控制幕作用下水库温流场特征初步研究

於思瀚，黄 卫，韩继斌，黄明海

(长江科学院 水力学研究所，武汉 430010)

1 研究背景

当前，随着筑坝技术的提高，大坝的高度不断突破，大型水库越来越常见，我国已成为世界上大型水库拥有量最多的国家[1]。大型水库尤其是高坝大库建成后由于库区水体体积变大，水深和过流面积增加，流速减缓，水体滞留时间增长，接受太阳辐射增加，引起水温垂向成层分布，表现为：水库表层水体与空气直接进行热交换，水温随气温变化，为表温层；底层水体水温变化小，常年维持在稳定的低温状态，为滞温层；中间的过渡区域水温变化剧烈，温度梯度较大，为温跃层。传统水库多采用单层取水方式，且出于发电效益的考量，取水口位置往往位于底部滞温层，导致水库下泄水温在夏季低于下游天然河道，而冬季则高于天然河道水温，对大坝下游生态、生产、生活造成不利影响[2-3]。出库低温水将降低下游灌溉用水水温，抑制作物光合作用及新陈代谢，导致作物减产[4-5]，还会造成下游温水习性鱼类生长缓慢，使产卵条件恶劣，从而影响鱼类繁衍，严重情况下将导致鱼类灭绝[6-7]等。对于三文鱼等冷水习性鱼类，冬季高温水下泄会对鱼卵的孵化以及幼鱼造成致命威胁。因此，必须采取恰当的工程措施控制下泄水温。分层取水是工程上应用最为广泛，同时也是效果较为明显的方法。目前分层取水形式主要有多孔式、浮子式、叠梁门式、控制幕式[8-13]等，其中控制幕分层取水具有施工简单、成本低廉、水头损失低等优点[14]。

20世纪80年代国外学者提出了水温控制幕[15]，通过原型观测、物理模型试验、数值模拟[12,16-17]等方法，研究了控制幕对水库下泄水温的影响。但是，这些研究的控制幕形式多是顶部控制幕形式(悬挂式幕帘形式)，用来减小高温水下泄对下游冷水习性鱼类的影响以及防止水库表层水华的发生等。1997年，Vermeyen[18]通过观测Whiskeytown和Lewiston两座水库布置控制幕后若干测点的温度以及下泄水温，研究了控制幕调控下泄水温的效果。Shammaa等[17]通过物理模型试验分析了控制幕对水温分层水库的温度影响，提出了幕布高度和出水水质的经验关系式，同时分析了控制幕与取水口之间的流场结构随时间的变化规律，提出了工程应用建议。高学平等[19]对水库水温分层取水模型相似理论进行研究，提出水库水温分层取水模型流动的相似条件为：在几何相似的前提下，应保持弗劳德数Fr和密度弗劳德数Fd相等。同时，高学平等[20]研究表明控制幕表层过流运行方式能够显著提高下泄水温。练继建等[21]分析了各种型式的控制幕对出库低温水的改善效果，表明控制幕可提高春夏季节的下泄水温达 2～8 ℃，提高效果与幕布形式、淹没水深和坝前水温分布相关，并给出了控制幕布置后的下泄水温预测公式。薛文豪等[22]对某大型水库垂向水温结构及下泄水温过程的模拟结果表明，控制幕的设置将显著影响水库内的水体流动及水温垂向分布。He等[23]建立二维数学模型，分析了不同形式控制幕对下泄水温的改善效果，表明挡水比>80%的底部形式控制幕，有利于减小水库出入库水温差。

迄今为止，针对控制幕分层取水的研究不多，对于底部控制幕形式(遮蔽水体下部水体的形式)的研究则更少。澳大利亚布伦东大坝是采用底部控制幕形式来提高下泄水温的工程实例[14]。前人关于控制幕分层取水的研究多关注控制幕下游流速场、温度场分布以及分层取水下泄水温等方面，对于控制幕作用下控制幕上游即库内流速场、温度场的研究鲜见。同时，控制幕作用下温分层水体流速场、温度场研究的重点在于水体间掺混、不同水体交界面等问题。因此，有必要对控制幕作用下分层水体流速、水温分布情况进行进一步的研究。

