疊梁門分層取水效果評(píng)估分析

楊海林

(甘肅省民樂縣海潮壩河水利管理處，甘肅 張掖 734500)

水利水電工程在防洪、發(fā)電、灌溉和航運(yùn)等諸多方面對(duì)于保障社會(huì)安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等發(fā)揮了巨大作用。然而，水利工程在發(fā)揮作用的同時(shí)，也改變了壩址庫區(qū)以及下游河道的原有生態(tài)環(huán)境條件，產(chǎn)生了一系列的生態(tài)環(huán)境影響[1]。水庫水溫是大規(guī)模水利水電工程興建帶來的系列生態(tài)環(huán)境問題之一，而如何調(diào)控水庫的泄水溫度、減緩對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的不利影響，是當(dāng)今水庫水溫研究中亟待解決的核心問題，對(duì)下游生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的意義[2- 3]。

疊梁門分層取水作為緩解水利工程下泄水溫的有效手段之一，疊梁門分層取水效果評(píng)估目前成為研究熱點(diǎn)，亦是工程建設(shè)論證必須實(shí)施的一個(gè)階段[4]。疊梁門分層取水效果評(píng)估主要采用公式法、試驗(yàn)法以及數(shù)值模擬方法為主。公式法主要是結(jié)合大量基礎(chǔ)資料建立庫區(qū)水溫-取水高程-下泄水溫之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，進(jìn)而對(duì)下泄水溫進(jìn)行初步預(yù)估，如高學(xué)平等依托糯扎渡工程試驗(yàn)結(jié)果建立了下泄水溫預(yù)測(cè)關(guān)系[5]，鄭鐵剛等則基于量綱分析同樣提出了下泄水溫估算方程，相關(guān)系數(shù)達(dá)95.6%[6]。然而，需指出的是，以上經(jīng)驗(yàn)關(guān)系均依托單一實(shí)際工程得出，仍具有一定的局限性。隨著科技力量的發(fā)展，采用物理模型試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算方法研究庫區(qū)水溫分布逐漸成為趨勢(shì)，然而考慮到物理模型試驗(yàn)浮力相似及模型與原型水溫?fù)Q算關(guān)系的復(fù)雜性，數(shù)值模擬研究分層取水效果是當(dāng)前應(yīng)用最多的研究手段。Politano[7]和鄭鐵剛[8]等分別基于FLUENT建立了三維水溫-水動(dòng)力模型，對(duì)電站下泄水溫進(jìn)行了預(yù)測(cè)；Jin[9]、?alkan[10]和高學(xué)平[11]等分別采用EFDC對(duì)實(shí)際工程下泄水溫開展了研究。

鑒于數(shù)值模擬研究方法的成熟性，本文基于Fluent二次開發(fā)，通過建立三維水溫水動(dòng)力模型，依托某實(shí)際工程，對(duì)疊梁門分層取水效果進(jìn)行評(píng)估，并基于取水效果提出疊梁門運(yùn)行調(diào)度方案，對(duì)實(shí)際工程具有較好的指導(dǎo)意義。

1 研究方法

1.1 三維數(shù)學(xué)模型

基于笛卡爾坐標(biāo)建立計(jì)算方程如下：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

溫度方程：

(5)

1.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

本研究模擬的范圍為進(jìn)水閘井前150m至閘井后100m，模擬水深為53.5m，進(jìn)水閘室包含2個(gè)進(jìn)水流道，由結(jié)構(gòu)梁連接支撐，模型示意圖如圖1所示。綜合考慮計(jì)算效率及結(jié)果的合理性，本文采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，并且對(duì)疊梁門附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，研究區(qū)域內(nèi)最小網(wǎng)格尺寸為0.2m×0.3m×0.3m，最大尺寸為0.5m×0.5m×0.5m，網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)60萬。

圖1 計(jì)算模型示意圖

1.3 邊界條件

1.3.1表面綜合散熱系數(shù)

水面熱交換包括凈太陽短波輻射、凈長(zhǎng)波輻射、蒸發(fā)和傳導(dǎo)4個(gè)方面。本文參考文獻(xiàn)[8]分別采用水面蒸發(fā)系數(shù)和水面綜合散熱系數(shù)計(jì)算水面散熱。

水面蒸發(fā)系數(shù)：

α=(22.0+12.5v2+2.0ΔT)1/2

(6)

水面綜合散熱系數(shù)：

Km=(b+m)α+4nσ(Ts+273)3+
(1/α)(bΔT+Δe)

(7)

其中:

ΔT=Ts-Ta

(8)

