控制幕作用下水庫溫流場特征初步研究

於思瀚，黃 衛(wèi)，韓繼斌，黃明海

(長江科學院 水力學研究所，武漢 430010)

1 研究背景

當前，隨著筑壩技術(shù)的提高，大壩的高度不斷突破，大型水庫越來越常見，我國已成為世界上大型水庫擁有量最多的國家[1]。大型水庫尤其是高壩大庫建成后由于庫區(qū)水體體積變大，水深和過流面積增加，流速減緩，水體滯留時間增長，接受太陽輻射增加，引起水溫垂向成層分布，表現(xiàn)為：水庫表層水體與空氣直接進行熱交換，水溫隨氣溫變化，為表溫層；底層水體水溫變化小，常年維持在穩(wěn)定的低溫狀態(tài)，為滯溫層；中間的過渡區(qū)域水溫變化劇烈，溫度梯度較大，為溫躍層。傳統(tǒng)水庫多采用單層取水方式，且出于發(fā)電效益的考量，取水口位置往往位于底部滯溫層，導致水庫下泄水溫在夏季低于下游天然河道，而冬季則高于天然河道水溫，對大壩下游生態(tài)、生產(chǎn)、生活造成不利影響[2-3]。出庫低溫水將降低下游灌溉用水水溫，抑制作物光合作用及新陳代謝，導致作物減產(chǎn)[4-5]，還會造成下游溫水習性魚類生長緩慢，使產(chǎn)卵條件惡劣，從而影響魚類繁衍，嚴重情況下將導致魚類滅絕[6-7]等。對于三文魚等冷水習性魚類，冬季高溫水下泄會對魚卵的孵化以及幼魚造成致命威脅。因此，必須采取恰當?shù)墓こ檀胧┛刂葡滦顾疁亍７謱尤∷枪こ躺蠎?yīng)用最為廣泛，同時也是效果較為明顯的方法。目前分層取水形式主要有多孔式、浮子式、疊梁門式、控制幕式[8-13]等，其中控制幕分層取水具有施工簡單、成本低廉、水頭損失低等優(yōu)點[14]。

20世紀80年代國外學者提出了水溫控制幕[15]，通過原型觀測、物理模型試驗、數(shù)值模擬[12,16-17]等方法，研究了控制幕對水庫下泄水溫的影響。但是，這些研究的控制幕形式多是頂部控制幕形式(懸掛式幕簾形式)，用來減小高溫水下泄對下游冷水習性魚類的影響以及防止水庫表層水華的發(fā)生等。1997年，Vermeyen[18]通過觀測Whiskeytown和Lewiston兩座水庫布置控制幕后若干測點的溫度以及下泄水溫，研究了控制幕調(diào)控下泄水溫的效果。Shammaa等[17]通過物理模型試驗分析了控制幕對水溫分層水庫的溫度影響，提出了幕布高度和出水水質(zhì)的經(jīng)驗關(guān)系式，同時分析了控制幕與取水口之間的流場結(jié)構(gòu)隨時間的變化規(guī)律，提出了工程應(yīng)用建議。高學平等[19]對水庫水溫分層取水模型相似理論進行研究，提出水庫水溫分層取水模型流動的相似條件為：在幾何相似的前提下，應(yīng)保持弗勞德數(shù)Fr和密度弗勞德數(shù)Fd相等。同時，高學平等[20]研究表明控制幕表層過流運行方式能夠顯著提高下泄水溫。練繼建等[21]分析了各種型式的控制幕對出庫低溫水的改善效果，表明控制幕可提高春夏季節(jié)的下泄水溫達 2～8 ℃，提高效果與幕布形式、淹沒水深和壩前水溫分布相關(guān)，并給出了控制幕布置后的下泄水溫預測公式。薛文豪等[22]對某大型水庫垂向水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫過程的模擬結(jié)果表明，控制幕的設(shè)置將顯著影響水庫內(nèi)的水體流動及水溫垂向分布。He等[23]建立二維數(shù)學模型，分析了不同形式控制幕對下泄水溫的改善效果，表明擋水比>80%的底部形式控制幕，有利于減小水庫出入庫水溫差。

