水電站漂浮物堆積形態模擬方法探討

吳時強,童中山,周 輝,吳修鋒

(1.南京水利科學研究院,江蘇南京 210029;2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210029)

我國大多數河床式徑流水電站進口攔污柵前都堆積著大量的漂浮物,這些漂浮物的存在增加了電站進口的水頭損失,嚴重干擾機組的正常運行,影響其發電效率,特別是在水量豐沛的洪水期,機組因污物堵塞而不能滿負荷工作,經濟損失巨大。如沙溪口水電站因污物造成的年電能損耗就達2.4×107kW?h。此外,大量漂浮物囤積在電站進口,加大了攔污柵承受的荷載,對攔污柵的安全運行構成較大的威脅,同時也影響庫區環境美觀,造成庫區水域水質惡化。因此水電站漂浮物綜合治理是河床式徑流電站所面臨的一個難題。

目前水電站進水口處污物的處置方法主要有人工或機械清理、水電站調度運行、通過泄水建筑物排向下游、設置導漂系統(如攔污排)等,這些方法各有其適用范圍和缺陷,無法十分有效地解決水電站漂浮物帶來的問題[1-2]。

庫區漂浮物運動及其堆積形態往往會影響其處置方式選擇及其效果,因此通常利用水工模型試驗來預測庫區漂浮物的堆積形態,比選處置方式,評價漂浮物處置效果。但由于庫區漂浮物種類復雜、形態各異、大小不一,其運動狀況千差萬別,漂浮物運動、堆積及其相互作用機理尚難以準確描述,要完整地模擬漂浮物堆積形態非常困難[3]。因此在模擬庫區漂浮物堆積形態時,只能抓住漂浮物的主要特征加以模擬。本文結合沙溪口水電站,探討漂浮物的運動規律和堆積形態模擬方法,提出相應的模型相似準則。

1 水電站漂浮物運動特性分析

漂浮物運動與水庫內水流運動特別是表層水流運動狀態緊密相連。但由于漂浮物種類和形狀各異,漂浮物運動與水流運動不可能完全一致,因此這里僅就代表性的漂浮物運動特征進行說明。觀察表明,在河流及水庫中漂浮物輸送呈明顯的帶狀分布,漂浮物運動方向與水流的主流方向較為一致,大多數漂浮物沿水流主流方向運動。

主要的漂浮物隨主流運動可從理論上加以解釋。從明渠水流運動特性分布可知,受邊界阻力影響,水流在平面上分布一般是中部流速大、兩側流速較小。圖1為漂浮物隨水流運動位置示意圖。當漂浮物B面的水流速度大于A面的水流速度(uB＞uA)時,流速較小的漂浮物A面水流壓力大于流速較大的B面水流壓力,漂浮物在向前運動過程中,A,B 2個面之間存在一個壓力差,該壓力差將漂浮物推向主流一邊,即漂浮物隨水流運動一段時間后,逐漸會隨主流一起運動。

圖1 漂浮物隨水流運動示意圖

由于漂浮物有隨主流一起運動的趨勢,所以在模型試驗時,只要水流流態能夠得到正確的模擬,基本上就可模擬漂浮物的運動特性。

單個漂浮物運動受到浮力、水流拖曳力、慣性力、阻力和撞擊力的綜合作用。根據牛頓運動基本定律,可列出基本方程:

垂直方向

水平方向

式中:F上為漂浮物所受的浮力;G重力為漂浮物所受重力;m為漂浮物質量;a上為漂浮物垂向加速度;a水為漂浮物水平加速度。

在垂直方向,漂浮物僅受水流作用而上下波動;在水平方向,漂浮物運動較為復雜。圖2為漂浮物運動受力分析示意圖。如圖2所示,漂浮物運動特性關鍵受漂浮物水平方向合力控制,漂浮物受到的水流力與水流速度及方向有關。在復雜的水庫水流運動中,主流常發生隨機變化,可導致漂浮物受力的改變,從而影響其運動軌跡的變化。

