分层取水结构型式对取水水温影响的试验研究

王 岑，柳海涛，王继保，郭子琪，3，石小涛，孙双科

（1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.河北农业大学，河北 保定 071001）

1 研究背景

分层取水设施作为水库调控下泄水温，维持下游河道鱼类生境的重要手段之一［1-2］，在实际工程中得到广泛的应用［3-6］。目前应用较多的分层取水形式主要有4种：溢流式取水口（叠梁门）、多层孔型取水口［7］、浮式管型取水口［8］和控制帷幕取水［3］，主要采用物理模型与数学模型相结合的方法开展研究。如高学平等人通过水温分层物理模型试验，针对不同类型取水口下泄水温进行了试验研究，表明取水结构对于下泄水温存在明显影响［9-10］；武玉涛等人［11］通过水温模型试验，定量研究了水库水温分层随取水过程的变化规律；路振刚等人［12］通过水温物理模型，针对丰满电厂重建工程分层取水方案的取水特性进行了定量研究。与此同时，考虑实际工程大范围库区水温分布，练继建等人［13］采用三维数学模型，针对库区隔水幕布对低温水的改善效果进行了研究；王海龙等［14］运用MIKE3软件，针对糯扎渡水电站叠梁门进水口取水效果进行了研究；张少雄等［15］运用三维水温计算软件EFDC，针对水库溢流式取水口的下泄水温进行数值分析；陈弘等［16］采用Fluent软件，针对水温分层条件对进水口流速分布的影响进行研究。在上述分析结果基础上，还需要通过实际工程运行监测，对于分层取水的实际效果进行验证。如陈栋为等［17］针对光照水电站叠梁门分层取水口进行实地观测，表明取水温升可达3.4℃，取得良好生态效益；傅菁菁等［18］针对滩坑水电站叠梁门取水水温进行了实际观测，发现叠梁门运行高度不足，下泄水温明显低于建坝前天然水温，建议尽可能减小门顶水深以提高下泄水温；李坤等［19］针对糯扎渡电站叠梁门运行期间，实测取水水温与数值模拟水温数据进行了对比分析，表明两者存在一定差异，建议充分利用实测水温数据，进一步优化叠梁门运行调度方案。

综上所述，已有研究往往针对具体的特定工程、特定的取水结构开展，对于不同水温分层与取水结构条件下取水效率的对比研究则缺少统一的衡量标准。基于此，本文拟建立水温分层物理模型，通过热通量平衡试验方法，针对传统叠梁门、叠梁门+水平帷幕、前置帷幕三种典型取水结构，开展对比试验研究，通过分析取水水温与取水高程特征水温之间的关系，研究不同取水结构取水效果的不同与出现差异的原因，为分层取水进水口结构布置的优化改进提供参考。

2 水温模型设计与试验方法

水温物理模型在体型布置、水温分布、取水流量、取水水温等方面，参考已有典型工程进水口的布置特点与运行情况进行设计，具体参数见表1。经综合考虑，模型比尺为1∶150。模型总长10 m，宽度0.23 m，高度1.05 m，自上而下分为供水区、分层加热区、水温监控区与取水拖曳区，上述布置方案参见图1。模型试验流量2.5 l/s，对应原型流量690 m3/s；模型取水水深0.5 m，对应原型取水水深75 m；模型叠梁门顶部水深7～31 cm，对应原型门顶水深10.5～46.5 m；水温监控区长6 m，对应原型库区长度900 m。

表1 国内部分水电站叠梁门进水口布置特性

取水方案包含传统叠梁门、叠梁门+水平帷幕、前置帷幕三种方式，具体位置参见图1。其中水平帷幕的长度0.05 m，对应原型7.5 m，其作用是为阻止叠梁门下部拖曳层内的低温水向上爬升，从而提高取水温度。三种取水结构顶部水深均控制在10.5～46.5 m，高度变化间隔9 m。

图1 模型设计布置（单位：m）

试验方法：（1）保持库区水位、上游来流水温分层条件、下游取水流量不变；（2）设置不同的取水结构与取水高程；（3）监测库区水温分层与取水水温的变化过程，直到两者趋于稳定；（4）获取上游水温分布与取水温度之间的关系数据。

试验中，通过调整上游各层加热功率，形成不同的库区水温分布条件，随着时间的推移，该水温分布行进至取水口前，引起下泄水温发生变化，本文研究中水温分布条件分为5种，具体分布见图2。针对上述水温分布条件，进行不同取水结构的对比试验。图3—图5为在顶部水深10.5 m，不同水温分布条件下，取水水温的变化过程。由图可知，在120 s左右上游温水到达取水口，取水水温开始上升，20 min左右取水水温达到稳定状态。在此基础上，提取1000～1800 s区间库区平均取水水温作为稳定状态下数据，可进一步分析三种取水结构取水特性的差异。

