万家寨引黄入晋工程引黄入晋工程水力学分析

万家寨引黄入晋工程引黄入晋工程水力学分析

1工程组成及工程特点山西省万家寨引黄入晋工程是世界上罕见的大型流域引水工程。位于山西省西北部，向太原、大同和平朔三个能源基地供应供水。工程由总干线、南干线及北干线三部分组成,总长约313.2km。引黄工程路线长,建筑物众多,地形、地质条件复杂,工程经过区域有高山峻岭,也有深切峡谷,提升高度600多m。工程从万家寨2号、3号坝段取水,经142km主洞、5座泵站、申同嘴水库、7座渡槽、2座埋涵和3座水闸至头马营入汾河。总干线、南干线的建筑结构分布列于表1。2洪水工程的运行条件将引水工程沿线的水体温度分布抽象为一维的沿水流方向变化的计算模型。假定在计算时段内,引水工程的运行条件保持不变,即流量、万家寨取水口进水温度以及外界气温等为常量,则水体满足流量平衡方程和热量平衡方程,引水工程结构中的水体处于动量与能量的动态平衡中,形成稳定的温度场和流速场。2.1q、q、tx水考察引水工程中的一个过水断面(如图1)。断面沿水流方向的坐标为x,断面的结构形式以及边界条件与具体的引水结构和所处地理位置有关,可令它们为x的函数。流量平衡方程:Q(x)=Q(x+dx)(1)Q(x)=Q(x+dx)(1)式中:x为沿水流方向的坐标值;Q为流量。流速方程:u(x)=Q(x)A(x)=dxt(x)(2)u(x)=Q(x)A(x)=dxt(x)(2)式中:u(x)为x处水体的流速;A(x)为x处水体的过水面积;t(x)为Q流量的水体在x处通过dx段长度所用的时间。热量平衡方程:ρwcwpQV(x)dTw(x)=ø[Tw(x)]t(x)(3)ρwcwpQV(x)dΤw(x)=ø[Τw(x)]t(x)(3)式中:ρw、cwp分别为水体的密度和定压比热;QV(x)=Q·1s;Tw(x)为x处水体的温度;⌀[Tw(x)]为引水线路x处的水体在单位时间内与外界的热交换量(水体吸热为正、散热为负)。利用式(2),对式(3)处理得水温沿水流方向分布的微分方程为dTwdx=ø[Tw(x)]A(x)ρwcwpQV(x)Q(x)(4)dΤwdx=ø[Τw(x)]A(x)ρwcwpQV(x)Q(x)(4)2.2洪水工程路线对方程(4)可采用有限单元法进行求解,根据引水结构的种类、埋深与地质、气象条件,将引水工程路线分段进行有限元离散并求解。其中由于不同引水结构中的水体与外界热交换量⌀[Tw(x)]的计算方式不同,分别有地下结构的热交换计算模型、渡槽结构的热交换计算模型、水库及明渠结构的热交换计算模型、泵站结构的热交换计算模型。3计算南支总干线和总干线的水温3.1水温的选取。据初至计算模式,载水件的确定为万家寨引黄工程地处内陆深处,冬季干燥寒冷,雨雪稀少且多风沙。年际温差不大,年内变化大,变幅达50℃,年平均气温7℃,月最低平均气温-17.2℃。多年平均风速2.2～4.2m/s,历年最大风速18m/s。最大冻土深度为192cm,最大积雪厚度26cm。总干线取35个有代表性的温度控制截面,南干线取27个有代表性的温度控制截面。具体计算参数的取值见文献。万家寨水利枢纽取水口处水温分别取:1.5、2.0、4.6℃;流量分别取:6.45、24.0、48.0m3/s进行组合计算。3.2水温变化情况总干线沿线水温变化情况如图2、图3所示。图2中系列1、2、3分别为万家寨水利枢纽取水口处水温为1.5、2.0、4.6℃时的情况。图3中系列1、2、3分别为流量6.45、24.0、48.0m3/s时的情况。南干线沿线水温变化情况如图4所示。图4中系列1、2、3分别为万家寨取水口水温1.5、2.0、4.6℃的水体流经总干线后在南干线上的温度变化情况。4冬季防止洪水结晶计算公式(1)地下引水结构(如隧洞、压力埋管、埋涵等)中的水体温度变化不明显,这是因为地下引水结构与岩土已形成较为稳定的温度场,外界气温的变化对其影响不大。一般而言,岩土在其他客观存在的地热源作用下,实际地温比地下引水结构中水体的温度高,水体不仅不散热,还会吸收一些热量。本文中水体对岩土散热的计算模型是基于无其他热源存在,地温场完全由引水结构这个热源确定而进行的。(2)由于渡槽结构直接接触外界大气,因而外壁温度基本接近于气温,渡槽结构有一定程度的散热量,如南干线1号渡槽长654m,水体流动时温度大约降低0.02℃。(3)泵站结构中既存在着地下结构散热类型,又存在着类似水库及明渠散热类型的进口、出口调水调压井散热,还存在着水轮机的转动给水体带来的热能。因此计算复杂,温度变化反复,所取的温度控制截面较多,但总体来看,水体经过泵站结构后,温度还有所升高(如南干线上的两座泵站)。(4)从整个引水线路水温变化情况看,从万家寨取水口至申同嘴水库进水口的水温变化很小,线路上水温变化的上下幅度差在0.08℃左右,申同嘴水库进水口的水温相对万家寨取水口的水温变化在-0.02～0.06℃之间;从申同嘴水库出水口一直至南干线上明渠结构的入水口,水温变化也相当小,线路上水温变化的上下幅差在0.06℃左右。水体经南干线上的明渠结构降温在-0.2℃左右;水体经申同嘴水库的温度变化与流量有关,当流量为6.45m3/s时,水体降温在-2.8℃左右,因此明渠结构和申同嘴水库为主要散热结构,特别是申同嘴水库构成引水线路上的温度“瓶颈”,申同嘴水库的出库水温是整个引水线路上的主要控制指标,必须引起高度重视。(5)水体与大气之间的热交换是造成水库和明渠散热的主要原因;水体与库壁之间的对流换热对水体温度的影响较小。(6)水体流量的大小对温度的变化影响显著,当流量为6.45m3/s时,即使万家寨取水口初始水温为4.6℃,到达分水闸时,水温只有1.4074℃;但若流量为48.0m3/s时,即使初始水温为1.5℃,到达分水闸时,水温还有1.1887℃。从上述结论可看出,在冬季