楊海林

(甘肅省民樂縣海潮壩河水利管理處，甘肅 張掖 734500)

水利水電工程在防洪、發電、灌溉和航運等諸多方面對于保障社會安全、促進經濟發展等發揮了巨大作用。然而，水利工程在發揮作用的同時，也改變了壩址庫區以及下游河道的原有生態環境條件，產生了一系列的生態環境影響[1]。水庫水溫是大規模水利水電工程興建帶來的系列生態環境問題之一，而如何調控水庫的泄水溫度、減緩對下游生態環境的不利影響，是當今水庫水溫研究中亟待解決的核心問題，對下游生態環境保護具有重要的意義[2- 3]。

疊梁門分層取水作為緩解水利工程下泄水溫的有效手段之一，疊梁門分層取水效果評估目前成為研究熱點，亦是工程建設論證必須實施的一個階段[4]。疊梁門分層取水效果評估主要采用公式法、試驗法以及數值模擬方法為主。公式法主要是結合大量基礎資料建立庫區水溫-取水高程-下泄水溫之間的經驗關系，進而對下泄水溫進行初步預估，如高學平等依托糯扎渡工程試驗結果建立了下泄水溫預測關系[5]，鄭鐵剛等則基于量綱分析同樣提出了下泄水溫估算方程，相關系數達95.6%[6]。然而，需指出的是，以上經驗關系均依托單一實際工程得出，仍具有一定的局限性。隨著科技力量的發展，采用物理模型試驗或數值計算方法研究庫區水溫分布逐漸成為趨勢，然而考慮到物理模型試驗浮力相似及模型與原型水溫換算關系的復雜性，數值模擬研究分層取水效果是當前應用最多的研究手段。Politano[7]和鄭鐵剛[8]等分別基于FLUENT建立了三維水溫-水動力模型，對電站下泄水溫進行了預測；Jin[9]、?alkan[10]和高學平[11]等分別采用EFDC對實際工程下泄水溫開展了研究。

鑒于數值模擬研究方法的成熟性，本文基于Fluent二次開發，通過建立三維水溫水動力模型，依托某實際工程，對疊梁門分層取水效果進行評估，并基于取水效果提出疊梁門運行調度方案，對實際工程具有較好的指導意義。

1 研究方法

1.1 三維數學模型

基于笛卡爾坐標建立計算方程如下：

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

溫度方程：

(5)

1.2 計算區域及網格劃分

本研究模擬的范圍為進水閘井前150m至閘井后100m，模擬水深為53.5m，進水閘室包含2個進水流道，由結構梁連接支撐，模型示意圖如圖1所示。綜合考慮計算效率及結果的合理性，本文采用結構網格對計算區域進行劃分，并且對疊梁門附近區域進行網格加密，研究區域內最小網格尺寸為0.2m×0.3m×0.3m，最大尺寸為0.5m×0.5m×0.5m，網格數量共計60萬。

圖1 計算模型示意圖

1.3 邊界條件

1.3.1表面綜合散熱系數

水面熱交換包括凈太陽短波輻射、凈長波輻射、蒸發和傳導4個方面。本文參考文獻[8]分別采用水面蒸發系數和水面綜合散熱系數計算水面散熱。

水面蒸發系數：

α=(22.0+12.5v2+2.0ΔT)1/2

(6)

水面綜合散熱系數：

Km=(b+m)α+4nσ(Ts+273)3+
(1/α)(bΔT+Δe)

(7)

其中:

ΔT=Ts-Ta

(8)

Δe=es-ea

(9)

(10)

(11)

式中,P—水面以上1.5m處的大氣壓，hPa；v—水面以上1.5m處的風速，m/s；n—水面輻射系數，取0.97；σ—Stefan-Boltzman常數，取5.67×10-8(W·m-2·℃-4)；Ta—水面以上1.5m處的氣溫，℃；Ts—水面水溫，℃；es—水溫為Ts時的相應水面飽和水汽壓，hPa；ea—水面以上1.5m處的水汽壓，hPa。

1.3.2進出口邊界

上游給定流量邊界，壓力假設為靜水壓，水溫分布采用庫區實測水溫分布；κ、ε分別根據經驗公式近似計算：

(12)

假定下游出口斷面為充分發展的紊流，出口邊界上各變量均取零梯度條件。初始條件庫區給定零流速，水溫分布根據不同工況采用不同月份實測水溫分布，壓力為靜水壓，水面采用“剛蓋假定”，庫底和壩體采用無滑移邊界條件，且為絕熱邊界。

1.4 數學模型驗證

本文采用美國陸軍工程師團水道試驗站Johnson于1980—1981年為模擬分層水庫動力學模型而做的室內試驗對三維計算模型進行驗證[12]，模擬結果如圖2所示。圖示結果為T=11min 時距水庫入口11.43m 位置水平流速垂向分布。由圖2可以看出，由于冷水下潛，靠近底部水體流速較大；在剪切力作用下，隨著距底板高度的增加，流速逐漸減小，并且表層高溫水出現負向流速，實測值和計算值流速分布規律基本一致，充分體現了本報告所采用紊流模型的有效性。由此可見，本文計算模型進行浮力分層流的計算是可行的，可用于水電站分層取水效果的預測分析。

圖2 水平流速垂向分布

2 計算資料分析

本文依托甘肅省某工程，水溫結構屬于季節性分層型，分層主要表現在4月和5月，年內其它月份基本不分層，平水年(P=50%)庫區水溫結構如圖3所示。4月份和5月份隨著氣溫的上升，上游來水水溫也逐步上升，表層水溫也隨著太陽輻射和氣溫迅速升高，而庫底水溫增加則較為緩慢，約為4℃左右，呈現明顯的分層現象，垂向水溫溫差為6.0～7.0℃左右。其余月份，壩前水體摻混程度加強，垂向溫差均小于3.5℃，水溫分層不明顯。