圖2 漂浮物運動受力分析示意圖

當漂浮物運動速度為零時,即漂浮物固定,此時水流以流速為U2的速度從漂浮物周圍繞過,漂浮物對水流產生阻力,假定漂浮物綜合阻力系數為Cd,則漂浮物受到的水流力為

式中:A為漂浮物水下與水流方向垂直的面積;ρ為水的密度。

當漂浮物運動速度為U1時,漂浮物受到的水流力為

漂浮物受到的水流力與速度差(U2-U1)有關,如果水流速度大于漂浮物運動速度,即U2-U1＞0,則水流對漂浮物產生推力,使得漂浮物運動速度增加;如果U2-U1＜0,則產生方向相反的阻力,使得漂浮物運動速度降低;如果U2-U1=0,則漂浮物跟隨水流一起運動?？傮w上,漂浮物運動速度應與水流的運動速度基本一致,也就是說漂浮物運動具有較好的水流跟隨性[2]。

2 漂浮物模擬相似性分析

有關漂浮污染物在庫區運動特性及壩前堆積形態方面的研究成果至今尚不多見[3-5],采用水工模型模擬漂浮物運動特性時,缺乏漂浮物運動模擬的相似準則[6-7]。為此,這里定性分析漂浮物模型試驗的相似律問題。

2.1 水流運動相似

庫區內漂浮物隨水流運動,水流是漂浮物運動的載體,因此模型設計首先要滿足水流運動相似要求。對于按重力相似和阻力相似設計的正態水工模型,一般都能夠滿足水流運動相似要求。

2.2 漂浮物運動相似

漂浮物模擬通常是水流模擬的延伸,主要集中在2個過程:①漂浮物流動和堆積形態;②漂浮物堆積引起的結構荷載。

除了與水流相關的力以外,漂浮物運動和堆積還涉及單個漂浮物和堆積漂浮物的質量和作用于漂浮物上的水動力。對于寬闊水體,如湖泊、水庫和大河流,應該考慮風作用在漂浮物和水面上的力。漂浮物堆積的承受力和變形特性對于堆積厚度是重要的,在一些情況下,單個漂浮物的承受力和變形特性也是重要的,因此要完全模擬漂浮物運動是難以達到的。從前面分析可見,漂浮物具有很好的水流跟隨性,基于此來推導其相似準則。

庫區漂浮物的種類繁多,漂浮物密度及漂浮程度不盡相同,有的密度較小,幾乎完全浮在水面,例如泡沫塑料制品等,有的半沉半浮,例如長期受水浸泡的木材;漂浮物的尺度相差也很大,形態各異,大小不一;運動形態也不相同,有的單獨運動,如大一點的木材,有的一片一片地集聚而行,如雜草、水浮蓮等。壩前漂浮物種類及數量的隨機性較強,目前尚缺乏完整的原體觀測統計資料。所以要真實地模擬漂浮物運動十分困難,只能選擇一些比較典型的漂浮物加以模擬,其相似性主要考慮以下4個方面。

2.2.1幾何相似

模型中漂浮物運動與原體相似,要求模型中漂浮物的大小和形狀滿足幾何相似。

2.2.2漂浮度相似

漂浮度取決于重力與浮力,與流體的密度有關,只要保證原體與模型的密度相同,即模型與原體選用同樣的材料,同時滿足漂浮物幾何相似,就能保證漂浮物的漂浮度相似。

浮力可通過一個密度FrD數來計及,定義 FrD為漂浮物慣性力與浮力之比:式中:U為漂浮物漂浮速度(對于表面漂浮物,可認為與水流速度相同);ρd為漂浮物密度;g為重力加速度;L為漂浮物特征長度。

漂浮物運動的相似準則為

式中:(FrD)r為 Fr數比尺;Ur為流速比尺為密度差比尺為長度比尺。

2.2.3漂送強度相似

設ΔT時間內漂浮物的總量為ΔW,漂送強度為N件/s,每件體積為 V,密度為 ρs,則 ΔT時間內漂浮物的總量為式中:Nr為漂送強度比尺;tr為時間比尺;Lr為長度比尺。

