大型分层取水电站进口水力学研究进展

段文刚，王才欢，杜 兰，薛阿强

(长江科学院水力学研究所，武汉 430010)

1 研究背景

大型水库建成运行后，水体温度具有明显的沿深度成层分布的特点。水库上层为表温层，夏季水体与空气直接进行热交换，水温接近气温;下层为深水层，水温变化小，常年维持在较稳定的低温状态。大型水库表层水温和底层水温最大温差可达20°左右。常规电站进水口为单层进水口，由于水库运用水位变幅较大，考虑到进水口不出现有害漩涡的淹没深度要求，其进水口高程一般较低。电站下泄的水温通常低于建坝前的天然河道水温，从而对下游河道的生态系统造成影响。如新安江水库建成后，下游河道水温降低，影响鱼类的繁殖和生长，鲥鱼产量显著减少。

随着经济社会快速发展，公众对生态环保的需求越来越高。为了降低大型水库水温分层带来的危害，避免下泄低温水对下游河道珍稀鱼类繁殖和农作物灌溉的不利影响，电站分层取水势在必行，且目前已成为学术研究和工程实施的热点。由于投资相对较小，对库水位变化适应性强，运行操作灵活，叠梁门分层取水广泛应用于大型电站进口设计［1－4］。目前中国的高坝电站分层取水基本采用叠梁门结构布置，部分大型分层取水电站实施见表1。分层取水电站进水口主要由拦污栅段、叠梁门段、喇叭口段、闸门段和渐变段等组成(见图1)。

表1 国内部分大型分层取水电站实施情况Table 1 Cases of multi-level water intake for large hydropower station in China

图1 分层取水电站进水口和叠梁门布置示意图Fig.1 Layout of multi-level water intake and stoplog gate of hydropower station

叠梁门分层取水原理:根据库水位变化调整叠梁门节数(高度)，以保证发电引用水主要来自叠梁门门顶高程以上的水体，有效减少水库底层低温水流的下泄，从而提高电站下泄水温。已有的研究成果表明，通过叠梁门的分层取水作用，上游门顶高程以上水流流速大，下泄水流主要来自门顶高程以上的水体即水库表层水。叠梁门门顶高程根据满足下泄水温和进水口水流条件的要求确定，用叠梁门挡住水库中下层低温水，水库表层水通过取水口叠梁门顶部进入机组引水流道。其优点是可以根据不同库水位及水温要求来调节取水高度，运行灵活。

贵州光照和浙江滩坑水电站是我国最早建成的采用叠梁门方式实施分层取水的大型电站［5－7］，光照水电站于2007年9月建成分层取水进水口，同年12月下闸蓄水。叠梁门分层取水实施开创了我国大型水电工程通过工程措施解决环境保护难题的先河，对于推动我国水电站建设领域环保事业发展具有十分重要的意义。研究表明，光照电站采用分层取水方案以后，水库全年平均下泄水温为14.6℃，比常规取水方案提高3.1℃，汛期下泄低温水恢复距离最大比常规取水方案缩短180km(发生在7，8月份)，水温恢复效果明显。

2 研究现状与实施进展

分层取水作为调控下泄水温、减缓下游水生态影响的有效措施，在国内外有较多研究成果和应用实践，迄今世界各国仍在致力于各种不同型式分层取水装置的研究和设计。

20世纪50，60年代，美国即开展了水库分层取水设计和研究工作。1969年颁布的《环境保护法》明确要求，在修建分层取水设施前应开展环境影响研究，以确保工程实施后的环境效益和效果。美国先后对沙斯塔、饿马、格兰峡等电站进水口分别进行了叠梁门分层取水的研究和改建工作［8－10］，运行实践表明，电站下泄水温有所改善，下游河流生态环境得到一定程度的修复。

早在20世纪40年代，日本针对水库下泄低温水问题建造了分层取水建筑物，在二战后分层取水得到了广泛推广并取得了不错的效果，日本所兴建的分层取水结构已被国际大坝会议环境特别委员会作为典型工程推荐。

我国从20世纪60年代中期开始在一些中小型水库中采用分层取水建筑物，主要用于提高灌溉水温。21世纪以后随着国内高坝大库的不断增多，以下游生态保护和农业灌溉为目标的大型水库分层取水措施研究成为重点，总的来说，分层取水措施的结构设计和效果评估研究在国内尚处于初级水平，需要在分层取水结构型式、施工方便性、操作简易性、运行可靠性和经济性等方面开展深入系统的科学研究。目前电站分层取水研究重点主要包含:分层取水下泄水温预测评价、进口流速流态和漩涡特性、进口段水头损失、叠梁门动水压力及机组甩负荷对其附加冲击力等，研究手段主要侧重于水工模型试验和数值计算。