迄今為止，針對控制幕分層取水的研究不多，對于底部控制幕形式(遮蔽水體下部水體的形式)的研究則更少。澳大利亞布倫東大壩是采用底部控制幕形式來提高下泄水溫的工程實例[14]。前人關(guān)于控制幕分層取水的研究多關(guān)注控制幕下游流速場、溫度場分布以及分層取水下泄水溫等方面，對于控制幕作用下控制幕上游即庫內(nèi)流速場、溫度場的研究鮮見。同時，控制幕作用下溫分層水體流速場、溫度場研究的重點在于水體間摻混、不同水體交界面等問題。因此，有必要對控制幕作用下分層水體流速、水溫分布情況進行進一步的研究。

綜上所述，雖然針對控制幕分層取水已有一定的研究成果，但是由于其內(nèi)在機理的復雜性，關(guān)于控制幕作用下水庫內(nèi)溫躍層流速分布及下泄水溫影響因素等問題還沒有深入的研究。本文開展了一系列的試驗，對分層水體中設(shè)置控制幕后的下泄水溫及幕前典型斷面流速、水溫進行了同步測量，討論了不同影響因素對分層水體流速、溫度分布的影響，揭示了其分布規(guī)律，確定影響水體流速、溫度分布的主要因素，為更深入地研究控制幕分層取水機理提供了依據(jù)。

2 試驗模型布置與量測

2.1 試驗模型布置

本概化水槽試驗在長江科學院水工程環(huán)境與生態(tài)試驗大廳進行，試驗水槽寬0.4 m,高0.5 m,長25 m，熱水由體積為125 m3的恒溫水箱提供，試驗中控制熱水水溫在33 ℃左右，冷水水溫為室溫(本試驗在一定時間內(nèi)集中進行，試驗過程中冷水溫度基本恒定)約12 ℃[24-26]試驗裝置由供水區(qū)、摻混區(qū)、測試區(qū)以及尾水區(qū)幾個部分組成，詳見圖1(a)。試驗時，分別通過水泵向水槽內(nèi)注入冷水、熱水，并設(shè)置穩(wěn)水板，保證水位和流量的平穩(wěn)。冷、熱水體進入試驗水槽后，形成一定范圍的摻混區(qū)，經(jīng)足夠距離過渡后，形成平穩(wěn)的溫分層流，較好地模擬原型水庫的水溫分布，滿足測試區(qū)入流斷面目標水溫分布的要求。測試區(qū)內(nèi)布設(shè)不透水的水溫控制幕(因本試驗不考慮控制幕受力變形，故以有機玻璃板代替柔性幕布)，可靈活控制其運行高度和位置，使水流緩慢從水溫控制幕頂部通過，以實現(xiàn)分層取水的功能。同時，在下游末端分別設(shè)置了上層、中層、下層取水口。測試段水槽上設(shè)移動數(shù)控測車，可為熱敏電偶溫度計、ADV流速儀等提供準確的定位和便捷移動操作。試驗中，冷水、熱水分別注入水槽，并將水位調(diào)節(jié)至所需水位后，嚴格控制冷水、熱水入流流量以及下泄流量，保持水槽內(nèi)水位穩(wěn)定，經(jīng)過足夠的時間和距離充分摻混，在水槽內(nèi)形成穩(wěn)定的分層水體,見圖1(b)。在正式測試之前，在測試區(qū)內(nèi)滯溫層、溫躍層和表溫層分別選取測點，驗證測點溫度是否保持恒定，以滿足試驗條件。待確認溫分層穩(wěn)定后，將控制幕緩緩放入水中于固定槽內(nèi)卡住，實現(xiàn)分層取水效果。

