尹 輝，蔡寶柱，鄭鐵剛

（1.昭通市水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昭通 530600；2.新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

水庫溫度分層是隨著水利水電工程興建提出的系列生態(tài)環(huán)境問題之一[1]，受太陽輻射、對流擴(kuò)散以及熱量交換等作用，水庫表層水溫較原天然河道水溫升高，而底層水溫則比原天然河道水溫低。隨著水深的增大，水溫逐漸降低、浮游生物逐漸減少、而渾濁度增大、含還原態(tài)物質(zhì)增多[2]。由此可知，從水庫不同深度取水，所獲出庫水質(zhì)將明顯不同，不同取水對下游河道魚類、底棲生物與浮游生物、灌區(qū)農(nóng)作物等具有一定的影響。為緩解水庫下泄水質(zhì)對下游河道生態(tài)環(huán)境的不利影響，利用水庫水質(zhì)的分層特性，采用分層選擇取水的方法，進(jìn)行水質(zhì)的合理調(diào)度，是改善下游生態(tài)環(huán)境的有效措施之一[3]，目前已經(jīng)成為水電生態(tài)友好實踐的重要組成部分，應(yīng)用較為廣泛。

鑒于分層取水技術(shù)對改善下游生態(tài)環(huán)境的重要影響，國內(nèi)外針對分層取水技術(shù)開展了大量研究工作，并提出了多種分層取水方式，如：Lu等[4]提出了一種新型分層取水措施，并依托Jinpen水庫開展了水溫水動力模擬分析；He等[5]結(jié)合隔水幕布技術(shù)開展了取水方式對下游水溫的影響工作；高學(xué)平等[6]結(jié)合浮式取水口分析了水溫與水動力特性的關(guān)系；范志國等[7]將浮式取水口和機(jī)控斜臥式閘門控制設(shè)備結(jié)合提出了一種新型分層取水結(jié)構(gòu)；王岑等[8]以疊梁門為基礎(chǔ)分析了不同分層取水結(jié)構(gòu)型式對取水水溫影響；Zheng等[9]則分別基于數(shù)值模擬與物理試驗結(jié)果分析了前置擋墻技術(shù)對下泄水溫的影響。由于投資相對較小，并且對庫水位變化適應(yīng)性強(qiáng)，疊梁門分層取水措施被廣泛應(yīng)用于我國大型電站進(jìn)口設(shè)計。傅菁菁等[10]結(jié)合灘坑水電現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析了疊梁門分層取水對下泄水溫的改善效果，指出疊梁門分層取水后溫升效果良好，但運(yùn)行調(diào)度方案有待進(jìn)一步優(yōu)化；陳棟為等[11]則結(jié)合光照水電站原型觀測數(shù)據(jù)分析了疊梁門的實際運(yùn)行效果，分析表明疊梁門分層取水效果與庫區(qū)水溫分層狀態(tài)關(guān)聯(lián)較大，在庫表水溫較高時段，疊梁門分層取水措施的效果更加明顯。

盡管有關(guān)疊梁門分層取水研究已較為廣泛，主要涉及疊梁門取水高度和壩前水溫分布等，然而對于中小型水利工程而言，疊梁門分層取水效果同樣受進(jìn)水室體型結(jié)構(gòu)影響顯著，遺憾的是該方面的相關(guān)研究工作尚不多見。鑒于此，本研究采用數(shù)值模擬方法，并結(jié)合物理模型試驗結(jié)果，以實際工程疊梁門分層取水結(jié)構(gòu)為研究依托，以下游河道水溫為重要關(guān)注水質(zhì)指標(biāo)，探討影響疊梁門分層取水運(yùn)行的主要因素，并結(jié)合設(shè)計要求，進(jìn)一步提出了疊梁門運(yùn)行優(yōu)化方案，為類似工程提供了借鑒。

