水电站叠梁门分层取水流动规律及取水效果

高学平，陈 弘, ，李 妍，徐茂杰

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 天津农学院水利工程系，天津 300384；3. 天津普泽工程咨询有限责任公司 天津 300204)

大型水库水体水温具有显著的沿深度成层的特点，表层水温和底层水温相差很大，有时温差值可达20,℃左右[1]．以往，水电站进水口均为单层进水口，进水口位置较低，发电时下泄水体基本为水库底层水体，水温较低，影响下游河段的生态环境．近年来，随着对生态环境保护的重视，水电站进水口分层取水方式正逐渐被采用，叠梁门取水方式是常采用的方案之一．我国已建成的贵州光照水电站、在建的坝高261.5,m 的云南糯扎渡水电站和坝高 305,m 的四川雅砻江锦屏一级水电站均采用了叠梁门分层取水方式．

在水库水温分层结构方面，目前取得了较多的成果，主要研究手段是数值模拟，包括一维模型、二维模型和三维模型，陈弘等[2]对这方面的研究成果进行了总结．在水库分层取水下泄水温方面，虽然较水库水温分层结构起步晚，仍取得了一定的成果．郝红升等[3]采用宽度平均的立面二维水温模型，研究了某在建工程不同取水口高程的水库水温分布及下泄水温变化规律，得出了不同时期水库下泄水温随取水口高程的变化规律；张少雄等[4-5]利用 EFDC 三维模型分别对糯扎渡水电站取水口和 Glen Canyon 坝的下泄水温进行了数值模拟研究；Ettema 等[6]运用变态模型研究了 Almanor 湖进水口改造(取底层冷水)的可行性；Shammaa 等[7]利用淡水和盐水在水槽中模拟水库温度沿深度分两层，研究了坝前设置温度控制幕实现选择性取水的效果，低温水从控制幕底部流向进水口，量测了坝前水流演变、取水水质、流速场等；文献[8]提出了试验模拟水库分层取水水温的模型相似关系，并得到了二滩实测水温资料的验证；文献[9]通过直接模拟水库水温分层试验研究了糯扎渡水电站多层进水口的下泄水温．在进水口分层取水水流特性方面，文献[10]进行了格伦峡谷大坝分层取水口水工模型试验；文献[11]进行了糯扎渡水电站叠梁门分层取水进水口水工模型试验；文献[12]进行了锦屏一级水电站叠梁门分层取水进水口水工模型试验；文献[13]对叠梁门分层取水进水口进行了三维数值模拟研究；雷艳等[ 1 4 ]进行了分层取水进水口三维紊流模型模拟研究．

笔者结合糯扎渡水电站进水口叠梁门分层取水方式，利用数值模拟手段研究叠梁门进水口分层取水的水流特性和控制取水的水温效果，揭示取水的水温效果与水流特性的关系．

1 叠梁门布置及运行方式

进水口叠梁门分层取水，利用调整叠梁门的高度达到取用水库不同层的水体，对下泄水温进行控制．

糯扎渡水电站进水口采取叠梁门分层取水方案，设计为3 节门叶，每节门叶高12.68,m，依次叠放，叠梁门整体高度 38.04,m．图 1 为糯扎渡水电站进水口叠梁门取水运行方式．叠梁门挡水高度分成 4 挡：3节门叶挡水，挡水高程为 774.04,m；吊起第 1 节门叶，仅用第2、第 3 节门叶挡水(2 节门叶挡水)，挡水高程761.36,m；继续吊起第 2 节门叶，仅用第3 节门叶挡水(1 节门叶挡水)，挡水高程 748.68,m，继续吊起第3 节门叶，无门叶挡水．

图1 糯扎渡水电站进水口叠梁门取水运行方式(单位：米)Fig.1 Operating scheme of stop logs gate in Nuozhadu hydropower station(unit：m)

2 计算模型

2.1 控制方程

1) 连续性方程

2) 运动方程

3)k方程

4)ε方程

5) 能量方程

6) 状态方程

2.2 模型建立

考虑水库水流运动的三维性，同时精确模拟进水口体型，计算区域取水库横向范围 425,m，进水口上游 1 ,000,m 断面作为进流边界，引水主管渐变段下游200,m 处管道断面为出流边界．进流边界，给定库水位，压强按静水压强分布给出，温度按水库水温分布给定；出流边界，出口流速按引水主管平均流速给出，∂ p /∂ x = 0，∂ u /∂ x = 0，∂ T /∂ x = 0．图 2 为模型网格．

图2 模型网格Fig.2 Model grid of multi-level intake

2.3 模型验证

利用上述三维数学模型，计算了典型工况糯扎渡水电站进水口前的流速分布和下泄水温，并与试验值进行了比较，验证了该数学模型的合理性．

库水位 765,m，单机引用流量 393,m3/s，无门叶挡水，图 3 为该工况的进水口前 1.96,m 断面的流速分布，并与试验值[15]进行了对比，计算值与试验值吻合较好．

