高學平，陳 弘，宋慧芳

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

1 前言

大型水電站建成后，水庫水體溫度具有明顯的沿深度成層分布的特點，表層水溫和底層水溫相差很大，有時溫差值可達20℃左右［1］。以往的深層取水方式，發(fā)電時所取水體基本為水庫的深層水，水溫較低，影響下游河段的生態(tài)環(huán)境。水電站進水口分層取水方式能實現(xiàn)有選擇地取用水庫的不同層水體，是目前采用的主要措施。

水電站進水口分層取水方式對控制下泄水溫的效果是工程上最為關(guān)注的問題。水庫水溫分布規(guī)律是研究下泄水溫的基礎(chǔ)，目前水庫水溫分布規(guī)律的成果較多，而下泄水溫的成果相對較少。對于水電站進水口多層取水方式的設(shè)計，需要下泄水溫的簡潔公式對進水口的下泄水溫進行評估，但目前還沒有這方面的研究成果。

水庫水溫分布規(guī)律的研究方法主要有模型試驗、數(shù)學模型和經(jīng)驗公式3種。試驗方面，James J．Sharp等［2］在水槽中用鹽淡兩層水體模擬水庫水溫分布，研究不同形式進水口的取水效果。Yaser Shammaa等［3］用同樣方法，研究底層冷水在控制幕下水流流動。數(shù)學模型有較大的發(fā)展，鄧云等［4］建立了計入浮力影響的立面二維水溫模型，精細地模擬出斜溫層的形成、發(fā)展和消失，分析了水庫全年的溫度分層結(jié)構(gòu)。經(jīng)驗公式方面，在國內(nèi)外多座水庫實測資料基礎(chǔ)上，文獻［5］［6］假定水庫水溫沿水深呈指數(shù)衰減，但其不能很好的反應出成層型水庫的垂向水溫分布特點。經(jīng)驗公式中具有代表性的東勘院法［7］和朱伯芳法［8］被編入水文計算規(guī)范和混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范［9］。李懷恩公式［10］以水溫分布冪函數(shù)為基礎(chǔ)，引入溫躍層中心點水深和水溫及分層強弱參數(shù)，更好地反映水庫典型的三層式分布，參數(shù)意義更加明確。水庫水溫分層取水下泄水溫也取得了一些成果，高學平等［11］直接模擬水庫的溫度分層，對糯扎渡水電站分層取水下泄水溫進行了量測;鄧云等［12］采用寬度平均的立面二維水溫模型，預測溪洛渡電站庫區(qū)水溫及下泄水溫。

文章結(jié)合糯扎渡水電站多層取水進水口疊梁門方案，試驗研究不同疊梁門運行方式運行時的下泄水溫，考慮水庫水溫垂向分布、疊梁門高度等因素，總結(jié)疊梁門多層取水方式的下泄水溫公式。

2 模型試驗研究

糯扎渡水電站工程為云南省瀾滄江中下游河段梯級規(guī)劃的第五級，堆石壩最大壩高261．5 m，總裝機容量5850 MW。水電站設(shè)9臺機組，單機單管引水，單機引用流量393 m3/s。水庫正常蓄水位812．0 m。根據(jù)環(huán)保方面的需要，為減免下泄低溫水對下游生態(tài)環(huán)境的影響，糯扎渡水電站擬采用多層取水進水口疊梁門方案。進水塔底板高程736 m，引水道進口前緣寬度225 m，布置9個進水口。每個進水口，疊梁門共3節(jié)門葉，每節(jié)門葉高12．68 m，依次疊放，整體疊梁門高度38．04 m。疊梁門運行方式見表1，整個擋水高度分成四擋，門葉整體擋水，擋水高程為774．04 m，為第一層取水;吊起第一節(jié)門葉，僅用第二、第三節(jié)門葉擋水，擋水高程761．36 m，為第二層取水;繼續(xù)吊起第二節(jié)門葉，僅用第三節(jié)門葉擋水，擋水高程748．68 m，為第三層取水;繼續(xù)吊起第三節(jié)門葉，無疊梁門擋水，為第四層取水。