图2 模型库区水温分布

图3 叠梁门顶部水深10.5m条件下取水水温变化过程

图4 叠梁门+水平帷幕顶部水深10.5m条件下取水水温变化过程

图5 前置帷幕顶部水深10.5m条件下取水水温变化过程

3 三种取水结构分层取水试验成果分析

根据稳定状态下库区水温分布数据，建立了取水水温与取水深度处库区水温（以下简称取水特征水温）之间的对应关系，具体分布规律见图6。试验结果表明，（1）传统的叠梁门提取表层温水的效率相对较低，在叠梁门门顶水头10.5～46.5 m范围内，取水水温小于库区特征水温；（2）通过增加水平帷幕，取水效果有所改善，在门顶水头37.5～46.5 m范围内，取水水温达到或超过库区特征水温，量值可达0.6℃；（3）在进水口前设置隔水帷幕，在顶部水深28.5～46.5 m范围内，取水水温达到或超过库区特征水温，量值可达1.2℃，取水效率得到明显提高。

图6 三种取水结构取水水温与取水深度处对应库区特征水温的关系

图7为不同门顶水头条件下，三种取水结构取水水温与库区特征水温之间的关系。试验结果表明，（1）不同结构的提取表层温水的效率有所差异，叠梁门+水平帷幕的取水水温略高于传统叠梁门，两者相差0.3～0.5℃，前置帷幕取水水温则明显高于传统叠梁门，两者相差1.0～1.5℃；（2）顶部取水水深对于取水效率也有影响，以前置帷幕为例，当顶部取水水深10.5 m时，取水水温低于库区特征水温约1℃，当顶部取水水深28.5 m时，取水水温与库区特征水温基本相当，当顶部取水水深达到46.5 m时，前置帷幕取水水温超过库区特征水温0.3～1.2℃。（3）当顶部取水水深较小时，取水水温与特征水温变化曲线的斜率较小，当取水水深较大时，两者关系曲线斜率有所增大。究其原因在于，曲线斜率与取水拖曳层内水温分布梯度有关，此时整个温跃层已位于取水高程以上。

图7 不同取水结构在相同取水高程条件下取水水温与库区特征水温之间的关系

表2为不同取水结构流场分布特征值，其中拖曳层底部边界流速取0.16 m/s，对应模型下临界Re数为3000。分析表明，不同取水结构的分层取水效率，主要取决于上游拖曳层的速度分布、垂向位置、层内水温分布。（1）当顶部水深较小时，取水高程处局部流速较大，使得下部拖曳层厚度增加，底部冷水取水占比上升；而当顶部水深增大时，取水高程处局部流速减小，下部拖曳层厚度减小，底部冷水占比下降。（2）传统叠梁门取水口取水前缘与下游引水洞相距较近，表层水体受胸墙顶托，拖曳流速降低，温水取水占比减小；而当进水口上游库区内采用前置帷幕时，表层水体在此帷幕断面仍有较大流速，温水可通过垂向掺混进入进水口，从而提高取水水温。（3）取水过程中，拖曳层上下边界处紊动应力、黏滞力与浮力达到平衡，当取水高程以上水温分层梯度较大时，拖曳层上边界并未到达水面，而当取水高程以下水温分层梯度较小时，拖曳层下边界可扩展至冷水区，造成取水水温低于特征水温。

表2 不同取水结构上游流场分布特征值

本文研究中，在传统叠梁门进水口体型上，通过增加水平帷幕，减小叠梁门高程以下拖曳层厚度，在相同取水特征水温条件下，分层取水效率较传统叠梁门有明显改善；然后在进水口上游库区设置隔水帷幕，增大拖曳层上部流速，使其分层取水效率较之相同高度叠梁门进水口显著提高。由此可见，分层取水进水口的取水水温不仅取决于门顶水头，而且与取水口近区拖曳区的水动力学特性有直接关系。这一结果为分层取水进水口布置结构的优化改进提供了新的努力方向，下一步拟针对拖曳层内各项要素的影响及其控制方法开展系统研究。

4 结论

采用水温分层物理模型，针对传统叠梁门、叠梁门+水平帷幕、进水口前置帷幕三种分层取水结构进行了对比研究，通过分析取水水温与取水深度处库区特征水温之间的关系，判断不同水温分层与取水结构条件下取水效率的差异。研究表明：（1）在相同水温分布与取水高度条件下，叠梁门+水平帷幕取水水温较之传统叠梁门升高0.3～0.5℃，而前置帷幕取水水温较之传统叠梁门升高1.0～1.5℃；（2）传统叠梁门在10.5～46.5 m取水水深范围内，取水水温一般均低于库区特征水温，通过增加水平帷幕，在37.5～46.5 m取水水深范围内，取水水温可超过库区特征水温可达0.6℃，而采用前置帷幕，在28.5～46.5 m取水水深范围内，取水水温超过库区特征水温可达1.2℃。分析表明，取水口上游拖曳层的厚度、垂向位置、层内水温与流速分布，是影响取水结构分层取水效率的重要因素。传统的叠梁门进水口，由于底部拖曳层的影响，取水效率相对较低；通过设置水平帷幕，阻挡进水口下部冷水爬升，取水效率得到改善；在进水口上游库区设置隔水帷幕，可增大取水断面表层温水拖曳流速，取水效率明显提高。下一步拟针对拖曳层内各项要素的影响及其控制方法开展系统研究，从运行效果提升角度，探求更为高效的分层取水进水口优化布置方案。