2 疊梁門分層取水工程簡介

本研究依托KRG水利水電工程，總庫容1.25億m3，最大壩高82 m，電站裝機(jī)容量24 MW，工程等別為Ⅱ等大（2）型。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在河床右岸，設(shè)計引水流量44.4 m3/s，總長515.896 m。進(jìn)口閘井為岸塔式，閘井上部豎井為全封閉的鋼筋混凝土框架式結(jié)構(gòu)，進(jìn)水口閘井段長26 m，高53.5 m，底板高程為2056 m。由于工程建成后，水庫存在水溫分層現(xiàn)象，為防止水庫低溫水下泄對下游灌區(qū)作物及河流生態(tài)產(chǎn)生影響，電站取水口采用分層取水方案以保證表層高溫水下泄。進(jìn)水口閘井內(nèi)設(shè)有攔污柵門槽和疊梁門門槽各一道，門槽孔口尺寸均為5.0 m×53.5 m，門槽間距1.65 m，疊梁門節(jié)高3.0 m。進(jìn)水口閘井設(shè)有疊梁門門庫，門庫底板高程為2082.5 m。疊梁擋水門隨水位變化，用壩頂門機(jī)通過液壓抓梁逐節(jié)起吊。疊梁門分層取水工程布置示意圖見圖1所示。

圖1 疊梁門分層取水工程布置示意圖（單位：m）

3 研究方法

3.1 控制方程對于常態(tài)下的水體，可忽略壓力變化對密度的影響，密度與溫度的關(guān)系可表示為：

3.2 計算模型及網(wǎng)格劃分本研究模擬的范圍為300 m左右，其中取水閘井前約為150 m，取水閘井后約為100 m，進(jìn)水口頂高程為2056 m，模擬水庫深53.5 m。模擬計算區(qū)域內(nèi)包含1個進(jìn)水閘室，每個進(jìn)水閘室由隔墻分為2個進(jìn)水流道，隔墻由連系梁連接支撐，模型示意圖如圖2（a）所示。本研究計算域內(nèi)采用非均勻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，由于進(jìn)水口附近結(jié)構(gòu)復(fù)雜，必須要有足夠的分辨率才能保證計算結(jié)果的可靠性，因此計算網(wǎng)格劃分較密，最小尺寸為0.25 m×0.5 m×0.5 m，最大尺寸為1.0 m×1.0 m×1.0 m，網(wǎng)格數(shù)量共計42萬，局部網(wǎng)格劃分示意圖如圖2（b）所示。

圖2 分層取水進(jìn)水口計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件及工況為保證計算過程的穩(wěn)定性，本研究上游給定流量與水位邊界，同時結(jié)合水溫條件給定垂向水溫分布。假定下游出口斷面為充分發(fā)展的紊流，出口邊界上各變量均取零梯度條件，從而消除下游對上游水流的影響，即（n代表出口斷面的法向）：

疊梁門取水高程是決定取水水溫的關(guān)鍵因素，取水高程越大，提取表層高溫水效果越好，反之，取水效果下降。此外，取水高程還受到水力學(xué)指標(biāo)的限制，取水高程增加將導(dǎo)致取水水頭損失的增大，同時閘井內(nèi)攔污柵斷面流速增加，影響結(jié)構(gòu)安全與發(fā)電效率。本文結(jié)合工程經(jīng)驗與研究對象特點(diǎn)，綜合考慮取水效果及水力學(xué)指標(biāo)限制，取水水頭取3～9 m（取水水頭=庫區(qū)水位-取水高程）。

本研究主要針對疊梁門分層取水開展，根據(jù)工程設(shè)計資料可知，疊梁門分層取水主要應(yīng)用月份為4—5月和9—11月。此外，進(jìn)水室結(jié)構(gòu)對疊梁門取水的影響是本文研究的重點(diǎn)，疊梁門門庫底板高程為2082.5 m，故擬分別選取取水高程高于和低于2082.5 m作為典型研究工況。以取水水頭3～9 m為例，4月份運(yùn)行水位為2094.25 m，取水高程為2086 m以上，而5月份水位為2086.99 m，取水高程則為2080 m。因此，為增加研究的普適性，文中分別選取了4月份和5月份作為典型月份開展研究，4月份和5月份水位分別為2094.25 m和2086.99 m，取水流量均為46.8 m3/s，水溫分布情況見圖3。

