05 m，對應原型7.5 m，其作用是為阻止疊梁門下部拖曳層內(nèi)的低溫水向上爬升，從而提高取水溫度。三種取水結構頂部水深均控制在10.5～46.5 m，高度變化間隔9 m。

圖1 模型設計布置（單位：m）

試驗方法：（1）保持庫區(qū)水位、上游來流水溫分層條件、下游取水流量不變；（2）設置不同的取水結構與取水高程；（3）監(jiān)測庫區(qū)水溫分層與取水水溫的變化過程，直到兩者趨于穩(wěn)定；（4）獲取上游水溫分布與取水溫度之間的關系數(shù)據(jù)。

試驗中，通過調(diào)整上游各層加熱功率，形成不同的庫區(qū)水溫分布條件，隨著時間的推移，該水溫分布行進至取水口前，引起下泄水溫發(fā)生變化，本文研究中水溫分布條件分為5種，具體分布見圖2。針對上述水溫分布條件，進行不同取水結構的對比試驗。圖3—圖5為在頂部水深10.5 m，不同水溫分布條件下，取水水溫的變化過程。由圖可知，在120 s左右上游溫水到達取水口，取水水溫開始上升，20 min左右取水水溫達到穩(wěn)定狀態(tài)。在此基礎上，提取1000～1800 s區(qū)間庫區(qū)平均取水水溫作為穩(wěn)定狀態(tài)下數(shù)據(jù)，可進一步分析三種取水結構取水特性的差異。

圖2 模型庫區(qū)水溫分布

圖3 疊梁門頂部水深10.5m條件下取水水溫變化過程

圖4 疊梁門+水平帷幕頂部水深10.5m條件下取水水溫變化過程

圖5 前置帷幕頂部水深10.5m條件下取水水溫變化過程

3 三種取水結構分層取水試驗成果分析

根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)下庫區(qū)水溫分布數(shù)據(jù)，建立了取水水溫與取水深度處庫區(qū)水溫（以下簡稱取水特征水溫）之間的對應關系，具體分布規(guī)律見圖6。試驗結果表明，（1）傳統(tǒng)的疊梁門提取表層溫水的效率相對較低，在疊梁門門頂水頭10.5～46.5 m范圍內(nèi)，取水水溫小于庫區(qū)特征水溫；（2）通過增加水平帷幕，取水效果有所改善，在門頂水頭37.5～46.5 m范圍內(nèi)，取水水溫達到或超過庫區(qū)特征水溫，量值可達0.6℃；（3）在進水口前設置隔水帷幕，在頂部水深28.5～46.5 m范圍內(nèi)，取水水溫達到或超過庫區(qū)特征水溫，量值可達1.2℃，取水效率得到明顯提高。

圖6 三種取水結構取水水溫與取水深度處對應庫區(qū)特征水溫的關系

圖7為不同門頂水頭條件下，三種取水結構取水水溫與庫區(qū)特征水溫之間的關系。試驗結果表明，（1）不同結構的提取表層溫水的效率有所差異，疊梁門+水平帷幕的取水水溫略高于傳統(tǒng)疊梁門，兩者相差0.3～0.5℃，前置帷幕取水水溫則明顯高于傳統(tǒng)疊梁門，兩者相差1.0～1.5℃；（2）頂部取水水深對于取水效率也有影響，以前置帷幕為例，當頂部取水水深10.5 m時，取水水溫低于庫區(qū)特征水溫約1℃，當頂部取水水深28.5 m時，取水水溫與庫區(qū)特征水溫基本相當，當頂部取水水深達到46.5 m時，前置帷幕取水水溫超過庫區(qū)特征水溫0.3～1.2℃。（3）當頂部取水水深較小時，取水水溫與特征水溫變化曲線的斜率較小，當取水水深較大時，兩者關系曲線斜率有所增大。究其原因在于，曲線斜率與取水拖曳層內(nèi)水溫分布梯度有關，此時整個溫躍層已位于取水高程以上。