库水位812,m，单机引用流量393,m3/s，3 节门叶挡水，典型平水年3 月、8 月和11 月水库水温分布参见图 4，该 3 工况的下泄水温数值模拟结果列于表1，并与相应的物理模型试验值[9]进行比较，各月份的下泄水温计算值与试验值的相对误差均小于1.6%，计算值与试验值吻合较好．

图3 进水口前1.96 m流速分布Fig.3 Velocity distribution in front of intake(1.96,m to intake)

图4 代表月份的水库水温分布与部分下泄水温Fig.4 Representative temperature distributions and water temperature released

表1 下泄水温计算值与试验结果的比较Tab.1 Simulated and measured temperatures of water release of intake

3 叠梁门取水流动规律

计算了叠梁门不同挡水高度的流动情况，结果表明，不同门叶挡水的流动规律相同．以库水位812,m、单机引用流量 393,m3/s、3 节门叶挡水为例，图5 给出了进水口叠梁门前流速沿垂向分布，叠梁门顶上部一定范围内流速较大，门顶 774.04,m 以上约6,m(高程 780,m)处流速最大，约为 0.63,m/s．远离叠梁门，流速逐渐减小，而沿垂向流速的变化范围逐渐增大，说明进水口所取水体的垂向范围逐渐加大．图6 为进水口叠梁门前流速沿横向分布，正对进水口位置的流速最大，进水口两侧流速逐渐减小，说明两侧水体亦流入进水口，表明了流动的三维特性．

图5 进水口流速垂向分布(3 节门叶挡水，库水位812,m)Fig.5 Velocity distribution near intake in vertical direction(3,sections of stop logs gates，water level 812,m)

图6 进水口流速横向分布(3 节门叶挡水，库水位812,m，高程780,m 平面)Fig.6 Velocity distribution near the intake in horizontal direction (3,sections of stop logs gates，water level 812,m，plane of 780,m)

4 叠梁门取水水温规律

选择具有代表性月份的水库水温分布，保持水库水位 812,m，变化叠梁门高度(3 节门叶挡水，2 节门叶挡水，1 节门叶挡水，无门叶挡水，参见图1)，研究叠梁门高度对下泄水温的影响和流速分布与下泄水温的关系．图4 为典型平水年3 月、8 月和11 月份的水库水温分布，具有代表性，如 3 月的表层和底层水温差为3.39,℃，8 月的表层和底层水温差为10.46,℃，11 月的表层和底层水温差为 6.88,℃．各代表月份的水库水温分布特征列于表2．

图7为下泄水温随叠梁门顶高程的变化．表 2给出了不同叠梁门高度的下泄水温数值模拟结果．结果表明，叠梁门高度增加，下泄水温提高，叠梁门对提高下泄水温有较明显的作用．如 8 月份，3 节门叶挡水的下泄水温22.40,℃，比 2 节门叶挡水时高1.81,℃；2 节门叶挡水的下泄水温 20.59,℃，比 1 节门叶挡水时高 2.63,℃；1 节门叶挡水的下泄水温17.96,℃，比无门叶挡水时高 0.87,℃；无门叶挡水的下泄水温 17.09,℃．显然，水库水温分布表底温差越大，随叠梁门高度增加，下泄水温提高幅度越大．3月、11 月、8 月份水库水温表底温差依次增大，3 节门叶挡水与 2 节门叶挡水相比，3 月份提高了 0.67,℃，11 月份提高了 0.81,℃，8 月份提高了 1.81,℃．

由垂向流速分布(见图 5)可知，下泄水体主要源自叠梁门顶高程附近流速较大的水体．分析下泄水温的数值对应于水温分布的位置，相当于叠梁门顶上部流速较大范围内对应的水温分布某点水温．如 3节门叶挡水，门顶上部 14,m 范围流速较大，高程范围为 774～788,m，3 月份下泄水温为 17.00,℃，对应水温分布中高程 784,m 的水温，8 月份下泄水温为22.40,℃，对应水温分布中高程 782,m 的水温，11 月份下泄水温为 21.46,℃，对应水温分布中高程 788,m的水温，均在流速较大的高程范围内．如图 4 与表 2所示．

图7 下泄水温随叠梁门顶高程的变化Fig.7 Relationship of temperature of water released versus height of stop logs gate

表2 不同叠梁门运用方式的下泄水温(库水位812,m)Tab.2 Schemes of water temperatures released in different stop logs gate(water level 812,m)

5 结 论

(1) 叠梁门分层取水口附近的流动具有三维流动性．叠梁门顶高程附近为主要取水范围．垂向流速分布表明，远离叠梁门，取水范围逐渐加大；横向流速分布表明，正对进水口流速最大，两侧亦有水体流入进水口．

(2) 调整叠梁门挡水高度可控制下泄水温，随叠梁门高度增加下泄水温提高，水库水温分布表底温差越大，提高幅度越大．

(3) 分析进水口叠梁门前垂向流速分布和水库水温分布，叠梁门顶上部流速较大的位置所对应的水库水温，基本与下泄水温的数值相当．当然，下泄水温还取决于水库水温分布的特点，下泄水温与水库某点水温的对应关系还有待进一步研究．

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