综上所述，虽然针对控制幕分层取水已有一定的研究成果，但是由于其内在机理的复杂性，关于控制幕作用下水库内温跃层流速分布及下泄水温影响因素等问题还没有深入的研究。本文开展了一系列的试验，对分层水体中设置控制幕后的下泄水温及幕前典型断面流速、水温进行了同步测量，讨论了不同影响因素对分层水体流速、温度分布的影响，揭示了其分布规律，确定影响水体流速、温度分布的主要因素，为更深入地研究控制幕分层取水机理提供了依据。

2 试验模型布置与量测

2.1 试验模型布置

本概化水槽试验在长江科学院水工程环境与生态试验大厅进行，试验水槽宽0.4 m,高0.5 m,长25 m，热水由体积为125 m3的恒温水箱提供，试验中控制热水水温在33 ℃左右，冷水水温为室温(本试验在一定时间内集中进行，试验过程中冷水温度基本恒定)约12 ℃[24-26]试验装置由供水区、掺混区、测试区以及尾水区几个部分组成，详见图1(a)。试验时，分别通过水泵向水槽内注入冷水、热水，并设置稳水板，保证水位和流量的平稳。冷、热水体进入试验水槽后，形成一定范围的掺混区，经足够距离过渡后，形成平稳的温分层流，较好地模拟原型水库的水温分布，满足测试区入流断面目标水温分布的要求。测试区内布设不透水的水温控制幕(因本试验不考虑控制幕受力变形，故以有机玻璃板代替柔性幕布)，可灵活控制其运行高度和位置，使水流缓慢从水温控制幕顶部通过，以实现分层取水的功能。同时，在下游末端分别设置了上层、中层、下层取水口。测试段水槽上设移动数控测车，可为热敏电偶温度计、ADV流速仪等提供准确的定位和便捷移动操作。试验中，冷水、热水分别注入水槽，并将水位调节至所需水位后，严格控制冷水、热水入流流量以及下泄流量，保持水槽内水位稳定，经过足够的时间和距离充分掺混，在水槽内形成稳定的分层水体,见图1(b)。在正式测试之前，在测试区内滞温层、温跃层和表温层分别选取测点，验证测点温度是否保持恒定，以满足试验条件。待确认温分层稳定后，将控制幕缓缓放入水中于固定槽内卡住，实现分层取水效果。

图1 水温控制幕温分层取水试验水槽

2.2 试验测量仪器

水温测量采用台湾泰仕公司的TES-1310K型高精度接触式热电偶温度计(如图2(a))，其主要技术参数为：测量范围50～1 300 ℃；取样率2.5次/s；分辨率0.1 ℃；TP-K01热电偶。流速测量采用美国SonTek公司的16 MHz MicroADV，其主要技术参数为：采样频率0.1～50 Hz；测速范围0.001～4.5 m/s；分辨率0.001 m/s；测量精度为最大量程的±1%；工作温度-20～50 ℃。试验时热电偶用橡皮筋固定在固定杆上，以实现水温、流速的同步测量，同时忽略探头以及固定杆对流场的扰动，如图2(b)所示。

图2 水温控制幕温分层取水试验测量设备

2.3 测量断面及测点分布

如图1(a)所示，试验同步测量控制幕上以及控制幕上游每间隔0.5 m的断面1—断面4(控制幕位置工况增加控制幕下游断面-1和断面-2)沿水槽中轴线的垂向水温、流速。每根测垂线上间隔2 cm布置1个测点，在温跃层附近适当加密。由于完成一组试验时间较短，测量结果表明环境温度变化对水体表面温度的影响可以忽略。

3 试验影响因子与参数

3.1 试验影响因子

试验研究不同热冷水流量比Q、控制幕距取水口距离L、取水口位置Z、控制幕遮挡率η条件下，不同测点处的流速和水温，分析水温控制幕上游水体流速、水温沿水槽中轴线不同断面处的分布情况以及改善下泄水温的效果。

3.2 试验参数设置

考虑到水库水温分层现象具有明显的季节性特征，在不同季节体现出不同的水温结构，其中春末夏初水体分层现象最为明显，水体底部与表面温差可达20 ℃左右[27]，故选取1 a中该时段作为典型时间段，试验工况设置如表1所示。

表1 各试验工况参数

4 试验结果分析

4.1 控制幕作用下水温、流速空间分布

以工况C2为例，说明控制幕作用下库区水温、流速分布情况。图3为控制幕上以及控制幕上游3个断面测垂线流速温度的分布。横坐标分别表示水温T和流速u，纵坐标表示测点距水槽底部距离y。