圖3 庫區(qū)水溫分布

3.4 模型驗證本文結(jié)合1∶25物理模型試驗結(jié)果對數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行驗證，4月份和5月份不同取水高程工況下攔污柵斷面流速分布對比情況如圖4所示。由對比結(jié)果可知，數(shù)值模擬與模型試驗的分布規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)出疊梁門門頂附近流速最大的特點(diǎn)，且計算與試驗的流速量值相當(dāng)。由此可見，本文采用的計算模型準(zhǔn)確可靠，模擬計算結(jié)果可信，可用于開展相關(guān)研究工作。

圖4 攔污柵斷面流速分布對比

4 疊梁門分層取水運(yùn)行參數(shù)分析

如前所述，取水條件一定時，疊梁門取水高程是影響取水水溫的關(guān)鍵因素，而取水高程的確定又與進(jìn)水口水動力特性，如：進(jìn)水口水頭損失大小以及攔污柵流速量值等密不可分。為此，下文將首先開展進(jìn)水口水動力特性分析，以期確定合理的取水高程，為取水效果評估提供前提條件。

4.1 攔污柵斷面平均流速分布不同取水高程下，攔污柵斷面平均流速分布見圖5。圖示結(jié)果分析表明：不同工況下，攔污柵斷面流速分布均以疊梁門頂高程為分界分別表現(xiàn)為“上小下大”和“上大下小”的分布規(guī)律。隨著疊梁門高度的增加，取水水頭減小，4月份和5月份攔污柵斷面平均流速分別由0.21 m/s和0.29 m/s增大到0.23 m/s和0.32 m/s，平均流速增加不明顯，這是由取水層（攔污柵斷面流速大于0.2 m/s）范圍相對較小所致，由圖可見，取水層主要集中于取水高程以上至水面、以及取水高程向下5 m范圍，取水層厚度約為10 m，而取水層以下流速普遍小于0.2 m/s且水深大于25 m，故導(dǎo)致平均流速變化不明顯。然而，由于取水水頭減小，斷面最大流速增幅明顯，尤其是5月份，最大流速由1.02 m/s增大到1.40 m/s，發(fā)生在疊梁門頂附近。根據(jù)水電站分層取水進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范可知[12]，攔污柵斷面流速宜控制在0.8 m/s～1.2 m/s。由前文分析結(jié)合圖5可知，4月份和5月份攔污柵斷面平均流速均滿足規(guī)范控制要求，然而當(dāng)5月份取水高程為2083 m時，攔污柵斷面流速超過規(guī)范要求，不宜作為運(yùn)行方案實施，可采取增加取水門頂水頭或優(yōu)化取水口體型的措施以有效降低攔污柵斷面流速量值。

4.2 進(jìn)水口水頭損失計算水頭損失是關(guān)系到水電站運(yùn)行效率的重要參數(shù)，通常包括攔污柵水頭損失、疊梁門段水頭損失、引水隧洞段水頭損失等部分，其中，疊梁門段與引水隧洞段水頭損失占主導(dǎo)地位。本文選取進(jìn)水口上游斷面為起始斷面，選取尾水管下游100 m處斷面為終止斷面，計算分層取水進(jìn)水口總水頭損失。本研究采用伯努利方程計算：

圖5 攔污柵斷面流速垂線分布

式中：Z1為上游庫水位測點(diǎn)對應(yīng)高程；Z2為引水隧洞出口斷面中心高程；v1為上游庫區(qū)測點(diǎn)流速；v2為引水隧洞出口斷面平均流速；P1/γ為上游庫區(qū)測點(diǎn)壓力水頭；P2/γ為引水隧洞出口斷面的平均壓力水頭；ΔH為進(jìn)水口總水頭損失。