式(8)表明,模型中單位時間投放的漂浮物件數應為原體件數的倍。

2.2.4水流拖曳力和表面張力等的模擬

為了模擬作用于單個漂浮物上的水流拖曳力、表面張力和慣性力,需要原型和模型有相同的拖曳力、表面張力和附加質量的水動力系數,而這些系數的相似性在一個模型中不可能完全滿足。但如果關注的是漂浮物整體流動特性及堆積形態,則沒有必要要求所有系數都滿足相似要求。例如,拖力的計算公式為式中:CD為與ReD、漂浮物的形狀和粗糙度、流動紊動強度、相鄰邊界接近程度有關的拖力系數(ReD為與漂浮物周圍水流相關的 Reynolds數,ReD=,其中ud為漂浮物流動速度,l為特征長度,ν為動力黏性系數);AU為漂浮物在垂直于U方向上的投影面積。

水流舉力(與拖力垂直方向的力)可導得類似的表達式。嚴格的相似準則為

式中:CL為舉力系數;CM為增加質量系數。

用同一個模型比尺很難同時滿足式(10),如果采用幾何變態模型,要滿足式(5)也是非常困難的。在大多數情況下,由于漂浮物尺度不一,形狀不同,粗糙度變化大,這些困難可以得到緩解,因此CD,CL和CM準確模擬也是不必要的。

在大尺度水域,風拖力是漂浮物流動和堆積的一個主要因素,它產生推動漂浮物的水流和波浪,直接拖動漂浮物。對風拖力和水流拖力給定同樣的相似準則,就像模擬水流拖力一樣,同樣難以模擬風拖力。在模型中難以用氣流來模擬風拖力,大多數風洞尺度太小,無法容納常規的模型尺度,在模型中模擬恒定風速場也是十分困難的。

2.3 漂浮物堆積形態相似

漂浮物在隨水流運動的過程中,其運動的動力來自于水流作用力,當水流流速較大時,一般認為漂浮物與水流運動基本一致,此時水流的推力是漂浮物運動的主要動力源。

漂浮物堆積形態可處理成單一整體或一個特殊的聯結體,單個漂浮物與整個堆積體尺度相比很小。此時,作用于堆積體上的外力包括水流對堆積體的拖曳力,在堆積體形成過程之中,當堆積體之間內力小于外力時,堆積體就會失穩,出現組成堆積體的漂浮物之間相互擠壓重疊,使得堆積體不斷加厚,內力也不斷增大,當內力增大到能抵抗外力時,堆積體的厚度不再增加,從而形成穩定的堆積體。漂浮物的相互擠壓增加了堆積的厚度,也可使堆積形狀發生變化。因此,堆積形狀的模擬需要模擬堆積漂浮物的強度和變形特性參數,在許多情況下,只能近似估算這些值。

單個漂浮物與堆積體相比尺寸很小,當堆積的漂浮物或多或少地作為連續體時,可以用摩擦內角φ來描述強度和變形,阻力內角描述了受壓或剪切的漂浮物的連接和摩擦阻力,其相似準則是

式(11)要求在進行漂浮物堆積形態試驗時須選用同樣的試驗材料,并采用正態模型。

當漂浮物相對堆積體尺度較大時,單個漂浮物強度特性也必須考慮。對于線形漂浮物(如木頭),彎曲強度是重要的。對于塊狀漂浮物(例如集聚的雜草),壓縮強度是重要的,這些特性很難量化。

在一個大面積水域,模擬漂浮物堆積形態需要利用幾何變態模型,垂向比尺變態應不會明顯影響到漂浮物二維流動及水流流動特性。在給定的模型比尺條件下,漂浮物模擬需要進行概化處理,不能完全是原體漂浮物尺度和形狀上的準確模擬,漂浮物允許垂向尺度的變形,但需要分析可接受的垂向變形限度。如果需要保證水流輸運漂浮物三維特性,則要求正態模型或適度變率的變態模型。

