（水力学及河流动力学专业论文）水电站进水口分层取水水温试验研究.pdf

中文摘要 大型水库水体温度具有明显的沿深度成层分布的特点，表层水温和底层水温 相差很大，有时温差值可达2 0 左右。近年来，随着对生态环境保护的重视， 水电站进水口分层取水方式( m u l t i 1 e v e li n t a k es t r u c t u r e ，m l i s ) 正逐渐被采用。 水电站进水口分层取水方式作为下泄低温水的减免措施，其目的是允许运行时有 选择地取用水库的不同层水体，以便有效地减轻电站取水对下游生物及水环境造 成的负面影响，满足环保设计的要求。然而目前国内外对该问题进行经验类比和 数值模拟的比较多，物理模型试验的研究非常少。因此，对取水口下泄水温的物 理模型试验研究十分必要。 本文以糯扎渡水电站为背景，对其分层取水下泄水温进行试验研究，探讨库 内水体温度分布、分层取水口位置以及下泄温度之间的关系。主要成果如下： 1 试验对糯扎渡水电站典型平水年各月份库区水温分布进行了较好模拟。 在达到目标水位后，模型内均能稳定分层，且与目标温度拟合较好。相同高度上 的各传感器温度基本相同，各层水之间比较稳定，相互掺混较少。 2 取水口取水时，距取水口2 5 8 m 断面与距取水口6 5 m 断面处各层水温均 无明显变化，取水口下泄水温显著上升并很快达到稳定。根据库区水温分布以及 对不同工况下取水口下泄水温的测量，可以看出取水口的下泄水，主要是叠梁门 顶高程以上一定高度的水。取水高度与叠梁门运行情况、库区水温分布、工作水 位以及下泄流量有关。 3 取水口采用叠梁门取水方案可以有效的提高下泄水的水温，从而有效减 免下泄低温水造成的危害，就提高下泄水温的角度论证了取水方案的合理性。 关键词：水电站取水口；分层取水；叠梁门；水温；模型试验 a b s t r a c t w a t e rh a st h eo b v i o u sc h a r a c t e ro ft e m p e r a t u r e s t r a t i f i e dp h e n o m e n aa l o n gw i t h t h ed e p t hi nl a r g er e s e r v o i r s ，w h i c hc o u l dv a r yc o n s i d e r a b l yt o2 0 cf r o ms u r f a c et o b o t t o m a l o n gw i t ht h ei m p o r t a n c et oe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，am u l t i l e v e li n t a k e s t r u c t u r e ( m l i s ) h a sb e e ng r a d u a l l yi n t r o d u c i n gi nh e a v yh y d r o p o w e rs t a t i o n a st h e r e l i e fm e a s u r e so fd i s c h a r g i n gc o l dw a t e r ，t h ep u r p o s eo fm l i si st os t r e t c h s e l e c t i v e l yd i f f e r e n tl a y e r so fw a t e r ，a n dr e d u c et h en e g a t i v ee f f e c to fr e l e a s i n gc o l d w a t e ro nd o w n s t r e a me n v i r o n m e n t c u r r e n t l y ，t h ea n a l o ge x p e r i e n c ea n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nh a sb e e n w i d e l y u s e dt or e s e a r c hs u c h s u b j e c t a th o m ea n d a b r o a d h o w e v e r ，t h em o d e lt e s to ni th a sb e e nv e r yf e w t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y t os t u d yt h ed i s c h a r g e dw a t e rt e m p e r a t u r eo fm e i sb yt h em o d e lt e s t b a s e do nn u o z h a d uh y d r o p o w e rs t a t i o ni n t h i sp a p e r ，t h ed