圖6為不同門頂水頭下進(jìn)水口水頭損失結(jié)果，由圖可知，與傳統(tǒng)進(jìn)水口不同，本研究中4月份和5月份進(jìn)水口水頭損失隨門頂水頭改變而發(fā)生的變化明顯不同，門頂水頭變化基本一致的條件下，5月份水頭損失變化值明顯大于4月份水頭損失變化。分析其原因，這是由于疊梁門與門庫前置墻間距過小所致（見圖2），疊梁門門庫對水頭損失影響顯著，取水高程大于疊梁門庫底板（2082.5 m）時，水頭損失值明顯增大。由表1所示，4月份取水高程均大于2082.5 m，故水頭損失隨取水水頭變化不明顯，而5月份取水高程分別為2080 m和2083 m，因此表現(xiàn)出水頭損失增加明顯的特征。

圖6 水頭損失隨門頂水頭變化

4月份和5月份不同取水高程條件下水頭損失計算值如表1所示，由表1可知，4月份不同取水高程水頭損失約為0.70 m，而5月份則分別為0.39 m和0.77 m?？紤]到綜合發(fā)電效率，建設(shè)部門建議水頭損失設(shè)計值不宜大于0.50 m，而當(dāng)取水高程大于疊梁門庫底板高程2082.5 m時，4月份和5月份取水水頭損失值均大于設(shè)計值，由此可見，可采取降低取水高程或優(yōu)化取水口體型的措施以有效減小水頭損失值。

前文提及，取水高程降低后，隨之取水水溫降低，改善下游生態(tài)環(huán)境的效果減弱。因此，為保證取水效果，本研究擬采取優(yōu)化取水口體型的措施以期改善攔污柵斷面流速和水頭損失值。

4.3 疊梁門分層取水口優(yōu)化分析基于前文結(jié)果，本研究分別建立了將進(jìn)水室長度增加1 m和2 m的研究工況，擬通過加大疊梁門與門庫前置墻間距達(dá)到降低水頭損失與攔污柵斷面流速的目的。

分層取水口體型優(yōu)化后，水頭損失及攔污柵斷面最大流速計算結(jié)果如圖7（a）和圖7（b）所示。分析結(jié)果表明，疊梁門與門庫前置墻間距增大后，除5月份取水高程2080 m工況外，進(jìn)水口水頭損失值明顯降低，均小于或等于0.5 m，滿足設(shè)計需求，如圖7（a）所示。如前所述，5月份取水高程2080 m條件下水頭損失降幅不明顯是由于取水高程位于門庫底板以下，水頭損失主要受取水水頭的影響，受體型影響較小。疊梁門與門庫前置墻間距增大1 m后，水頭損失降幅為0.25 m左右（約36%），而增大2 m后，水頭損失降幅增大至0.3 m（約43%），如圖所示，圖中實線表示間距增大1 m后水頭損失降幅情況，虛線表示間距增大2 m后水頭損失降幅情況。

圖7 分層取水口體型優(yōu)化結(jié)果

進(jìn)水口體型優(yōu)化后攔污柵斷面最大流速隨取水高程變化如圖7（b）所示，圖示結(jié)果表明，體型優(yōu)化后，攔污柵斷面最大流速降至0.7～1.0 m/s，均小于1.2 m/s，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

