农村小水电水能降损研究综述

蔡 新，陈姣姣(.河海大学力学与材料学院，南京0098；.河海大学水利水电学院，南京 0098)

随着时代的进步，小水电在社会中承担的任务也与20世纪七八十年代大不一样[2]。现阶段，除了要满足不断增长的农村用电需求，农村水电站还要最大程度地利用现有资源，促进节能减排，保护生态环境。而老电站由于施工简易、设备简陋、技术落后、年久失修、管理落后及运行人员素质较低[3,4]，再加上后期受大网冲击，已远不能适应现代水电发展的需要，适时进行技术改造势在必行[5]，对小水电节能降损的研究迫在眉睫。

1 农村小水电发展

最早修建的一批小水电站是在19世纪晚期至20世纪初。20世纪二三十年代后，大工业和大城市的用电负荷迅速增长，电力系统的规模不断扩大，小水电对电力系统的作用越来越小[6]，且其单位千瓦造价较高。当时，大中型水电工程技术已日趋成熟，因而许多发达国家大规模修建大中型水电站，小水电不但发展很少，甚至停运拆除大批小水电站[7]。

20世纪70年代后期，能源危机出现，多数发达国家水能资源已开发到一定程度。开发条件较好的大中型水电站站址几已开发殆尽，造价也增加，生态保护的要求对开发大中型水电站的制约又日益严重，因此，在80年代又重新出现世界范围兴建小水电的高潮。此时，许多发展中国家也制订了小水电发展计划[8]，小水电建设有了不同程度的发展。

中国的农村水电是一个相对的、历史的、发展的概念。随着农村、地方经济的发展及其对农村、地方电力能源的需求，农村水电的涵义在全国有过多次变化。20世纪50年代，500kW及以下的水电站和送电线路为农村小水电；60年代，单机500 kW、总装机3 000 kW及以下的水电站和送电线路为小水电；70年代，小水电是指单站容量在1.2万kW及以下的水电站及配套小电网；进入80年代，将单站容量在2.5万kW及以下的水电站和配套小电网称为小水电；进入90年代，将总装机在5万kW及以下的水电站和配套电网统称为农村水电[9]。

2003年世界水能大会估计，世界小水电可开发资源大致为1.2～1.44亿kW，我国可开发小水电资源如以原统计数7 000万kW计，占世界50%左右[10]。当前我国的农村小水电存在着诸多问题，如属结构设备锈蚀严重，拦污栅配置或结构不合理，压力管道较小，水头损失过大、引水系统的渗漏损失过大，糙率大，不能满足过流要求等[11-13]。基于以上问题，中央财政部、水利部决定，自2011年起实施农村水电增效扩容改造工程。

2 农村小水电结构

农村小水电站根据建站地点的具体条件和集中落差的方式，可以分为：

(1)引水式。用较长的引水道来集中水电站的全部或相当大一部分水头，常见于流量小、坡降大的河流中、上游。

整形：按照“单主干双主蔓”的树型整形。主干离架下40 厘米处摘心，培养双主蔓，主蔓长度为株距一半，主蔓两侧均匀分布结果母枝，结果母枝间距30厘米左右。

(2)坝式。在溪、河上选择地形“口窄、肚大”，地形较好的地方，筑一道坝，挡住河水，使坝的上游形成水库，集中落差，常见于坡度平缓的河流上。

(3)混合式。是坝式和引水式相结合的型式，上游筑坝建一水库，起着抬高水位和调节流量作用，同时利用隧洞或压力水管来增加水头。在盆地和峡谷相连的情况下，上段河床坡度较平缓而下段河床坡度陡峻，采用这种方式更为有利。