i s c h a r g e dw a t e r t e m p e r a t u r eo fm l i sb yt h e m o d e lt e s tt od i s c u s st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew a t e r t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h ew a t e ri n t a k el o c a t i o na n dt h et e m p e r a t u r eo fd i s c h a r g e d w a t e r t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ew a t e rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h et y p i c a ll e v e lo fy e a r si nt h er e s e r v o i r a r e ab a s e do nn u o z h a d uh y d r o p o w e rs t a t i o ni sw e l ls i m u l a t e de x p e r i m e n t a l l y w h e n a c h i e v i n gt h et a r g e te l e v a t i o n ，w a t e rt e m p e r a t u r ec a nb es t a b l ys t r a t i f i c a t e di nt h e m o d e l ，a n ds i m u l a t e dv e r yw e l lw i t ht h eg o a lo ft e m p e r a t u r e n et e m p e r a t u r eo nt h e s a m ee l e v a t i o no ft h es e c t i o ni sb a s i c a l l yt h es a l t l e e a c hl a y e ro ft h ew a t e ri ss t a b l e a n dm i x e dl e s s 2 w h e nt h ei n t a k ew o r k s ，e a c hl a y e ro ft h ew a t e rh a dn os i g n i f i c a n tc h a n g e si n w a t e rt e m p e r a t u r er e g a r d l e s so f2 5 8mf r o mt h ei n t a k es e c t i o no r6 5mf r o mt h e i n t a k es e c t i o n w a t e rt e m p e r a t u r ei n c r e a s e do b v i o u s l ya n dq u i c k l ya c h i e v es t a b i l i t ya t i n t a k ep o i n td o w n s t r e a m a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o no fw a t e rt e m p e r a t u r ei nt h e r e s e r v o i ra r e aa n dt h em e a s u r e m e n to nt h ed i s c h a r g e dw a t e rt e m p e r a t u r eu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w ec a l ls e et h a tt h ed i s c h a r g e dw a t e ra tt h ei n t a k ep o i n ti sm a i n l y f r o mac e r t a i nh e i g h ta b o v et h es t o p l o g sg a t er o o f t h eh e i g h ti sr e l a t e dt ot h e o p e r a t i o no ft h es t o p l o g sg a t e ，t h ew a t e rt e i n p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h er e s e r v o i r , w o r k i n ge l e v a t i o na n dt h ed i s c h a r g e df l o w 3 s t o