浮式管型取水方式下的分层型水库下泄水温研究

杜洪波，杨瑞祥，彭　黛，严忠銮，李　嘉，张陵蕾

(四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室、水利水电学院，成都　610065)

· 试验研究 ·

浮式管型取水方式下的分层型水库下泄水温研究

杜洪波，杨瑞祥，彭黛，严忠銮，李嘉，张陵蕾

(四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室、水利水电学院，成都610065)

调节性较好的水库往往表现出不同程度的水温分层，导致春夏季下泄水温普遍偏低，对下游生态环境及农业灌溉等造成不利影响。浮式管型取水方式作为一种有效的表层取水措施，其相关研究仍较缺乏。本文依据某大型水库水温资料，在建立物理模型有效还原其水温分布的基础上，探究采用浮式管型取水方式对下泄水温的提高效果，并结合数值模拟方法，对试验过程的流场、温度场进行综合分析。结果表明，在设定的各工况下，浮式管型取水方式均能有效提升下泄水温，较采用单层取水方式平均提高了3.2℃。成果可为浮式管型取水方式下的水库下泄水温研究提供有效的方法体系与应用参考。

浮式管型；分层型水库；模型试验；数值模拟；下泄水温

1　引　言

水库建设对水资源的合理开发利用与经济社会的可持续发展有重要推动作用，但水库的引蓄水会使库区水深加大、流速变缓，受太阳辐射、水体热传导、风力掺混等作用，调节性能较好的水库往往表现出不同程度的水温分层结构[1, 2]；尤其在春夏季，垂向温度梯度较大，受工程常规出流孔口布置的限制，水库下泄水温普遍偏低。低温水下泄改变了原有天然水体的理化性质和生物分布，对下游受灌农作物的生长、鱼类等水生生物的栖息繁殖以及整个水生态系统的演进都将产生不利影响[1, 3]。

目前，国内外在提高下泄水温的工程措施方面主要采取分层取水的方式，且应用最多的4种分层取水形式是多层取水口、溢流式取水口(叠梁门)、浮式管型取水口和控制幕取水[4]；其中，浮式管型取水方式是一种表层取水的措施，具有结构简单、易于施工和维护的特点。该装置通常由浮筒、取水口、取水管道组成，主要运行原理为利用水的压力为动力，在不同库水位下自动调节取水管状态，再经由管道将表层水引至进水口处，能够有效提高下泄水温。目前对浮式管型取水方式下的分层型水库下泄水温研究非常有限，黄永坚[5]介绍了浮式平板型取水口，并以江西省大同源水库为例开展了应用效果分析；高学平等[6]利用物理模型试验，以江西省某水库为原型，直接模拟水库水温分布，对浮式管型取水口下泄水温进行了探讨。浮式管型取水方式下的水库下泄水温规律及提升效果有待进一步研究。

因此，本文基于某大型水库的坝前水温数据，建立水温物理模型，通过设置浮式管型取水装置，在特征月份的各种工况下开展下泄水温研究；并运用FLUENT 15.0软件进行数值模拟，综合分析取水过程中流场和温度场的变化规律，以共同探讨浮式管型取水方式下分层型水库的下泄水温规律及取水调控效果。

2　研究方法

2.1工程概况

贵州省某大型水库具有多年调节性能，以发电为主，兼有防洪、灌溉、旅游等综合效益。坝高185.5m，正常蓄水位475m，死水位425m，有效库容26.16亿m3。引水发电系统进水口为单层取水口，底板高程408.00m，孔口尺寸分别为6×8m和6×9m，电站满发流量870m3/s。坝址处年均气温16.4℃，年径流量75.69亿m3，径流年际变化较稳定，但年内分配不均，历年4～8月份为汛期，其水量占全年水量的68.3%。该水库水温具有明显的分层结构，水库全年各月份水温分布见图1。

图1　某大型水库实测坝前水温分布Fig.1　Temperature distribution in the studied reservoir

分层型水库自上而下主要分为表温层、温跃层、滞温层[7]。根据该水库实测的坝前水温分布曲线，参照相关研究结果[8]，将水温梯度超过0.2℃/m的水层作为温跃层，该水库表温层、温跃层和滞温层的范围分别为水深10m以上、水深10～90m和水深90m以下。由于6～8月分层最为显著且为流量较大的汛期，故选取其为特征月份开展研究。

