CN101775787B

CN101775787B - 水库水温分层模拟方法

Info

Publication number: CN101775787B
Application number: CN2010101195210A
Authority: CN
Inventors: 高学平; 张晨; 宋慧芳
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2030-03-08
Also published as: CN101775787A

Abstract

本发明公开了一种水库水温分层模拟方法，包括以下步骤：(a)将水库水温分布按一定的温差沿水深分为N层；(b)按温差要求通过加热系统对相应加热池内水体分别加热；(c)将不同温度的水体通过分层加水装置依层加入模型水库；所述分层加水装置包括在模型水库一端沿水深平行设置的多层隔板，每层隔板的中部均设有通孔，所述通孔设有孔盖，所述每层隔板的中部上面在加水时设有稳定出流装置，所述多层隔板的通孔内插装有一加水管；(d)静置模型水库内水体。本发明能够直接形成稳定的多层水温，和试验模拟形成的水温分布(模拟水温)的比较，二者吻合较好，试验较好地模拟了原型水库水温分布。进行水温分层模拟试验，收益效果明显。

Description

水库水温分层模拟方法

技术领域

本发明涉及水电站进水口分层取水下泄水温试验研究，特别涉及一种水库水温分层模拟方法。

背景技术

大型水库水体温度具有明显的沿深度成层分布的特点，表层水温和底层水温相差很大，有时温差值可达20℃左右(黄永坚，1986)。常规水电站进水口均为单层进水口，进水口设置在靠近水库底部位置，发电时下泄水体基本为水库底层水体，其水温较低，影响下游河段的生态环境。近年来，随着对生态环境保护的重视，水电站分层进水口取水方式(multi-level intake structure，MLIS)正逐渐被采用。采用水电站进水口分层取水方式的目的是有选择地取用水库的不同层水体，控制下泄水温，满足环保要求。目前缺乏分层取水方式下泄水温试验研究，而水库水温分层模拟问题是开展试验研究的保障。

目前涉及水温分层试验模拟方法主要有两类，一是以盐淡水形成两层模拟，二是利用热水或冷水流入水槽形成一定的水温分布。利用盐淡水的密度差模拟水温分层，通常模拟两层，其缺点是很难形成多层模拟，不能真实地再现实际水库水温沿水深的连续分布，例如，Harleman(1965)等在试验水槽中用盐水和淡水形成两层密度流；黄桂林等(1996)针对平板式表层取水口，以淡水和盐水模拟两层水温分布。利用热水或冷水流入水槽形成的水温分布，其缺点是所形成的水温分布难于控制，很难形成能满足温差要求的、稳定的、符合实际水库水温分布形状的水温分布，例如，1988年5月Helmut Kobus在清华大学出版社出版的《水力模拟》中介绍了一个水库分层水力模型试验(Markorfsky和Harleman，1971，1973)，模型为长11m，宽0.3m矩形断面有机玻璃水槽，深度从上游端11.4cm线性地增大到下游端120cm，热水自浅端进入。

以往分层流动试验，通常以盐淡水为介质形成两层密度分布，或是利用热水或冷水流入水槽形成一定的水温分布，很难模拟实际的水库水温分布规律。因此，目前缺乏能形成稳定的、符合实际水库水温分布要求的模拟方法。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够直接形成稳定多层水温的水库水温分层模拟方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种水库水温分层模拟方法，包括以下步骤：(a)根据实际水库水温分布的特点，将水库水温分布按一定的温差沿水深分为N层；(b)按温差要求通过加热系统对相应加热池内水体分别加热；(c)将不同温度的水体通过分层加水装置依层加入模型水库；所述分层加水装置包括在模型水库一端沿水深平行设置的多层隔板，每层隔板的中部均设有通孔，所述通孔设有孔盖，所述每层隔板的中部上面在加水时设有稳定出流装置，所述多层隔板的通孔内插装有一加水管；(d)静置模型水库内水体，水体温度沿水深分布趋于平顺，形成稳定的、符合要求的水库水温分布。

所述每层隔板位置可调地安装在支架上，所述支架安装在所述模型水库内。

所述稳定出流装置包括侧壁设有出水孔的环形框架，所述环形框架内装满石子。

所述孔盖与对应隔板转动连接。

本发明具有的优点和积极效果是：能够直接形成稳定的多层水温，和试验模拟形成的水温分布(模拟水温)的比较，二者吻合较好，试验较好地模拟了原型水库水温分布。进行水温分层模拟试验，收益效果明显。

附图说明

图1是本发明的加热系统示意图；

图2是本发明模拟水温与目标水温的比较图；

图3是本发明分层加水装置结构示意图；

图4是本发明分层加水装置的多层隔板及其支架的结构示意图；

图5是本发明分层加水装置的多层隔板安装示意图；

图6是本发明分层加水装置的稳定出流装置结构示意图。

图中：1、加水管，2、模型水库，3、隔板，3-1、通孔，4、稳定出流装置，4-1、环形框架，4-2、出水孔，4-3、石子，5、支架，5-1、立柱，6、短管，7、孔盖。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

以往分层流动试验，通常以盐淡水为介质形成两层密度分布，或是利用热水或冷水流入水槽形成一定的水温分布，很难模拟实际的水库水温分布规律。本发明提供一种水库水温分层模拟方法，将直接形成稳定的多层水温，进行水温分层模拟试验。

请参见图1～图6，本发明一种水库水温分层模拟方法可分解为以下步骤：a)根据实际水库水温分布的特点，将水库水温分布按一定的温差沿水深分为N层；b)按温差要求通过加热系统对相应加热池内水体分别加热；c)将不同温度的水体通过分层加水装置依层加入模型水库2；d)静置模型水库2内水体，水体温度沿水深分布趋于平顺，形成稳定的、符合要求的水库水温分布(目标水温)。具体说明如下：