(4)河床式。在集水面积较大的平原河道中，利用一段坡度较陡的河段，筑坝抬高水位，水电站建在河床上与堰一同起挡水作用。

农村小型水电站的水工建筑物主要由挡水建筑物、泄洪建筑物、输水建筑物及厂房枢纽四大部分组成。农村小水电水能降损的研究主要应针对水电站的输水系统。

图1 输水系统组成图

3 小水电水能降损研究方法及成果

目前研究小水电水能降损的主要方法包括物理模型试验法和数值模拟法。模型试验作为验证和优化小水电结构设计的重要手段，其结果往往真实可信，它不仅可以论证设计中小水电布置的合理性，而且可以预测原型可能发生的现象，详细观测各种运行工况下的水力学特性。一般来说，这方面的模型试验技术已经成熟，然而试验易受到模型尺寸、流场扰动、量测精度等的限制，使得所得结果准确度受到影响。例如，对某些特殊具体问题，如漩涡等，其模型相似律、比尺效应等问题还有待进一步研究。此外，模型试验还具有成本高、周期长等缺点。近几十年来，随着计算机硬件和网格技术的发展，计算流体力学(CFD)得到了迅速发展，出现了诸如时间平均法(Reynolds Averaged Navier-Stokes equations RANS)，大涡模拟(Large Eddy Simulation-LES)和直接湍流数值模拟(Direct Numerical Simulation-DNS)等较多数值模拟方法。

利用上述方法，研究人员对降低小水电水能损失进行了大量研究。水头和水量是构成水能的两大要素，这就把对水能损失的研究转化为对水头和水量的损失的研究。

3.1 农村小水电输水系统水头损失研究

输水系统的水头损失包括：渠首进口局部水头损失、明渠及渠系建筑物水头损失、无压隧洞水头损失、有压隧洞水头损失、压力管道进水口局部水头损失、压力管道水头损失、尾水水头损失、渠首过栅水头损失、渠首过闸水头损失、压力管道进口过栅水头损失、压力管道进口过闸水头损失等。

进水口的水头损失主要是局部阻力损失，其水头损失的大小是衡量进水口水力设计和水流条件优劣的重要指标。按水流条件，可分为有压式进水口、开敞式进水口和抽水蓄能进出水口三类。

(1)有压式进水口设在水库死水位以下，以引进深层水为主，故有名深式进水口，其后接有压隧洞或管道，水流在进水口出于有压流状态。按照结构特点，有压式进水口可以分为以下六类：闸门竖井式进水口、塔式进水口、岸坡式进水口、坝式进水口、河床式进水口、分层取水进水口。黄智敏等[14]根据乐昌峡水利枢纽工程电站进水口在水力模型试验的基础上，对电站进水口布置方案的运行流态、防涡工程措施、水头损失影响因素和变化规律等进行研究和分析。 由于水生态保护的需要，部分水电站已开始逐渐采用分层取水式进水口。Tracy B Vermeyen.[15]用物理模型试验，研究了格伦峡谷坝(Glen Canyon Dam)分层式取水口方式的水力学特性，研究内容包括：水头损失、涡的形成、流速分布、临界淹没水深以及压力等。董绍尧[16]以某水电站为例，采用物理模型试验和数值模拟对其进水口分层取水的水力学特性进行研究。杨建东[17]以嘉陵江亭子口水利枢纽为背景，采用数学模型与物理模型相结合的方法模拟了叠梁门分层取水式电站进水口水力特性。但已有对分层进水口进行模拟的时候大都假定水体为等温体，没有考虑温度对流态和流速分布的影响。

图2 湍流数值模拟方法及相应的模型

(2)开敞式进水口亦称无压进水口，其中的水流为具有与大气接触的自由水面的明流，以引进表层水为主，其后一般接无压引水道。其组成建筑物一般有拦河低坝(拦河闸)、进水闸、冲沙闸及沉砂池等。虹吸式进水口是典型的无坝取水进水口。王显焕[18]对虹吸式进水口的局阻定义和测试方式以及组合局阻的水力学概念进行了介绍，并指出各种进水口体型均有待改进和优化。当然，这种进水口也有缺点：体型复杂，施工质量要求高，引水道比闸门式进水口长，工程量相应增多。

(3)抽水蓄能电站输水道中的水流方向在发电和抽水两种工况下相反，其进水建筑物既是进水口，又是出水口，故称为进出水口。由于其特殊性，对进出水口的研究有别于其他进水口形式。张青玉等[19]结合回龙抽水蓄能电站进水口及国外同类工程的试验资料，研究了进水口双向水流作用下的水流流态、流速分布及水头损失。章军军[20]对大树子抽水蓄能电站下库进出水口水流特性进行了模型试验研究，通过优化原体型解决了抽水蓄能电站侧式短进出水口在出流时流态分布不均匀与水头损失系数偏大的难题。叶建军[21]通过物理模型试验分析进出水口的水流特性，然后分析平面扩散角，扩散段长度，立面扩散角，分流墩布置形式，来流管道坡度等主要因素对进出水口水流特性的影响。通过以往学者的研究，得出了进水口周围几何条件、分流墩数目、闸槽位置都对双向水流特性有显著影响，应根据实际情况慎重设计。