2.2模型试验

2.2.1模型设计

本次水温模型试验采用正态模型。模型满足几何相似原则和重力相似原则，以保证与原型的水流运动相似。模型中存在因水温分层造成的密度分层流动，故还应满足浮力相似。

本研究取坝前1500m范围内水体为控制体，水深120m，坝长423m。设定模型全长2.8m，宽0.2m，高0.55m，单层取水口距水槽底0.37m，试验模型由水槽、加热系统、水温采集系统、流量控制系统、取水装置组成。模型布置如图2所示。其中：

(1)加热系统由自动控制水槽分层加热装置、红外加热灯两部分组成。将常温水注入水槽后，通过分层加热装置的温控开关自动通断，控制各层加热丝的加热状态，加热灯模拟太阳辐射加热，实现水温分层的模拟。

(2)水温采集系统采用智能温度记录仪，设置一个温度探头监测出水口水温、两排温度探头监测试验水槽水温分层情况，且其中一排固定，另一排可随水槽纵向移动，达到线性动态监测水温的目的。

(3)流量控制系统采用电磁流量计，满足试验中小流量的要求。在模型入口和出口各设置一个流量计，以保证入流与出流流量为设定目标值。

(4)取水装置由软质圆管和泡沫制成的浮筒组成。软质圆管管径比单层取水口稍大，一端直接套在单层取水口上使用，且能随浮筒运动而改变自身曲率，以适应不同的水位；另一端与浮筒相连，并用金属丝固定在水槽两侧，使其能随着水位变化而在垂向运动，但不发生平移和转动。

在本文研究中，原型水温由库底至表面约10℃～30℃，实验室基础水温14℃～25℃，加热后表层水温亦在26℃～28℃之间，故可直接使用如下温差换算关系[2]：

TP×ΔTP=TM×ΔTM

(1)

式中，TP为原型库底水温，TM为模型库底水温，△TP为原型某深度水温与库底水温的温度差，△TM为模型对应深度水温与库底水温的温度差。

图2　试验模型设计(cm)Fig.2　Layout of the experimental model

2.2.2试验工况设定

研究针对选取的特征月(6～8月)，分别在采用单层取水口和浮式管型取水装置的工况下，进行模型试验。试验工况设定见表1。

表1　试验工况设定

2.2.3过程控制

在模型中水温达到所需的分层结构后，同时开启入流和出流阀门，保证入、出流量均等于工况设定值，待出流水温稳定后，开始记录所有温度探头的温度，直至模型中任一温度探头的水温与采用(1)式换算后的水温相差达到0.5℃，停止试验并放空模型中的水，重新进行试验。

2.3数值模拟

数值模拟能反映取水过程中流场和温度场的变化，弥补模型试验可再现性低、难以精细观测水槽内部试验现象的不足。故基于FLUENT软件，采用二维RNGκ-ε紊流模型[9]，对物理模型的库区水温与下泄水温变化过程进行模拟。

水面采用“刚盖假定”，出口断面假定为充分发展的流动，模型库底和壁面为绝热的无滑移边界。进口边界上给定水平速度v和温度T，垂向速度为0[3]。

水面、库底和出口的k和ε的梯度均为0，入口处k和ε由入口速度和水深计算得到[10]：

(2)

(3)

式中，μ0为入流速度(m/s)，H0为水深(m)。

采用Gambit软件进行模型网格划分，网格总数19206个，最小尺寸1.95×10-5m3。

采用有限体积法[11]对控制方程进行离散，采用SIMPLE算法[12]求解差分方程，并采用交错网格避免出现棋盘式不均匀压力场，水动力方程与温度方程耦合求解。

3　结果分析

3.1模型试验结果及分析

3.1.1水库水温分布模拟

准确模拟原型水库的水温分层结构是整个研究的基础与关键。图3给出了6～8月用(1)式换算后的水库水温分布(目标水温)和模型试验实测水温分布(模拟水温)。可以看出，水温物理模型的模拟水温与目标水温吻合很好。试验运用复合加热系统与水温线性动态监测系统，很好地还原了原型水库的坝前水温分布，可作为本研究的有效支撑，并可为后续相关研究提供参考。

