於思瀚，黃 衛(wèi)，韓繼斌，黃明海

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010)

1 研究背景

當(dāng)前，隨著筑壩技術(shù)的提高，大壩的高度不斷突破，大型水庫(kù)越來(lái)越常見(jiàn)，我國(guó)已成為世界上大型水庫(kù)擁有量最多的國(guó)家[1]。大型水庫(kù)尤其是高壩大庫(kù)建成后由于庫(kù)區(qū)水體體積變大，水深和過(guò)流面積增加，流速減緩，水體滯留時(shí)間增長(zhǎng)，接受太陽(yáng)輻射增加，引起水溫垂向成層分布，表現(xiàn)為：水庫(kù)表層水體與空氣直接進(jìn)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(guò)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(kù)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(dǎo)致水庫(kù)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(duì)大壩下游生態(tài)、生產(chǎn)、生活造成不利影響[2-3]。出庫(kù)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(dǎo)致作物減產(chǎn)[4-5]，還會(huì)造成下游溫水習(xí)性魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)緩慢，使產(chǎn)卵條件惡劣，從而影響?hù)~(yú)類(lèi)繁衍，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)滅絕[6-7]等。對(duì)于三文魚(yú)等冷水習(xí)性魚(yú)類(lèi)，冬季高溫水下泄會(huì)對(duì)魚(yú)卵的孵化以及幼魚(yú)造成致命威脅。因此，必須采取恰當(dāng)?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(shí)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(mén)式、控制幕式[8-13]等，其中控制幕分層取水具有施工簡(jiǎn)單、成本低廉、水頭損失低等優(yōu)點(diǎn)[14]。

20世紀(jì)80年代國(guó)外學(xué)者提出了水溫控制幕[15]，通過(guò)原型觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬[12,16-17]等方法，研究了控制幕對(duì)水庫(kù)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(lái)減小高溫水下泄對(duì)下游冷水習(xí)性魚(yú)類(lèi)的影響以及防止水庫(kù)表層水華的發(fā)生等。1997年，Vermeyen[18]通過(guò)觀測(cè)Whiskeytown和Lewiston兩座水庫(kù)布置控制幕后若干測(cè)點(diǎn)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(guò)物理模型試驗(yàn)分析了控制幕對(duì)水溫分層水庫(kù)的溫度影響，提出了幕布高度和出水水質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，同時(shí)分析了控制幕與取水口之間的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化規(guī)律，提出了工程應(yīng)用建議。高學(xué)平等[19]對(duì)水庫(kù)水溫分層取水模型相似理論進(jìn)行研究，提出水庫(kù)水溫分層取水模型流動(dòng)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(shí)，高學(xué)平等[20]研究表明控制幕表層過(guò)流運(yùn)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(duì)出庫(kù)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(dá) 2～8 ℃，提高效果與幕布形式、淹沒(méi)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(yù)測(cè)公式。薛文豪等[22]對(duì)某大型水庫(kù)垂向水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫過(guò)程的模擬結(jié)果表明，控制幕的設(shè)置將顯著影響水庫(kù)內(nèi)的水體流動(dòng)及水溫垂向分布。He等[23]建立二維數(shù)學(xué)模型，分析了不同形式控制幕對(duì)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(kù)出入庫(kù)水溫差。

迄今為止，針對(duì)控制幕分層取水的研究不多，對(duì)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(lái)提高下泄水溫的工程實(shí)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(chǎng)、溫度場(chǎng)分布以及分層取水下泄水溫等方面，對(duì)于控制幕作用下控制幕上游即庫(kù)內(nèi)流速場(chǎng)、溫度場(chǎng)的研究鮮見(jiàn)。同時(shí)，控制幕作用下溫分層水體流速場(chǎng)、溫度場(chǎng)研究的重點(diǎn)在于水體間摻混、不同水體交界面等問(wèn)題。因此，有必要對(duì)控制幕作用下分層水體流速、水溫分布情況進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

綜上所述，雖然針對(duì)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(jī)理的復(fù)雜性，關(guān)于控制幕作用下水庫(kù)內(nèi)溫躍層流速分布及下泄水溫影響因素等問(wèn)題還沒(méi)有深入的研究。本文開(kāi)展了一系列的試驗(yàn)，對(duì)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(jìn)行了同步測(cè)量，討論了不同影響因素對(duì)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(jī)理提供了依據(jù)。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾门c量測(cè)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?/h3>