图3 C2工况各测垂线水温、流速分布

试验结果表明，水温在很长的一段水深内保持不变，即在水体底部和水面存在滞温层和表温层，滞温层和表温层之间的水体即为温跃层[28]，表现为存在较大的温度梯度，水温变化剧烈，温跃层厚度在3～5 cm之间。温跃层内静力稳定性较强，抑制了上下层水体间的掺混。在断面1处即控制幕上方位置，水温分布依然表现出明显的分层现象，不难发现，滞温层、温跃层和表温层水体厚度均有减小，而不是单一的某一层尺度有所变化，这是由控制幕对水体的束流作用造成的。

流速在温跃层内变化剧烈。在温跃层流速突然增大，增至最大值后再随着测点水深的减小而逐渐减小，直至水面以下2～4 cm处，如图3(b)所示。可以观察到在表温层厚度足够的情况下，流速再次符合层流流速分布规律。随着与控制幕距离的缩短，温跃层内流速最大值点位置抬升。由于控制幕阻隔了一部分水体下泄，使过水断面收窄，断面平均流速明显增大，一定程度上形成牵引作用。在控制幕附近这种牵引作用变大，使温跃层内流速在越靠近控制幕的断面，Vmax与Vmin差值越大。在滞温层和表温层流速沿水深从水槽底部向水面递增，呈对数分布。其流速分布近似满足式(1)。

(1)

式中：u为测点流速；u*为摩阻流速；y为测点距水槽底部距离；γ为运动黏性系数。在断面1处，水温控制幕显著破环了原水体的层流特性，使流速更多地表现出紊流特征。

图4 不同热冷水流量之比Q条件下各测量断面温度、流速分布及温跃层特性参数

4.2 不同影响因素对水温、流速分布的影响

试验分析不同热冷水流量比Q、控制幕距取水口距离L、取水口位置Z、控制幕遮挡率η条件下，水温控制幕对控制幕附近水体结构的影响，揭示流速、水温分布规律，分析其原因。

4.2.1 热水流量、冷水流量比对水温、流速分布的影响

图5 不同控制幕距取水口距离L条件下各测量断面温度、流速分布及温跃层特性参数

在水温分布图中，不同工况同一断面垂向水温变化上下拐点出现的位置随Q值的增大而降低，但越靠近控制幕，这种差异越小，这是由控制幕的束流作用引起的。随着Q值的减小，温跃层所处高度上升，可以看到在Q=0.4时，温跃层所处高度较其他2种工况抬升最明显。从图4(b)可以看到，在远离控制幕的断面，各工况流速分布曲线交替波动上升。然而在控制幕附近，流速分布更加稳定，体现出明显的规律性。流速最大值点不是在水体表面，而是在温跃层内h/H=0.8相对位置处，且随着Q值的增大，最大值点出现的位置下降。

图4(c)、图4(d)反映了不同Q值条件下温跃层的情况。易观察到，同一断面处，不同工况的温跃层厚度，在控制幕区域附近，呈现出Q值越大、温跃层越薄的规律，但在远离控制幕的区域恰恰相反。温跃层强度在近幕布区域随着Q的增大，E增大，远离幕布断面减小。这表明，Q值增大会使来流温跃层厚度增大，但在近幕布区域受幕布影响也越大。控制幕的存在会加剧近幕布区域水体的分层，使温跃层强度增大，抑制上下层水体交换，且Q值越大，这种现象越严重。

4.2.2 控制幕位置对水温、流速分布的影响

由表1可知，C1、C4和C5分别对应L为0.5、1.0、1.5 m的情形。图5表示不同控制幕距取水口距离L条件下各测量断面温度、流速分布及温跃层特性参数。从图5(a)、5(b)可知，不同L值对应的流速分布及温度分布类似，几乎没有差别。图5(c)、5(d)表明在控制幕上游，温跃层厚度约为5 cm，E值各工况差别也不明显。控制幕下游，温跃层厚度大幅增长，可见控制幕促进幕后水流强烈掺混效果明显。由于在远离取水口的位置，取水口对水流的牵引作用降低，水体受到的浮力作用较强，在控制幕顶，随L值的增加,温跃层厚度减小，温跃层强度增大，温跃层强度最大达到了10.7 ℃/cm。