图3　试验目标水温与实测水温Fig.3　Target water temperature and measured water temperature

3.1.2下泄水温试验结果及分析

表3给出了各工况下的下泄水温试验结果。可以看出，采用浮式管型取水方式后，6～8月平均下泄水温较采用单层取水方式分别提高了2.2℃、3.3℃、4.1℃，下泄水温标准差较小，各测次一致性较好。试验表明，采用浮式管型取水方式可以有效地取到上层水体，下泄水温更为接近入流水温，与水库原本采用单层取水口的低温水下泄情况相比，改善效果明显。

表2　各工况的下泄水温试验结果

3.2数值模拟结果及分析

据数值模拟的结果表明，各特征月份的流场、温度场随时间变化过程相似，本文以7月为例开展如下分析。

3.2.1单层取水口工况分析

入流水体进入水槽后，其密度大于表层水，逐渐向下层运动，与此同时取水口处出现流速集中区，并逐渐向斜上方向扩散，直到与取水口高程相同的水体都开始运动，观察到下泄水温与取水口高程相等的水体水温相同，此阶段下泄水主要为与取水口高程相等的水体；后上层水体开始向下与运动水体掺混，使入流水体主要沿表层运动，观察到整个水槽不同层的水体已发生掺混，下泄水温与取水口上下层的水温均相同，此阶段下泄水主要为略高于出水口高程的水体。但两阶段取得水体的水温均远低于入流水温。因此，单层取水口只能取到与取水口高程相近层的水体，下泄水温偏低。如图4所示。

图4　单层取水口工况流场(左)、温度场(右)对比Fig.4　Contrast diagram between flow field (left) and temperature field (right) of the single intake structure

3.2.2浮式管型取水装置工况分析

入流水体进入水槽后，其密度大于表层水，有向下层运动的趋势，但与此同时出水口处出现的流速集中区沿表层扩散，导致入流水体转变为沿表层运动，直至表层水体都开始运动，观察到水槽中部水温分层仍较好，下泄水温与表层水温基本相同，此阶段下泄水主要为表层高温水体；后入流水体开始向下掺混，但掺混水体的底高程仍高于单层取水口高程，观察到整个水槽表层及略低于表层的水体水温已基本相同，下泄水温也与其相同，此阶段下泄水主要为表层及略低于表层的水体。两阶段取得水体的水温仅略低于低于入流水温。因此，浮式管型取水装置能大量取得水槽上层水体，下泄水温较高。如图5所示。

图5　浮式管型取水装置工况流场(左)、温度场(右)对比Fig.5　Contrast diagram between flow field (left) and temperature field (right) of the floating tubular water intake structure

3.2.3下泄水温数值模拟结果及分析

根据数值模拟结果，采用浮式管型取水方式后，6～8月平均下泄水温较单层取水方式分别提高了2.4℃、3.3℃、3.5℃，与物理模型试验得到的下泄水温提高效果较为接近，在一定程度上反映出数值模拟结果的可靠性，同时也共同印证了对于解决分层型水库春夏季低温水下泄问题，浮式管型取水方式确实可以达到较好的效果。

3.3实际工程运用建议

物理模型实验与数值模拟的结果均表明，采用浮式管型取水方式可以有效取到表层水，有望在分层型水库的实际运用中有效提高下泄水温。结合上述分析，建议如下：

(1)在浮式管型取水装置的设计上，可在坝前建一支承框架，框架柱上预埋导槽，浮筒上设置定向滑块，滑块沿导槽上下移动；浮筒下设置钢绞绳，以便取水口竖向升降，且能使取水口位于水面下，具有一定的压力水头。此外还需要考虑取水流量及整个装置的受力情况，通过计算选择合适的材料和安装方式。

(2)在浮式管型取水装置的应用上，由于该方式结构简单、施工难度小，特别适用于改造工程的取水口优化。但由于取水流量、浮筒体积、隔水门尺寸等可能受这一方式限制，在今后的研究中应着重考虑如何减少限制因素，扩展其适用范围。

本文仅研究了试验条件下单一流量的水库流场、温度场和下泄水温，尚需加强并细化在不同时期的入库流量、不同库区水温结构、不同取水口淹没深度以及不同取水流量等工况下对浮式管型取水方式下泄水温影响的研究。由于工程实际问题的复杂性，物理模型与数学模型的实用性均有待进一步提高。

