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

摘要

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。

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