段文剛，王才歡，杜 蘭，薛阿強

(長江科學院水力學研究所，武漢 430010)

1 研究背景

大型水庫建成運行后，水體溫度具有明顯的沿深度成層分布的特點。水庫上層為表溫層，夏季水體與空氣直接進行熱交換，水溫接近氣溫;下層為深水層，水溫變化小，常年維持在較穩(wěn)定的低溫狀態(tài)。大型水庫表層水溫和底層水溫最大溫差可達20°左右。常規(guī)電站進水口為單層進水口，由于水庫運用水位變幅較大，考慮到進水口不出現(xiàn)有害漩渦的淹沒深度要求，其進水口高程一般較低。電站下泄的水溫通常低于建壩前的天然河道水溫，從而對下游河道的生態(tài)系統(tǒng)造成影響。如新安江水庫建成后，下游河道水溫降低，影響魚類的繁殖和生長，鰣魚產量顯著減少。

隨著經濟社會快速發(fā)展，公眾對生態(tài)環(huán)保的需求越來越高。為了降低大型水庫水溫分層帶來的危害，避免下泄低溫水對下游河道珍稀魚類繁殖和農作物灌溉的不利影響，電站分層取水勢在必行，且目前已成為學術研究和工程實施的熱點。由于投資相對較小，對庫水位變化適應性強，運行操作靈活，疊梁門分層取水廣泛應用于大型電站進口設計［1－4］。目前中國的高壩電站分層取水基本采用疊梁門結構布置，部分大型分層取水電站實施見表1。分層取水電站進水口主要由攔污柵段、疊梁門段、喇叭口段、閘門段和漸變段等組成(見圖1)。

表1 國內部分大型分層取水電站實施情況Table 1 Cases of multi-level water intake for large hydropower station in China

圖1 分層取水電站進水口和疊梁門布置示意圖Fig.1 Layout of multi-level water intake and stoplog gate of hydropower station

疊梁門分層取水原理:根據(jù)庫水位變化調整疊梁門節(jié)數(shù)(高度)，以保證發(fā)電引用水主要來自疊梁門門頂高程以上的水體，有效減少水庫底層低溫水流的下泄，從而提高電站下泄水溫。已有的研究成果表明，通過疊梁門的分層取水作用，上游門頂高程以上水流流速大，下泄水流主要來自門頂高程以上的水體即水庫表層水。疊梁門門頂高程根據(jù)滿足下泄水溫和進水口水流條件的要求確定，用疊梁門擋住水庫中下層低溫水，水庫表層水通過取水口疊梁門頂部進入機組引水流道。其優(yōu)點是可以根據(jù)不同庫水位及水溫要求來調節(jié)取水高度，運行靈活。

貴州光照和浙江灘坑水電站是我國最早建成的采用疊梁門方式實施分層取水的大型電站［5－7］，光照水電站于2007年9月建成分層取水進水口，同年12月下閘蓄水。疊梁門分層取水實施開創(chuàng)了我國大型水電工程通過工程措施解決環(huán)境保護難題的先河，對于推動我國水電站建設領域環(huán)保事業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。研究表明，光照電站采用分層取水方案以后，水庫全年平均下泄水溫為14.6℃，比常規(guī)取水方案提高3.1℃，汛期下泄低溫水恢復距離最大比常規(guī)取水方案縮短180km(發(fā)生在7，8月份)，水溫恢復效果明顯。

2 研究現(xiàn)狀與實施進展

分層取水作為調控下泄水溫、減緩下游水生態(tài)影響的有效措施，在國內外有較多研究成果和應用實踐，迄今世界各國仍在致力于各種不同型式分層取水裝置的研究和設計。

20世紀50，60年代，美國即開展了水庫分層取水設計和研究工作。1969年頒布的《環(huán)境保護法》明確要求，在修建分層取水設施前應開展環(huán)境影響研究，以確保工程實施后的環(huán)境效益和效果。美國先后對沙斯塔、餓馬、格蘭峽等電站進水口分別進行了疊梁門分層取水的研究和改建工作［8－10］，運行實踐表明，電站下泄水溫有所改善，下游河流生態(tài)環(huán)境得到一定程度的修復。

