水电站叠梁门多层取水下泄水温公式

高学平，陈 弘，宋慧芳

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

1 前言

大型水电站建成后，水库水体温度具有明显的沿深度成层分布的特点，表层水温和底层水温相差很大，有时温差值可达20℃左右［1］。以往的深层取水方式，发电时所取水体基本为水库的深层水，水温较低，影响下游河段的生态环境。水电站进水口分层取水方式能实现有选择地取用水库的不同层水体，是目前采用的主要措施。

水电站进水口分层取水方式对控制下泄水温的效果是工程上最为关注的问题。水库水温分布规律是研究下泄水温的基础，目前水库水温分布规律的成果较多，而下泄水温的成果相对较少。对于水电站进水口多层取水方式的设计，需要下泄水温的简洁公式对进水口的下泄水温进行评估，但目前还没有这方面的研究成果。

水库水温分布规律的研究方法主要有模型试验、数学模型和经验公式3种。试验方面，James J．Sharp等［2］在水槽中用盐淡两层水体模拟水库水温分布，研究不同形式进水口的取水效果。Yaser Shammaa等［3］用同样方法，研究底层冷水在控制幕下水流流动。数学模型有较大的发展，邓云等［4］建立了计入浮力影响的立面二维水温模型，精细地模拟出斜温层的形成、发展和消失，分析了水库全年的温度分层结构。经验公式方面，在国内外多座水库实测资料基础上，文献［5］［6］假定水库水温沿水深呈指数衰减，但其不能很好的反应出成层型水库的垂向水温分布特点。经验公式中具有代表性的东勘院法［7］和朱伯芳法［8］被编入水文计算规范和混凝土拱坝设计规范［9］。李怀恩公式［10］以水温分布幂函数为基础，引入温跃层中心点水深和水温及分层强弱参数，更好地反映水库典型的三层式分布，参数意义更加明确。水库水温分层取水下泄水温也取得了一些成果，高学平等［11］直接模拟水库的温度分层，对糯扎渡水电站分层取水下泄水温进行了量测;邓云等［12］采用宽度平均的立面二维水温模型，预测溪洛渡电站库区水温及下泄水温。

文章结合糯扎渡水电站多层取水进水口叠梁门方案，试验研究不同叠梁门运行方式运行时的下泄水温，考虑水库水温垂向分布、叠梁门高度等因素，总结叠梁门多层取水方式的下泄水温公式。

2 模型试验研究

糯扎渡水电站工程为云南省澜沧江中下游河段梯级规划的第五级，堆石坝最大坝高261．5 m，总装机容量5850 MW。水电站设9台机组，单机单管引水，单机引用流量393 m3/s。水库正常蓄水位812．0 m。根据环保方面的需要，为减免下泄低温水对下游生态环境的影响，糯扎渡水电站拟采用多层取水进水口叠梁门方案。进水塔底板高程736 m，引水道进口前缘宽度225 m，布置9个进水口。每个进水口，叠梁门共3节门叶，每节门叶高12．68 m，依次叠放，整体叠梁门高度38．04 m。叠梁门运行方式见表1，整个挡水高度分成四挡，门叶整体挡水，挡水高程为774．04 m，为第一层取水;吊起第一节门叶，仅用第二、第三节门叶挡水，挡水高程761．36 m，为第二层取水;继续吊起第二节门叶，仅用第三节门叶挡水，挡水高程748．68 m，为第三层取水;继续吊起第三节门叶，无叠梁门挡水，为第四层取水。

表1 叠梁门运行方式Table 1 The operating scheme of stoplog gates

2．1 试验模型

笔者依据水库水温模型试验的相似关系［13］，建立水温试验模型，即保持原型与模型的弗劳德数Fr与密度弗劳德数Fd相等。

综合考虑相似关系及水温加热能力，选定模型几何比尺λl=100(原型量/模型量)。流量比尺λQ=λ5/2l=105。水温分布温差比尺λΔT=1。模型模拟部分库区和三个进水口。进水口包括拦污栅槽、检修闸门、叠梁门、工作闸门、事故闸门、收缩段、部分引水管段等。模型长20 m，宽2 m，高0．8 m，其中水库段长14 m，模型布置如图1所示。

2．2 水温模拟与量测

采用分层加热法进行水库水温分布的模拟。根据原型水库水温分布的特点，将其分为3～4层，如图1所示;确定各层的温差，根据各层的温差，分别在对应的加热池对水体进行加热至所需温度;将各加热池水体由下至上依层注入模型，静置后，形成符合温差要求且稳定的垂向水温分布。试验时开启进水口，控制下泄流量，利用水温采集系统，实时监测库内水温分布，量测各进水口的下泄水温。