堆積物力平衡分析[3]描述了堆積厚度變形的效果,并顯示假定一個強度指數,例如阻力內角,在原型和模型上近似一致,那么在適度變率的變態模型中可模擬等效的堆積厚度。從這一點看,漂浮物的堆積形態模擬是非常復雜的,與漂浮物的性質有關,在正態模型中堆積形態會有一定的失真。

2.4 模擬材料相似

庫區漂浮物的種類繁多、形態各異、大小不一,其運動狀況千差萬別。模型試驗中,按相似條件對各種漂浮物進行真實模擬非常困難。因此,在選擇漂浮物模擬材料時,只能考慮其主要特性和影響因素。實際工程中,庫區漂浮物大多由雜草、樹枝、樹葉、泡沫塑料等組成的,在模型中可以直接采用木材和泡沫塑料作為模擬材料,但要恰當選取單個試驗材料的形狀和大小,使其在水流中運動時具有良好的跟隨性,并能避免表面張力的影響。

綜合上述分析,可以知道漂浮物運動特性的模擬一般要求正態模型,而堆積形態的模擬需要適度變率的變態模型,但是由于漂浮物堆積受力條件極難準確模擬,因此漂浮物堆積形態模擬無法完全達到,目前漂浮物運動特性的模擬以及堆積形態的模擬采用正態模型較合適。

3 沙溪口水電站漂浮物運動模型設計

沙溪口水電站為河床徑流式電站,以發電為主,電站裝機容量為4×75MW,機組流量為1050m3/s。擋水建筑物采用混凝土重力壩形式,壩頂高程93.0m,最大壩高45.0m,壩頂長度628.0m,溢流壩長317.0m,河床中部共設有17個表孔溢流壩,表孔堰頂高程為74.30m,弧形閘口控制流量,最大過流能力為26300.0m3/s。

沙溪口水電站集水區水土保持及環境治理情況較差,每年汛期都有大量的漂浮物隨流而下,匯集于壩前。發電過程中,這些漂浮物吸附在進水口攔污柵上,造成攔污柵嚴重堵塞,最嚴重時柵前、柵后水位差達7m,大大超過3m的安全水位差,不僅影響了機組的正常出力,還嚴重威脅著攔污柵及機組的安全運行,為此需建一個導漂裝置來減少漂浮物堆積體。為了驗證導漂裝置攔截漂浮物的效果,需要進行物理模型試驗。

根據沙溪口水電站庫區水流及漂浮物實際情況,采用正態模型模擬,模型幾何比尺Lr=70。漂浮物模擬材料采用密度與漂浮物相近的泡沫塑料和木條2種模型材料,比較不同模擬材料的運動特性及堆積形態的差異[2]。

4 模型試驗結果分析

為了檢驗漂浮物運動規律模擬的相似性,選擇電站4臺機滿負荷發電、溢流壩不過流條件來分析漂浮物堆積形態。圖3為模擬材料采用泡沫塑料時漂浮物在庫區隨水流運動及壩前堆積過程。從水流流場測量可知,由于只有發電水流,溢流壩前沒有水流流動,主流在壩前1000m處開始逐漸偏向右岸,左側存在強度較低的大回流區。圖3(a)、圖3(b)顯示漂浮物隨主流一起運動,主流區漂浮物首先運動到大壩前沿;圖3(c)顯示漂浮物在壩前100m處開始有明顯的堆積,而后漂浮物越來越多,不斷堆積;圖3(i)顯示由于模型中施放的漂浮物有限,流速較大的主流區域漂浮物已基本堆積到壩前,而流速較小的左側區域漂浮物仍繼續向前運動;圖3(l)為最終堆積形態,此時漂浮物堆積在發電站進水口前100m左右的水域,由于右側存在一回流區,部分漂浮物隨回流水一同運動。堆積過程顯示漂浮物運動與水流運動相一致,這說明按重力相似準測設計模型模擬漂浮物運動規律是較為合理的。同時與原體漂浮物堆積形態相比(圖4),可見模型與原體的堆積形態是相似的。但由于庫區流態復雜,不同的模擬材料最終會產生不同的堆積形態,為此比較不同模擬材料對堆積形態的影響。