早在20世紀40年代，日本針對水庫下泄低溫水問題建造了分層取水建筑物，在二戰(zhàn)后分層取水得到了廣泛推廣并取得了不錯的效果，日本所興建的分層取水結構已被國際大壩會議環(huán)境特別委員會作為典型工程推薦。

我國從20世紀60年代中期開始在一些中小型水庫中采用分層取水建筑物，主要用于提高灌溉水溫。21世紀以后隨著國內高壩大庫的不斷增多，以下游生態(tài)保護和農業(yè)灌溉為目標的大型水庫分層取水措施研究成為重點，總的來說，分層取水措施的結構設計和效果評估研究在國內尚處于初級水平，需要在分層取水結構型式、施工方便性、操作簡易性、運行可靠性和經濟性等方面開展深入系統(tǒng)的科學研究。目前電站分層取水研究重點主要包含:分層取水下泄水溫預測評價、進口流速流態(tài)和漩渦特性、進口段水頭損失、疊梁門動水壓力及機組甩負荷對其附加沖擊力等，研究手段主要側重于水工模型試驗和數(shù)值計算。

2.1 下泄水溫預測研究

電站分層取水下泄水溫預測是評價分層取水措施效果的重要依據(jù)和制約條件，分層取水建筑物運行對下游生態(tài)系統(tǒng)的修復效果，對于生態(tài)環(huán)境友好型工程的建設具有重要的現(xiàn)實意義。這方面開展研究較多，下泄水溫預測多倚重數(shù)值模型計算成果，部分工程進行了數(shù)模和物模的對比研究。

高學平等［11］利用三維數(shù)值模型，研究了糯扎渡水電站進水口分層取水下泄水溫變化。認為進水口疊梁門分層取水對提高下泄水溫有較為明顯的作用，下泄水溫提高的幅度，不僅取決于疊梁門的高度，還取決于水庫水溫垂向分布。同時，高學平等［12］進行糯扎渡水電站分層取水進水口疊梁門水工模型試驗，考慮水庫水溫垂向分布因素，提出了疊梁門分層取水方式的下泄水溫公式。

柳海濤等［13］對錦屏一級水電站分層取水進行水溫物理模型試驗，通過對上游來流分層加熱，獲得穩(wěn)定的流速與水溫邊界，定量研究不同運行工況下進水口下泄水溫的影響變化。試驗表明，在下泄水溫偏低的3—5月，放置2層疊梁門可使下泄水溫上升2℃左右，接近天然水溫，有利于下游生境恢復。

張世杰等［14］以MIKE3數(shù)學模型為技術手段，研究不同電站取水方案條件下的下泄水溫變化。成果表明分層取水措施能有效提高水庫下泄水溫，疊梁門結構能夠實現(xiàn)表層取水，對水庫低溫水的改善效果優(yōu)于多層進水口結構。

張陸良和孫大東［15］分析高壩大水庫水溫結構的分布情況，預測水溫改變對環(huán)境的影響。通過多方案比選，推薦采用疊梁門分層取水，有利于維持下游生態(tài)環(huán)境。

任華堂等［16］利用三維水溫數(shù)值模型對阿海水庫2種取水口高程下的水溫分布進行預測，重點分析了取水口高程對庫首水體的溫躍層強度、均溫層的位置和下泄水溫的影響。

灘坑水電站下游為國家一級保護水生動物黿的保護區(qū)，楊芳麗等［7］采用平面二維水溫模型對灘坑水庫下泄水溫進行了模擬，并用一維非恒定水流水溫數(shù)模對建庫后下游水溫變化情況進行預測，對比分析了平水年條件下，不同電站開機臺數(shù)和不同電站取水口高程水庫下泄水溫對壩下游河道自然保護區(qū)的影響。

姜躍良和何濤［17］結合溪洛渡水電站進水口分層取水設計，疊梁門最大擋水高度為48 m(4層門葉，單層門高12m)，認為疊梁門分層取水方案使魚類集中繁殖期增溫效果較明顯，同時具備工程量小和運行操作靈活等優(yōu)點。疊梁門分層取水方案較原單進水口方案新增投資2.61億元。

