隔水幕布治理水庫下泄低溫水的物理模型試驗與數(shù)值模擬研究

發(fā)布時間：2020-10-15 21:28

　　溫度分層型水庫下泄低溫水問題嚴(yán)峻,已有解決措施諸如疊梁門、多層取水口等需在水庫投入運行前建成。隔水幕布作為一種新型治理方案具有運行調(diào)控方便、不影響發(fā)電效益等優(yōu)點,但關(guān)于該工程形式的研究尚處于數(shù)值模擬階段,改善效果評估缺乏實測數(shù)據(jù)。針對此本文建立了水庫概化模型開展模型試驗,試驗結(jié)果證實了隔水幕布工程形式的有效性;同時采用物理模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)合的手段,對隔水幕布設(shè)置后的下泄水溫規(guī)律進行了分析,主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)建立了水庫概化模型,采用分層加熱水體的方式模擬庫區(qū)典型水溫分布。分析了隔水幕布的設(shè)置以及改變幕布過流水深、下泄流量、水溫分布等條件對下泄水溫的影響:隔水幕布的設(shè)置對下泄水溫改善效果顯著,在本文擬定的單溫躍層型水溫分布(S1水溫分布)條件下,幕布設(shè)置后下泄水溫可升高6.1~8.4℃;在擬定的雙溫躍層型水溫分布(S2水溫分布)條件下,幕布設(shè)置后下泄水溫可提高2.0~3.5℃;下泄水溫隨幕布頂端過流水深的減小而升高,S1水溫分布下改變過流水深,下泄水溫差值達1.4℃;下泄水溫隨下泄流量的增加而升高,取水口高程的變化對下泄水溫影響較小,不超過0.3℃。(2)建立了概化水庫的三維水動力水溫數(shù)值模型,利用物理模型試驗數(shù)據(jù)驗證了該數(shù)值模型的有效性。分析不同因素的變化對模型水域溫度場、流場以及下泄水溫的影響:隔水幕布頂端及其附近區(qū)域為下泄主流區(qū),幕布過流水深的變化導(dǎo)致下泄主流帶位置發(fā)生變化,從而影響下泄水溫;下泄流量的增加,使幕布上游高速流動區(qū)厚度增加,進水口對上層高溫水體牽引作用增強,下泄水溫升高;下泄水溫主要與最大貢獻層水溫、下泄主流帶上下邊界層水溫以及下泄流量等因素有關(guān),基于此提出了隔水幕布設(shè)置后的下泄水溫預(yù)測公式,并利用數(shù)值計算結(jié)果驗證了該公式的準(zhǔn)確性。(3)開展了三板溪庫區(qū)地形模型試驗,模擬庫區(qū)5月中旬、8月中旬水溫分布得到:5月中旬工況設(shè)置下,隔水幕布的設(shè)置可使下泄水溫最大提高3.1℃,8月中旬工況設(shè)置下,隔水幕布設(shè)置后可使下泄水溫值最大升高5.2℃;將不同隔水幕布過流水深、下泄流量、水溫分布等工況下的模型試驗數(shù)據(jù)與下泄水溫預(yù)測公式計算值進行對比,兩者最大誤差為0.35℃,證明了預(yù)測公式在實際工程中的適用性,為隔水幕布形式在實際工程中的應(yīng)用提供了可靠依據(jù)。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TV135.2
【部分圖文】：

分層圖,庫區(qū)水質(zhì),分層圖

造成下泄低溫水中溶解氧含量低，二氧化碳濃度較高，如圖1-1 中所示，下泄低溫水中含有高濃度磷、硅、二價鈣、碳酸鹽等離子成分，引起下游水質(zhì)的嚴(yán)重惡化；水生生物方面，我國大多數(shù)魚類生存的適宜水溫為15~30℃，水溫低于最低水溫會導(dǎo)致魚類的新陳代謝減緩，食欲減退等不良反應(yīng)。很多魚類在產(chǎn)卵和孵化期對水溫也有嚴(yán)格的要求。水庫下泄低溫水改變了下游河段水生生物的生存環(huán)境，導(dǎo)致某些流域的魚類數(shù)量銳減甚至種群瀕臨滅絕。圖 1-1 庫區(qū)水質(zhì)分層圖為改善下泄水溫低、緩解下泄低溫水帶來的各種不利影響，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種工程措施，比較典型的有分層取水建筑物、人工破壞水溫分層、水利生態(tài)調(diào)控[12]等，其中分層取水措施應(yīng)用最為廣泛。分層取水是指通過在不同高程處設(shè)置取水口，以抽取特定取水層內(nèi)的水體。實際工程中應(yīng)用較多的分層取水措施主要可歸納為多層取水建筑物、管型取水裝置、堰流（溢流式）取水建筑物以及

結(jié)構(gòu)圖,結(jié)構(gòu)圖,隔水

國田納西州的 Cherokee 水庫[52]設(shè)置溫度控制幕布以保持庫底冷水環(huán)境，與裝置結(jié)合為鱸魚提供夏季避難所，如圖 1-2 所示；Marcela[53]針對 McNary D庫進水口設(shè)置幕布后的下泄水溫和壩前的水溫分布情況進了三維模擬hammaa[54]等利用密度分層原理，由于高濃度鹽水的密度與普通水的密度不同密度分層，用這種方式模擬庫區(qū)的水溫分層現(xiàn)象，探究了隔水幕布對水溫的界面變化及取水口流場的變化。上述控制幕均設(shè)置于小型水庫，壩前水深較淺，練繼建等[16]首次提出了針?biāo)畮煜滦沟蜏厮卫淼母羲徊挤桨�，并根�?jù)幕布固定方式的不同分為浮掛式以及浮掛結(jié)合式等[56-57]，如圖 1-3、1-4、1-5 所示；杜慧超[58]應(yīng)用 Flow維數(shù)值模擬軟件，為了提高三板溪的庫區(qū)下泄水溫，采用壩前 1.53km 設(shè)置幕布，對隔水幕布改善下泄低溫水效果進行了數(shù)值模擬研究，并分析了隔水纜繩受力；盛傳明等[59]應(yīng)用 FLUENT 軟件對隔水幕布設(shè)置后流場、溫度場布受力進行了數(shù)值模擬，并對針對幕布纜繩受力開展了模型試驗；薛文豪等用立面二維數(shù)學(xué)模型分析了遮擋高度、淹沒深度及距壩軸線距離等因素對下溫的影響，并考慮了隔水幕布方案對庫區(qū)水溫的影響。

隔水幕布治理水庫下泄低溫水的物理模型試驗與數(shù)值模擬研究