针对进水口周边结构对水头损失的影响，很多学者也进行了研究。FuXiang[22]对于拦污栅的拦截污物的效率进行了相关实验的研究。C Katopodis[23]研究了明渠内具有一定倾角的立体过滤栅上游的流动结构。任玉珊[24]用水工水力学模型试验方法研究了拦污栅锈蚀程度和堵塞状态与水头损失增量的关系。王波[25]采用数学模型和物理模型相结合的方法研究了联系梁对电站进水口水流特性的影响。得出联系梁仅对其局部水流会产生影响，由于联系梁大多布置在低流速区，对系统总体影响不大的结论。夏在森等[26]用物理模型实验研究分析了隔流墩长度对收缩段内流速分布及进水口水头损失的影响。在接下来农村小水电降损实践方面应该开展既有水电站进水口拦污栅锈蚀和堵塞规律的试验研究，掌握拦污栅的开孔率、堵塞率与过栅水头损失增量之间的关系，以便采取相应的措施，提高水力发电的效益。

明渠作为无压引水的一种主要建筑物形式，其水头损失主要是沿程水头损失，影响因素主要有渠道糙率、边界几何形状、弯道、变断面、建筑物、流量、水质、施工质量、使用年限、养护条件等。田淳等[27]结合工程实际，对不同断面引水流道的水头损失、最大取水量及前池水面壅高进行了计算和物理模型试验，选定了最为合适的流道断面。闫旭峰等[28]基于SMS水动力学模型对渐变河道水流特性进行了二维数值模拟，与实测值吻合较好，并计算分析了局部水头损失系数沿程的变化规律。靳国厚[29]根据国外资料，给出了国外对冰盖底面波纹的观测成果，分不同情况列举出了求解冰盖和渠底糙率的几种计算公式及与河渠过水能力的关系。

压力管道作为有压引水的一种典型结构，其水头损失包括管身段、伸缩节、岔管段、弯管段、渐变段和法兰等附属结构的水头损失，其大小与压力管道的材质、长度、直径、尺寸形状变化、地形条件、制造工艺和运行维护情况等因素有关。Valiantzas[30]通过考虑局部水头损失和沿程水头损失的关系对Darcy-Weisbach公式进行了改进。陈朝[31]运用三维k-ε紊流模型对11种常见管道进行数值模拟，分析了管道几何尺寸对水流流态和局部水头损失的影响，得出了各种类型管道的局部水头损失系数随雷诺数的变化规律。韩方军等[32]应用内部流场数值计算软件对进水管、出水管采用不同管径比的T型三通管道的湍流流动进行了分析计算，得出了具有较小水头损失三通的进水口、出水口的管径比。

引水隧洞可按其是否有压分为有压引水隧洞和无压引水隧洞。水经过引水隧洞时产生的水头损失，其大小与隧洞的长度、地质条件、衬砌型式、运行维护情况等因素有关。李协生[33]以渔子溪一级水电站引水隧洞为例，用近似公式框算和用水工模型试验成果对比分析的方法确定引水隧洞渐变段的水头损失，并在隧洞内设置测压管进行原型观测加以印证。徐哲[34]根据引水隧道直径与水头损失的函数关系和工程实践,推导出引水式水电站引水隧洞或管道直径的计算公式，减少了通过技术经济比较的工作量。

3.2 农村小水电输水系统水量损失研究

输水系统的水量损失包括：水库弃水量、水库蒸发和渗漏水量、明渠及渠系建筑物漏水量、无压隧洞漏水量、压力前池漏水量、有压隧洞漏水量、压力管道漏水量、渠首冲沙耗水量、排污耗水量、渠首闸门漏水量等。