2.1 下泄水温预测研究

电站分层取水下泄水温预测是评价分层取水措施效果的重要依据和制约条件，分层取水建筑物运行对下游生态系统的修复效果，对于生态环境友好型工程的建设具有重要的现实意义。这方面开展研究较多，下泄水温预测多倚重数值模型计算成果，部分工程进行了数模和物模的对比研究。

高学平等［11］利用三维数值模型，研究了糯扎渡水电站进水口分层取水下泄水温变化。认为进水口叠梁门分层取水对提高下泄水温有较为明显的作用，下泄水温提高的幅度，不仅取决于叠梁门的高度，还取决于水库水温垂向分布。同时，高学平等［12］进行糯扎渡水电站分层取水进水口叠梁门水工模型试验，考虑水库水温垂向分布因素，提出了叠梁门分层取水方式的下泄水温公式。

柳海涛等［13］对锦屏一级水电站分层取水进行水温物理模型试验，通过对上游来流分层加热，获得稳定的流速与水温边界，定量研究不同运行工况下进水口下泄水温的影响变化。试验表明，在下泄水温偏低的3—5月，放置2层叠梁门可使下泄水温上升2℃左右，接近天然水温，有利于下游生境恢复。

张世杰等［14］以MIKE3数学模型为技术手段，研究不同电站取水方案条件下的下泄水温变化。成果表明分层取水措施能有效提高水库下泄水温，叠梁门结构能够实现表层取水，对水库低温水的改善效果优于多层进水口结构。

张陆良和孙大东［15］分析高坝大水库水温结构的分布情况，预测水温改变对环境的影响。通过多方案比选，推荐采用叠梁门分层取水，有利于维持下游生态环境。

任华堂等［16］利用三维水温数值模型对阿海水库2种取水口高程下的水温分布进行预测，重点分析了取水口高程对库首水体的温跃层强度、均温层的位置和下泄水温的影响。

滩坑水电站下游为国家一级保护水生动物鼋的保护区，杨芳丽等［7］采用平面二维水温模型对滩坑水库下泄水温进行了模拟，并用一维非恒定水流水温数模对建库后下游水温变化情况进行预测，对比分析了平水年条件下，不同电站开机台数和不同电站取水口高程水库下泄水温对坝下游河道自然保护区的影响。

姜跃良和何涛［17］结合溪洛渡水电站进水口分层取水设计，叠梁门最大挡水高度为48 m(4层门叶，单层门高12m)，认为叠梁门分层取水方案使鱼类集中繁殖期增温效果较明显，同时具备工程量小和运行操作灵活等优点。叠梁门分层取水方案较原单进水口方案新增投资2.61亿元。

2.2 进口水流条件研究

电站分层取水进口水流条件也是制约分层取水措施的重要指标。众所周知，进水口水力特性关乎机组安全高效运行，是工程设计和运行管理部门关注的核心问题之一。由于进口前加设叠梁门结构，门顶上水深一般在20m左右，进口水流近似薄壁堰流态，局部水流结构复杂，通常带来2大水力学问题:其一，恶化进口水流条件，甚至出现危害性立轴吸气漩涡;其二，显著增加进口段水头损失(1～2m)，降低机组发电效率和经济效益，不利于机组安全高效运行。分层取水电站叠梁门前流场纵剖面示意图见图2，进口水流流向经过2次90°转弯后进入引水管道，引起进水口段局部水头损失增加。水头损失与流速、形体阻力2因素密切相关。一方面，放置叠梁门后压缩过流断面，造成叠梁门门顶部位流速增大;另一方面，加设叠梁门后形体阻力明显增加。近年来随着分层取水工程不断实施兴建，其进口水流条件引起设计高度重视，开展了相关研究。

嘉陵江亭子口水电站分层取水进口布置叠梁门10节，单节门高2.8 m，采用1∶50局部水工模型，对其进水口水力特性进行较全面研究。试验成果表明:①在兼顾尽量多地获取水库表层水和不影响机组安全运行(不出现危害性漩涡)的原则下，确定了进水口叠梁门的最大放置高度:即正常蓄水位458 m及4台机组运行时，进水口前最多可放置10节叠梁门(门顶水深15m);②叠梁门设置改变了常规进水口的水流运动轨迹，加之叠梁门及通仓段支撑梁对水流的局部阻力影响，使进口段水头损失及水头损失系数均明显增大，叠梁门顶水头越小，水头损失及水头损失系数愈大;在满足该工程生态取水的前提下，电站进口段的局部水头损失系数是无叠梁门时的4～6倍，对机组发电量会产生一定影响;③机组甩负荷条件下，试验测得叠梁门所承受的最大附加冲击压力为3.0×9.81kPa，通仓段侧边墙所承受的最大附加冲击压力为2.0×9.81kPa。

锦屏一级水电站分层取水进口叠梁门布设3节，单节门高14m，采用1∶20水工模型进行试验研究［18－19］。结果表明，常规进水口水头损失系数为0.224;布置叠梁门后，进口水流流向经过2次90°转弯后进入引水管道，流场分布比较复杂，引起进水口段局部水头损失明显增加，设置1，2，3层叠梁门时进水口段水头损失系数分别达0.765，0.853和0.950，设置1层叠梁门的水头损失系数是无叠梁门方案的3.42倍。

