杜洪波，楊瑞祥，彭　黛，嚴忠鑾，李　嘉，張陵蕾

(四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室、水利水電學院，成都　610065)

· 試驗研究 ·

浮式管型取水方式下的分層型水庫下泄水溫研究

杜洪波，楊瑞祥，彭黛，嚴忠鑾，李嘉，張陵蕾

(四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室、水利水電學院，成都610065)

調節(jié)性較好的水庫往往表現出不同程度的水溫分層，導致春夏季下泄水溫普遍偏低，對下游生態(tài)環(huán)境及農業(yè)灌溉等造成不利影響。浮式管型取水方式作為一種有效的表層取水措施，其相關研究仍較缺乏。本文依據某大型水庫水溫資料，在建立物理模型有效還原其水溫分布的基礎上，探究采用浮式管型取水方式對下泄水溫的提高效果，并結合數值模擬方法，對試驗過程的流場、溫度場進行綜合分析。結果表明，在設定的各工況下，浮式管型取水方式均能有效提升下泄水溫，較采用單層取水方式平均提高了3.2℃。成果可為浮式管型取水方式下的水庫下泄水溫研究提供有效的方法體系與應用參考。

浮式管型；分層型水庫；模型試驗；數值模擬；下泄水溫

1　引　言

水庫建設對水資源的合理開發(fā)利用與經濟社會的可持續(xù)發(fā)展有重要推動作用，但水庫的引蓄水會使庫區(qū)水深加大、流速變緩，受太陽輻射、水體熱傳導、風力摻混等作用，調節(jié)性能較好的水庫往往表現出不同程度的水溫分層結構[1, 2]；尤其在春夏季，垂向溫度梯度較大，受工程常規(guī)出流孔口布置的限制，水庫下泄水溫普遍偏低。低溫水下泄改變了原有天然水體的理化性質和生物分布，對下游受灌農作物的生長、魚類等水生生物的棲息繁殖以及整個水生態(tài)系統(tǒng)的演進都將產生不利影響[1, 3]。

目前，國內外在提高下泄水溫的工程措施方面主要采取分層取水的方式，且應用最多的4種分層取水形式是多層取水口、溢流式取水口(疊梁門)、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種表層取水的措施，具有結構簡單、易于施工和維護的特點。該裝置通常由浮筒、取水口、取水管道組成，主要運行原理為利用水的壓力為動力，在不同庫水位下自動調節(jié)取水管狀態(tài)，再經由管道將表層水引至進水口處，能夠有效提高下泄水溫。目前對浮式管型取水方式下的分層型水庫下泄水溫研究非常有限，黃永堅[5]介紹了浮式平板型取水口，并以江西省大同源水庫為例開展了應用效果分析；高學平等[6]利用物理模型試驗，以江西省某水庫為原型，直接模擬水庫水溫分布，對浮式管型取水口下泄水溫進行了探討。浮式管型取水方式下的水庫下泄水溫規(guī)律及提升效果有待進一步研究。

因此，本文基于某大型水庫的壩前水溫數據，建立水溫物理模型，通過設置浮式管型取水裝置，在特征月份的各種工況下開展下泄水溫研究；并運用FLUENT 15.0軟件進行數值模擬，綜合分析取水過程中流場和溫度場的變化規(guī)律，以共同探討浮式管型取水方式下分層型水庫的下泄水溫規(guī)律及取水調控效果。

2　研究方法

2.1工程概況

貴州省某大型水庫具有多年調節(jié)性能，以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、旅游等綜合效益。壩高185.5m，正常蓄水位475m，死水位425m，有效庫容26.16億m3。引水發(fā)電系統(tǒng)進水口為單層取水口，底板高程408.00m，孔口尺寸分別為6×8m和6×9m，電站滿發(fā)流量870m3/s。壩址處年均氣溫16.4℃，年徑流量75.69億m3，徑流年際變化較穩(wěn)定，但年內分配不均，歷年4～8月份為汛期，其水量占全年水量的68.3%。該水庫水溫具有明顯的分層結構，水庫全年各月份水溫分布見圖1。

