高學(xué)平，宋清林，孫博聞

（天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

1 研究背景

對(duì)于溫度分層型水庫(kù)，水庫(kù)水溫呈現(xiàn)明顯的垂向分層現(xiàn)象，表層與底層水溫溫差有時(shí)可達(dá)20℃左右［1］。傳統(tǒng)取水口引用水庫(kù)底層水，下泄低溫水易導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)、影響魚(yú)類繁殖，危害下游水生態(tài)環(huán)境［2］。目前，分層取水是調(diào)控下泄水溫的有效措施，工程中應(yīng)用最多的分層取水形式有疊梁門取水、多層孔型取水口、浮式管型取水口和控制幕取水。與其它分層取水形式相比，控制幕取水方式不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、造價(jià)較低，而且控制幕淹沒(méi)深度可自由調(diào)整。

國(guó)內(nèi)外對(duì)控制幕分層取水的研究主要采用原型觀測(cè)、數(shù)值模擬以及模型試驗(yàn)等方法。Vermeyen［3］通過(guò)觀測(cè)Whiskeytown、Lewiston兩座水庫(kù)控制幕前后溫度分布以及下泄水溫，研究了控制幕調(diào)控下泄水溫的效果。Politano等［4］采用三維模型模擬了控制幕對(duì)McNary壩前水溫分布的影響并研究了下泄水對(duì)大馬哈魚(yú)的影響。練繼建等［5］利用三維水動(dòng)力水溫模型，分析了控制幕改善下泄低溫水的效果及主要影響因素。Shammaa等［6］采用淡水和鹽水兩層流模型進(jìn)行了控制幕取水模型試驗(yàn)，研究了控制幕附近流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的演變。目前缺少直接模擬水庫(kù)水溫分布進(jìn)行控制幕取水下泄水溫的試驗(yàn)研究。在水溫物理模型試驗(yàn)方面，高學(xué)平等［7-9］系統(tǒng)地研究了疊梁門、多層孔型、浮式管型取水口下泄水溫，研究成果和方法可供本文借鑒。

本文以某水庫(kù)為背景，首先通過(guò)試驗(yàn)研究控制幕運(yùn)行方式對(duì)下泄水溫的改善效果，總結(jié)下泄水溫規(guī)律。其次，針對(duì)控制幕表層和底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式改善下泄水溫效果較差的試驗(yàn)結(jié)果，采用數(shù)值模擬方法分析控制幕表層和底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式的流動(dòng)規(guī)律，揭示其水溫調(diào)控效果微弱的原因。

2 背景資料

圖1為某水庫(kù)各月份水溫分布，是典型的溫度成層型水庫(kù)［1］。該水庫(kù)水溫分布沿垂向自上而下可分為表溫層、溫躍層、底溫層。由于各月份氣溫與太陽(yáng)輻射不同，各月份表底溫差和溫躍層厚度存在一定差異，水溫分布可大致分為四類。第一類，水溫沿垂向均一分布，如1月；第二類，表、底層溫差較小，水溫沿垂向均勻變化，沒(méi)有明顯的溫躍層，代表月份為3月；第三類，表、底層溫差較大，表溫層較薄，溫躍層存在較大溫度梯度，代表月份為5月；與第三類相比，第四類水溫分布表溫層較厚，代表月份為10月。因此，本文選取代表月份3、5、10月進(jìn)行研究，研究不同控制幕運(yùn)行方式的下泄水溫及其成因。

圖1 水庫(kù)各月份水溫分布圖

3 控制幕下泄水溫試驗(yàn)研究

以上述水庫(kù)水溫分布為基礎(chǔ)，通過(guò)試驗(yàn)研究出水口處于水庫(kù)底溫層情況下不同控制幕運(yùn)行方式調(diào)控下泄水溫的效果，總結(jié)下泄水溫規(guī)律。

出水口設(shè)于壩的底部，為改善出水口長(zhǎng)期下泄低溫水，在庫(kù)區(qū)距取水口一定距離設(shè)置控制幕，控制幕可垂向自動(dòng)調(diào)節(jié)形成不同的控制幕運(yùn)行方式，當(dāng)控制幕底部與庫(kù)底接觸則形成控制幕表層過(guò)流，當(dāng)控制幕底部離開(kāi)庫(kù)底則形成控制幕表層和底層同時(shí)過(guò)流。圖2為控制幕運(yùn)行方式。