渠道的输水损失主要包括渠道的渗水损失、漏水损失和水面蒸发损失三大部分，其中渗水量占主要部分。影响渠道渗水损失的主要因素为：渠床的土壤性质，渠道的断面形式及渠中水深以及沿渠线的地下水的埋深和出流状况等水文地质条件；渠道的淤积状况和有无衬砌措施等。髙惠嫣等[35]基于明渠均匀流原理提出渠道输水损失测定的改进动水法：顺时法。贾俊[36]结合西河渠道改建项目，对渠道防渗衬砌形式、施工技术要求以及施工质量控制措施进行了分析探讨。田守成等[37]在分析渗漏损失的基础上，总结了北方渠道防渗的工程技术措施。石金堂[38]总结了我国东北、西北、华北这些寒冷地区的渠道工程普遍存在的冻害问题及主要影响因素；探讨了土层产生冻胀变形的机理、渠道冻胀破坏的机理及重要的影响因素，提出了防渗渠道防治冻害的原则及措施。混凝土防渗是国内广泛采用的一种渠道防渗技术措施，但混凝土衬砌板适应变形的能力差，目前国外已开始利用纳米技术改进混凝土的性能，今后可以针对新材料和新施工工艺进行研究。

管道渗漏水是输水管道常见的工程问题，产生的主要原因有管道基础的不均匀沉陷、输水流量和流速、水质、管道接口填料及闭水段端头封堵不严密等。赵杰等[39]以西北某引水输水管道为研究对象，设计了不同灰土垫层厚度在相同渗漏时间下的数值仿真计算方案，目的是研究渗漏的影响范围，取得灰土垫层推荐合理厚度值。屈高健等[40]结合古仙洞水电站混凝土输水管道，分析其产生的主要原因是地基产生不均匀沉降和温度变化，根据裂缝性质，采用喷涂、化学灌浆、黏贴GB复合板等方法综合处理。水利枢纽工程的引水管道设有伸缩节来保证管道的变形和应力得到耗散，以确保大坝安全运行。但机组发电运行后，各发电引水钢管的伸缩节均出现了不同程度的漏水现象，不但影响了电站的稳定运行，也威胁了大坝的安全，所以有必要研究取消伸缩节的可行性。王春涛等[41]结合万家寨水电站分析取消伸缩节的具体做法，并对其应力状态进行了分析。

水经过隧洞产生的漏水量，其大小与隧洞的长度、断面大小、洞内水压、地质条件、衬砌型式和运行维护情况等因素有关。苏晓英[42]用回归分析法对文峪河水库隧洞现有观测资料进行了分析，验证了隧洞存在的渗漏问题，并通过隧洞衬砌结构的复核计算，分析了隧洞渗漏的原因。冯丽杰[43]分析了水工隧洞渗漏的成因，总结了水工隧洞处理的原则。具体介绍了水工隧洞点渗漏、裂缝和变形缝渗漏、面渗漏处理的一般方法。兰辉[44]结合洞坪水电站水工隧洞，分析混凝土衬砌裂缝及渗水产生的原因，提出了施工缝渗漏的处理办法及防治措施。目前我国在水工隧洞常见渗漏病害的治理方面有很多可供选择的修补方法，但各种方法都有自身的特点和应用范围，也都存在着某些不足。在选择治理方案时，要结合隧洞的地质条件、运行方式、经济成本、具体病害特征及可能带来的后果综合确定，以达到最佳的技术经济效益。

4 结 语

本文在概述小水电发展和农村小水电结构形式的基础上，总结了目前研究小水电水能降损优化的主要方法，然后从水头损失和水量损失两方面综述了以往学者对农村小水电输水系统降损的研究成果，并针对前人的研究，指出有待进一步进行研究的问题，为以后农村小水电水能降损的研究提供了参考。

农村小水电输水系统的水能降损可以从水头损失和水量损失两个方面加以考虑。在今后的降损设计中，进水口、拦污栅、渠道、隧洞、压力管道等处的局部水头损失应主要从优化体型结构方面来降低水头损失；降低渠道、隧洞、压力管道等处的沿程水头损失则应从结构的糙率、边界几何形状、弯道、变断面形式等方面着手。降低输水系统的水量损失则可以从影响结构漏水的因素出发，研究新材料和新施工工艺来减少漏水量。

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