圖1 水溫控制幕溫分層取水試驗水槽

2.2 試驗測量儀器

水溫測量采用臺灣泰仕公司的TES-1310K型高精度接觸式熱電偶溫度計(如圖2(a))，其主要技術(shù)參數(shù)為：測量范圍50～1 300 ℃；取樣率2.5次/s；分辨率0.1 ℃；TP-K01熱電偶。流速測量采用美國SonTek公司的16 MHz MicroADV，其主要技術(shù)參數(shù)為：采樣頻率0.1～50 Hz；測速范圍0.001～4.5 m/s；分辨率0.001 m/s；測量精度為最大量程的±1%；工作溫度-20～50 ℃。試驗時熱電偶用橡皮筋固定在固定桿上，以實現(xiàn)水溫、流速的同步測量，同時忽略探頭以及固定桿對流場的擾動，如圖2(b)所示。

圖2 水溫控制幕溫分層取水試驗測量設(shè)備

2.3 測量斷面及測點分布

如圖1(a)所示，試驗同步測量控制幕上以及控制幕上游每間隔0.5 m的斷面1—斷面4(控制幕位置工況增加控制幕下游斷面-1和斷面-2)沿水槽中軸線的垂向水溫、流速。每根測垂線上間隔2 cm布置1個測點，在溫躍層附近適當加密。由于完成一組試驗時間較短，測量結(jié)果表明環(huán)境溫度變化對水體表面溫度的影響可以忽略。

3 試驗影響因子與參數(shù)

3.1 試驗影響因子

試驗研究不同熱冷水流量比Q、控制幕距取水口距離L、取水口位置Z、控制幕遮擋率η條件下，不同測點處的流速和水溫，分析水溫控制幕上游水體流速、水溫沿水槽中軸線不同斷面處的分布情況以及改善下泄水溫的效果。

3.2 試驗參數(shù)設(shè)置

考慮到水庫水溫分層現(xiàn)象具有明顯的季節(jié)性特征，在不同季節(jié)體現(xiàn)出不同的水溫結(jié)構(gòu)，其中春末夏初水體分層現(xiàn)象最為明顯，水體底部與表面溫差可達20 ℃左右[27]，故選取1 a中該時段作為典型時間段，試驗工況設(shè)置如表1所示。

表1 各試驗工況參數(shù)

4 試驗結(jié)果分析

4.1 控制幕作用下水溫、流速空間分布

以工況C2為例，說明控制幕作用下庫區(qū)水溫、流速分布情況。圖3為控制幕上以及控制幕上游3個斷面測垂線流速溫度的分布。橫坐標分別表示水溫T和流速u，縱坐標表示測點距水槽底部距離y。

圖3 C2工況各測垂線水溫、流速分布

試驗結(jié)果表明，水溫在很長的一段水深內(nèi)保持不變，即在水體底部和水面存在滯溫層和表溫層，滯溫層和表溫層之間的水體即為溫躍層[28]，表現(xiàn)為存在較大的溫度梯度，水溫變化劇烈，溫躍層厚度在3～5 cm之間。溫躍層內(nèi)靜力穩(wěn)定性較強，抑制了上下層水體間的摻混。在斷面1處即控制幕上方位置，水溫分布依然表現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象，不難發(fā)現(xiàn)，滯溫層、溫躍層和表溫層水體厚度均有減小，而不是單一的某一層尺度有所變化，這是由控制幕對水體的束流作用造成的。

流速在溫躍層內(nèi)變化劇烈。在溫躍層流速突然增大，增至最大值后再隨著測點水深的減小而逐漸減小，直至水面以下2～4 cm處，如圖3(b)所示?？梢杂^察到在表溫層厚度足夠的情況下，流速再次符合層流流速分布規(guī)律。隨著與控制幕距離的縮短，溫躍層內(nèi)流速最大值點位置抬升。由于控制幕阻隔了一部分水體下泄，使過水斷面收窄，斷面平均流速明顯增大，一定程度上形成牽引作用。在控制幕附近這種牽引作用變大，使溫躍層內(nèi)流速在越靠近控制幕的斷面，Vmax與Vmin差值越大。在滯溫層和表溫層流速沿水深從水槽底部向水面遞增，呈對數(shù)分布。其流速分布近似滿足式(1)。

(1)

式中：u為測點流速；u*為摩阻流速；y為測點距水槽底部距離；γ為運動黏性系數(shù)。在斷面1處，水溫控制幕顯著破環(huán)了原水體的層流特性，使流速更多地表現(xiàn)出紊流特征。

