尹 輝，蔡寶柱，鄭鐵剛

（1.昭通市水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昭通 530600；2.新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

水庫溫度分層是隨著水利水電工程興建提出的系列生態(tài)環(huán)境問題之一[1]，受太陽輻射、對流擴散以及熱量交換等作用，水庫表層水溫較原天然河道水溫升高，而底層水溫則比原天然河道水溫低。隨著水深的增大，水溫逐漸降低、浮游生物逐漸減少、而渾濁度增大、含還原態(tài)物質(zhì)增多[2]。由此可知，從水庫不同深度取水，所獲出庫水質(zhì)將明顯不同，不同取水對下游河道魚類、底棲生物與浮游生物、灌區(qū)農(nóng)作物等具有一定的影響。為緩解水庫下泄水質(zhì)對下游河道生態(tài)環(huán)境的不利影響，利用水庫水質(zhì)的分層特性，采用分層選擇取水的方法，進行水質(zhì)的合理調(diào)度，是改善下游生態(tài)環(huán)境的有效措施之一[3]，目前已經(jīng)成為水電生態(tài)友好實踐的重要組成部分，應(yīng)用較為廣泛。

鑒于分層取水技術(shù)對改善下游生態(tài)環(huán)境的重要影響，國內(nèi)外針對分層取水技術(shù)開展了大量研究工作，并提出了多種分層取水方式，如：Lu等[4]提出了一種新型分層取水措施，并依托Jinpen水庫開展了水溫水動力模擬分析；He等[5]結(jié)合隔水幕布技術(shù)開展了取水方式對下游水溫的影響工作；高學(xué)平等[6]結(jié)合浮式取水口分析了水溫與水動力特性的關(guān)系；范志國等[7]將浮式取水口和機控斜臥式閘門控制設(shè)備結(jié)合提出了一種新型分層取水結(jié)構(gòu)；王岑等[8]以疊梁門為基礎(chǔ)分析了不同分層取水結(jié)構(gòu)型式對取水水溫影響；Zheng等[9]則分別基于數(shù)值模擬與物理試驗結(jié)果分析了前置擋墻技術(shù)對下泄水溫的影響。由于投資相對較小，并且對庫水位變化適應(yīng)性強，疊梁門分層取水措施被廣泛應(yīng)用于我國大型電站進口設(shè)計。傅菁菁等[10]結(jié)合灘坑水電現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析了疊梁門分層取水對下泄水溫的改善效果，指出疊梁門分層取水后溫升效果良好，但運行調(diào)度方案有待進一步優(yōu)化；陳棟為等[11]則結(jié)合光照水電站原型觀測數(shù)據(jù)分析了疊梁門的實際運行效果，分析表明疊梁門分層取水效果與庫區(qū)水溫分層狀態(tài)關(guān)聯(lián)較大，在庫表水溫較高時段，疊梁門分層取水措施的效果更加明顯。

盡管有關(guān)疊梁門分層取水研究已較為廣泛，主要涉及疊梁門取水高度和壩前水溫分布等，然而對于中小型水利工程而言，疊梁門分層取水效果同樣受進水室體型結(jié)構(gòu)影響顯著，遺憾的是該方面的相關(guān)研究工作尚不多見。鑒于此，本研究采用數(shù)值模擬方法，并結(jié)合物理模型試驗結(jié)果，以實際工程疊梁門分層取水結(jié)構(gòu)為研究依托，以下游河道水溫為重要關(guān)注水質(zhì)指標(biāo)，探討影響疊梁門分層取水運行的主要因素，并結(jié)合設(shè)計要求，進一步提出了疊梁門運行優(yōu)化方案，為類似工程提供了借鑒。

2 疊梁門分層取水工程簡介

本研究依托KRG水利水電工程，總庫容1.25億m3，最大壩高82 m，電站裝機容量24 MW，工程等別為Ⅱ等大（2）型。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在河床右岸，設(shè)計引水流量44.4 m3/s，總長515.896 m。進口閘井為岸塔式，閘井上部豎井為全封閉的鋼筋混凝土框架式結(jié)構(gòu)，進水口閘井段長26 m，高53.5 m，底板高程為2056 m。由于工程建成后，水庫存在水溫分層現(xiàn)象，為防止水庫低溫水下泄對下游灌區(qū)作物及河流生態(tài)產(chǎn)生影響，電站取水口采用分層取水方案以保證表層高溫水下泄。進水口閘井內(nèi)設(shè)有攔污柵門槽和疊梁門門槽各一道，門槽孔口尺寸均為5.0 m×53.5 m，門槽間距1.65 m，疊梁門節(jié)高3.0 m。進水口閘井設(shè)有疊梁門門庫，門庫底板高程為2082.5 m。疊梁擋水門隨水位變化，用壩頂門機通過液壓抓梁逐節(jié)起吊。疊梁門分層取水工程布置示意圖見圖1所示。

