简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】二滩水电开发有限责任公司

【课题编号】S0203732008

【课题起止时间】2008年12月～2010年6月

【完成单位】中国水利水电科学研究院    二滩水电开发有限责任公司

【主要完成人】孙双科、柳海涛、王晓松、姜  涵、夏庆福、何益英、刘继广、陆  洋、雷  声、张国强

立项背景

锦屏一级水电站最大坝高305m，是雅砻江干流中、下游河段的控制性梯级电站，坝址控制流域面积102560km²，水库正常蓄水位1880m，总库容77.6亿m³，调节库容49.1亿m³，具有年调节能力。电站开发目标以发电为主，并兼具防洪、拦沙等作用。电站总装机容量6×600MW，年利用小时数4616h，多年平均发电量166.2亿kWh。电站进水口位于右岸，采用岸塔式布置，6孔进水口呈一字型布置，进水口底板高程1779m，机组引用流量2024.4m³/s，对应于水库正常蓄水位1880m与死水位1800m，正常运用水库的消落深度为80m，进水口取水深度在21m～101m之间。

为减免3～6月份电站下泄低温水对鱼类繁殖的不利影响，设计方面采用了三层叠梁门进水口布置方案，以尽可能取用水温较高的中、表层水，1～3个门叶高度分别为7m、14m和14m，单块门叶的宽度为3.8m。锦屏一级水库调度需考虑对二滩水库蓄放水的影响，因此拟定单层进水口方案调度原则为：7月底前水库水位蓄至1880m，12月～4月底为供水期，5、6月水库均在死水位运行；叠梁门方案调度原则为：9月底前水库水位蓄至1880m，12月～5月底为供水期，5月底水库水位降至死水位。

为充分论证电站进水口分层取水的效果与体型布置的合理性，成都勘测设计院与有关研究单位合作开展了大量的研究工作：1）水力学问题研究：委托中国水科院进行了水工模型试验研究，研究了叠梁门分层取水方案的水力特性，包括水头损失、水流流态、压强与流速分布、以及事故门快速启闭的动态响应等。2）鱼类资源调查研究：研究表明，长丝裂腹鱼、短须裂腹鱼为本工程涉及的主要经济鱼类，占库区渔获量的95％以上。进一步的分析表明，锦屏水电站水库运行后下泄水温的变化，最不利的影响主要是对鱼类繁殖的影响，尤其是3～6月份水温回升减缓问题较为突出。3）水温预测研究：委托四川大学建立了立面二维水温模型，模拟计算了在常规进水口、两层叠梁门分层取水进水口、三层叠梁门分层取水进水口等三种布置方案下，下泄水温之间的差异。4）原型观测研究：为验证立面二维水温模型，对地形与气候与锦屏一级电站相近的二滩水电站进行了4次全库区水温分布观测。

上述一系列研究工作，为锦屏水电站分层取水进水口的设计、论证与优化提供了定量依据。然而，由于技术问题的复杂性，前阶段的相关研究尚存在一些不足与难点，需要进一步深化完善：1）就叠梁门分层取水的效果而言，最重要的还是取决于取水口附近范围内流速场与水温场的分布。就研究维度而言，与整个库区相比，属于典型的三维问题。2）水温预测的立面二维数学模型，能够全面反映上游入流、太阳长短波辐射、水体热传导、下游引水流量等因素对库区水温的总体分布影响，但由于计算范围涉及整个库区，属于大尺度计算，难以准确模拟进水口附近流速场与水温场的细部结构。3）受观测条件的限制，二滩水库水温的原型观测资料，尚缺少进水口附近水温垂线分布的实测资料，无法定量计算取水水温。4）到目前为止的相关研究工作，未能全面考虑叠梁门不同运行方式下，下泄水温的变化。5）从目前立面二维数学模型的研究结果看，在平水年3～6月份，单层进水口下泄水温的温降幅度，与三层叠梁门的下泄水温的温降幅度相差较细微，有必要进一步复核。

基于上述背景，受二滩水电开发有限公司的委托，中国水利水电科学研究院承担了本项试验研究工作，以进一步论证锦屏一级水电站采用叠梁门实施分层取水的实际效果与运行调度方式。

详细科学技术内容

1）根据水库及建筑物水力边界，建立水温物理模型，针对各典型月份的水温数值模拟结果，利用分层加热系统，对水库垂线水温分布进行模拟。

2）综合考虑平水年无叠梁门方案、一层叠梁门（14m）方案、两层叠梁门（28m）运行方案以及三层叠梁门（35m）运行方案，进行流速-水温同步模拟试验。

3）在水流与水温场达到相对稳态的条件下，量测各典型月份，进水口不同叠梁门高度对应的下泄水温，提出定量研究成果。

4）根据试验结果，对电站进水口叠梁门运行调度提出合理化建议。

发明及创新点

本项目研究，采用水工模型模拟了锦屏一级水电站部分库区与电站分层取水取水口，通过分层绝缘加热方式模拟了水库水温的垂向分布，对叠梁门分层取水进水口提取表层水的取水效果进行了定量研究，并对电站叠梁门运行调度提出了建议。主要成果如下：