图6 不同取水口位置Z条件下各测量断面温度、流速分布及温跃层特性参数

4.2.3 取水口位置对水温、流速分布的影响

由表1可知，C1、C6和C7反映不同取水口位置Z的情形。图6表示不同取水口位置Z条件下各测量断面温度、流速分布及温跃层特性参数。垂向温度、流速分布见图6(a)、图6(b)。不同位置取水口能取到不同高度层的水体，温跃层所处高度与取水口高度呈正相关，当取水口位置位于上层时温跃层位置最高。由图6(c)可知，不同的取水口位置对温跃层厚度有一定的影响，各断面取水口位置越高，温跃层厚度随之减小，这是由于取水口对水流的牵引作用远大于温度差引起的水体分层。在图6(d)中也可观察到取水口位置越高，E值越大，越不利于控制幕上游水体掺混。

4.2.4 控制幕高度对水温、流速分布的影响

对于单因素条件下，不同控制幕高度反映为控制幕遮挡率η。由表1可知，不同η情形对应工况C8、C9和C10，控制幕高度分别为15、20、25 cm,相应槽内水深均为40 cm。图7比较了不同控制幕遮挡率η条件下各测量断面温度、流速分布及温跃层特性参数。如图7(a)、图7(c)所示，由于控制幕的束流作用，随着η值变大，断面1处温跃层逐渐上移，厚度越来越小，抑制掺混作用越明显。图7(b)表明控制幕高度增高会导致控制幕所在断面处平均流速提高，在远离控制幕的断面，随着η值增大，断面流速垂向波动程度加剧。尤其是在温跃层内，η=62.5%相较于另2种工况，流速梯度显著变大。由图7(d)可知，在控制幕上方，η越大，E值越大，表明掺混被抑制得越严重。

图7 不同控制幕遮挡率η条件下各测量断面温度、流速分布及温跃层特性参数

4.3 不同影响因素对下泄水温的影响

设置控制幕后，过流断面减小，表层水体流速增大，促进了幕布下游水体的垂向掺混，破坏了原水体分层结构，进而提高了下泄水温。图8比较了不同控制条件下通过取水口下泄水温的情况，结果显示，热冷水流量之比Q、取水口位置Z、控制幕遮挡率η与下泄水温温升呈正相关。当Q=0.6时，下泄水温温升可达到2 ℃，而在Q=0.4的条件下，下泄水温较无控制幕情况仅提高1.1 ℃，两者相差0.9 ℃。图8(c)的3种工况下，下泄水温均有不同程度的提高，以上层取水口最明显。当取水口位于上层时，由于能较多的抽取上层高温水，下泄水温提高可达2.1 ℃；当采用下层取水口时，ΔT只有1.5 ℃。图8(d)比较了η对下泄水温的影响。结果显示，下泄水温对控制幕遮挡率η较敏感，不同工况条件下，差别达到了0.5 ℃。当控制幕阻拦越多的冷水时，下泄水温越高。对比图8(b)控制幕位置的调整对于下泄水温的影响很小，几乎可以忽略，仅出现了0.1 ℃的差异。

图8 不同工况条件下下泄水温温升ΔT

5 结 论

本文针对控制幕分层取水方法，通过温分层水槽试验，研究了分层水体中设置水温控制幕后其上下游流速、水温分布特征以及下泄水温。试验考虑了热冷水流量比Q、控制幕距取水口距离L、取水口高度Z、控制幕遮挡率η四个因素的影响，研究结果表明：

(1)控制幕的设置抑制了控制幕上游水体上下层的掺混，增大了温跃层强度，改变了水体温度、流速分布。流速沿水深从水槽底部向水面递增，在滞温层内呈对数分布。温跃层内流速逐渐增大到极大值，再逐渐减小，温跃层内流速分布呈尖状。

(2)分层水体中控制幕上游温跃层厚度、温跃层位置以及流速分布受多重因素影响。温跃层厚度主要与上游来流情况和取水口位置有关，Q越大，来流温跃层厚度越大，在近幕布区域厚度越小。取水口位置越低，温跃层厚度越大。取水口位置越高，温跃层位置随之抬升。控制幕遮挡率η越大，流速垂向分布波动性越大，温跃层位置越高。控制幕位置对于水温和流速分布的影响有限，控制幕具有明显促进幕下游水体掺混的作用。

(3)控制幕对于提高水库下泄水温具有积极的作用，下泄水温随着热冷水流量之比，取水口高度以及控制幕遮挡率的增大而升高。