圖1 疊梁門分層取水工程布置示意圖（單位：m）

3 研究方法

3.1 控制方程對于常態(tài)下的水體，可忽略壓力變化對密度的影響，密度與溫度的關(guān)系可表示為：

3.2 計算模型及網(wǎng)格劃分本研究模擬的范圍為300 m左右，其中取水閘井前約為150 m，取水閘井后約為100 m，進水口頂高程為2056 m，模擬水庫深53.5 m。模擬計算區(qū)域內(nèi)包含1個進水閘室，每個進水閘室由隔墻分為2個進水流道，隔墻由連系梁連接支撐，模型示意圖如圖2（a）所示。本研究計算域內(nèi)采用非均勻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，由于進水口附近結(jié)構(gòu)復(fù)雜，必須要有足夠的分辨率才能保證計算結(jié)果的可靠性，因此計算網(wǎng)格劃分較密，最小尺寸為0.25 m×0.5 m×0.5 m，最大尺寸為1.0 m×1.0 m×1.0 m，網(wǎng)格數(shù)量共計42萬，局部網(wǎng)格劃分示意圖如圖2（b）所示。

圖2 分層取水進水口計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件及工況為保證計算過程的穩(wěn)定性，本研究上游給定流量與水位邊界，同時結(jié)合水溫條件給定垂向水溫分布。假定下游出口斷面為充分發(fā)展的紊流，出口邊界上各變量均取零梯度條件，從而消除下游對上游水流的影響，即（n代表出口斷面的法向）：

疊梁門取水高程是決定取水水溫的關(guān)鍵因素，取水高程越大，提取表層高溫水效果越好，反之，取水效果下降。此外，取水高程還受到水力學(xué)指標(biāo)的限制，取水高程增加將導(dǎo)致取水水頭損失的增大，同時閘井內(nèi)攔污柵斷面流速增加，影響結(jié)構(gòu)安全與發(fā)電效率。本文結(jié)合工程經(jīng)驗與研究對象特點，綜合考慮取水效果及水力學(xué)指標(biāo)限制，取水水頭取3～9 m（取水水頭=庫區(qū)水位-取水高程）。

本研究主要針對疊梁門分層取水開展，根據(jù)工程設(shè)計資料可知，疊梁門分層取水主要應(yīng)用月份為4—5月和9—11月。此外，進水室結(jié)構(gòu)對疊梁門取水的影響是本文研究的重點，疊梁門門庫底板高程為2082.5 m，故擬分別選取取水高程高于和低于2082.5 m作為典型研究工況。以取水水頭3～9 m為例，4月份運行水位為2094.25 m，取水高程為2086 m以上，而5月份水位為2086.99 m，取水高程則為2080 m。因此，為增加研究的普適性，文中分別選取了4月份和5月份作為典型月份開展研究，4月份和5月份水位分別為2094.25 m和2086.99 m，取水流量均為46.8 m3/s，水溫分布情況見圖3。

圖3 庫區(qū)水溫分布

3.4 模型驗證本文結(jié)合1∶25物理模型試驗結(jié)果對數(shù)值計算結(jié)果進行驗證，4月份和5月份不同取水高程工況下攔污柵斷面流速分布對比情況如圖4所示。由對比結(jié)果可知，數(shù)值模擬與模型試驗的分布規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)出疊梁門門頂附近流速最大的特點，且計算與試驗的流速量值相當(dāng)。由此可見，本文采用的計算模型準(zhǔn)確可靠，模擬計算結(jié)果可信，可用于開展相關(guān)研究工作。

圖4 攔污柵斷面流速分布對比

4 疊梁門分層取水運行參數(shù)分析

如前所述，取水條件一定時，疊梁門取水高程是影響取水水溫的關(guān)鍵因素，而取水高程的確定又與進水口水動力特性，如：進水口水頭損失大小以及攔污柵流速量值等密不可分。為此，下文將首先開展進水口水動力特性分析，以期確定合理的取水高程，為取水效果評估提供前提條件。