圖4 不同熱冷水流量之比Q條件下各測量斷面溫度、流速分布及溫躍層特性參數(shù)

4.2 不同影響因素對水溫、流速分布的影響

試驗分析不同熱冷水流量比Q、控制幕距取水口距離L、取水口位置Z、控制幕遮擋率η條件下，水溫控制幕對控制幕附近水體結(jié)構(gòu)的影響，揭示流速、水溫分布規(guī)律，分析其原因。

4.2.1 熱水流量、冷水流量比對水溫、流速分布的影響

圖5 不同控制幕距取水口距離L條件下各測量斷面溫度、流速分布及溫躍層特性參數(shù)

在水溫分布圖中，不同工況同一斷面垂向水溫變化上下拐點出現(xiàn)的位置隨Q值的增大而降低，但越靠近控制幕，這種差異越小，這是由控制幕的束流作用引起的。隨著Q值的減小，溫躍層所處高度上升，可以看到在Q=0.4時，溫躍層所處高度較其他2種工況抬升最明顯。從圖4(b)可以看到，在遠離控制幕的斷面，各工況流速分布曲線交替波動上升。然而在控制幕附近，流速分布更加穩(wěn)定，體現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。流速最大值點不是在水體表面，而是在溫躍層內(nèi)h/H=0.8相對位置處，且隨著Q值的增大，最大值點出現(xiàn)的位置下降。

圖4(c)、圖4(d)反映了不同Q值條件下溫躍層的情況。易觀察到，同一斷面處，不同工況的溫躍層厚度，在控制幕區(qū)域附近，呈現(xiàn)出Q值越大、溫躍層越薄的規(guī)律，但在遠離控制幕的區(qū)域恰恰相反。溫躍層強度在近幕布區(qū)域隨著Q的增大，E增大，遠離幕布斷面減小。這表明，Q值增大會使來流溫躍層厚度增大，但在近幕布區(qū)域受幕布影響也越大。控制幕的存在會加劇近幕布區(qū)域水體的分層，使溫躍層強度增大，抑制上下層水體交換，且Q值越大，這種現(xiàn)象越嚴重。

4.2.2 控制幕位置對水溫、流速分布的影響

由表1可知，C1、C4和C5分別對應(yīng)L為0.5、1.0、1.5 m的情形。圖5表示不同控制幕距取水口距離L條件下各測量斷面溫度、流速分布及溫躍層特性參數(shù)。從圖5(a)、5(b)可知，不同L值對應(yīng)的流速分布及溫度分布類似，幾乎沒有差別。圖5(c)、5(d)表明在控制幕上游，溫躍層厚度約為5 cm，E值各工況差別也不明顯。控制幕下游，溫躍層厚度大幅增長，可見控制幕促進幕后水流強烈摻混效果明顯。由于在遠離取水口的位置，取水口對水流的牽引作用降低，水體受到的浮力作用較強，在控制幕頂，隨L值的增加,溫躍層厚度減小，溫躍層強度增大，溫躍層強度最大達到了10.7 ℃/cm。

圖6 不同取水口位置Z條件下各測量斷面溫度、流速分布及溫躍層特性參數(shù)

4.2.3 取水口位置對水溫、流速分布的影響

由表1可知，C1、C6和C7反映不同取水口位置Z的情形。圖6表示不同取水口位置Z條件下各測量斷面溫度、流速分布及溫躍層特性參數(shù)。垂向溫度、流速分布見圖6(a)、圖6(b)。不同位置取水口能取到不同高度層的水體，溫躍層所處高度與取水口高度呈正相關(guān)，當取水口位置位于上層時溫躍層位置最高。由圖6(c)可知，不同的取水口位置對溫躍層厚度有一定的影響，各斷面取水口位置越高，溫躍層厚度隨之減小，這是由于取水口對水流的牽引作用遠大于溫度差引起的水體分層。在圖6(d)中也可觀察到取水口位置越高，E值越大，越不利于控制幕上游水體摻混。