p l o g sg a t ew i t hi n t a k ei nl a y e rc a nb eu s e dt or a i s et h et e m p e r a t u r eo f d i s c h a r g e dw a t e re f f e c t i v e l y ，a n dr e d u c et h en e g a t i v ee f f e c to fr e l e a s i n gc o l dw a t e ro n d o w n s t r e a me n v i r o n m e n t t h er e a s o n a b l e n e s so fs t o p l o g sg a t ew i t hi n t a k ei nl a y e ri s d e m o n s t r a t e do i lt h ea n g l eo fi n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r eo fd i s c h a r g e dw a t e ri nt h i s p 印e r k e yw o r d s ：i n t a k eo fh y d r o p o w e rs t a t i o n ；m u l t i - l e v e li n t a k es t r u c t u r e ； s t o p l o g sg a t e ；w a t e rt e m p r a t u r e ：m o d e lt e s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王螫 签字日期：2 0 0 8 歹月f 白 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤盗盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：璐 签字日期：羽昭年石月日 导师签名：；i 事车 签字日期：弼年占月，日 天津大学硕士学位论文第章绪论 第一章绪论 随着社会的快速发展，经济的持续增长以及人口的不断增加，水资源越来越 成为制约社会经济发展的重要因素。2 0 0 6 年我国水资源总量2 5 5 6 7 亿立方米， 比上年减少8 9 ，比常年减少7 7 ，人均水资源量1 9 4 5 立方米，比上年减少 9 3 ；全年平均降水量6 1 5 5 毫米，较上年减少4 5 ，比常年减少4 2 。年末 全国4 6 5 座大型水库蓄水总量2 1 0 9 亿立方米，比年初减少1 2 8 亿立方米；全年 总用水量5 7 1 6 亿立方米，比上年增加8 3 亿立方米；全国人均用水量为4 3 5 立方 米，比上年略有增长。全年曾有3 5 7 8 万人口、2 9 3 6 万大牲畜因干旱发生临时性 饮水困魁1 | 。从数据可以看出，我国的水资源状况十分严峻。 为了解决水资源紧缺这一重要问题，人们开始采取节水、修建水库、回收利 用污染水等措施来加大可利用的水量，其中水库以其利于灌溉、预防洪涝灾害、 便于发展渔业、发电、为人类提供淡水、调节生态平衡、改善航运条件和发展旅 游业等多种功能与效益备受瞩卧2 1 。在这一背景下，研究水库水电站的各方面水 力特性显得尤为重要。 1 1 水库的水温分层 大型水库的兴建形成了巨大的停滞水域，太阳辐射和水的理化特性造成与原 天然河流完全不同的水域环境，使河道原来流动的、水温基本混掺均匀的水体转 变为相对静止或流动十分缓慢的大体积水体，从而形成了特有的温度场【3 】，水体 温度具有明显的沿深度成层分布的特点，表层水温和底层水温相差很大，有时温 差值可达2 0 c 左右。而水库水温的变化，又会影响到其下游水域水温的变化， 对库区及下游河段的水生生物、农田灌溉和生产生活用水等将产生重大影响，并 且对水工坝体温度应力分析、施工温控设计、继电机组冷却等也有重要影响。不 同水库不同月份的水温分布各不相同，但大体都可以分为三层：活动层、温跃层 和滞温层。近年来已有许多学者【4 d l 】对不同水库的水温分布进行了模拟预测。下 面以山口岩水库为例来介绍一下不同水库水温分层情况。 山口岩水利枢纽工程位于江西省西部的萍乡市东南部、赣江支流袁河上游， 坝址位于萍乡市芦溪县上埠镇山口岩村附近，距萍乡市3 0 k m 。工程任务以防洪、 供水为主，兼顾发电、灌溉等，是一座大型水利工程。水库正常蓄水位2 4 41 1 1 ， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 总库容1 0 5 亿m 3 ，平均日供水量2 0 万t ，电站装机i o m w ，灌溉面积6 7 4 7 h m 2 。 工程坝址处控制流域面积2 3 0k m 2 ，多年平均流量为7 5 41 1 1 3 s ，多年平均年 径流量为2 3 8 亿m 3 ，4 - 9 月的径流量约占全年总量的8 0 以上，多年平均含沙量 为0 1 4 0 k g m 3 。