孟銳 南昌水利投資發(fā)展有限公司

1.引言

水庫建成后，庫區(qū)水體流速減小、水體置換周期增加，水體熱量輸運(yùn)過程隨之發(fā)生較大變化，水體溫度將會(huì)形成沿水深成層分布的特點(diǎn)，所形成的水庫下泄溫度比大壩建設(shè)前的河道天然水溫低，對(duì)下游的灌溉、生活引水及工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生影響，同時(shí)，下泄低溫水對(duì)下游河流中的魚類、浮游生物的生存環(huán)境也帶來一些不利影響。為了盡可能地降低低溫水對(duì)下游河道生態(tài)的負(fù)面影響，分層取水方式也應(yīng)運(yùn)而生。

美國在上世紀(jì)50年代即開始了水庫分層取水的調(diào)查、設(shè)計(jì)和研究工作。相較于國外的研究，我國在分層取水方面的研究起步較晚，2006年鄧云等人采用二維立面水溫模型預(yù)測(cè)錦屏水電站下泄水溫。2007年常理等人為評(píng)估及分析制定光照水電站最佳取水方案，使用三維水溫模型對(duì)不同方案下電站下泄進(jìn)行預(yù)測(cè)。徐茂杰、陳永柏、李璐、李娟等人分別采用不同的數(shù)學(xué)模型對(duì)研究對(duì)象水庫的分層取水方案下的下泄水溫進(jìn)行預(yù)測(cè)。以上學(xué)者研究結(jié)果都表明分層取水方式能夠有效提高水庫的下泄水溫，較大程度地減緩水庫下泄的低溫水對(duì)下游生產(chǎn)、生態(tài)的影響。

由于分層取水的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，改變了原來簡(jiǎn)單的直接取水的水流流態(tài)，增加了水的擾動(dòng)，同時(shí)可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、水能損失及降低發(fā)電效率等情況，在高壓、高速水流的情況下甚至?xí)a(chǎn)生空化、空蝕現(xiàn)象，對(duì)水電站的安全造成危害，并且不合理的設(shè)計(jì)更有可能會(huì)導(dǎo)致下泄水溫不能滿足下游生態(tài)對(duì)水溫的要求。因此，本文結(jié)合糯扎渡水電站對(duì)分層取水式電站的進(jìn)水口的水力特性及取水效果進(jìn)行研究，以為同類電站分層取水設(shè)施的設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供依據(jù)。

2.三維水動(dòng)力——水溫?cái)?shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

分層型水庫中水溫分層主要發(fā)生在垂向上，同時(shí)本文主要研究區(qū)域集中于壩前，此處的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)具有明顯的三維特征，因此本文采用三維水動(dòng)力-水溫?cái)?shù)學(xué)模型進(jìn)行本文研究，主要假定包括：流體不可壓縮假定、淺水假定、boussinesq假定。控制包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、熱量方程、狀態(tài)方程，紊流模型選擇RNGk-ε紊流模型，為考慮有旋運(yùn)動(dòng)對(duì)湍流的影響，對(duì)湍流粘性系數(shù)進(jìn)行修正。邊界采用流速入口，出流采用自由出流，采用無滑移邊界條件，并假定水體與底坡之間沒有熱量交換。鑒于在取水前池可能會(huì)產(chǎn)生立軸漩渦，對(duì)自由水面的追蹤采用VOF方法進(jìn)行處理。

計(jì)算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在進(jìn)水口位置及水面區(qū)域網(wǎng)格尺度較小。采用有限體積法離散，將計(jì)算變量布置在網(wǎng)格中心，在控制體積內(nèi)對(duì)控制方程進(jìn)行積分。采用二階迎風(fēng)格式離散對(duì)流項(xiàng)，用中心差分格式離散擴(kuò)散項(xiàng)，源項(xiàng)采用線性化處理，離散后的方程組采用分離數(shù)值算法迭代法求解，采用PISO法對(duì)壓力校正，計(jì)算迭代過程中采用欠松弛計(jì)算以保證計(jì)算穩(wěn)定。

3.模型驗(yàn)證

本文以文獻(xiàn)中關(guān)于糯扎渡水電站進(jìn)水口疊梁門分層取水的物理模型試驗(yàn)成果作為驗(yàn)證資料，計(jì)算區(qū)域如圖1所示。

圖1 水庫計(jì)算區(qū)域

圖2為庫水位765m單機(jī)引用流量393m3/s，無門葉擋水時(shí)進(jìn)水口前1.96m處垂向流速分布，結(jié)果表明：當(dāng)無門葉擋水時(shí)，壩前下層流速大，上層流速小的分布特點(diǎn)，這主要是受到取水口位置所影響，模擬計(jì)算的壩前流速分布于試驗(yàn)值吻合。

圖2 驗(yàn)證方案下壩前流速試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比圖

圖3分別三月、五月、八月、十一月不同取水方式情況下下泄水溫試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比圖，圖中可以看出，隨著疊梁門取水底部高程增高，電站下泄水的溫度升高，特別是在八月，下泄水溫的升高極其明顯，對(duì)下泄水溫的改善效果顯著。試驗(yàn)值與模擬計(jì)算的結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，下泄水深隨疊梁門取水底部高程變化趨勢(shì)相同，試驗(yàn)值與模擬計(jì)算值吻合度很好。綜上所述，所建立的三維水動(dòng)力-水溫?cái)?shù)學(xué)模型能夠用于本文研究。