本概化水槽試驗(yàn)在長(zhǎng)江科學(xué)院水工程環(huán)境與生態(tài)試驗(yàn)大廳進(jìn)行，試驗(yàn)水槽寬0.4 m,高0.5 m,長(zhǎng)25 m，熱水由體積為125 m3的恒溫水箱提供，試驗(yàn)中控制熱水水溫在33 ℃左右，冷水水溫為室溫(本試驗(yàn)在一定時(shí)間內(nèi)集中進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中冷水溫度基本恒定)約12 ℃[24-26]試驗(yàn)裝置由供水區(qū)、摻混區(qū)、測(cè)試區(qū)以及尾水區(qū)幾個(gè)部分組成，詳見(jiàn)圖1(a)。試驗(yàn)時(shí)，分別通過(guò)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(jìn)入試驗(yàn)水槽后，形成一定范圍的摻混區(qū)，經(jīng)足夠距離過(guò)渡后，形成平穩(wěn)的溫分層流，較好地模擬原型水庫(kù)的水溫分布，滿足測(cè)試區(qū)入流斷面目標(biāo)水溫分布的要求。測(cè)試區(qū)內(nèi)布設(shè)不透水的水溫控制幕(因本試驗(yàn)不考慮控制幕受力變形，故以有機(jī)玻璃板代替柔性幕布)，可靈活控制其運(yùn)行高度和位置，使水流緩慢從水溫控制幕頂部通過(guò)，以實(shí)現(xiàn)分層取水的功能。同時(shí)，在下游末端分別設(shè)置了上層、中層、下層取水口。測(cè)試段水槽上設(shè)移動(dòng)數(shù)控測(cè)車(chē)，可為熱敏電偶溫度計(jì)、ADV流速儀等提供準(zhǔn)確的定位和便捷移動(dòng)操作。試驗(yàn)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(yán)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(guò)足夠的時(shí)間和距離充分摻混，在水槽內(nèi)形成穩(wěn)定的分層水體,見(jiàn)圖1(b)。在正式測(cè)試之前，在測(cè)試區(qū)內(nèi)滯溫層、溫躍層和表溫層分別選取測(cè)點(diǎn)，驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)溫度是否保持恒定，以滿足試驗(yàn)條件。待確認(rèn)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(shí)現(xiàn)分層取水效果。

圖1 水溫控制幕溫分層取水試驗(yàn)水槽

2.2 試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器

水溫測(cè)量采用臺(tái)灣泰仕公司的TES-1310K型高精度接觸式熱電偶溫度計(jì)(如圖2(a))，其主要技術(shù)參數(shù)為：測(cè)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(cè)量采用美國(guó)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(cè)速范圍0.001～4.5 m/s；分辨率0.001 m/s；測(cè)量精度為最大量程的±1%；工作溫度-20～50 ℃。試驗(yàn)時(shí)熱電偶用橡皮筋固定在固定桿上，以實(shí)現(xiàn)水溫、流速的同步測(cè)量，同時(shí)忽略探頭以及固定桿對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)，如圖2(b)所示。

圖2 水溫控制幕溫分層取水試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備

2.3 測(cè)量斷面及測(cè)點(diǎn)分布

如圖1(a)所示，試驗(yàn)同步測(cè)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(cè)垂線上間隔2 cm布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，在溫躍層附近適當(dāng)加密。由于完成一組試驗(yàn)時(shí)間較短，測(cè)量結(jié)果表明環(huán)境溫度變化對(duì)水體表面溫度的影響可以忽略。

3 試驗(yàn)影響因子與參數(shù)

3.1 試驗(yàn)影響因子

試驗(yàn)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(cè)點(diǎn)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(yàn)參數(shù)設(shè)置

考慮到水庫(kù)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(dá)20 ℃左右[27]，故選取1 a中該時(shí)段作為典型時(shí)間段，試驗(yàn)工況設(shè)置如表1所示。

表1 各試驗(yàn)工況參數(shù)

4 試驗(yàn)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(shuō)明控制幕作用下庫(kù)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(gè)斷面測(cè)垂線流速溫度的分布。橫坐標(biāo)分別表示水溫T和流速u(mài)，縱坐標(biāo)表示測(cè)點(diǎn)距水槽底部距離y。