项目区属亚热带季风湿润气候区。多年平均气温为1 7 2 0 ，年 平均降雨量为16 0 4 2 r n r n 。 山口岩水库总库容为1 0 5 亿1 1 1 3 ，多年平均径流量为2 3 8 亿m 3 ，水库水体全年 替换缓慢，全年共替换2 2 7 次，5 0 年一遇洪水总量占总库容的3 3 ，库区水温分 布结构为典型的分层型，库底存在稳定的低温水体。水库垂向水温分布预测结果 见图1 1 。 罢 殛 * 永溢， 图1 - 1 山口岩水库垂向水温分布 4 】 从图1 1 可见，库区水温垂直结构受洪水入库的影响，界面在年内略有变动， 但大体上分为3 层：从水面到水深1 2 m 内为活动层，水温随气温变化而变化，库 表水温在1 1 9 3 0 之间变动。在升温期，表面水温迅速上升，8 月份达最高值 2 9 9 c ，此后，表面水温逐渐下降，水温梯度变小，到次年1 月，库表水温与中 下层水温基本一致；水深1 2 3 0 m 之间为温跃层，以8 月最为显著，水温随水深剧 烈变化，水温从2 5 4 降到1 6 。1 ，水温梯度达0 。5 m ；水深3 0 m 以下为滞温 层，对外界气温和库表水温变化不敏感，水温变幅很小，基本与库底水温保持一 致，常年维持在8 5 1 6 2 之间。 表卜l山口岩水库坝址下游河道水温 4 】 月份123456789l o1 11 2年平均 下泄 水温 天然 水温 1 1 98 68 7 1 0 6 1 1 21 5 61 5 91 6 1 1 6 21 5 1 1 4 71 2 7 1 3 1 8 18 31 2 31 7 52 2 62 5 52 9 93 0 42 6 52 1 91 6 69 61 9 1 淤一 天津大学硕士学位论文第一章绪论 山口岩水库坝址下游河道水温见表1 1 。水库正常蓄水位2 4 4 m ，供水、灌溉 用水、发电引水隧洞进水口底板高程为2 1 2 5 m ，洞径3 m ，故水库下泄水水温相 当于水库水深3 0 m 处的水温。 1 2 低温水的产生及危害 综上所述，由于建坝后大中型水库水深加大，垂向温度分布呈三个层次：上 层温度较高称为活动层；下层温度较低称为滞温层；中间的过渡段称为温跃层。 冬季表面水温不高，没有显著的温跃层；夏季水面温度较高，温跃层就比较显著。 深水层中温度低，溶解氧含量低，同时二氧化碳浓度增加，形成还原环境 1 2 】。因 此，单一从库区深层取水，导致低温水的下泄，会给下游农业和其他生态环境带 来许多不利的影响。 1 2 1 对农作物的影响 低温水的泄放会对农作物造成一定的影响，特别是需水喜温作物水稻。 水稻各生育期生长的适温大致为2 5 - - 3 5 ，最适温度为2 8 3 2 ，各生育期的 水温下限大致是2 0 ，上限约3 8 。从水库底层取水，造成水土温度低，使水 稻新陈代谢慢，光合作用弱，吸肥能力差；还会抑制微生物的活动，使土壤中有 机质分解缓慢，不能及时提供水稻发育所需的养分。因而导致水稻返青慢、分蘖 迟、发兜不齐、抗逆性降低、结实率低、成熟期推迟、产量下降。 1 2 2 对水生生物的影响 水生生物生长要求有一定的水温，较充足的氧气、养料和较少的游离c 0 2 。 由于水库内的水温表层高于底层，溶解氧、浮游生物等均为表层多于底层，而对 于鱼类有害的c 0 2 、h 2 s 等，则是底层多于表层，因此采用深孔泄流，对下游的 本地水生生物生长十分不利【13 | 。 水库在实现防洪、发电、供水、灌溉、航运等社会经济目标时，还应该维持 或改善河流健康的环境与生态，体现人水和谐。为了尽量避免低温水下泄的不利 影响，。国内外已经开始在水电站的建设中考虑采取改善下泄水水温的工程措施， 如分层取水 1 4 , 1 5 】、打破温跃层【1 6 1 和水利生态调度【1 7 】等。近年来j 随着对生态环 境保护的重视，水电站进水口分层取水方式( m l i s ) 正逐渐被采用【l8 1 。水电站 进水口分层取水方式作为下泄低温水的减免措施，其目的是允许运行时有选择地 取用水库的不同层水体，以便有效地减轻电站取水对下游生物及水环境造成的负 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 面影响，满足环保设计的要求。 1 3 国内外相关问题的研究进展 美国和前苏联在2 0 世纪3 0 年代开始了水温的监测分析工作，并在以后的发 展过程中，在水温数学模型的建立和应用方面一直处于世界前列，前苏联在现场 试验方面做了大量的深入细致的工作，日本在水库低温水灌溉对水稻产量的影响 及水库分层取水方面进行了很多研列1 9 】。7 0 年代国外研究水库水温比较活跃 2 0 , 2 t 1 o 国内自2 0 世纪5 0 年代中期开始水库水温观n t 2 2 】，6 0 年代水库水温观测在 大、中型水库逐渐展开，7 0 年代中期以来，预测水库水温的经验类比方法不断 出现，8 0 年代我国引进了m i t 模型，并对模型进行扩充和修改，提出了“湖温 一号”湖泊、水库和深冷却池水温预报通用数学模型。