圖2 控制幕運(yùn)行方式

3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)基于水溫試驗(yàn)相似理論［10］，考慮各代表月份水溫分布相應(yīng)深度和水溫加熱能力，試驗(yàn)選定幾何比尺λl=18（原型量/模型量）。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿L(zhǎng)20 m，寬2 m，高0.8 m，水深0.75 m。模型由水槽、水溫加熱與控制系統(tǒng)、水溫采集系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)、控制幕組成。試驗(yàn)布置如圖3所示。

水槽采用透明有機(jī)玻璃制作。水溫加熱控制系統(tǒng)利用加熱池將水體分別加熱到指定溫度，通過(guò)分層加水裝置依次將不同溫度的水體平穩(wěn)地注入模型水庫(kù)中，形成較好模擬原型水庫(kù)的水溫分布；水溫采集系統(tǒng)采用高精度快速響應(yīng)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫(kù)水溫分布和測(cè)量下泄水溫，并通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)；流量控制系統(tǒng)用于控制取水流量和補(bǔ)水流量，保持庫(kù)內(nèi)水位穩(wěn)定；控制幕采用灰塑料板制作，通過(guò)拼接組合不同高度的控制幕塊調(diào)整控制幕的運(yùn)行方式，并由固定槽固定。

圖3 試驗(yàn)布置圖

3.2試驗(yàn)方法依據(jù)各代表月份水溫分布特征，將水體沿垂向分為4層，并確定各層溫度差。通過(guò)分層加水裝置依次將加熱到指定溫度的水體平穩(wěn)地注入模型水庫(kù)中，形成所需的的水溫分布。將控制幕緩慢放于固定槽中，盡量不引起水面波動(dòng)。同時(shí)打開(kāi)取水閥門和補(bǔ)水閥門，保持水庫(kù)水位不變，并進(jìn)行下泄水溫的測(cè)量。

圖4 目標(biāo)水溫與模擬水溫

圖5 模型水庫(kù)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的水溫歷時(shí)

3.3下泄水溫試驗(yàn)成果與分析

3.3.1 水庫(kù)水溫分布模擬 下泄水溫模擬的精度，取決于能否準(zhǔn)確的模擬原型水庫(kù)的水溫分布。圖4給出了3、5、10三個(gè)代表月份原型水庫(kù)水溫分布（目標(biāo)水溫）和試驗(yàn)?zāi)M形成的水溫分布（模擬水溫）的比較，二者吻合較好；圖5為試驗(yàn)過(guò)程中模型水庫(kù)各水溫測(cè)點(diǎn)的水溫歷時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的水溫基本穩(wěn)定。說(shuō)明試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地模擬原型水庫(kù)的水溫分布并保持水溫穩(wěn)定。3.3.2控制幕運(yùn)行方式對(duì)下泄水溫的影響為研究控制幕不同運(yùn)行方式對(duì)下泄水溫的影響，在取水流量2.34 m3/s、控制幕至出水口距離9m保持不變的條件下，對(duì)各代表月份無(wú)控制幕、表層和底層同時(shí)過(guò)流、表層過(guò)流三種運(yùn)行方式進(jìn)行試驗(yàn)研究。表層底層同時(shí)過(guò)流方式包括S2.7 B2.7、S3.6 B2.7兩種工況，S3.6 B2.7表示控制幕頂距水面3.6 m（即淹沒(méi)深度），控制幕底部距庫(kù)底2.7 m。表層過(guò)流方式分為淹沒(méi)深度為2.7 m、3.6 m、5.4 m三種工況。

由表1可知，對(duì)比三種運(yùn)行方式對(duì)下泄水溫的調(diào)控效果，表層過(guò)流運(yùn)行方式能夠有效提高下泄水溫，并且控制幕淹沒(méi)深度越小，下泄水溫提高幅度越大，而表層和底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式與無(wú)控制幕運(yùn)行方式下泄水溫相差不大。以5月份為例，無(wú)控制幕運(yùn)行方式且采用表層過(guò)流方式，控制幕淹沒(méi)深度從2.7 m變化到3.6 m再到5.4 m，對(duì)應(yīng)的下泄水溫分別為22.46℃、20.72℃和16.67℃，與無(wú)控制幕運(yùn)行方式相比，下泄水溫分別提高了12.31℃、10.57℃和6.52℃；當(dāng)采用表層和底層同時(shí)過(guò)流方式，控制幕淹沒(méi)深度從2.7 m到3.6 m，對(duì)應(yīng)的下泄水溫分別為10.23℃和10.21℃，下泄水溫分別提高了0.08℃和0.06℃。