圖5是模擬材料分別為泡沫塑料和木條時壩前最終的漂浮物堆積形態。表1為不同模擬材料堆積形態的試驗結果。由表1可知,相同的試驗工況下,選擇不同的模擬材料,漂浮物堆積形態有很大差異。由于木條密度在0.8 t/m3左右,而泡沫塑料密度僅0.05t/m3,木條的吃水深度遠大于泡沫塑料的吃水深度。所以同樣水流條件下,作用在木條上的水流力遠大于作用在泡沫塑料上的水流力,木條在水流力作用下擠壓重疊,通過內力的調整形成穩定的堆積形態,而泡沫塑料受到的水流力較小,不能有效地擠壓密實,在水流條件稍有變化時,堆積形態隨之發生變化。

圖3 庫區漂浮物運動及堆積過程

圖4 沙溪口水電站進水口前漂浮物堆積

圖5 漂浮物最終堆積形態

表1 不同材料在相同試驗工況時的堆積特性比較

模型試驗觀測表明,壩前的漂浮物一般都能運動到大壩的前沿,當壩前的回流較弱時,漂浮物一般不能在回流區運動。泡沫塑料模擬的堆積體只要稍受水流作用即散漂離開大壩前沿,不能形成穩定的堆積體,主要原因是泡沫塑料密度較輕,水流跟隨性較差,極易受表面張力的影響,而且泡沫塑料具有互拆性,不宜聚在一起。因此,與原體漂浮物的運動和堆積相比,采用木條作為模擬材料時,模型的漂浮物堆積形態更接近實際情況。

5 結 語

水電站漂浮物模擬技術尚未成熟,本文在分析論證漂浮物具有隨水流運動特性的

圖5 GMS三維地質實體模型切割剖面圖

式中:V為庫容,m3;μi為第i個蓄水體的重力給水度;V*i為第i個蓄水體的體積,m3;n為不同巖性的蓄水體個數。

總之,從含水層條件、地下水補給水源、地下水庫調蓄空間、地下水開采條件等方面綜合分析可知,建立地下水庫從而進行水資源多年調節及開發利用是可行的。

3.4 情景模擬分析

根據含水層特征參數,以2002～2006年觀測水位數據建立地下水流數值模擬模型,利用GWMS軟件進行參數識別、模型驗證后,利用上述地表水與地下水聯合開發的思路,設置不同的情景,模擬地表水與地下水聯合利用的可行性及分析可能出現的問題。

以不同的開采規模為情景進行模擬分析,結果表明:以10萬m3/d的規模持續開發不會引起環境問題,開采穩定后形成約6km2的地下水位降落漏斗,漏斗中心水位埋深約13m;若考慮為城市應急供水,分別以25萬m3/d,40萬m3/d,50萬m3/d這3種開采規模模擬,其持續應急供水時間可分別達到12個月、6個月及4個月。

4 結 語

a.受氣候、地形等因素綜合影響,在北方小流域采用地表水與地下水聯合開發的模式開發利用水資源具有較高的可行性。既能較充分地利用地表水資源,又能利用含水層的天然調蓄功能實現水資源的多年調節,對區域的穩定供水有較大的現實意義。

b.地表水與地下水聯合開發模式在沈陽市遼河支流長河-羊腸河流域內可行,可持續提供10萬m3/d的可供水量,在應急狀態下可提供更為可觀的供水量,能夠保障當地城市的應急供水安全。

c.北方小流域受污染情況較為嚴重,尤其是流域內地表水污染已經影響當地生態環境。人工濕地等水生態修復措施不僅對小流域生態環境改善具有重要意義,而且對地表水與地下水聯合開發的水源水質提供保障。未來可加大利用生態修復對水質改善程度的實證研究。

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