以后我国的许多研究者不 断对一维数学模型进行了修改和和补充，使一维数学模型不断得到完善。9 0 年 代，武汉大学的陈小红、雒文生、周志军等【2 3 ，2 4 】进行了水库的二维水温计算。最 近，四川大学的邓云、李嘉等【2 5 】对紫平铺水库水温、水质进行了预测研究。但这 些研究主要侧重于数学模型的建立和数值模拟研究，对相关问题的物理模型试验 研究尚处于空白，对于水库的水温分布与下泄水温关系问题，也还难以获得十分 准确的答案。 目前对于水库的水温分布问题，主要从下列三个方面着手进行研究。 1 3 1 经验类比法 到目前为止，国内提出了许多经验性水温估算方法，最具有代表性的几种经 验性公式是：水电部东北勘测设计院张大发和中国水科院朱伯芳【2 6 j 提出的方法， 以及中南勘测设计院水工建筑物荷载设计规范编制组和水利水电科学研究院 结构材料所提出的统计分析公式以及西安理工大学李怀恩1 27 j 提出的幂函数公式。 这些经验法公式都是在国内外多座水库实测资料的基础上综合出来的，用于水库 的水温预测，解决生产实际问题，应用非常简便。但经验法是根据实测资料综合 统计出来的，反映的是水温变化的统计性规律，而没有从水温的形成过程探讨水 温变化的内在规律，在应用上还有一定的局限性：对于一些具体问题，如水库形 态、人流、出流流量、水库调度方式、泥沙异重流等对水温分布的影响难予考虑； 较短时段如日、月内变化还无法解决：有些地区缺少或无水温观测资料，则经验 公式就不能很好地反映这些地区的特点。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 数学模型法 数学模型可以在一定程度上弥补经验法的不足。所以要深入研究水温变化规 律，需要采用数学模型法。数学模型法按照模型所包含的变量空间分布可分为零 维、一维、二维、三维数学模型法。2 0 世纪6 0 年代美国水资源工程公司及m i t 分别提出了垂向一维的w r e 模型和m 1 t 模型 2 8 2 9 1 ，这两种模型都得到过实测 资料的良好验证，在国内也被广泛应用【3 0 】。立面二维的水库水温模型已经有一些 研究成果 3 1 , 3 2 ，各模型的主要差异在于其垂向紊动扩散系数的模化，k 一紊流模 型因为计算稳定和参数少而被广泛采用。常用的经验法有东勘院法、朱伯芳法和 统计法等。 江春波等【3 1 通过立面二维模型，考虑自由水面的变化，将取水1 2 1 处的流速作 为出口条件，模拟了河道流动的水温分布等。该模型适用于大尺度水域中较长期 的流动、水温及悬浮物质迁移问题。熊伟一等【3 3 j 采用一二维耦合模型研究了三峡 水库水温分布以及下泄水温变化，但由于耦合模型一、二维计算连接中带入的误 差尚无法定量分析，需取得实测资料后做进一步验证。郄志红等【3 4 j 提出了一种判 别水库水温分层模式的人工神经网络方法，该方法不直接描述水温分层的物理机 制和物理模型，通过设定前馈网络结构并利用已有实例进行训练，使网络能很好 地模拟水温垂直分层模式影响因素与水温分层模式间的映射关系。叶闽掣”】采用 一维垂向水温分布模型，用有限差分法计算隔河岩水库的垂向水温分布。蒋红 3 6 1 对水库水温计算方法进行了探讨，并将各方法用于溪洛渡水电站水库的水温计 算。同时对各方法的功能、参数、优点、缺点及适用性等方面进行评价。董悦安 等【37 】为研究密云水库表底层水体交换试验中表层水体温度的变化及流速的变化， 利用水泵将水库的底层水抽至水面，进行交换试验。鞠石泉等 3 8 】分析了水库水温 主要影响因素，从计算原理和适用性两方面介绍和比较了四种常见的水温计算方 法，即东勘院法、朱伯芳法、统计法以及数学模型法，并将其应用于对水口水库 水温的计算分析。 如今在研究水库水环境中，数学模型法已经是一种必不可少的方法。当前一 维垂向数学模型已经成熟，而二维垂向数学模型正在发展中，使用三维数学模型 是未来发展的趋势。但水库水温变化不仅受水库形态、水库调度方式的影响，还 受气象条件的影响，而目前不管一维还是二维模型，都是在较小范围和特定条件 下建立的，当应用于不同流域水库时，需要重新率定模型参数，因而无法较好地 模拟其他地区的水库水温变化过程，因此研究水库水温通用模型也是水库水温的 一个研究方向。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 3 物理模型法 目前，国内外进行水温分层试验的例子非常少 3 9 1 。一些学者如r f h a r l e m a n 、 m a s c e 和f a s c e 等 4 0 4 3 用盐度来进行了分层流的试验，但盐度分层与温度分层 的具体对应关系很难解决。另外一些学者如张小伟掣删对电厂温排水下泄水温的 影响作了模型试验，取得了一些成果，但并未对取水口处水温的分层情况作深入 的分析。 1 4 本文的研究工作和创新 水库蓄水后带来了发电、防洪、灌溉、航运、旅游等综合效益，但同时由于 水库蓄水，将改变库区及大坝下游河段的水文情势和水环境状况，水温是水质因 素的一个重要变量，在确定其他水质指标的过程中往往与水温有关。