Δe=es-ea

(9)

(10)

(11)

式中,P—水面以上1.5m處的大氣壓，hPa；v—水面以上1.5m處的風(fēng)速，m/s；n—水面輻射系數(shù)，取0.97；σ—Stefan-Boltzman常數(shù)，取5.67×10-8(W·m-2·℃-4)；Ta—水面以上1.5m處的氣溫，℃；Ts—水面水溫，℃；es—水溫為Ts時(shí)的相應(yīng)水面飽和水汽壓，hPa；ea—水面以上1.5m處的水汽壓，hPa。

1.3.2進(jìn)出口邊界

上游給定流量邊界，壓力假設(shè)為靜水壓，水溫分布采用庫區(qū)實(shí)測(cè)水溫分布；κ、ε分別根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式近似計(jì)算：

(12)

假定下游出口斷面為充分發(fā)展的紊流，出口邊界上各變量均取零梯度條件。初始條件庫區(qū)給定零流速，水溫分布根據(jù)不同工況采用不同月份實(shí)測(cè)水溫分布，壓力為靜水壓，水面采用“剛蓋假定”，庫底和壩體采用無滑移邊界條件，且為絕熱邊界。

1.4 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

本文采用美國陸軍工程師團(tuán)水道試驗(yàn)站Johnson于1980—1981年為模擬分層水庫動(dòng)力學(xué)模型而做的室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)三維計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證[12]，模擬結(jié)果如圖2所示。圖示結(jié)果為T=11min 時(shí)距水庫入口11.43m 位置水平流速垂向分布。由圖2可以看出，由于冷水下潛，靠近底部水體流速較大；在剪切力作用下，隨著距底板高度的增加，流速逐漸減小，并且表層高溫水出現(xiàn)負(fù)向流速，實(shí)測(cè)值和計(jì)算值流速分布規(guī)律基本一致，充分體現(xiàn)了本報(bào)告所采用紊流模型的有效性。由此可見，本文計(jì)算模型進(jìn)行浮力分層流的計(jì)算是可行的，可用于水電站分層取水效果的預(yù)測(cè)分析。

圖2 水平流速垂向分布

2 計(jì)算資料分析

本文依托甘肅省某工程，水溫結(jié)構(gòu)屬于季節(jié)性分層型，分層主要表現(xiàn)在4月和5月，年內(nèi)其它月份基本不分層，平水年(P=50%)庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)如圖3所示。4月份和5月份隨著氣溫的上升，上游來水水溫也逐步上升，表層水溫也隨著太陽輻射和氣溫迅速升高，而庫底水溫增加則較為緩慢，約為4℃左右，呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，垂向水溫溫差為6.0～7.0℃左右。其余月份，壩前水體摻混程度加強(qiáng)，垂向溫差均小于3.5℃，水溫分層不明顯。

圖3 平水年P(guān)=50%逐月壩前水溫分布

由依托工程運(yùn)行調(diào)度資料可知，各發(fā)電月份取水流量均為3.1～46.8m3/s，最大取水流量均可達(dá)為46.8m3/s，故本研究將在最大流量條件下開展分析，對(duì)比分析不同年份、不同疊梁門取水高程下疊梁門分層取水效果，進(jìn)而對(duì)實(shí)際工程疊梁門運(yùn)行方式提出建議。研究中，考慮到工程最小淹沒深度為2.56m，為最大提升取水效果，因此本文疊梁門門頂水頭取3～9m，疊梁門單節(jié)門高3m。計(jì)算工況共計(jì)12組，見表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 底孔取水水溫分析

根據(jù)工程資料顯示，25%、50%及90%來水頻率下，不采取分層取水方案，僅通過底孔單層取水時(shí)，水利樞紐下泄水溫與建庫前天然水溫分析對(duì)比如圖4(a)、(b)所示。由圖4(a)、(b)可見，底孔單層取水時(shí)，4—5月水庫下泄水溫低于天然水溫，最大溫差分別為-3.04℃(25%)、-3.28℃(50%)和-3.47℃(90%)，均出現(xiàn)在4月；11月—次年1月，水庫下泄水溫略高于天然水溫，最大溫差分別為1.63℃(25%)、1.62℃(50%)、1.57℃(90%)，均出現(xiàn)在11月。由此可知，依托工程4月和5月有明顯分層和下泄低溫水現(xiàn)象。