圖1　某大型水庫實測壩前水溫分布Fig.1　Temperature distribution in the studied reservoir

分層型水庫自上而下主要分為表溫層、溫躍層、滯溫層[7]。根據該水庫實測的壩前水溫分布曲線，參照相關研究結果[8]，將水溫梯度超過0.2℃/m的水層作為溫躍層，該水庫表溫層、溫躍層和滯溫層的范圍分別為水深10m以上、水深10～90m和水深90m以下。由于6～8月分層最為顯著且為流量較大的汛期，故選取其為特征月份開展研究。

2.2模型試驗

2.2.1模型設計

本次水溫模型試驗采用正態(tài)模型。模型滿足幾何相似原則和重力相似原則，以保證與原型的水流運動相似。模型中存在因水溫分層造成的密度分層流動，故還應滿足浮力相似。

本研究取壩前1500m范圍內水體為控制體，水深120m，壩長423m。設定模型全長2.8m，寬0.2m，高0.55m，單層取水口距水槽底0.37m，試驗模型由水槽、加熱系統(tǒng)、水溫采集系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、取水裝置組成。模型布置如圖2所示。其中：

(1)加熱系統(tǒng)由自動控制水槽分層加熱裝置、紅外加熱燈兩部分組成。將常溫水注入水槽后，通過分層加熱裝置的溫控開關自動通斷，控制各層加熱絲的加熱狀態(tài)，加熱燈模擬太陽輻射加熱，實現水溫分層的模擬。

(2)水溫采集系統(tǒng)采用智能溫度記錄儀，設置一個溫度探頭監(jiān)測出水口水溫、兩排溫度探頭監(jiān)測試驗水槽水溫分層情況，且其中一排固定，另一排可隨水槽縱向移動，達到線性動態(tài)監(jiān)測水溫的目的。

(3)流量控制系統(tǒng)采用電磁流量計，滿足試驗中小流量的要求。在模型入口和出口各設置一個流量計，以保證入流與出流流量為設定目標值。

(4)取水裝置由軟質圓管和泡沫制成的浮筒組成。軟質圓管管徑比單層取水口稍大，一端直接套在單層取水口上使用，且能隨浮筒運動而改變自身曲率，以適應不同的水位；另一端與浮筒相連，并用金屬絲固定在水槽兩側，使其能隨著水位變化而在垂向運動，但不發(fā)生平移和轉動。

在本文研究中，原型水溫由庫底至表面約10℃～30℃，實驗室基礎水溫14℃～25℃，加熱后表層水溫亦在26℃～28℃之間，故可直接使用如下溫差換算關系[2]：

TP×ΔTP=TM×ΔTM

(1)

式中，TP為原型庫底水溫，TM為模型庫底水溫，△TP為原型某深度水溫與庫底水溫的溫度差，△TM為模型對應深度水溫與庫底水溫的溫度差。

圖2　試驗模型設計(cm)Fig.2　Layout of the experimental model

2.2.2試驗工況設定

研究針對選取的特征月(6～8月)，分別在采用單層取水口和浮式管型取水裝置的工況下，進行模型試驗。試驗工況設定見表1。

表1　試驗工況設定

2.2.3過程控制

在模型中水溫達到所需的分層結構后，同時開啟入流和出流閥門，保證入、出流量均等于工況設定值，待出流水溫穩(wěn)定后，開始記錄所有溫度探頭的溫度，直至模型中任一溫度探頭的水溫與采用(1)式換算后的水溫相差達到0.5℃，停止試驗并放空模型中的水，重新進行試驗。

2.3數值模擬

數值模擬能反映取水過程中流場和溫度場的變化，彌補模型試驗可再現性低、難以精細觀測水槽內部試驗現象的不足。故基于FLUENT軟件，采用二維RNGκ-ε紊流模型[9]，對物理模型的庫區(qū)水溫與下泄水溫變化過程進行模擬。

水面采用“剛蓋假定”，出口斷面假定為充分發(fā)展的流動，模型庫底和壁面為絕熱的無滑移邊界。進口邊界上給定水平速度v和溫度T，垂向速度為0[3]。

水面、庫底和出口的k和ε的梯度均為0，入口處k和ε由入口速度和水深計算得到[10]：

(2)

(3)