而水温的变 化，对库区及下游河段的水生生物、农田灌溉、和生活用水等将产生重大影响， 在水库的规划设计和运用管理中起着重要作用【4 5 1 。为了更好地发挥已建水库的功 能，提高水库效益，也为了更好地利用水资源，研究水库水温的变化规律，对于 工程的环境保护和工程的建设及运行有重要意义。纵观已有研究成果，研究水库 水温分布的较多，考虑取水口位置研究下泄水温变化的较少；研究方法多为数学 模型法，但计算结果的精度取决于模型中参数的率定。目前对于水库的水温分布 与下泄水温关系问题，还难以获得十分准确的答案，而国内外对此问题进行物理 模型试验的例子更是稀缺。本文以糯扎渡水电站为背景，对其分层取水下泄水温 进行了物理模型试验研究，并对库内水体温度分布、分层取水口位置以及下泄温 度之间的关系进行了理论分析。 本文的主要研究工作如下： 1 ) 通过模型试验量测下泄水流的水温分布。 2 ) 探讨库内水体温度分布、分层取水口位置以及下泄温度之间的关系，提 出定量成果。 3 ) 综合试验成果，探索规律性结论。 天津大学硕士学位论文第二章模型试验研究 2 1 工程背景 第二章模型试验研究 糯扎渡水电站工程为澜沧江中下游河段梯级规划的第五级，电站枢纽由心墙 堆石坝、左岸开敞式溢洪道、左岸泄洪洞、右岸泄洪洞、左岸地下引水发电系统 及下游护岸以及等建筑物组成。心墙堆石坝最大坝高为2 6 1 5 m ；水库总库容为 2 3 7 0 3 1 0 8 m 3 ，调节库容1 1 3 3 5 x 1 0 8 m 3 ，糯扎渡水库具有多年调节能力；泄洪建 筑物在校核工况时( p m f ) 泄洪流量为3 7 5 3 2m 3 s ，总装机容量为5 8 5 0 m w ，保 证出力为2 4 0 6 m w ，多年平均发电量为2 3 9 1 2 1 0 8 k w h 。 地下发电厂房共安装9 台机组，单机单管引水，单机引用流量为3 9 3 m 3 s ， 引水道进口前缘宽度2 2 5 m 。进水口共设9 孔，金属结构设备按照叠梁多层取水 的布置方案设计，每孔设置有垂直式工作拦污栅、检修拦污栅、取水叠梁闸f - j ( 共 用检修拦污栅槽) 、检修闸门、快速事故闸门及其相关的启闭设备。在检修栅槽 内设置多层取水叠梁闸门，用于取库区表层暖水发电，解决低温水下泄的问题。 水库正常蓄水位8 1 2 m ，汛期限制水位为8 0 4 m ，死水位7 6 5 m ，在可行性研究阶 段，仅设置了单层取水，进水塔底板高程为7 3 6 m 。由于糯扎渡库容巨大，水库 具有多年调节特性，根据水温分析预测成果分析，水库建成后，水库水温将出现 稳定分层现象，即水库表层的水温将高于原天然河道的水温，但水库下层的水温 又将低于原天然河道的水温，水库下泄低温水将对下游鱼类产生一定的不利影 响。因此在可行性研究以后针对下泄低温水的减免措施进行研究。 本模型试验依据的基本背景资料如下： ( 1 ) 糯扎渡工程概况； ( 2 ) 库区地形图、枢纽布置图； ( 3 ) 水电站进水口平面布置图、剖面图、特征尺寸； ( 4 ) 叠梁门运行方式； ( 5 ) 特征水位、特征流量等； ( 6 ) 库区水温结构分布。 糯扎渡水电站进水口平面布置图和叠梁门进水塔剖面图如图2 - 1 吞c i 图2 - 2 所 不。 图2 - 2 叠梁门进水塔剖面图 8 天津大学硕士学位论文第二章模型试验研究 2 2 模型设计 水工模型试验具有悠久的历史 4 6 , 4 7 】。早在1 8 i ! t 纪初，欧美诸国己建成许多水 工实验室，从事水工、河工和港工水力机械等方面的缩尺模型试验，效益显著。 我国于3 0 年代初期，先在德国进行黄河治导工程模型试验，同时开始酝酿和筹建 国内的水工试验厅，引进西方水工模型试验技术。1 9 3 3 年在天津成立全国第一个 水工试验所；1 9 3 5 年在南京筹建中央水工试验所，后改为南京水利试验处；清华 大学的水力试验馆于1 9 3 4 年建成。到目前为止，全国可以进行水工模型试验研究 的单位己多达4 0 余个。 水工模型试验要想能够很好的模拟原型，则必须满足几何相似、运动相似、 动力相似这三方面的相似特征，其中几何相似是动力相似、运动相似的前提，动 力相似是决定流动相似的主导因素，运动相似是几何相似和动力相似的表现。 在模型制作中，只要有足够大的场地，几何相似很容易满足，其次，需要解 决的是满足动力相似条件，对于由n s 方程描述的流体运动，要使模型和原型达 到动力相似，则必须满足弗劳德数( 表征重力和位移惯性力的比值) 、欧拉数( 表征 动水压力和位移惯性力的比值) 、雷诺数( 表征粘滞力和位移惯性力的比值) 、三个 相似准数同时相等。在模型试验中，要同时保证以上三个相似准数相等是很困难 的，但是在实际水流中，在某种具体条件下，总有一种作用力起主要作用，而其 他作用力是次要的。因此在模型试验时可以把实际问题简化，只要使其研究问题 起主要作用的一种力保证作用相似，使之满足该主要作用力的相似准则，并可证 明其它次要作用的影响力是可以忽略的，这种相似虽是近似的，但实践证明是满 足要求的。