隔水幕布治理水库下泄低温水的物理模型试验与数值模拟研究

发布时间：2020-10-15 21:28

　　 温度分层型水库下泄低温水问题严峻,已有解决措施诸如叠梁门、多层取水口等需在水库投入运行前建成。隔水幕布作为一种新型治理方案具有运行调控方便、不影响发电效益等优点,但关于该工程形式的研究尚处于数值模拟阶段,改善效果评估缺乏实测数据。针对此本文建立了水库概化模型开展模型试验,试验结果证实了隔水幕布工程形式的有效性;同时采用物理模型试验与数值模拟结合的手段,对隔水幕布设置后的下泄水温规律进行了分析,主要研究内容和成果如下:(1)建立了水库概化模型,采用分层加热水体的方式模拟库区典型水温分布。分析了隔水幕布的设置以及改变幕布过流水深、下泄流量、水温分布等条件对下泄水温的影响:隔水幕布的设置对下泄水温改善效果显著,在本文拟定的单温跃层型水温分布(S1水温分布)条件下,幕布设置后下泄水温可升高6.1~8.4℃;在拟定的双温跃层型水温分布(S2水温分布)条件下,幕布设置后下泄水温可提高2.0~3.5℃;下泄水温随幕布顶端过流水深的减小而升高,S1水温分布下改变过流水深,下泄水温差值达1.4℃;下泄水温随下泄流量的增加而升高,取水口高程的变化对下泄水温影响较小,不超过0.3℃。(2)建立了概化水库的三维水动力水温数值模型,利用物理模型试验数据验证了该数值模型的有效性。分析不同因素的变化对模型水域温度场、流场以及下泄水温的影响:隔水幕布顶端及其附近区域为下泄主流区,幕布过流水深的变化导致下泄主流带位置发生变化,从而影响下泄水温;下泄流量的增加,使幕布上游高速流动区厚度增加,进水口对上层高温水体牵引作用增强,下泄水温升高;下泄水温主要与最大贡献层水温、下泄主流带上下边界层水温以及下泄流量等因素有关,基于此提出了隔水幕布设置后的下泄水温预测公式,并利用数值计算结果验证了该公式的准确性。(3)开展了三板溪库区地形模型试验,模拟库区5月中旬、8月中旬水温分布得到:5月中旬工况设置下,隔水幕布的设置可使下泄水温最大提高3.1℃,8月中旬工况设置下,隔水幕布设置后可使下泄水温值最大升高5.2℃;将不同隔水幕布过流水深、下泄流量、水温分布等工况下的模型试验数据与下泄水温预测公式计算值进行对比,两者最大误差为0.35℃,证明了预测公式在实际工程中的适用性,为隔水幕布形式在实际工程中的应用提供了可靠依据。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV135.2
【部分图文】：

造成下泄低温水中溶解氧含量低，二氧化碳浓度较高，如图1-1 中所示，下泄低温水中含有高浓度磷、硅、二价钙、碳酸盐等离子成分，引起下游水质的严重恶化；水生生物方面，我国大多数鱼类生存的适宜水温为15~30℃，水温低于最低水温会导致鱼类的新陈代谢减缓，食欲减退等不良反应。很多鱼类在产卵和孵化期对水温也有严格的要求。水库下泄低温水改变了下游河段水生生物的生存环境，导致某些流域的鱼类数量锐减甚至种群濒临灭绝。图 1-1 库区水质分层图为改善下泄水温低、缓解下泄低温水带来的各种不利影响，国内外学者提出了多种工程措施，比较典型的有分层取水建筑物、人工破坏水温分层、水利生态调控[12]等，其中分层取水措施应用最为广泛。分层取水是指通过在不同高程处设置取水口，以抽取特定取水层内的水体。实际工程中应用较多的分层取水措施主要可归纳为多层取水建筑物、管型取水装置、堰流（溢流式）取水建筑物以及

国田纳西州的 Cherokee 水库[52]设置温度控制幕布以保持库底冷水环境，与装置结合为鲈鱼提供夏季避难所，如图 1-2 所示；Marcela[53]针对 McNary D库进水口设置幕布后的下泄水温和坝前的水温分布情况进了三维模拟hammaa[54]等利用密度分层原理，由于高浓度盐水的密度与普通水的密度不同密度分层，用这种方式模拟库区的水温分层现象，探究了隔水幕布对水温的界面变化及取水口流场的变化。上述控制幕均设置于小型水库，坝前水深较浅，练继建等[16]首次提出了针水水库下泄低温水治理的隔水幕布方案，并根据幕布固定方式的不同分为浮挂式以及浮挂结合式等[56-57]，如图 1-3、1-4、1-5 所示；杜慧超[58]应用 Flow维数值模拟软件，为了提高三板溪的库区下泄水温，采用坝前 1.53km 设置幕布，对隔水幕布改善下泄低温水效果进行了数值模拟研究，并分析了隔水缆绳受力；盛传明等[59]应用 FLUENT 软件对隔水幕布设置后流场、温度场布受力进行了数值模拟，并对针对幕布缆绳受力开展了模型试验；薛文豪等用立面二维数学模型分析了遮挡高度、淹没深度及距坝轴线距离等因素对下温的影响，并考虑了隔水幕布方案对库区水温的影响。

控制幕避难湾[52]
【参考文献】

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本文编号：2842267