圖7 不同取水結構在相同取水高程條件下取水水溫與庫區(qū)特征水溫之間的關系

表2為不同取水結構流場分布特征值，其中拖曳層底部邊界流速取0.16 m/s，對應模型下臨界Re數(shù)為3000。分析表明，不同取水結構的分層取水效率，主要取決于上游拖曳層的速度分布、垂向位置、層內(nèi)水溫分布。（1）當頂部水深較小時，取水高程處局部流速較大，使得下部拖曳層厚度增加，底部冷水取水占比上升；而當頂部水深增大時，取水高程處局部流速減小，下部拖曳層厚度減小，底部冷水占比下降。（2）傳統(tǒng)疊梁門取水口取水前緣與下游引水洞相距較近，表層水體受胸墻頂托，拖曳流速降低，溫水取水占比減小；而當進水口上游庫區(qū)內(nèi)采用前置帷幕時，表層水體在此帷幕斷面仍有較大流速，溫水可通過垂向摻混進入進水口，從而提高取水水溫。（3）取水過程中，拖曳層上下邊界處紊動應力、黏滯力與浮力達到平衡，當取水高程以上水溫分層梯度較大時，拖曳層上邊界并未到達水面，而當取水高程以下水溫分層梯度較小時，拖曳層下邊界可擴展至冷水區(qū)，造成取水水溫低于特征水溫。

表2 不同取水結構上游流場分布特征值

本文研究中，在傳統(tǒng)疊梁門進水口體型上，通過增加水平帷幕，減小疊梁門高程以下拖曳層厚度，在相同取水特征水溫條件下，分層取水效率較傳統(tǒng)疊梁門有明顯改善；然后在進水口上游庫區(qū)設置隔水帷幕，增大拖曳層上部流速，使其分層取水效率較之相同高度疊梁門進水口顯著提高。由此可見，分層取水進水口的取水水溫不僅取決于門頂水頭，而且與取水口近區(qū)拖曳區(qū)的水動力學特性有直接關系。這一結果為分層取水進水口布置結構的優(yōu)化改進提供了新的努力方向，下一步擬針對拖曳層內(nèi)各項要素的影響及其控制方法開展系統(tǒng)研究。

4 結論

采用水溫分層物理模型，針對傳統(tǒng)疊梁門、疊梁門+水平帷幕、進水口前置帷幕三種分層取水結構進行了對比研究，通過分析取水水溫與取水深度處庫區(qū)特征水溫之間的關系，判斷不同水溫分層與取水結構條件下取水效率的差異。研究表明：（1）在相同水溫分布與取水高度條件下，疊梁門+水平帷幕取水水溫較之傳統(tǒng)疊梁門升高0.3～0.5℃，而前置帷幕取水水溫較之傳統(tǒng)疊梁門升高1.0～1.5℃；（2）傳統(tǒng)疊梁門在10.5～46.5 m取水水深范圍內(nèi)，取水水溫一般均低于庫區(qū)特征水溫，通過增加水平帷幕，在37.5～46.5 m取水水深范圍內(nèi)，取水水溫可超過庫區(qū)特征水溫可達0.6℃，而采用前置帷幕，在28.5～46.5 m取水水深范圍內(nèi)，取水水溫超過庫區(qū)特征水溫可達1.2℃。分析表明，取水口上游拖曳層的厚度、垂向位置、層內(nèi)水溫與流速分布，是影響取水結構分層取水效率的重要因素。傳統(tǒng)的疊梁門進水口，由于底部拖曳層的影響，取水效率相對較低；通過設置水平帷幕，阻擋進水口下部冷水爬升，取水效率得到改善；在進水口上游庫區(qū)設置隔水帷幕，可增大取水斷面表層溫水拖曳流速，取水效率明顯提高。下一步擬針對拖曳層內(nèi)各項要素的影響及其控制方法開展系統(tǒng)研究，從運行效果提升角度，探求更為高效的分層取水進水口優(yōu)化布置方案。