圖3 C2工況各測(cè)垂線水溫、流速分布

試驗(yàn)結(jié)果表明，水溫在很長(zhǎng)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(qiáng)，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(duì)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(cè)點(diǎn)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。可以觀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(diǎn)位置抬升。由于控制幕阻隔了一部分水體下泄，使過(guò)水?dāng)嗝媸照瑪嗝嫫骄魉倜黠@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(duì)數(shù)分布。其流速分布近似滿足式(1)。

(1)

式中：u為測(cè)點(diǎn)流速；u*為摩阻流速；y為測(cè)點(diǎn)距水槽底部距離；γ為運(yùn)動(dòng)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(cè)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(duì)水溫、流速分布的影響

試驗(yàn)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(duì)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(duì)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(cè)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(diǎn)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(shí)，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(yuǎn)離控制幕的斷面，各工況流速分布曲線交替波動(dòng)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(diǎn)不是在水體表面，而是在溫躍層內(nèi)h/H=0.8相對(duì)位置處，且隨著Q值的增大，最大值點(diǎn)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(yuǎn)離控制幕的區(qū)域恰恰相反。溫躍層強(qiáng)度在近幕布區(qū)域隨著Q的增大，E增大，遠(yuǎn)離幕布斷面減小。這表明，Q值增大會(huì)使來(lái)流溫躍層厚度增大，但在近幕布區(qū)域受幕布影響也越大?？刂颇坏拇嬖跁?huì)加劇近幕布區(qū)域水體的分層，使溫躍層強(qiáng)度增大，抑制上下層水體交換，且Q值越大，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。

4.2.2 控制幕位置對(duì)水溫、流速分布的影響

由表1可知，C1、C4和C5分別對(duì)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(cè)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(duì)應(yīng)的流速分布及溫度分布類(lèi)似，幾乎沒(méi)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?？刂颇幌掠?，溫躍層厚度大幅增長(zhǎng)，可見(jiàn)控制幕促進(jìn)幕后水流強(qiáng)烈摻混效果明顯。由于在遠(yuǎn)離取水口的位置，取水口對(duì)水流的牽引作用降低，水體受到的浮力作用較強(qiáng)，在控制幕頂，隨L值的增加,溫躍層厚度減小，溫躍層強(qiáng)度增大，溫躍層強(qiáng)度最大達(dá)到了10.7 ℃/cm。

圖6 不同取水口位置Z條件下各測(cè)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(duì)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(cè)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(jiàn)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(dāng)取水口位置位于上層時(shí)溫躍層位置最高。由圖6(c)可知，不同的取水口位置對(duì)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(duì)水流的牽引作用遠(yuǎn)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(duì)水溫、流速分布的影響

對(duì)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(duì)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(cè)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(lái)越小，抑制摻混作用越明顯。圖7(b)表明控制幕高度增高會(huì)導(dǎo)致控制幕所在斷面處平均流速提高，在遠(yuǎn)離控制幕的斷面，隨著η值增大，斷面流速垂向波動(dòng)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(yán)重。

圖7 不同控制幕遮擋率η條件下各測(cè)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(duì)下泄水溫的影響

設(shè)置控制幕后，過(guò)流斷面減小，表層水體流速增大，促進(jìn)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(jìn)而提高了下泄水溫。圖8比較了不同控制條件下通過(guò)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(dāng)Q=0.6時(shí)，下泄水溫溫升可達(dá)到2 ℃，而在Q=0.4的條件下，下泄水溫較無(wú)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(dāng)取水口位于上層時(shí)，由于能較多的抽取上層高溫水，下泄水溫提高可達(dá)2.1 ℃；當(dāng)采用下層取水口時(shí)，ΔT只有1.5 ℃。圖8(d)比較了η對(duì)下泄水溫的影響。結(jié)果顯示，下泄水溫對(duì)控制幕遮擋率η較敏感，不同工況條件下，差別達(dá)到了0.5 ℃。當(dāng)控制幕阻攔越多的冷水時(shí)，下泄水溫越高。對(duì)比圖8(b)控制幕位置的調(diào)整對(duì)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(duì)控制幕分層取水方法，通過(guò)溫分層水槽試驗(yàn)，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(yàn)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(gè)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(qiáng)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(duì)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(lái)流情況和取水口位置有關(guān)，Q越大，來(lái)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?？刂颇徽趽趼师窃酱螅魉俅瓜蚍植疾▌?dòng)性越大，溫躍層位置越高。控制幕位置對(duì)于水溫和流速分布的影響有限，控制幕具有明顯促進(jìn)幕下游水體摻混的作用。

(3)控制幕對(duì)于提高水庫(kù)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。