1）基于浮力相似准则，对水库水温分布物理模拟的相似律进行了理论研究，导出了对应的温度分层相似关系。

2）采用分层持续加热的方法，成功模拟出原型水库中的水温垂线分布，实现了水温场与流速场的同步模拟。

3）模型试验表明：在水库进水口及其叠梁门运行对于邻近库区的温度分布与流场有一定的影响。就锦屏一级水电站而言，该影响域的上游边界距进水口约600m，在此范围以远的库区则无影响。

4）叠梁门式分层取水进水口提取表层水的取水效果与叠梁门门顶水头密切相关：当库水位较高时，由于门顶水头较大，叠梁门运行对取水效果影响不大；而当库水位较低时，因门顶水头较小，更容易提取表层温水，取水温升较大。如锦屏一级电站，叠梁门门顶水头在20m～70m之间，叠梁门运行所贡献的温升值分别为2.5℃与0.15℃，两者相差10倍以上。

5）由于进水口取水高程、前池开挖及附近地形的影响，近坝区呈现三维流态。锦屏一级电站在引水过程中，在左坝肩附近形成较大的回流区，导致进水口前水温分布不均匀，使得不同孔口间的取水水温存在一定差异。

6）水温研究的主要目标是论证电站进水口分层取水设施能否使水库在典型月份下泄水温接近于天然水温，以利鱼类繁殖和下游生态的恢复。从本研究的成果看，现有的三层叠梁门方案完全能够满足技术要求，并对进水口叠梁门运行调度方案进行优化。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

本项目工作主要在以下几个方面进行了创新性研究：

1）分层取水水温模型中对库区水温分布的模拟方法

国内外常用的水温垂向分层物理模拟方法主要采用一次性加热模式，即在进水口运行前需要人工形成静态水温分层。这种方法主要存在两个不足：一是试验所需的初始水温垂线分布需要较长的形成时间，导致试验时间较长，同时试验的可重复性较差；二是由于受实验技术条件的限制，试验中无法精确模拟实际的水温分布，在取水试验过程中库区水温的垂线分布会不断发生变化，从而导致出口温度并非稳态值，而随时间变化，因此试验成果仅可用于取水设施布局及体型的相对比较，不能真实反映实际的分层取水效果。本次试验研究则采用分层加热辅以动态调整的方法，获得稳定的库区水温-流速分布，为叠梁门进水口水力特性的定量研究提供了保障。

2）库区水温分布的浮力相似准则

以往的水温模型通常将温度作为标量，从而忽略浮力效应。对于水库进水口的取水水温，只要将模型得到的取水水温与试验室水温相加即可得到原型取水水温。对于大型狭长型深水水库，水温分层会引起密度分布的变化，当分层取水口汲取某一高程的水体时，会引起相邻水体的横向与垂向运动，此时水体间的浮力效应不可忽视。

本研究基于浮力相似准则，从密度Froude数相等原则出发，经理论推导发现，当试验室水温在15℃～75℃之间时，原型与模型的水温分布需满足：T_P´DT_P＝T_M´DT_M才能满足浮力相似准则。可见，在试验室水温与原型水库的库底水温相差较大的情况下，采用目前温排水模型试验中（由于其平面尺度远大于垂向尺度、水温分层影响可忽略不计）惯常采用的温度差相似原则进行模型设计会导致较大的误差出现。

根据上述理论导出的水温相似准则，通过考虑试验室供水系统的实际水温，以原型水库中的库底水温为基准水温进行逐层计算，可以得到模型中的水温垂线分布。如此处理，可使水温物理模型能够同时满足重力相似与浮力相似准则，保证了进水口前水流三维流动结构与水温－密度分层结构的相似性。

3）相关试验技术的突破

本项研究中涉及的试验技术包括，加热区的功率选型、设计安装、温度-流速控制边界选择、温度分布控制方法以及试验流程设计等，均为国内首次尝试并取得成功，研究的技术思路与实施方案具有一定的开拓性，为今后类似问题的解决方案提供了技术借鉴。

成果应用情况及社会经济效益

本项研究，通过水温物理模型模型试验，对锦屏一级水电站叠梁门分层取水进水口提取表层温水的取水效果进行了系统的定量研究，论证了设计方案的可靠性；并根据试验结果，提出了分层取水进水口的运行调度方案。上述成果为锦屏一级水电站叠梁门分层取水进水口的设计与运行管理提供了关键的技术支撑。

鉴于锦屏一级水电站最大坝高305m，是雅砻江干流中、下游河段的控制性工程，电站总装机容3600MW，多年平均发电量166.2亿度，发电效益巨大。而采用叠梁门分层取水技术是调控下泄水流水温的有效工程措施，对于缓解工程建设对下游鱼类的不利影响有重要作用，因此本项研究具有重大的社会环境效益。

值得指出的是，本研究首次对水库水温分布物理模型的模型相似律进行了理论分析，推导了理论上更为严格的浮力相似准则，对于类似问题的研究有重要的理论指导意义。

模型总体布置