由上可知，分層取水進(jìn)水口體型優(yōu)化后，水頭損失和攔污柵斷面流速均達(dá)到規(guī)范設(shè)計要求，而水頭損失是影響發(fā)電效率的重要因素之一，進(jìn)水口水頭損失越小，則發(fā)電效率越高，故水頭損失分析是確定本研究最終體型的關(guān)鍵。計算表明，疊梁門與門庫前置墻間距增大1 m和2 m降低進(jìn)水口水頭損失分別約為36%和43%，即，間距增大1 m后若繼續(xù)增大間距，水頭損失降幅不再明顯，僅約為0.05 m，然而間距增大1 m則帶來工程造價的顯著增加，因此，疊梁門與門庫前置墻間距增大1 m，取水水頭3～9 m將作為分層取水進(jìn)水口取水方案開展下泄水溫分析。

4.4 疊梁門分層取水運(yùn)行方式優(yōu)化體型方案下，4月份和5月份不同取水高程條件下取水水溫如圖8所示，圖中柱狀圖為取水水溫，折線圖為取水水溫與天然水溫溫差。計算結(jié)果表明，對4月份而言，常規(guī)取水口下泄水溫為4.6℃，而采用疊梁門后，下泄水溫明顯升高，取水高程為2086 m和2089 m時下泄水溫分別為7.2℃和7.3℃，較常規(guī)取水口下泄水溫提升幅度分別達(dá)到2.6℃和2.7℃；相比5月份，常規(guī)取水口下泄水溫為9.8℃，而采用疊梁門分層取水后下泄水溫則分別可提升1.5℃和1.6℃。由此可見，疊梁門分層取水較常規(guī)取水口，可有效提取表層高溫水，電站下泄低溫水問題明顯得到改善。

圖8 下泄水溫計算結(jié)果

由前文可知，4月份取水高程為2086 m和2089 m時，取水水頭分別為8.25 m和5.25 m；而5月份取水高程為2080 m和2083 m時，取水水頭分別為6.99 m和3.99 m。分別對比4月份和5月份不同取水高程下泄水溫可見，增加1節(jié)疊梁門（3 m），下泄水溫僅增加0.1℃，然而結(jié)合圖7發(fā)現(xiàn)，疊梁門增加后水頭損失和攔污柵斷面流速明顯增加，尤其是5月份，水頭損失增加約0.2 m。因此，綜合考慮發(fā)電效率與取水效果，本研究中4月份和5月份取水水頭確定為3～6 m。

5 結(jié)論

取水高程是影響分層取水水溫的關(guān)鍵因素之一，而進(jìn)水口水力特性則又是決定取水高程的重要指標(biāo)?；诖?，本研究通過建立三維水溫-水動力數(shù)學(xué)模型，分別對進(jìn)水口水力特性與下泄水溫開展了計算研究，結(jié)合疊梁門分層取水水力特性提出了進(jìn)水口優(yōu)化方案及疊梁門運(yùn)行方式，研究成果可為類似工程分層取水的應(yīng)用提供借鑒。具體結(jié)論如下：

（1）與模型試驗測試結(jié)果對比，結(jié)果表明數(shù)值模擬與模型試驗的攔污柵斷面流速分布規(guī)律基本一致，可以保證模型的可靠性與模擬結(jié)果的可信性；

（2）攔污柵斷面流速分布以取水高程為分界分別表現(xiàn)為“上小下大”和“上大下小”的分布規(guī)律；隨著取水高程的增加，攔污柵斷面流速增大約10%；

（3）隨著取水高程的增加，水頭損失增大；受進(jìn)水口結(jié)構(gòu)體型影響，疊梁門門頂水頭不再是決定進(jìn)水口系統(tǒng)水頭損失的唯一因素，而結(jié)構(gòu)體型對進(jìn)水口水頭損失影響更加顯著；

（4）增大疊梁門與門庫前置墻間距可有效降低進(jìn)水口水頭損失與攔污柵斷面流速，進(jìn)而最大限度的提升取水高程，推薦間距由2 m增加至3 m，取水水頭建議為3～6 m；

（5）疊梁門分層取水方案優(yōu)化后較常規(guī)取水口，可有效提取表層高溫水，下泄水溫增幅可達(dá)1.5℃～2.7℃，電站下泄低溫水問題明顯得到改善。