圖3 不同月份下泄水溫實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比圖

4.疊梁門進(jìn)水口水力特性及取水效果分析

4.1 計(jì)算方案

糯扎渡水電站進(jìn)水口疊梁門擋水高度分為4 檔，取水底高程分別為774.0m、761.4m、748.7m、736.0m，分別對(duì)應(yīng)的壩前水位：≥803.0m、803.0m～790.4m、790.4m～777.7m、777.7m～765.0m。因?yàn)椴煌幌掠胁煌寞B梁門調(diào)度方式，因此在設(shè)計(jì)模擬方案時(shí)分別考慮到取水高程及壩前水位，設(shè)計(jì)方案如表1。

表1 水力特性研究方案

4.2 分析

4.2.1 進(jìn)水口水力特性

4.2.1.1 庫區(qū)流速分布

圖4為庫區(qū)水庫流速垂向分布及流速橫向分布圖，如圖所示，在取水口上游300m處，水庫垂向流速分布平緩，隨著來流越靠近取水口，受到出流的影響，水庫垂向流速分布越不均勻，與取水口位置同高程的位置附近，水流流速受到的影響越大，在此高程下層的水體流速受到的影響有限；庫區(qū)水流橫向分布圖表明：水庫出流對(duì)水庫橫向流速分布造成影響的范圍主要在壩前200m范圍內(nèi)，在取水口正對(duì)的區(qū)域影響比兩側(cè)的影響較大，最大流速分布與水庫中軸線附近。

圖4 水庫斷面垂向及橫向流速分布

4.2.1.2 進(jìn)水口段水頭損失

水流經(jīng)過攔污柵段、取水前池（通倉）和流道段（壓力管道）后水頭不可避免地發(fā)生損失，這類能量損失主要是局部能量損失，其能量損失的大小是衡量水電站取水口設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，好的設(shè)計(jì)應(yīng)該在保持水流條件良好的情況下盡量減小取水口區(qū)域的局部能量損失。

本文中水頭損失計(jì)算范圍從壩前1.5m至壓力管道漸變段后，不同方案下水頭損失如表2（用水頭損失表示能量損失大?。?。

表2為不同方案情況下，取水口水頭損失及水頭損失系數(shù)值?？梢园l(fā)現(xiàn)，在取水口底部高程一定的情況下，壩前水位越高，則取水口局部水頭損失和局部水頭損失系數(shù)越大；隨著取水口底部高程越小，取水口局部水頭損失和局部水頭損失系數(shù)越小。隨著取水口底部高程越低，其局部水頭損失和局部水頭損失系數(shù)越小。圖5和圖6為取水口水頭損失和水頭損失系數(shù)變化圖，由圖可知，隨著疊梁門取水底部高程越低，取水口水頭損失幾乎成階梯減小。而究其原因主要是由于取水口底部高程越大，水流上挑越過疊梁門發(fā)生水跌，在取水前池形成的縱向的橫軸漩渦的尺度越大，造成的水頭損失也越大，當(dāng)然，高紊動(dòng)的水流在壓力管道進(jìn)口處形成的局部損失也越大是造成取水口水頭損失隨取水口底部高程越大而越大的另一個(gè)原因。

圖5 水頭損失與取水口底部高程關(guān)系曲線

圖6 水頭損失系數(shù)與取水口底部高程關(guān)系曲線

表2 不同方案下水頭損失及水頭損失系數(shù)

4.2.2 取水效果

為評(píng)估疊梁門分層取水對(duì)下泄水溫改善的效果，本文對(duì)典型平水年內(nèi)糯扎渡水電站下泄水溫進(jìn)行了預(yù)測(cè)，豐水年和枯水年的下泄水溫變化規(guī)律與典型平水年的下泄水溫變化規(guī)律相同，見表3，其中壩址天然水溫和傳統(tǒng)的單層取水（下稱單層取水）水溫?cái)?shù)據(jù)引用自文獻(xiàn)。

表3 下泄水溫與壩前天然水溫對(duì)比表（℃）

表3反映了平水年內(nèi)壩址天然水溫、單層取水及分層取水情況下下泄水溫的預(yù)測(cè)值。由表中分層取水下泄水溫值可以看出，全年中，8月份的下泄水溫最大，為21.9℃，比壩址天然水溫低0.5℃；3月份時(shí)下泄水溫最小，為16.7℃，比壩前天然水溫低0.6℃。在9月份時(shí)分層取水時(shí)的下泄水溫為21.4℃，與壩前天然水溫相差0.2℃，為全年最?。?月份分層取水時(shí)的下泄水溫為19.8℃，與壩前天然水溫相差5.9℃，為最大，由此可見，疊梁門分層取水對(duì)下泄水溫的改善作用明顯。

5.結(jié)論

隨著人們對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的日益關(guān)注，水庫下泄低溫水對(duì)下游河道生態(tài)的影響也越發(fā)得到重視。本文主要通過糯扎渡水電站疊梁門分層取水為例，對(duì)分層取水疊梁門進(jìn)水口的水力特性及分層取水的效果進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）在取水口底部高程一定的情況下，壩前水位越高，則取水口局部水頭損失和局部水頭損失系數(shù)越大；隨著取水口底部高程越小，取水口局部水頭損失和局部水頭損失系數(shù)越小。

（2）在生態(tài)保護(hù)時(shí)期，疊梁門分層取水的下泄水溫比傳統(tǒng)單層取水的下泄水溫為高，對(duì)下泄水溫的改善效果明顯?？梢?，疊梁門分層取水能夠減緩下泄水溫對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的影響程度，但在疊梁門設(shè)計(jì)及調(diào)度時(shí)，應(yīng)該注意結(jié)構(gòu)安全性、取水口的過流能力及局部水頭損失，以免造成安全性事故或降低發(fā)電機(jī)組效率而造成較大的損失。