表1 不同控制幕運(yùn)行方式的下泄水溫試驗(yàn)結(jié)果

4 下泄水溫成因數(shù)值模擬研究

針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，為進(jìn)一步探究控制幕表層和底層同時(shí)過(guò)流方式下泄水溫較低的原因，利用數(shù)值模擬手段，研究控制幕表層和底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式的流動(dòng)規(guī)律，揭示下泄水溫成因。

4.1控制方程連續(xù)性方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

能量方程：

狀態(tài)方程：

采用Boussinesq假定，只在重力項(xiàng)中考慮密度變化的影響。

k方程：

ε方程：

式中：Ui為i方向速度分量；i為流體密度；i為壓強(qiáng)；-ρ------uiuj為雷諾應(yīng)力；Fi為作用于單位質(zhì)量水體的體積力；T為溫度，℃；DT為熱擴(kuò)散系數(shù)；q為熱源項(xiàng)；CP為水的比熱；k是單位質(zhì)量的紊動(dòng)動(dòng)能；G為剪切產(chǎn)生項(xiàng)；ε是紊動(dòng)動(dòng)能耗散率；ν是運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，νt是紊流運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，它由k和ε確定。Cμ、C1ε、C2ε、σk和σε為模型通用常數(shù)，分別取為0.09、1.44、1.92、1.0和1.3。

表2 下泄水溫計(jì)算值與試驗(yàn)值

4.2模型建立針對(duì)控制幕取水方式建立三維數(shù)學(xué)模型，計(jì)算區(qū)域?yàn)閴吻?00 m，寬度36 m，水深13.5 m的長(zhǎng)方體水體。網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在控制幕附近和出水口附近網(wǎng)格加密，最小網(wǎng)格尺寸0.4 m×0.5 m×0.4 m，最大尺寸1 m×0.5 m×0.9 m。壩前200 m處為庫(kù)區(qū)邊界，給定恒定水位，沿水深壓強(qiáng)按靜水壓強(qiáng)分布規(guī)律給出，沿水深水溫分布按代表月份的實(shí)測(cè)水庫(kù)水溫分布給出；出水口下游50m斷面為出流邊界，依據(jù)流量按照平均流速給出；固壁邊界采用無(wú)滑移條件；水面采用剛蓋假定，不考慮水面熱交換。

4.3模型驗(yàn)證利用建立的三維數(shù)學(xué)模型，計(jì)算3月不同控制幕運(yùn)行方式的下泄水溫，并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較（表2），驗(yàn)證三維數(shù)學(xué)模型的合理性。結(jié)果表明，不同運(yùn)行方式的下泄水溫試驗(yàn)值和計(jì)算值相對(duì)誤差均小于3%，模型能夠準(zhǔn)確的模擬控制幕不同運(yùn)行方式的下泄水溫。

4.4下泄水溫?cái)?shù)值模擬結(jié)果及分析為探究表層和底層同時(shí)過(guò)流方式下泄水溫較低的原因，在取水流量2.34 m3/s、控制幕至出水口距離9 m保持不變的條件下，模擬分析出水口位于水庫(kù)底部時(shí)S2.7B2.7工況與無(wú)控制幕工況的流動(dòng)規(guī)律。圖6為5月份時(shí)兩工況壩前速度矢量與溫度分布云圖，圖7為5月份時(shí)壩前1.8 m和9.5 m（控制幕前）斷面的流速分布。

圖6 表層和底層同時(shí)過(guò)流與無(wú)控制幕運(yùn)行方式壩前速度矢量及溫度分布云圖

圖7 壩前1.8m和9.5m斷面流速分布

由圖5與圖6可知，控制幕阻斷了遮擋范圍的水體流動(dòng)，表層高溫水和底層低溫水分別從控制幕頂部和底部通過(guò)，在出水口牽引力和壓強(qiáng)作用下，水體主要從控制幕底部流過(guò)。與無(wú)控制幕工況相比，控制幕的阻擋導(dǎo)致底部有效過(guò)流斷面減小，斷面流速最大值增大，所取水體的垂向范圍收縮。隨著距出水口距離減小，兩工況流速分布基本一致，因此，下泄水溫主要取決于控制幕前所取水體的溫度。由于兩工況主流區(qū)主要位于水庫(kù)底溫層，底溫層水溫基本一致，表現(xiàn)為兩工況下泄水溫相差不大。