为模拟水库水温沿水深分层分布，首先根据实际水库水温分布的特点，将水库水温分布按一定的温差沿水深分为N层，相应设置N-1个水温加热池和1个常温水池，加热池容量视模型规模而定。例如，某水库沿水深的水温分布可分为4层，按水温由低到高依次为底层、第二层、第三层、表层，层间温差依次为4C°、3C°和1C°。模拟4层水温，相应设置1个常温水池和3个加热池。常温水池，用以模拟水库底层水；将加热池I的常温水加热升高1C°，用以模拟第二层水；将加热池II的常温水加热升高4C°，用以模拟第三层水；将加热池III的常温水加热升高8C°，用以模拟水库表层水。

水温加热系统如图1所示。每个加热水池底装6×7KW加热管，配置独立的控制电路以控制不同的加热温度。例如，对于容积为2m×2m×2.5m的加热池，水温每升高10℃约需加热2.5-3小时。加热池的上部配置温度传感器串联温控器，实现对加热池温度的自动控制。温控器的控制精度为±0.5℃，起停控制范围为±1℃。

在试验研究水库水温分层的相关问题时，为形成预期的符合要求的垂向水温分布，发明既能稳定分层又能保证各层间不掺混的分层加水装置。请参阅图3，水温不同的水体沿加水管1流向模型水库2，加水管1出口出流集中，对模型水库2的已有水体形成直接冲击，来流水体与水库水体掺混，不能形成预期的水温沿垂向分层。为此，在模型水库2一端沿水深平行设置多层隔板3以避免加入的水直接冲击已有水体；同时，为使来流沿隔板3向四周均匀且缓慢扩散，加水时隔板3上设置稳定出流装置4。

根据原型实际水库水温垂向分布的特点，确定水温沿垂向的模拟层数及层间高度，进而设置该加水装置隔板3的数量，调节各隔板间高度。请参阅图3、图4和图5，隔板3位置可调地安装在铁支架5上，铁支架5主要由四个立柱5-1组成，立柱直径1cm，其作用是作为上下调节隔板3高度的滑道，并固定隔板3。隔板3为方形，长宽厚1m×1m×0.005m；隔板3四角设短管6，管径略大于1cm，作为与铁支架立柱5-1配套的滑块；多层隔板3相互平行，隔板3的层数及间距依原型实际水库水温垂向分布的特点确定；隔板3中心开通孔3-1，孔径12cm，略大于加水管1的直径，使加水管1易插入并能自由升降；同时，隔板3上的通孔3-1旁设一可沿隔板3表面转动的圆形薄板作为孔盖7使用，当对该隔板以上加水时盖上其上的通孔3-1。隔板面积依加水流量确定，并以操作方便为宜，例如隔板面积1m×1m。

请参阅图6，稳定出流装置4的横截面为圆环形，置于各隔板3上面的中心位置。稳定出流装置4包括环形框架4-1，环形框架4-1由两块薄有机玻璃煨成，两板间距6cm，薄有机玻璃板上钻有直径0.5cm的多个出水孔4-2，环形框架高10cm，外径60cm。环形框架内装满粒径略大于0.5cm的石子4-3。环形框架4-1的内径远大于隔板3上的通孔直径，孔盖7位于环形框架4-1内，可在环形框架4-1内相对隔板转动对通孔3-1进行开闭。

上述分层加水装置的使用方法：

1)将各隔板3上的通孔3-1打开，将加水管1深入第一层隔板以下，将常温水池的水体通过水泵缓缓加入模型水库2的底层水，待水位升至第一层隔板3高度后，停止加水，并将加水管1缓缓提升至第一层隔板3上，盖上第一层隔板3上的孔盖7，静置一会儿，例如1分钟。

2)在第一层隔板3上放置稳定出流装置4后，将加热池I的水体通过水泵缓缓地加入模型水库2，形成模型水库2的第二层水，随着水面的缓缓升高，随水面升高同步将加水管1逐渐提升，待水位升至第二层隔板3高度后，停止加水，缓慢提起加水管1至第二层隔板2上，盖上第二层隔板3的孔盖7，静置一会儿，例如1分钟。

3)以此类推，重复步骤2)，完成水温分层加水工作。

4)静置一段时间(例如10分钟)后，即可形成符合预期要求的、稳定的、沿垂向分层的水温分布。

综上所述，依次将常温水池、加热池I、加热池II、……的水体通过水泵并经分层加水装置徐徐加入模型水库2中。静置模型水库2中水体一段时间，例如10分钟，水体温度沿水深分布趋于平顺，形成稳定的、符合要求的水库水温分布(目标水温)。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种水库水温分层模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)根据实际水库水温分布的特点，将水库水温分布按一定的温差沿水深分为N层；

(b)按温差要求通过加热系统对相应加热池内水体分别加热；

(c)将不同温度的水体通过分层加水装置依层加入模型水库；所述分层加水装置包括在模型水库一端沿水深平行设置的多层隔板，每层隔板的中部均设有通孔，所述通孔设有孔盖，所述每层隔板的中部上面在加水时设有稳定出流装置，所述多层隔板的通孔内插装有一加水管，所述稳定出流装置包括侧壁设有出水孔的环形框架，所述环形框架内装满石子；

(d)静置模型水库内水体，水体温度沿水深分布趋于平顺，形成稳定的、符合要求的水库水温分布。

2.根据权利要求1所述的水库水温分层模拟方法，其特征在于，所述每层隔板位置可调地安装在支架上，所述支架安装在所述模型水库内。

3.根据权利要求1所述的水库水温分层模拟方法，其特征在于，所述孔盖与对应隔板转动连接。