4.2.4 控制幕高度對水溫、流速分布的影響

對于單因素條件下，不同控制幕高度反映為控制幕遮擋率η。由表1可知，不同η情形對應(yīng)工況C8、C9和C10，控制幕高度分別為15、20、25 cm,相應(yīng)槽內(nèi)水深均為40 cm。圖7比較了不同控制幕遮擋率η條件下各測量斷面溫度、流速分布及溫躍層特性參數(shù)。如圖7(a)、圖7(c)所示，由于控制幕的束流作用，隨著η值變大，斷面1處溫躍層逐漸上移，厚度越來越小，抑制摻混作用越明顯。圖7(b)表明控制幕高度增高會導致控制幕所在斷面處平均流速提高，在遠離控制幕的斷面，隨著η值增大，斷面流速垂向波動程度加劇。尤其是在溫躍層內(nèi)，η=62.5%相較于另2種工況，流速梯度顯著變大。由圖7(d)可知，在控制幕上方，η越大，E值越大，表明摻混被抑制得越嚴重。

圖7 不同控制幕遮擋率η條件下各測量斷面溫度、流速分布及溫躍層特性參數(shù)

4.3 不同影響因素對下泄水溫的影響

設(shè)置控制幕后，過流斷面減小，表層水體流速增大，促進了幕布下游水體的垂向摻混，破壞了原水體分層結(jié)構(gòu)，進而提高了下泄水溫。圖8比較了不同控制條件下通過取水口下泄水溫的情況，結(jié)果顯示，熱冷水流量之比Q、取水口位置Z、控制幕遮擋率η與下泄水溫溫升呈正相關(guān)。當Q=0.6時，下泄水溫溫升可達到2 ℃，而在Q=0.4的條件下，下泄水溫較無控制幕情況僅提高1.1 ℃，兩者相差0.9 ℃。圖8(c)的3種工況下，下泄水溫均有不同程度的提高，以上層取水口最明顯。當取水口位于上層時，由于能較多的抽取上層高溫水，下泄水溫提高可達2.1 ℃；當采用下層取水口時，ΔT只有1.5 ℃。圖8(d)比較了η對下泄水溫的影響。結(jié)果顯示，下泄水溫對控制幕遮擋率η較敏感，不同工況條件下，差別達到了0.5 ℃。當控制幕阻攔越多的冷水時，下泄水溫越高。對比圖8(b)控制幕位置的調(diào)整對于下泄水溫的影響很小，幾乎可以忽略，僅出現(xiàn)了0.1 ℃的差異。

圖8 不同工況條件下下泄水溫溫升ΔT

5 結(jié) 論

本文針對控制幕分層取水方法，通過溫分層水槽試驗，研究了分層水體中設(shè)置水溫控制幕后其上下游流速、水溫分布特征以及下泄水溫。試驗考慮了熱冷水流量比Q、控制幕距取水口距離L、取水口高度Z、控制幕遮擋率η四個因素的影響，研究結(jié)果表明：

(1)控制幕的設(shè)置抑制了控制幕上游水體上下層的摻混，增大了溫躍層強度，改變了水體溫度、流速分布。流速沿水深從水槽底部向水面遞增，在滯溫層內(nèi)呈對數(shù)分布。溫躍層內(nèi)流速逐漸增大到極大值，再逐漸減小，溫躍層內(nèi)流速分布呈尖狀。

(2)分層水體中控制幕上游溫躍層厚度、溫躍層位置以及流速分布受多重因素影響。溫躍層厚度主要與上游來流情況和取水口位置有關(guān)，Q越大，來流溫躍層厚度越大，在近幕布區(qū)域厚度越小。取水口位置越低，溫躍層厚度越大。取水口位置越高，溫躍層位置隨之抬升。控制幕遮擋率η越大，流速垂向分布波動性越大，溫躍層位置越高?？刂颇晃恢脤τ谒疁睾土魉俜植嫉挠绊懹邢?，控制幕具有明顯促進幕下游水體摻混的作用。

(3)控制幕對于提高水庫下泄水溫具有積極的作用，下泄水溫隨著熱冷水流量之比，取水口高度以及控制幕遮擋率的增大而升高。