表1 疊梁門運行方式Table 1 The operating scheme of stoplog gates

2．1 試驗模型

筆者依據(jù)水庫水溫模型試驗的相似關(guān)系［13］，建立水溫試驗模型，即保持原型與模型的弗勞德數(shù)Fr與密度弗勞德數(shù)Fd相等。

綜合考慮相似關(guān)系及水溫加熱能力，選定模型幾何比尺λl=100(原型量/模型量)。流量比尺λQ=λ5/2l=105。水溫分布溫差比尺λΔT=1。模型模擬部分庫區(qū)和三個進水口。進水口包括攔污柵槽、檢修閘門、疊梁門、工作閘門、事故閘門、收縮段、部分引水管段等。模型長20 m，寬2 m，高0．8 m，其中水庫段長14 m，模型布置如圖1所示。

2．2 水溫模擬與量測

采用分層加熱法進行水庫水溫分布的模擬。根據(jù)原型水庫水溫分布的特點，將其分為3～4層，如圖1所示;確定各層的溫差，根據(jù)各層的溫差，分別在對應的加熱池對水體進行加熱至所需溫度;將各加熱池水體由下至上依層注入模型，靜置后，形成符合溫差要求且穩(wěn)定的垂向水溫分布。試驗時開啟進水口，控制下泄流量，利用水溫采集系統(tǒng)，實時監(jiān)測庫內(nèi)水溫分布，量測各進水口的下泄水溫。

圖2給出了原型水庫水溫分布(目標水溫)和試驗模擬形成的水溫分布(模擬水溫)的比較，二者吻合較好，說明試驗較好地模擬了原型水庫水溫分布。

圖1 試驗模型布置圖Fig．1 The layout of experimental model

圖2 目標水溫與模擬水溫(3月和8月)Fig．2 The actual and simulated water temperature(March and August)

依據(jù)糯扎渡各典型年水庫水溫分布資料(糯扎渡水電站分層取水水溫預測數(shù)值分析報告，中國水利水電科學研究院，2008)，保持某一月份水庫水溫分布和水位不變，變化疊梁門高度(3節(jié)門葉擋水，2節(jié)門葉擋水，1節(jié)門葉擋水，參見表1)，量測各工況下的下泄水溫，研究疊梁門高度對下泄水溫的影響。表2給出了其中典型平水年下泄水溫試驗數(shù)據(jù)。

表2 典型平水年下泄水溫試驗結(jié)果Table 2 The experimental results of temperature of water released in a typical normal year℃

3 下泄水溫公式

在各典型年下泄水溫試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合進水口前流速分布特征，分析進水口不同運行工況(疊梁門高度不同)所取水體的范圍，以及水庫水溫分布、疊梁門高度和下泄水溫之間的關(guān)系，建立下泄水溫預測公式。

3．1 取水范圍的確定

取水范圍包括門頂以上部分和門頂以下部分，如圖3所示。依據(jù)3節(jié)門葉擋水，2節(jié)門葉擋水，1節(jié)門葉擋水3種工況下，根據(jù)門頂以上取水層厚度與門頂水頭，門頂以下取水層厚度與門頂水頭的數(shù)據(jù)，利用多項式擬合得出以下關(guān)系:其中，h為門頂水頭(適用范圍在37．96～63．32);d上為門頂以上取水層厚度;d下為門頂以下取水層厚度。已知門頂水頭h，則由公式(1)和(2)可以確定取水范圍。

圖3 取水范圍示意Fig．3 The schematic diagram of withdrawal region

3．2 下泄水溫預測

將取水范圍等分為10層，用每層的水庫水溫乘上該層所占的權(quán)重，得到下泄水溫公式:

式(3)中，Ti為取水范圍內(nèi)自上而下每層的水溫;αi為相應的權(quán)重系數(shù)，與疊梁門運行方式、流量和水溫分布有一定關(guān)系。依據(jù)各工況的試驗數(shù)據(jù)，權(quán)重系數(shù)αi經(jīng)回歸曲線擬合得到:

式(4)中，xi為每層水體的深度與門頂水頭之比?？衫檬?4)求出10個權(quán)重。

4 下泄水溫公式的應用

為說明下泄水溫公式的應用，對錦屏一級水電站下泄水溫進行估算。錦屏一級水電站最大壩高305 m，是雅礱江干流中下游河段的控制梯級電站。水電站進水口采用多層取水疊梁門方案，疊梁門整個擋水高度分為四檔，當水庫水位在1842．00 m以上時，門葉整體擋水，門頂高程為1814 m;水庫水位1842．00～1828．00 m 時，吊起第一節(jié)門葉，第二、三節(jié)門葉擋水，門頂高程為1807．00 m;水庫水位1828．00 ～1814．00 m 時，吊起第二節(jié)門葉，第三節(jié)門葉擋水，門頂高程為1793．00 m;水庫水位在1814．00 m以下時，吊起第三節(jié)門葉，無門葉擋水。