某大型水电站进口前布设10节叠梁门，单节门高5m。采用可行性k-ε(Realizable k-ε)紊流模型对分层取水电站进口进行了三维数值模拟，获得了进口三维流场特征和水力特性，并与1∶40水工模型试验成果进行对比分析，二者基本吻合［20］。成果表明:叠梁门层数越多，门顶水深减小，流速增大，水头损失相应增大，表层水进入流道的比例越大;当叠梁门设置过高时，进水口存在横向流速，表面流态紊乱，甚至出现漩涡等不利流态。

图2 分层取水电站叠梁门前流场纵剖面示意图Fig.2 Longitudinal profile of flow field at the stoplog gate

3 有待深入研究的问题

3.1 叠梁门减阻研究

叠梁门分层取水改善坝下游河道水温特性的同时，不可避免地显著增加电站进口段的水头损失，降低机组发电效率和经济效益。汤世飞［5］结合光照水电站分层取水运行实践，指出进水口叠梁门会造成1～2m的水头损失。发电耗水率相差0.02～0.03 m3/(kW·h)，以0.025m3/(kW·h)的耗水率计算，每年电站设计发电量为27.5亿kW·h，则由叠梁门造成的水量损失为0.69亿m3，电量损失约为0.26亿kW·h。认为叠梁门造成的电站经济损失是一个不可忽略的问题，在满足生态环境要求前提下，尽量减小叠梁门水头损失，以争取发电效益最大化。以往试验研究发现:嘉陵江亭子口电站不设叠梁门时进水口段水头损失约0.1m，放置叠梁门后水头损失达1.2m，附加水头损失1.1m;金沙江白鹤滩电站进水口不设叠梁门时水头损失约0.4m，放置叠梁门后水头损失达2.0m，附加水头损失1.6m，可见叠梁门的增阻效应十分明显，有必要进行减阻特性研究。如能提出一种减小附加阻力的叠梁门体型，既可提高电站下泄水温，又不明显降低机组发电效率，公众生态环保需求和机组发电经济效益兼得，其应用前景将十分广阔。

事实上，通过叠梁门布置和体型优化，确实可以明显降低其水头损失。如:亭子口分层取水试验中将叠梁门布置适当前移，顶层叠梁门优化为上游倾斜状，水头损失降低近一半(由1.2m降为0.6m)。当然，叠梁门布置和体型优化在减少水头损失的同时，还应考虑金属结构设计要求和运行操作的便利，今后这方面研究应引起设计重视。

3.2 考虑水温黏滞性差异的数模开发

通过文献检索发现，目前开发建立的分层取水数值模型大多并未考虑水流运动黏滞性变化所带来的影响，一般黏滞性系数取默认恒定值。事实上，由于深库水温分层作用，库内水流黏滞性差异势必客观存在。如表2所示，当库内水温10℃，水流运动黏滞系数为1.308×10－6m2/s;当库内水温20℃，水流运动黏滞系数为1.007×10－6m2/s。两者相差30%。由于水流黏滞性差异引起进水口流场流速分布变化不容忽视，而10℃温差对于高坝大库是较为常见的。

由于水库底部水温低，水流运动黏滞系数较大，其阻滞作用较为明显，相对来说更不容易运动。换言之，加上水流黏滞性差异变量后，数模计算的进水口流场底部流速分布愈发趋小，进入引水口的水量更少，电站下泄水温将会适当增加。

鉴于此，为提高数模计算成果的可靠性和精度，根据水库水温成层分布特性，开发加入水流黏滞性变量的数学模型非常必要。

表2 不同温度下水的运动黏滞系数Table 2 Coefficients of kinematic viscosity of water under different temperatures

4 结语与建议

电站分层取水是近年学术研究和工程实施热点，本文介绍了国内外分层取水电站进水口研究现状。鉴于叠梁门分层取水方式显著增加进口段水头损失(1～2m)，可结合金属结构设计和运行便利要求，探索减小水头损失的叠梁门布置与体型。考虑到水库温度分层对水流黏滞性影响较大，应逐步开发完善包含水流黏滞性变量的数值计算模型，从而使进口流场流速模拟和下泄水温预测更为可靠，精度更高。随着贵州光照和浙江滩坑分层取水电站的相继投入运用，以及金沙江溪洛渡和雅砻江锦屏一级分层取水电站即将建成，建议逐步开展相应的原型观测研究。观测年际年内水库温度分层特性、下泄水温和进口水力特性，积累原始观测数据，评价叠梁门分层取水效果，以便后续工程参考借鉴，进而逐步提升分层取水电站进水口设计水平，做到生态环保需求和机组安全高效运行二者兼顾，既重视自然，又兴利社会。

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