在泄水建筑物水力特性的试验中重力是主要作用力，且模型水流的雷 诺数足够大，粘性影响可以忽略，因而雷诺相似准数可以不考虑，因而只用考虑 重力相似准数相等即可基本满足相似要求【4 8 l 。 模型设计中最重要的就是模型比尺的选择，以达到模型与原型各种水力特性 的相似。电站取水口的设计应满足在取水时避免有害吸气漩涡的出现，且流速分 布均匀，即应同时满足漩涡运动和流速分布的相似【4 9 】。要达到上述要求，在水力 学特性上作到模型与原性的相似，通过严格的流体力学运动方程推导可知，必须 考虑反映重力作用的弗劳德数( f r ) 、反映粘滞力作用的雷诺数( r e ) 、反映表面 张力作用的韦伯数( w - e ) 、反映环流作用的环流强度参数( n r ) 、相对淹没深度” ( s d ) 以及几何边界条件这六个制约因素的影响。此外，由于本试验还涉及到 对原型库区水温分布状况的模拟，因此模型中的水温分布状况还应与原型的水温 分布状况相似。 天津大学硕士学位论文第二章模型试验研究 2 2 1 重力相似 电站进水口的水流运动主要受重力作用的控制，因此模型按重力相似准则设 计，并采用正态模型，以保证水流流态和几何边界条件的相似。 对于重力起主导作用的流动，应保证模型和原型的弗劳德数相等，即按弗劳 德相似准则设计模型。由式( 2 1 ) ，2 土：l( 2 1 ) a g 扎 可得出流速比尺 无= 爿门 ( 2 2 ) 流量比尺 久q2 灭a a u = a 2 l 1 l r = 砖( 2 - 3 ) 综合试验的要求，模型管道选材及试验场地情况等，模型几何( 长度) 比尺 ( 原型量模型量) 选取石= 1 0 0 。 2 2 2 水力热力模型相似 不计水体本身的热传导 5 0 , 5 1 ，温差水体运动的一般公式可表达为： 矽仁，三，e u ，r e ，f r ，f a ，水面热量交换比，固壁热量交换比 ：0 ( 2 - 4 ) xx 式中，x 、y 、z 为长、宽、深的三方向坐标，e u 、r e 、f r 、f 相应为欧拉数，雷 诺数，弗劳德数，密度弗劳德数。由此可得模型相似准则： ( f a l = 1 ( 2 5 ) 即 竺 ：1(2-6) a p , g , l ， pt 由此可以得出，模型试验的温度分布应与原型相同。 综上所述，模型相应水力要素的模型比尺关系及模型比尺列于表2 1 天津大学硕士学位论文第二章模型试验研究 2 3 模型制作及量测仪器 2 3 1 模型制作 电站进水口模型采用有机玻璃制作，模拟甜5 毋6 三台机组的三个进水口， 包括拦污栅槽、检修闸门、叠梁门、工作闸门、事故闸门、收缩段、部分引水管 段等。 进水口模型上游为水库段，其中包括放置温度传感器和观测进水口的观测 段。水库段长1 4 m ，宽2 m ，高0 8 m ，其中观测段长7 m ，由厚1 5 c m 的透明有 机玻璃制作。水库段上游设置了稳流格栅以平水，并在上游尽头设置了高为7 6 c m 的溢流板来控制水位。水库段外围两侧修建了高6 5 c m 可容纳1 0 5 m 3 水的蓄水池。 进水口模型下游为集水池，下泄水由此收集并通过管道连通到蓄水池。模型全长 2 0 m ，具体布置如图2 3 所示。 为了控制水温分布，在水库段距取水口6 5 m 处沿垂直方向布置3 个温度传 感器，又在水库段距取水口2 5 8 m 处沿垂直方向布置5 个温度传感器。此外还在 每个取水口的渐变段后分别布置一个温度传感器以测量下泄水温。整个模型共布 置了1 1 个温度传感器。具体温度传感器位置与叠梁门高度如图2 4 所示。 1 面西1 叫 j l _ 一 * m 9 l 。o 掰一一! 引毒州c(_ 匝哪始剥辎留鳝cn匝匝目帚蛞测删样繇蝠声 e n h j 一 臻 最ql上 吕叶一 函旧蛏测咖螓黎鳝对 日一卜 ，孵 d 岜 一 t| ll 昌 1 i 6 e 田 l 一 j ：i 丌 g 卜麓啦值神 上 昌 叫籀啦博稚i i 善 倒 m 8 。0 1 _ i 白 昌 ”毫 蝗 - 7 * 一 一 螺嚼异 妖富繇筇剥辎褂躲 议嵇迥扑书隧扑k爨帐 硕士学位论文 第二章模型试验研究 # g * $ $ t * b 4 二：一i 兰，j 本l i 瓢i 一竺! 。 二”7 * ”_ = r ：；i 。# m 。 ； oi 二fe * 嚣l l t 3 * s 舢fj 。 ：i 占一一一二。 1 1 1 翌三tj竺竺：lliii ：i 当 薹测仪器 圈2 4 传感罂布置位置示意圈 热系统：共计1 2 根加热器，功率8 k w x1 2 。 晓传感器：采用k z w - k p t - 3 a - 2 型熟电阻温度变送器，量程0 - 6 0 c ，精 02 ，共计1 1 根。 嚷采集系统：温度传感器由计算机自动记录，实现温度实时采集。温度传 过温度变送器输出标准的工程信号，传送到温度采集柜。如图2 - 5 所示。 罔25 温度采集系统 天津大学硕士学位论文 第二章模型试验研究 2 4 试验步骤 1 在正常蓄水位下，对于不同的叠梁门组合情况进行试验。 