以錦屏一級平水年1月3節(jié)門葉擋水工況為例，說明公式的應用。平水年1月水位為1870．91 m，門頂水頭為56．91 m，根據(jù)門頂水頭，由公式(1)和公式(2)確定取水范圍，門頂以上取水層厚度為32．52 m，門頂以下取水層厚度為7．78 m，得到取水范圍1806．23～1846．52 m。而后將取水層劃分為10層，依據(jù)水溫預測公式(3)得到下泄水溫為8．95 ℃，與試驗測得8．73 ～9．01 ℃，基本吻合。表3給出了典型工況下泄水溫公式計算結(jié)果以及試驗結(jié)果的比較，二者差值小于1℃。表中試驗數(shù)據(jù)取自雅礱江錦屏一級水電站分層進水口水溫模型試驗研究。

應當指出，對門頂水頭超出公式(1)和(2)適用范圍的工況將無法得到合理的預測結(jié)果，例如，平水年4月1節(jié)門葉擋水工況，門頂水頭37．76 m不在公式適用范圍，公式計算值較試驗值相差3℃，有待進一步改進。

表3 錦屏一級水電站下泄水溫公式計算值Table 3 Estimated value of temperature of water released in Jinping No．1 Hydropower Station

5 結(jié)語

1)針對糯扎渡水電站多層取水進水口疊梁門方案，試驗研究不同疊梁門運行方式運行時的下泄水溫，考慮水庫水溫垂向分布和疊梁門運行方式等因素，提出了疊梁門多層取水方式的下泄水溫公式。

2)利用所提出的下泄水溫公式對錦屏一級電站進水口的典型工況的下泄水溫進行了估算，并與物理模型試驗結(jié)果進行了比較，二者基本吻合。

3)所提出的下泄水溫公式可用于類似水電站進水口下泄水溫的估算。但該下泄水溫公式是在一個實際工程的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得出的，公式中的權(quán)重系數(shù)αi是在一定流量、疊梁門取水方式、疊梁門位置等因素下得出的，有一定的局限性。在公式的適應范圍、計算精度等方面還有待進一步完善。

［1］黃永堅．水庫分層取水［M］．北京:水利電力出版社，1986．

［2］James J Sharp，Parchure T M，Guo Z R．Selective withdrawal through an intake fitted with a collar［J］．Journal of hydraulic engineering，1996(12):683 －686．

［3］Yaser Shammaa，David Z Zhu．Experimental study on selective withdrawal in a two－layer reservoir using a temperature－control curtain［J］．Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，2010，136(4):234－246．

［4］鄧 云，李 嘉，羅 麟．河道型深水庫的溫度分層模擬［J］．水動力學研究與進展，2004，A 輯，19(5):604－609．

［5］劉仲桂．水庫水溫與水稻豐產(chǎn)灌溉［M］．北京:水利電力出版社，1985．

［6］中華人民共和國水利電力部標準．水利水電工程水文計算規(guī)范(SDJ－214－83)附錄五水庫水溫分析與計算［S］．2002．

［7］張大發(fā)．水庫水溫分析及估算［J］．水文，1984(1):19－27．

［8］朱伯芳．庫水溫度估算［J］．水利學報，1985，16(2):12－21．

［9］蔣 紅．水庫水溫計算方法探討［J］．水力發(fā)電學報，1999，18(2):60－69．

［10］李懷恩．分層型水庫的垂向水溫分布公式［J］．水利學報，1993，24(2):43 －49．

［11］高學平，陳 弘，王鰲然，等．糯扎渡水電站多層進水口下泄水溫試驗研究［J］．水力發(fā)電學報，2010，29(3)，126 －131．

［12］鄧 云，李 嘉，李 然，等．水庫調(diào)度對溪洛渡電站下游水溫的影響［J］．四川大學學報(工程科學版)，2006，38(5):65－69．

［13］高學平，趙耀南，陳 弘．水庫分層取水水溫試驗模型相似理論［J］．水利學報，2009，40(11):1374－1380．