式中，μ0為入流速度(m/s)，H0為水深(m)。

采用Gambit軟件進行模型網格劃分，網格總數19206個，最小尺寸1.95×10-5m3。

采用有限體積法[11]對控制方程進行離散，采用SIMPLE算法[12]求解差分方程，并采用交錯網格避免出現棋盤式不均勻壓力場，水動力方程與溫度方程耦合求解。

3　結果分析

3.1模型試驗結果及分析

3.1.1水庫水溫分布模擬

準確模擬原型水庫的水溫分層結構是整個研究的基礎與關鍵。圖3給出了6～8月用(1)式換算后的水庫水溫分布(目標水溫)和模型試驗實測水溫分布(模擬水溫)?？梢钥闯?，水溫物理模型的模擬水溫與目標水溫吻合很好。試驗運用復合加熱系統(tǒng)與水溫線性動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，很好地還原了原型水庫的壩前水溫分布，可作為本研究的有效支撐，并可為后續(xù)相關研究提供參考。

圖3　試驗目標水溫與實測水溫Fig.3　Target water temperature and measured water temperature

3.1.2下泄水溫試驗結果及分析

表3給出了各工況下的下泄水溫試驗結果?？梢钥闯?，采用浮式管型取水方式后，6～8月平均下泄水溫較采用單層取水方式分別提高了2.2℃、3.3℃、4.1℃，下泄水溫標準差較小，各測次一致性較好。試驗表明，采用浮式管型取水方式可以有效地取到上層水體，下泄水溫更為接近入流水溫，與水庫原本采用單層取水口的低溫水下泄情況相比，改善效果明顯。

表2　各工況的下泄水溫試驗結果

3.2數值模擬結果及分析

據數值模擬的結果表明，各特征月份的流場、溫度場隨時間變化過程相似，本文以7月為例開展如下分析。

3.2.1單層取水口工況分析

入流水體進入水槽后，其密度大于表層水，逐漸向下層運動，與此同時取水口處出現流速集中區(qū)，并逐漸向斜上方向擴散，直到與取水口高程相同的水體都開始運動，觀察到下泄水溫與取水口高程相等的水體水溫相同，此階段下泄水主要為與取水口高程相等的水體；后上層水體開始向下與運動水體摻混，使入流水體主要沿表層運動，觀察到整個水槽不同層的水體已發(fā)生摻混，下泄水溫與取水口上下層的水溫均相同，此階段下泄水主要為略高于出水口高程的水體。但兩階段取得水體的水溫均遠低于入流水溫。因此，單層取水口只能取到與取水口高程相近層的水體，下泄水溫偏低。如圖4所示。

圖4　單層取水口工況流場(左)、溫度場(右)對比Fig.4　Contrast diagram between flow field (left) and temperature field (right) of the single intake structure

3.2.2浮式管型取水裝置工況分析

入流水體進入水槽后，其密度大于表層水，有向下層運動的趨勢，但與此同時出水口處出現的流速集中區(qū)沿表層擴散，導致入流水體轉變?yōu)檠乇韺舆\動，直至表層水體都開始運動，觀察到水槽中部水溫分層仍較好，下泄水溫與表層水溫基本相同，此階段下泄水主要為表層高溫水體；后入流水體開始向下摻混，但摻混水體的底高程仍高于單層取水口高程，觀察到整個水槽表層及略低于表層的水體水溫已基本相同，下泄水溫也與其相同，此階段下泄水主要為表層及略低于表層的水體。兩階段取得水體的水溫僅略低于低于入流水溫。因此，浮式管型取水裝置能大量取得水槽上層水體，下泄水溫較高。如圖5所示。

圖5　浮式管型取水裝置工況流場(左)、溫度場(右)對比Fig.5　Contrast diagram between flow field (left) and temperature field (right) of the floating tubular water intake structure

3.2.3下泄水溫數值模擬結果及分析

根據數值模擬結果，采用浮式管型取水方式后，6～8月平均下泄水溫較單層取水方式分別提高了2.4℃、3.3℃、3.5℃，與物理模型試驗得到的下泄水溫提高效果較為接近，在一定程度上反映出數值模擬結果的可靠性，同時也共同印證了對于解決分層型水庫春夏季低溫水下泄問題，浮式管型取水方式確實可以達到較好的效果。