圖3 平水年P=50%逐月壩前水溫分布

由依托工程運行調度資料可知，各發電月份取水流量均為3.1～46.8m3/s，最大取水流量均可達為46.8m3/s，故本研究將在最大流量條件下開展分析，對比分析不同年份、不同疊梁門取水高程下疊梁門分層取水效果，進而對實際工程疊梁門運行方式提出建議。研究中，考慮到工程最小淹沒深度為2.56m，為最大提升取水效果，因此本文疊梁門門頂水頭取3～9m，疊梁門單節門高3m。計算工況共計12組，見表1。

3 結果與分析

3.1 底孔取水水溫分析

根據工程資料顯示，25%、50%及90%來水頻率下，不采取分層取水方案，僅通過底孔單層取水時，水利樞紐下泄水溫與建庫前天然水溫分析對比如圖4(a)、(b)所示。由圖4(a)、(b)可見，底孔單層取水時，4—5月水庫下泄水溫低于天然水溫，最大溫差分別為-3.04℃(25%)、-3.28℃(50%)和-3.47℃(90%)，均出現在4月；11月—次年1月，水庫下泄水溫略高于天然水溫，最大溫差分別為1.63℃(25%)、1.62℃(50%)、1.57℃(90%)，均出現在11月。由此可知，依托工程4月和5月有明顯分層和下泄低溫水現象。

3.2 疊梁門分層取水效果分析

不同工況下疊梁門分層取水效果如圖5—6所示，預測結果表明，豐水年份(25%)來水，4月份疊梁門運行高度分別為36、39m時，下泄水溫均為7.55℃，相較底孔下泄水溫升高2.69℃，但較天然水溫仍低0.35℃；5月份疊梁門運行高度分別為21、24m時，下泄水溫分別為11.60℃和11.49℃，相較底孔下泄水溫分別升高1.87℃和1.76℃，但較天然水溫仍低0.20℃和0.31℃。平水年份(50%)來水，4月份疊梁門運行高度分別為30、33m時，下泄水溫分別為7.17℃和7.33℃，相較底孔下泄水溫分別升高2.55℃和2.71℃，但較天然水溫仍低0.73℃和0.57℃；5月份疊梁門運行高度分別為24、27m時，下泄水溫分別為11.33℃和11.42℃，相較底孔下泄水溫分別升高1.50℃和1.59℃，但較天然水溫仍低0.47℃和0.38℃。枯水年份(90%)來水，4月份疊梁門運行高度分別為24、27m時，下泄水溫分別為7.18℃和7.22℃，相較底孔下泄水溫分別升高2.75℃和2.79℃，但較天然水溫仍低0.72℃和0.68℃；5月份疊梁門運行高度分別為3、6m時，下泄水溫分別為13.76℃和13.73℃，相較底孔下泄水溫分別升高2.02℃和1.99℃，但較天然水溫高1.96℃和1.93℃。

表1 計算工況表

圖4 不同來水頻率下，各月份單層取水下泄水溫結果

圖5 4月份下泄水溫對比

圖6 5月份下泄水溫對比

由上對比可知，采用疊梁門分層取水后，下泄水溫較底孔下泄水溫升高明顯，表明疊梁門方案提取表層高溫水效果明顯。疊梁門門頂水頭為3～6m比水頭為6～9m時下泄水溫僅升高0.1℃，甚至更低，見表2。由此可見，當疊梁門門頂水頭為3～9m時，疊梁門頂高程抬高對下泄水溫影響效果有限，即改變疊梁門節高對下泄水溫影響不明顯。眾所周知，疊梁門門頂水頭越小，勢必會導致攔污柵-疊梁門斷面流速越大，同時進水口水頭損失也越大，將對攔污柵運行安全及電站發電效率產生影響，鑒于此，本研究建議疊梁門門頂水頭取6～9m。

表2 不同疊梁門高度取水水溫對比

表3 與天然水溫差值分析

3.3 取水水溫對下游生態影響分析

采用疊梁門分層取水后，下泄水溫較天然河道水溫仍普遍較低，最大溫差分別為-0.35℃(25%)、-0.73℃(50%)和1.96℃(90%),見表3，其中25%、50%來水頻率均出現在4月，90%來水頻率出現在5月。結合現場觀測數據可知，春季壩下河流水溫沿程增溫明顯，有利于水庫下泄低溫水水溫恢復，河道水溫升溫速率約為0.3℃/10km。由此計算可知，下游河道段水溫恢復后能夠滿足魚類產卵所需水溫條件，同時基本滿足灌溉水溫需求。

4 結論

通過建立三維水溫-水動力數學模型，對不同運行工況下疊梁門分層取水下泄水溫進行了預測分析，計算結果表明：

(1)疊梁門分層取水較底孔下泄水溫升高明顯，最大升溫分別為2.69℃(25%)、2.71℃(50%)和2.79℃(90%)，25%、50%和90%來水頻率均出現在4月。

(2)采用疊梁門分層取水后，下泄水溫較天然河道水溫仍普遍較低，最大溫差分別為-0.35℃(25%)、-0.73℃(50%)和1.96℃(90%)，其中25%、50%來水頻率均出現在4月，90%來水頻率出現在5月。

(3)當疊梁門門頂水頭為3～9m時，疊梁門節高改變對下泄水溫影響不明顯。

(4)綜合分析，本研究建議疊梁門門頂水頭取6～9m，下游河道段水溫恢復后能夠滿足魚類產卵所需水溫條件，同時基本滿足灌溉水溫需求。