2.2 進口水流條件研究

電站分層取水進口水流條件也是制約分層取水措施的重要指標。眾所周知，進水口水力特性關乎機組安全高效運行，是工程設計和運行管理部門關注的核心問題之一。由于進口前加設疊梁門結構，門頂上水深一般在20m左右，進口水流近似薄壁堰流態(tài)，局部水流結構復雜，通常帶來2大水力學問題:其一，惡化進口水流條件，甚至出現(xiàn)危害性立軸吸氣漩渦;其二，顯著增加進口段水頭損失(1～2m)，降低機組發(fā)電效率和經濟效益，不利于機組安全高效運行。分層取水電站疊梁門前流場縱剖面示意圖見圖2，進口水流流向經過2次90°轉彎后進入引水管道，引起進水口段局部水頭損失增加。水頭損失與流速、形體阻力2因素密切相關。一方面，放置疊梁門后壓縮過流斷面，造成疊梁門門頂部位流速增大;另一方面，加設疊梁門后形體阻力明顯增加。近年來隨著分層取水工程不斷實施興建，其進口水流條件引起設計高度重視，開展了相關研究。

嘉陵江亭子口水電站分層取水進口布置疊梁門10節(jié)，單節(jié)門高2.8 m，采用1∶50局部水工模型，對其進水口水力特性進行較全面研究。試驗成果表明:①在兼顧盡量多地獲取水庫表層水和不影響機組安全運行(不出現(xiàn)危害性漩渦)的原則下，確定了進水口疊梁門的最大放置高度:即正常蓄水位458 m及4臺機組運行時，進水口前最多可放置10節(jié)疊梁門(門頂水深15m);②疊梁門設置改變了常規(guī)進水口的水流運動軌跡，加之疊梁門及通倉段支撐梁對水流的局部阻力影響，使進口段水頭損失及水頭損失系數(shù)均明顯增大，疊梁門頂水頭越小，水頭損失及水頭損失系數(shù)愈大;在滿足該工程生態(tài)取水的前提下，電站進口段的局部水頭損失系數(shù)是無疊梁門時的4～6倍，對機組發(fā)電量會產生一定影響;③機組甩負荷條件下，試驗測得疊梁門所承受的最大附加沖擊壓力為3.0×9.81kPa，通倉段側邊墻所承受的最大附加沖擊壓力為2.0×9.81kPa。

錦屏一級水電站分層取水進口疊梁門布設3節(jié)，單節(jié)門高14m，采用1∶20水工模型進行試驗研究［18－19］。結果表明，常規(guī)進水口水頭損失系數(shù)為0.224;布置疊梁門后，進口水流流向經過2次90°轉彎后進入引水管道，流場分布比較復雜，引起進水口段局部水頭損失明顯增加，設置1，2，3層疊梁門時進水口段水頭損失系數(shù)分別達0.765，0.853和0.950，設置1層疊梁門的水頭損失系數(shù)是無疊梁門方案的3.42倍。

某大型水電站進口前布設10節(jié)疊梁門，單節(jié)門高5m。采用可行性k-ε(Realizable k-ε)紊流模型對分層取水電站進口進行了三維數(shù)值模擬，獲得了進口三維流場特征和水力特性，并與1∶40水工模型試驗成果進行對比分析，二者基本吻合［20］。成果表明:疊梁門層數(shù)越多，門頂水深減小，流速增大，水頭損失相應增大，表層水進入流道的比例越大;當疊梁門設置過高時，進水口存在橫向流速，表面流態(tài)紊亂，甚至出現(xiàn)漩渦等不利流態(tài)。

圖2 分層取水電站疊梁門前流場縱剖面示意圖Fig.2 Longitudinal profile of flow field at the stoplog gate