出水口位于水庫(kù)底部時(shí)，表層底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式控制幕底部正對(duì)出水口，控制幕底部過(guò)流水體受出水口牽引力作用遠(yuǎn)大于頂部過(guò)流水體，下泄水溫主要由庫(kù)底低溫水決定，引起下泄水溫較低。因此，為更加客觀反映該運(yùn)行方式調(diào)控下泄水溫效果和流動(dòng)規(guī)律，將出水口位置由水庫(kù)底部變?yōu)檠蜎](méi)深度6.12 m。在取水流量2.34 m3/s、控制幕至出水口距離9 m保持不變的條件下，模擬研究出水口淹沒(méi)深度6.12 m時(shí)表層和底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式改善下泄水溫的效果，分析流動(dòng)規(guī)律并揭示下泄水溫成因。圖8為5月份兩工況壩前速度矢量與溫度分布云圖，圖9為5月份壩前1.8 m和9.5 m（控制幕前）斷面的流速分布。

圖8 表層底層同時(shí)過(guò)流與無(wú)控制幕運(yùn)行方式壩前速度矢量及溫度分布云圖

圖9 壩前1.8 m和9.5 m斷面流速分布圖

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，3、5、10月表層和底層同時(shí)過(guò)流方式S2.7 B2.7工況下泄水溫分別為11.05℃、14.93℃和20.79℃，無(wú)控制幕工況下泄水溫分別為11.2 7℃、15.59℃、20.52℃。與無(wú)控制幕工況相比，3、5月下泄水溫降低了0.22℃、0.66℃，10月提高了0.27℃，表層和底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式下泄水溫較低。由圖6與圖7可知，無(wú)控制幕方式運(yùn)行時(shí)，出水口處存在較大溫度梯度，受溫躍層的阻隔作用，取水范圍為出水口上下一定范圍內(nèi)的水體，下泄水溫對(duì)應(yīng)于取水范圍內(nèi)某深度處水溫。對(duì)于表層底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式，控制幕阻斷了遮擋范圍的水體流動(dòng)，表層高溫水和底層低溫水分別從控制幕頂部和底部通過(guò)，高、低溫水混合后流向出水口。由于受出水口牽引力和壓強(qiáng)作用，控制幕底部水體流速大于頂部水體流速，下泄水體中低溫水所占比重較大。隨著距出水口距離減小，兩工況流速分布基本一致，因此，下泄水溫主要取決于控制幕前所取表層高溫水和底層低溫水的摻混比例。

5 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)直接模擬了水庫(kù)水溫分布，研究了控制幕不同運(yùn)行方式對(duì)下泄水溫的影響；利用數(shù)值模擬手段，分析了控制幕表層和底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式的流動(dòng)規(guī)律，探討了下泄水溫的成因。

（1）在水庫(kù)水溫分布、取水流量和控制幕至出水口距離不變條件下，控制幕表層過(guò)流運(yùn)行方式能夠顯著提高下泄水溫，控制幕表層和底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式下泄水溫取決于所取表層高溫水和底層低溫水的摻混比例。例如，出水口位于底部時(shí)，與無(wú)控制幕運(yùn)行方式相比，表層過(guò)流運(yùn)行方式在10月份下泄水溫最大提高幅度為9.05℃，表層和底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式控制幕阻擋較高溫度水體的獲取，所取水體庫(kù)底低溫水占主導(dǎo)，下泄水溫降低了0.19℃。

（2）控制幕表層和底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式主流區(qū)位于控制幕頂部和底部，下泄水體由表層高溫水與底層低溫水摻混而成，高溫水和低溫水的摻混比例影響下泄水溫高低。例如，出水口位于底部時(shí)，下泄水體主要為庫(kù)底低溫水，與無(wú)控制幕運(yùn)行方式相比，10月份該運(yùn)行方式下泄水溫降低了0.19℃；出水口淹沒(méi)深度為6.12 m時(shí)，下泄水體中高溫水比例增加，10月份該運(yùn)行方式較無(wú)控制幕運(yùn)行方式下泄水溫提高了0.27℃。

（3）為減輕下泄低溫水對(duì)魚(yú)類繁殖、農(nóng)作物生長(zhǎng)及生態(tài)環(huán)境的不利影響，在水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度中，可根據(jù)實(shí)際需求選擇控制幕運(yùn)行方式，調(diào)控下泄水溫。若下泄水溫較原河道水溫下降較大，建議采用控制幕表層過(guò)流運(yùn)行方式并調(diào)整淹沒(méi)深度，實(shí)現(xiàn)下泄水溫的提高；若下泄水溫與原河道水溫相差較小，建議采用控制幕表層和底層同時(shí)過(guò)流運(yùn)行方式，通過(guò)調(diào)整控制幕頂距水面與控制幕底距庫(kù)底的距離，改變高溫水和低溫水的摻混比例，使下泄水溫更接近于天然河道水溫。

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