图2给出了原型水库水温分布(目标水温)和试验模拟形成的水温分布(模拟水温)的比较，二者吻合较好，说明试验较好地模拟了原型水库水温分布。

图1 试验模型布置图Fig．1 The layout of experimental model

图2 目标水温与模拟水温(3月和8月)Fig．2 The actual and simulated water temperature(March and August)

依据糯扎渡各典型年水库水温分布资料(糯扎渡水电站分层取水水温预测数值分析报告，中国水利水电科学研究院，2008)，保持某一月份水库水温分布和水位不变，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，参见表1)，量测各工况下的下泄水温，研究叠梁门高度对下泄水温的影响。表2给出了其中典型平水年下泄水温试验数据。

表2 典型平水年下泄水温试验结果Table 2 The experimental results of temperature of water released in a typical normal year℃

3 下泄水温公式

在各典型年下泄水温试验数据的基础上，结合进水口前流速分布特征，分析进水口不同运行工况(叠梁门高度不同)所取水体的范围，以及水库水温分布、叠梁门高度和下泄水温之间的关系，建立下泄水温预测公式。

3．1 取水范围的确定

取水范围包括门顶以上部分和门顶以下部分，如图3所示。依据3节门叶挡水，2节门叶挡水，1节门叶挡水3种工况下，根据门顶以上取水层厚度与门顶水头，门顶以下取水层厚度与门顶水头的数据，利用多项式拟合得出以下关系:其中，h为门顶水头(适用范围在37．96～63．32);d上为门顶以上取水层厚度;d下为门顶以下取水层厚度。已知门顶水头h，则由公式(1)和(2)可以确定取水范围。

图3 取水范围示意Fig．3 The schematic diagram of withdrawal region

3．2 下泄水温预测

将取水范围等分为10层，用每层的水库水温乘上该层所占的权重，得到下泄水温公式:

式(3)中，Ti为取水范围内自上而下每层的水温;αi为相应的权重系数，与叠梁门运行方式、流量和水温分布有一定关系。依据各工况的试验数据，权重系数αi经回归曲线拟合得到:

式(4)中，xi为每层水体的深度与门顶水头之比。可利用式(4)求出10个权重。

4 下泄水温公式的应用

为说明下泄水温公式的应用，对锦屏一级水电站下泄水温进行估算。锦屏一级水电站最大坝高305 m，是雅砻江干流中下游河段的控制梯级电站。水电站进水口采用多层取水叠梁门方案，叠梁门整个挡水高度分为四档，当水库水位在1842．00 m以上时，门叶整体挡水，门顶高程为1814 m;水库水位1842．00～1828．00 m 时，吊起第一节门叶，第二、三节门叶挡水，门顶高程为1807．00 m;水库水位1828．00 ～1814．00 m 时，吊起第二节门叶，第三节门叶挡水，门顶高程为1793．00 m;水库水位在1814．00 m以下时，吊起第三节门叶，无门叶挡水。

以锦屏一级平水年1月3节门叶挡水工况为例，说明公式的应用。平水年1月水位为1870．91 m，门顶水头为56．91 m，根据门顶水头，由公式(1)和公式(2)确定取水范围，门顶以上取水层厚度为32．52 m，门顶以下取水层厚度为7．78 m，得到取水范围1806．23～1846．52 m。而后将取水层划分为10层，依据水温预测公式(3)得到下泄水温为8．95 ℃，与试验测得8．73 ～9．01 ℃，基本吻合。表3给出了典型工况下泄水温公式计算结果以及试验结果的比较，二者差值小于1℃。表中试验数据取自雅砻江锦屏一级水电站分层进水口水温模型试验研究。

应当指出，对门顶水头超出公式(1)和(2)适用范围的工况将无法得到合理的预测结果，例如，平水年4月1节门叶挡水工况，门顶水头37．76 m不在公式适用范围，公式计算值较试验值相差3℃，有待进一步改进。

表3 锦屏一级水电站下泄水温公式计算值Table 3 Estimated value of temperature of water released in Jinping No．1 Hydropower Station

5 结语

1)针对糯扎渡水电站多层取水进水口叠梁门方案，试验研究不同叠梁门运行方式运行时的下泄水温，考虑水库水温垂向分布和叠梁门运行方式等因素，提出了叠梁门多层取水方式的下泄水温公式。

2)利用所提出的下泄水温公式对锦屏一级电站进水口的典型工况的下泄水温进行了估算，并与物理模型试验结果进行了比较，二者基本吻合。

3)所提出的下泄水温公式可用于类似水电站进水口下泄水温的估算。但该下泄水温公式是在一个实际工程的试验数据基础上得出的，公式中的权重系数αi是在一定流量、叠梁门取水方式、叠梁门位置等因素下得出的，有一定的局限性。在公式的适应范围、计算精度等方面还有待进一步完善。

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