3 有待深入研究的問題

3.1 疊梁門減阻研究

疊梁門分層取水改善壩下游河道水溫特性的同時，不可避免地顯著增加電站進口段的水頭損失，降低機組發(fā)電效率和經濟效益。湯世飛［5］結合光照水電站分層取水運行實踐，指出進水口疊梁門會造成1～2m的水頭損失。發(fā)電耗水率相差0.02～0.03 m3/(kW·h)，以0.025m3/(kW·h)的耗水率計算，每年電站設計發(fā)電量為27.5億kW·h，則由疊梁門造成的水量損失為0.69億m3，電量損失約為0.26億kW·h。認為疊梁門造成的電站經濟損失是一個不可忽略的問題，在滿足生態(tài)環(huán)境要求前提下，盡量減小疊梁門水頭損失，以爭取發(fā)電效益最大化。以往試驗研究發(fā)現(xiàn):嘉陵江亭子口電站不設疊梁門時進水口段水頭損失約0.1m，放置疊梁門后水頭損失達1.2m，附加水頭損失1.1m;金沙江白鶴灘電站進水口不設疊梁門時水頭損失約0.4m，放置疊梁門后水頭損失達2.0m，附加水頭損失1.6m，可見疊梁門的增阻效應十分明顯，有必要進行減阻特性研究。如能提出一種減小附加阻力的疊梁門體型，既可提高電站下泄水溫，又不明顯降低機組發(fā)電效率，公眾生態(tài)環(huán)保需求和機組發(fā)電經濟效益兼得，其應用前景將十分廣闊。

事實上，通過疊梁門布置和體型優(yōu)化，確實可以明顯降低其水頭損失。如:亭子口分層取水試驗中將疊梁門布置適當前移，頂層疊梁門優(yōu)化為上游傾斜狀，水頭損失降低近一半(由1.2m降為0.6m)。當然，疊梁門布置和體型優(yōu)化在減少水頭損失的同時，還應考慮金屬結構設計要求和運行操作的便利，今后這方面研究應引起設計重視。

3.2 考慮水溫黏滯性差異的數(shù)模開發(fā)

通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前開發(fā)建立的分層取水數(shù)值模型大多并未考慮水流運動黏滯性變化所帶來的影響，一般黏滯性系數(shù)取默認恒定值。事實上，由于深庫水溫分層作用，庫內水流黏滯性差異勢必客觀存在。如表2所示，當庫內水溫10℃，水流運動黏滯系數(shù)為1.308×10－6m2/s;當庫內水溫20℃，水流運動黏滯系數(shù)為1.007×10－6m2/s。兩者相差30%。由于水流黏滯性差異引起進水口流場流速分布變化不容忽視，而10℃溫差對于高壩大庫是較為常見的。

由于水庫底部水溫低，水流運動黏滯系數(shù)較大，其阻滯作用較為明顯，相對來說更不容易運動。換言之，加上水流黏滯性差異變量后，數(shù)模計算的進水口流場底部流速分布愈發(fā)趨小，進入引水口的水量更少，電站下泄水溫將會適當增加。

鑒于此，為提高數(shù)模計算成果的可靠性和精度，根據(jù)水庫水溫成層分布特性，開發(fā)加入水流黏滯性變量的數(shù)學模型非常必要。

表2 不同溫度下水的運動黏滯系數(shù)Table 2 Coefficients of kinematic viscosity of water under different temperatures

4 結語與建議

電站分層取水是近年學術研究和工程實施熱點，本文介紹了國內外分層取水電站進水口研究現(xiàn)狀。鑒于疊梁門分層取水方式顯著增加進口段水頭損失(1～2m)，可結合金屬結構設計和運行便利要求，探索減小水頭損失的疊梁門布置與體型?？紤]到水庫溫度分層對水流黏滯性影響較大，應逐步開發(fā)完善包含水流黏滯性變量的數(shù)值計算模型，從而使進口流場流速模擬和下泄水溫預測更為可靠，精度更高。隨著貴州光照和浙江灘坑分層取水電站的相繼投入運用，以及金沙江溪洛渡和雅礱江錦屏一級分層取水電站即將建成，建議逐步開展相應的原型觀測研究。觀測年際年內水庫溫度分層特性、下泄水溫和進口水力特性，積累原始觀測數(shù)據(jù)，評價疊梁門分層取水效果，以便后續(xù)工程參考借鑒，進而逐步提升分層取水電站進水口設計水平，做到生態(tài)環(huán)保需求和機組安全高效運行二者兼顧，既重視自然，又興利社會。

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