4.1 攔污柵斷面平均流速分布不同取水高程下，攔污柵斷面平均流速分布見圖5。圖示結(jié)果分析表明：不同工況下，攔污柵斷面流速分布均以疊梁門頂高程為分界分別表現(xiàn)為“上小下大”和“上大下小”的分布規(guī)律。隨著疊梁門高度的增加，取水水頭減小，4月份和5月份攔污柵斷面平均流速分別由0.21 m/s和0.29 m/s增大到0.23 m/s和0.32 m/s，平均流速增加不明顯，這是由取水層（攔污柵斷面流速大于0.2 m/s）范圍相對較小所致，由圖可見，取水層主要集中于取水高程以上至水面、以及取水高程向下5 m范圍，取水層厚度約為10 m，而取水層以下流速普遍小于0.2 m/s且水深大于25 m，故導(dǎo)致平均流速變化不明顯。然而，由于取水水頭減小，斷面最大流速增幅明顯，尤其是5月份，最大流速由1.02 m/s增大到1.40 m/s，發(fā)生在疊梁門頂附近。根據(jù)水電站分層取水進水口設(shè)計規(guī)范可知[12]，攔污柵斷面流速宜控制在0.8 m/s～1.2 m/s。由前文分析結(jié)合圖5可知，4月份和5月份攔污柵斷面平均流速均滿足規(guī)范控制要求，然而當(dāng)5月份取水高程為2083 m時，攔污柵斷面流速超過規(guī)范要求，不宜作為運行方案實施，可采取增加取水門頂水頭或優(yōu)化取水口體型的措施以有效降低攔污柵斷面流速量值。

4.2 進水口水頭損失計算水頭損失是關(guān)系到水電站運行效率的重要參數(shù)，通常包括攔污柵水頭損失、疊梁門段水頭損失、引水隧洞段水頭損失等部分，其中，疊梁門段與引水隧洞段水頭損失占主導(dǎo)地位。本文選取進水口上游斷面為起始斷面，選取尾水管下游100 m處斷面為終止斷面，計算分層取水進水口總水頭損失。本研究采用伯努利方程計算：

圖5 攔污柵斷面流速垂線分布

式中：Z1為上游庫水位測點對應(yīng)高程；Z2為引水隧洞出口斷面中心高程；v1為上游庫區(qū)測點流速；v2為引水隧洞出口斷面平均流速；P1/γ為上游庫區(qū)測點壓力水頭；P2/γ為引水隧洞出口斷面的平均壓力水頭；ΔH為進水口總水頭損失。

圖6為不同門頂水頭下進水口水頭損失結(jié)果，由圖可知，與傳統(tǒng)進水口不同，本研究中4月份和5月份進水口水頭損失隨門頂水頭改變而發(fā)生的變化明顯不同，門頂水頭變化基本一致的條件下，5月份水頭損失變化值明顯大于4月份水頭損失變化。分析其原因，這是由于疊梁門與門庫前置墻間距過小所致（見圖2），疊梁門門庫對水頭損失影響顯著，取水高程大于疊梁門庫底板（2082.5 m）時，水頭損失值明顯增大。由表1所示，4月份取水高程均大于2082.5 m，故水頭損失隨取水水頭變化不明顯，而5月份取水高程分別為2080 m和2083 m，因此表現(xiàn)出水頭損失增加明顯的特征。

圖6 水頭損失隨門頂水頭變化

4月份和5月份不同取水高程條件下水頭損失計算值如表1所示，由表1可知，4月份不同取水高程水頭損失約為0.70 m，而5月份則分別為0.39 m和0.77 m?？紤]到綜合發(fā)電效率，建設(shè)部門建議水頭損失設(shè)計值不宜大于0.50 m，而當(dāng)取水高程大于疊梁門庫底板高程2082.5 m時，4月份和5月份取水水頭損失值均大于設(shè)計值，由此可見，可采取降低取水高程或優(yōu)化取水口體型的措施以有效減小水頭損失值。

前文提及，取水高程降低后，隨之取水水溫降低，改善下游生態(tài)環(huán)境的效果減弱。因此，為保證取水效果，本研究擬采取優(yōu)化取水口體型的措施以期改善攔污柵斷面流速和水頭損失值。

4.3 疊梁門分層取水口優(yōu)化分析基于前文結(jié)果，本研究分別建立了將進水室長度增加1 m和2 m的研究工況，擬通過加大疊梁門與門庫前置墻間距達到降低水頭損失與攔污柵斷面流速的目的。

分層取水口體型優(yōu)化后，水頭損失及攔污柵斷面最大流速計算結(jié)果如圖7（a）和圖7（b）所示。分析結(jié)果表明，疊梁門與門庫前置墻間距增大后，除5月份取水高程2080 m工況外，進水口水頭損失值明顯降低，均小于或等于0.5 m，滿足設(shè)計需求，如圖7（a）所示。如前所述，5月份取水高程2080 m條件下水頭損失降幅不明顯是由于取水高程位于門庫底板以下，水頭損失主要受取水水頭的影響，受體型影響較小。疊梁門與門庫前置墻間距增大1 m后，水頭損失降幅為0.25 m左右（約36%），而增大2 m后，水頭損失降幅增大至0.3 m（約43%），如圖所示，圖中實線表示間距增大1 m后水頭損失降幅情況，虛線表示間距增大2 m后水頭損失降幅情況。