3.2 疊梁門分層取水效果分析

不同工況下疊梁門分層取水效果如圖5—6所示，預(yù)測(cè)結(jié)果表明，豐水年份(25%)來水，4月份疊梁門運(yùn)行高度分別為36、39m時(shí)，下泄水溫均為7.55℃，相較底孔下泄水溫升高2.69℃，但較天然水溫仍低0.35℃；5月份疊梁門運(yùn)行高度分別為21、24m時(shí)，下泄水溫分別為11.60℃和11.49℃，相較底孔下泄水溫分別升高1.87℃和1.76℃，但較天然水溫仍低0.20℃和0.31℃。平水年份(50%)來水，4月份疊梁門運(yùn)行高度分別為30、33m時(shí)，下泄水溫分別為7.17℃和7.33℃，相較底孔下泄水溫分別升高2.55℃和2.71℃，但較天然水溫仍低0.73℃和0.57℃；5月份疊梁門運(yùn)行高度分別為24、27m時(shí)，下泄水溫分別為11.33℃和11.42℃，相較底孔下泄水溫分別升高1.50℃和1.59℃，但較天然水溫仍低0.47℃和0.38℃?？菟攴?90%)來水，4月份疊梁門運(yùn)行高度分別為24、27m時(shí)，下泄水溫分別為7.18℃和7.22℃，相較底孔下泄水溫分別升高2.75℃和2.79℃，但較天然水溫仍低0.72℃和0.68℃；5月份疊梁門運(yùn)行高度分別為3、6m時(shí)，下泄水溫分別為13.76℃和13.73℃，相較底孔下泄水溫分別升高2.02℃和1.99℃，但較天然水溫高1.96℃和1.93℃。

表1 計(jì)算工況表

圖4 不同來水頻率下，各月份單層取水下泄水溫結(jié)果

圖5 4月份下泄水溫對(duì)比

圖6 5月份下泄水溫對(duì)比

由上對(duì)比可知，采用疊梁門分層取水后，下泄水溫較底孔下泄水溫升高明顯，表明疊梁門方案提取表層高溫水效果明顯。疊梁門門頂水頭為3～6m比水頭為6～9m時(shí)下泄水溫僅升高0.1℃，甚至更低，見表2。由此可見，當(dāng)疊梁門門頂水頭為3～9m時(shí)，疊梁門頂高程抬高對(duì)下泄水溫影響效果有限，即改變疊梁門節(jié)高對(duì)下泄水溫影響不明顯。眾所周知，疊梁門門頂水頭越小，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致攔污柵-疊梁門斷面流速越大，同時(shí)進(jìn)水口水頭損失也越大，將對(duì)攔污柵運(yùn)行安全及電站發(fā)電效率產(chǎn)生影響，鑒于此，本研究建議疊梁門門頂水頭取6～9m。

表2 不同疊梁門高度取水水溫對(duì)比

表3 與天然水溫差值分析

3.3 取水水溫對(duì)下游生態(tài)影響分析

采用疊梁門分層取水后，下泄水溫較天然河道水溫仍普遍較低，最大溫差分別為-0.35℃(25%)、-0.73℃(50%)和1.96℃(90%),見表3，其中25%、50%來水頻率均出現(xiàn)在4月，90%來水頻率出現(xiàn)在5月。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，春季壩下河流水溫沿程增溫明顯，有利于水庫下泄低溫水水溫恢復(fù)，河道水溫升溫速率約為0.3℃/10km。由此計(jì)算可知，下游河道段水溫恢復(fù)后能夠滿足魚類產(chǎn)卵所需水溫條件，同時(shí)基本滿足灌溉水溫需求。

4 結(jié)論

通過建立三維水溫-水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同運(yùn)行工況下疊梁門分層取水下泄水溫進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，計(jì)算結(jié)果表明：

(1)疊梁門分層取水較底孔下泄水溫升高明顯，最大升溫分別為2.69℃(25%)、2.71℃(50%)和2.79℃(90%)，25%、50%和90%來水頻率均出現(xiàn)在4月。

(2)采用疊梁門分層取水后，下泄水溫較天然河道水溫仍普遍較低，最大溫差分別為-0.35℃(25%)、-0.73℃(50%)和1.96℃(90%)，其中25%、50%來水頻率均出現(xiàn)在4月，90%來水頻率出現(xiàn)在5月。

(3)當(dāng)疊梁門門頂水頭為3～9m時(shí)，疊梁門節(jié)高改變對(duì)下泄水溫影響不明顯。

(4)綜合分析，本研究建議疊梁門門頂水頭取6～9m，下游河道段水溫恢復(fù)后能夠滿足魚類產(chǎn)卵所需水溫條件，同時(shí)基本滿足灌溉水溫需求。