3.3實際工程運用建議

物理模型實驗與數值模擬的結果均表明，采用浮式管型取水方式可以有效取到表層水，有望在分層型水庫的實際運用中有效提高下泄水溫。結合上述分析，建議如下：

(1)在浮式管型取水裝置的設計上，可在壩前建一支承框架，框架柱上預埋導槽，浮筒上設置定向滑塊，滑塊沿導槽上下移動；浮筒下設置鋼絞繩，以便取水口豎向升降，且能使取水口位于水面下，具有一定的壓力水頭。此外還需要考慮取水流量及整個裝置的受力情況，通過計算選擇合適的材料和安裝方式。

(2)在浮式管型取水裝置的應用上，由于該方式結構簡單、施工難度小，特別適用于改造工程的取水口優(yōu)化。但由于取水流量、浮筒體積、隔水門尺寸等可能受這一方式限制，在今后的研究中應著重考慮如何減少限制因素，擴展其適用范圍。

本文僅研究了試驗條件下單一流量的水庫流場、溫度場和下泄水溫，尚需加強并細化在不同時期的入庫流量、不同庫區(qū)水溫結構、不同取水口淹沒深度以及不同取水流量等工況下對浮式管型取水方式下泄水溫影響的研究。由于工程實際問題的復雜性，物理模型與數學模型的實用性均有待進一步提高。

4　結　論

本研究采用物理模型試驗為主、數值模擬為輔的方法，對6種工況下的分層型水庫下泄水溫進行了研究，得到以下結論：

4.1運用多種方式共同加熱和水溫的線性動態(tài)監(jiān)測，能很好地達到試驗所要求的水溫分層效果。通過自制物理水溫模型再現原型水庫水溫分布，是研究的關鍵所在。

4.2浮式管型取水方式較單層取水方式的下泄水溫提升明顯，平均提高了3.2℃，與入流水溫的差值由單層取水方式的4.5℃下降到1.3℃，表明實施浮式管型取水方式效果良好，下泄水溫更為接近天然狀態(tài)，有利于下游生境保護。

4.3數值模擬結果與模型試驗結果較為吻合，可作為模型試驗的有效補充，解釋速度場和溫度場的變化對取水效果的影響。

研究針對分層型水庫，就浮式管型取水方式下的水庫下泄水溫研究建立了有效的方法體系，在下泄水溫的規(guī)律探索上僅做出有限嘗試。在此體系基礎上，針對其他不同工況條件下浮式管型取水方式對水庫下泄水溫的影響，尚有待進一步研究。

[1]王煜，戴會超．大型水庫水溫分層影響及防治措施[J]．三峽大學學報(自然科學版),2013，31(6)：11-14，28．

[2]柳海濤，孫雙科，王曉松，夏慶福，姜涵．大型深水庫分層取水水溫模型試驗研究[J]．水力發(fā)電學報,2012，31(1)：129-134．

[3]鄧云，李嘉，李克鋒，趙文謙．紫坪鋪水庫水溫預測研究[J]．水利水電技術,2003，34(9)：50-52．

[4]張少雄．大型水庫分層取水下泄水溫研究[D]．天津：天津大學，2012．

[5]黃永堅．新型浮子式表層取水建筑物[J]．農田水利與小水電,1983，(1)：34-38．

[6]高學平，張少雄，劉際軍，陳弘．浮式管型取水口下泄水溫試驗研究[J]．水力發(fā)電學報,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]中國科學院南京地理與湖泊研究所．撫仙湖[M]．北京：海洋出版社，1990.82-115．

[9]徐茂杰．大型水電站取水口分層取水水溫數值模擬[D]．天津：天津大學，2008．

[10]鄧云，李嘉，羅麟．河道型深水庫的溫度分層模擬[J]．水動力學研究與進展,2004，19(5)：604-609．

[11]金忠青，N-S 方程的數值解法[M]，南京：河海大學出版社，1992．

[12]Patanker S V，Spalding D B．A calculation proccessure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，1972，15(10)：1787-1806．

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

四川大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201410610068)。

杜洪波(1994-)，男，重慶市潼南縣人，四川大學水利水電學院水利水電工程專業(yè)2012級在讀本科生。

張陵蕾，zhanglinglei@hotmail.com。

X524

A

1001-3644(2015)04-0001-06