圖7 分層取水口體型優(yōu)化結(jié)果

進水口體型優(yōu)化后攔污柵斷面最大流速隨取水高程變化如圖7（b）所示，圖示結(jié)果表明，體型優(yōu)化后，攔污柵斷面最大流速降至0.7～1.0 m/s，均小于1.2 m/s，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

由上可知，分層取水進水口體型優(yōu)化后，水頭損失和攔污柵斷面流速均達到規(guī)范設(shè)計要求，而水頭損失是影響發(fā)電效率的重要因素之一，進水口水頭損失越小，則發(fā)電效率越高，故水頭損失分析是確定本研究最終體型的關(guān)鍵。計算表明，疊梁門與門庫前置墻間距增大1 m和2 m降低進水口水頭損失分別約為36%和43%，即，間距增大1 m后若繼續(xù)增大間距，水頭損失降幅不再明顯，僅約為0.05 m，然而間距增大1 m則帶來工程造價的顯著增加，因此，疊梁門與門庫前置墻間距增大1 m，取水水頭3～9 m將作為分層取水進水口取水方案開展下泄水溫分析。

4.4 疊梁門分層取水運行方式優(yōu)化體型方案下，4月份和5月份不同取水高程條件下取水水溫如圖8所示，圖中柱狀圖為取水水溫，折線圖為取水水溫與天然水溫溫差。計算結(jié)果表明，對4月份而言，常規(guī)取水口下泄水溫為4.6℃，而采用疊梁門后，下泄水溫明顯升高，取水高程為2086 m和2089 m時下泄水溫分別為7.2℃和7.3℃，較常規(guī)取水口下泄水溫提升幅度分別達到2.6℃和2.7℃；相比5月份，常規(guī)取水口下泄水溫為9.8℃，而采用疊梁門分層取水后下泄水溫則分別可提升1.5℃和1.6℃。由此可見，疊梁門分層取水較常規(guī)取水口，可有效提取表層高溫水，電站下泄低溫水問題明顯得到改善。

圖8 下泄水溫計算結(jié)果

由前文可知，4月份取水高程為2086 m和2089 m時，取水水頭分別為8.25 m和5.25 m；而5月份取水高程為2080 m和2083 m時，取水水頭分別為6.99 m和3.99 m。分別對比4月份和5月份不同取水高程下泄水溫可見，增加1節(jié)疊梁門（3 m），下泄水溫僅增加0.1℃，然而結(jié)合圖7發(fā)現(xiàn)，疊梁門增加后水頭損失和攔污柵斷面流速明顯增加，尤其是5月份，水頭損失增加約0.2 m。因此，綜合考慮發(fā)電效率與取水效果，本研究中4月份和5月份取水水頭確定為3～6 m。

5 結(jié)論

取水高程是影響分層取水水溫的關(guān)鍵因素之一，而進水口水力特性則又是決定取水高程的重要指標(biāo)?；诖?，本研究通過建立三維水溫-水動力數(shù)學(xué)模型，分別對進水口水力特性與下泄水溫開展了計算研究，結(jié)合疊梁門分層取水水力特性提出了進水口優(yōu)化方案及疊梁門運行方式，研究成果可為類似工程分層取水的應(yīng)用提供借鑒。具體結(jié)論如下：

（1）與模型試驗測試結(jié)果對比，結(jié)果表明數(shù)值模擬與模型試驗的攔污柵斷面流速分布規(guī)律基本一致，可以保證模型的可靠性與模擬結(jié)果的可信性；

（2）攔污柵斷面流速分布以取水高程為分界分別表現(xiàn)為“上小下大”和“上大下小”的分布規(guī)律；隨著取水高程的增加，攔污柵斷面流速增大約10%；

（3）隨著取水高程的增加，水頭損失增大；受進水口結(jié)構(gòu)體型影響，疊梁門門頂水頭不再是決定進水口系統(tǒng)水頭損失的唯一因素，而結(jié)構(gòu)體型對進水口水頭損失影響更加顯著；

（4）增大疊梁門與門庫前置墻間距可有效降低進水口水頭損失與攔污柵斷面流速，進而最大限度的提升取水高程，推薦間距由2 m增加至3 m，取水水頭建議為3～6 m；

（5）疊梁門分層取水方案優(yōu)化后較常規(guī)取水口，可有效提取表層高溫水，下泄水溫增幅可達1.5℃～2.7℃，電站下泄低溫水問題明顯得到改善。