4　结　论

本研究采用物理模型试验为主、数值模拟为辅的方法，对6种工况下的分层型水库下泄水温进行了研究，得到以下结论：

4.1运用多种方式共同加热和水温的线性动态监测，能很好地达到试验所要求的水温分层效果。通过自制物理水温模型再现原型水库水温分布，是研究的关键所在。

4.2浮式管型取水方式较单层取水方式的下泄水温提升明显，平均提高了3.2℃，与入流水温的差值由单层取水方式的4.5℃下降到1.3℃，表明实施浮式管型取水方式效果良好，下泄水温更为接近天然状态，有利于下游生境保护。

4.3数值模拟结果与模型试验结果较为吻合，可作为模型试验的有效补充，解释速度场和温度场的变化对取水效果的影响。

研究针对分层型水库，就浮式管型取水方式下的水库下泄水温研究建立了有效的方法体系，在下泄水温的规律探索上仅做出有限尝试。在此体系基础上，针对其他不同工况条件下浮式管型取水方式对水库下泄水温的影响，尚有待进一步研究。

[1]王煜，戴会超．大型水库水温分层影响及防治措施[J]．三峡大学学报(自然科学版),2013，31(6)：11-14，28．

[2]柳海涛，孙双科，王晓松，夏庆福，姜涵．大型深水库分层取水水温模型试验研究[J]．水力发电学报,2012，31(1)：129-134．

[3]邓云，李嘉，李克锋，赵文谦．紫坪铺水库水温预测研究[J]．水利水电技术,2003，34(9)：50-52．

[4]张少雄．大型水库分层取水下泄水温研究[D]．天津：天津大学，2012．

[5]黄永坚．新型浮子式表层取水建筑物[J]．农田水利与小水电,1983，(1)：34-38．

[6]高学平，张少雄，刘际军，陈弘．浮式管型取水口下泄水温试验研究[J]．水力发电学报,2013，32(2)：163-167．

[7]Fischer H B,List J E,Koh C R,et al．Mixinb in inland and coastal waters[M]．Netherlands:Acadejnic press,1979．

[8]中国科学院南京地理与湖泊研究所．抚仙湖[M]．北京：海洋出版社，1990.82-115．

[9]徐茂杰．大型水电站取水口分层取水水温数值模拟[D]．天津：天津大学，2008．

[10]邓云，李嘉，罗麟．河道型深水库的温度分层模拟[J]．水动力学研究与进展,2004，19(5)：604-609．

[11]金忠青，N-S 方程的数值解法[M]，南京：河海大学出版社，1992．

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Research on Temperature of Water Released from Floating Tubular Intake of Stratified Reservoirs

DU Hong-bo，YANG Rui-xiang，PENG Dai，YAN Zhong-luan，LI Jia，ZHANG Ling-lei

(StateKeyLaboratoryofHydraulics&MountainRiverEngineering，CollegeofWaterResource&Resource&Hydropower，SichuanUniversity，Chengdu610065，China)

The stratification phenomenon of water temperature is frequently exhibited at different degree in the reservoirs with good regulation behavior. This phenomenon generally leads to low temperature of water released in spring and summer, causing an adverse impact on downstream ecological environment and agricultural irrigation. As an effective measure of taking water from surface, the floating tubular intake structure is in need of further study. In this study, based on water temperature data of a large reservoir, a physical model was set up to simulate the water temperature stratification, and studied the improvement degree of released water temperature by floating tubular intake method. Combining with numerical simulation method,analyzed the flow field and temperature field, during the experiment. The results showed that under setting conditions, the released water temperature could be effectively increased by using the floating tubular intake. The temperature increased 3.2℃ on average compared with using the single intake. The results could provide effective methodology for related research as well as a beneficial reference for the application of floating tubular water intake in stratified reservoirs.

Floating tubular intake; stratified reservoirs; model experiment; numerical simulation; temperature of water released

2015-05-31

四川大学大学生创新创业训练计划项目(201410610068)。

杜洪波(1994-)，男，重庆市潼南县人，四川大学水利水电学院水利水电工程专业2012级在读本科生。

张陵蕾，zhanglinglei@hotmail.com。

X524

A

1001-3644(2015)04-0001-06