2 依据给定水库内温度垂向分布( 水库内温度垂向分布由水科院提供) ，模 拟水温分布，并通过温度传感器的检测，保证库内水体沿水深形成所要求的温度 分布。 3 打开取水口，使取水口流量在预先设定的大小，同时向模型内进行补水 以保持正常蓄水位，使用温度传感器记录库内与取水口温度变化。 天津大学硕士学位论文 第三章试验成果与分析 3 1 试验工况 第三章试验成果与分析 糯扎渡水电站运行水位及叠梁门运行情况如表3 1 所示。其中典型丰水年运 行水位年变动范围为8 0 3 5 m 8 1 2 5 m ，采用第一层取水方案；典型平水年运行水 位年变动范围为8 0 1 8 m 8 1 2 3 m ，采用第一层取水方案；典型枯水年运行水位年 变化范围为7 5 6 7 m 8 1 1 7 m ，6 月1 日一翌年3 月3 日采用第一层取水方案；3 月3 日3 月1 3 日采用第二层取水方案：3 月1 4 日4 月7 日采用第三层取水 方案；4 月8 日一5 月3 1 日采用第四层取水方案。 表3 1 分层取水运行参数 试验选取典型平水年作为目标年份进行试验。表3 2 为水科院提供的典型平 水年糯扎渡水电站取水口前距坝2 5 k m 断面的水温垂向分布结果，从水科院的计 算结果分析，坝前l o k m 范围内，水温垂向分布变化很小，所以距坝2 5 k m 断面 的水温垂向分布结果，可以代表坝前的水温分布。 依据表3 2 中数据绘制水电站取水口前断面典型平水年水温垂向分布图，并 根据温差及温跃层情况对1 2 个月份的水温垂向分布作典型分类如图3 1 所示。 从中选取典型平水年3 月、5 月、8 月和1 1 月作为目标水温分布进行模拟。 根据糯扎渡水电站水温分布、运行水位及叠粱门运行情况，本试验对每种水 温分布均测量四种工况：无叠梁门( 高程7 3 6 o m ) 、一层叠梁门( 高程7 4 8 7 m ) 、 两层叠梁f - j ( 高程7 6 1 4 m ) 、三层叠梁f - j ( 高程7 7 4 o m ) 。各工况下每个取水口 流量均为3 9 3 1 s ，三个取水口全部开启。水槽工作水深为7 6 c m 。试验工况一览 如表3 3 所示。 寸 口nnnn_葛hn一心口n卜_nh寸_【卜寸一nh n寸价心on_寸on。nh卜卜卜西寸h n”n寸寸h 寸一n寸n价h 卜”non”_l ”n一”一 卜on一”一 n卜卜o虮一 峙n。”一 岭一nq岔寸_【e奇n寸岔寸一 岔岔崞nn”一 o一卜nn一 一心一n n寸一心一n_【 n 寸n o n 一 n崞心寸价一寸岔。心n价一 n价n价【 岔卜n乱一n一 心甙non_l n o 寸岔寸一 n 岔n a = 寸卜nn价一 一n寸nn n寸卜nn一 卜non价一 n卜n岔n价一 o岔nn【 n 卜n o n 一 岔岔岔甙寸【n_、_寻岔寸一 寸_o寸乱寸一 n口西卜nn_【 卜nnn价-【 n 价价心n n _ n 卜n o “一 卜n o o n 一 寸_ln寸乱寸一 寸n寸甙寸一 甙岭n岔nn一 卜卜价心nn一 _lnn寸n一 【。裂卜nh 。n锐口至 葛葛寸至 s葛nn_【 岔譬。nh 瓮譬。至 瓮g 。墨 。_口苌= c 9 导昏! l蓦n”一 n芝导n1 ! 茫2 寸n昏n口一 价价卜no岭一 心。口n崎价一 n一”一nn_【 m卜口_【一卜一 nn卜岔仓心一 oo寸_【 寸_【_【“一 n 一 n o n 一 一n【on_【 心n卜寸昏寸一 _l寸卜n卜nl n心”_价【 n卜岭寸on【 心n o n o n 一 寸_lon卜【 岔no【o一 卜寸卜nn卜一 n一心o崎【 一nnn价一 卜岔口on【 n n o 【6 一 岔o n n n 西寸 l n o n 甙= 卜_【西寸一 卜寸昏一n”一 卜o卜nn一 一o寸一岭一 nn卜寸n”一 仓一一卜卜”一 口n卜心一 心卜no价一 卜n甙寸一 卜也卜寸一 心心nnn一 一”一 卜寸卜o卜一 ”nnn卜一 _【n寸1卜一 寸”寸nnn【 n心价一nn一 卜nn。一”一 1。西岔寸一 心一口一。n n。口n寸”【 口卜n口。峪一 岔寸卜寸卜一 onn甙l 寸卜。一卜昏一 n母一一n岔一 n n n o 一 n 寸n 一 n ”o 卜n o n n 一卜n n o n 岔寸一寸西一 n口”一 nn崞崞n”【 na崞n1”一 n 寸n n o ”一 n n n 心o n nno岔寸价一 价卜卜一一 寸nn卜卜一 o n 心一 蚺昏on卜n n m o n n 一 n口。一n n寸心一n一 卜o岔一 卜n寸心on 昏寸”一岔on n乱寸甙寸on n寸nn一 寸on心一 n 一卜n o o n _ 【o 一罱 n 口1 8 n 一 卜寸心婚n一 岔寸n寸n一 寸一岔卜一 onn”_【 n a 一甙n n n岔n一口n【 西一。口n崞一 【价nn一 n n n n 一n 卜n卜卜价_【n n。n 寸n卜卜n一 一。寸1卜一 nn。n一 心口n岔寸n【 岔nn卜n崎i 卜n寸口口谚一 卜n寸n_l 兰冷寸。n c 8 n 崎_ n 乱价心n n n n若小卜“n心_l