CN105714731A - 一种测试水库下泄水温的实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试水库下泄水温的实验装置和方法，包括：设有尾水管出口的尾水混合池，所述的尾水混合池与缩口形的稳流池连接，所述的稳流池与集水池连接；所述的尾水管出口的下游设有使水上下层产生交流的掺混设施，所述的集水池内设有水温监测，所述的水温监测器与水温数据采集器电连接。本发明采用尾水混合池内通过掺混设施，能够很好地将下泄水流进行搅拌混合，从而有效解决了下泄水温分层监测误差问题。此外本发明所述的集水池内设置多点式水温监测系统，实时监测集水池内各层水温情况，同时下泄水温测试区域通过透明隔热盖板降低下泄水温蒸发散热，保证了实验采集数据的准确性。

Description

一种测试水库下泄水温的实验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测试水库下泄水温的实验装置和方法，水力学实验装置和方法，是一种模拟生态水力学环境的装置和方法。

背景技术

水库作为一种可以存储大量水资源，和储存能量并随时可以转换为电力的能量存储系统，是人类目前得以大规模存储水资源和能量的无可替代的有效手段。相对于其他资源存储系统，水库对环境的污染和生态环境的破坏最小。然而，随着人类对环境的认识和对生态环境关注，发现许多过去被忽视的水库生态问题。这些生态问题，不仅出现在水库本身，而且还出现在水库上游或下游，以及水库周围的水系。水库的水温已经证明是影响水库环境的一个重要因素。以往的研究大多集中在水库上游的水温分层变化。随着对水库水位的研究深入，资料显示水库的温度分层对库区及下游的生态环境也存在巨大的影响，特别是对水生生态的影响。当水库放水时一些在水库底层的低温水，可能严重影响水生生物如鱼类、爬行类、两栖类动物的产卵与生长，甚至导致物种的消失。但现有技术对水库下游的水温研究得不够，没有专属的实验系统，数据不足，无法满足指导工程实践的需求。因此，研究水库水温分层变化与下泄水温，以及两者之间相互关系是分层取水和保护生态环境的重要研究课题。

采用水温分层物理模型实验方法，是研究分层取水问题的广泛应用和十分有效的技术手段。公告号CN101775787公开了一种水库水温分层模拟方法，通过在实验水池内缓缓地分层注入不同温度的水模拟水温分层；公告号CN103924549授权了一种模拟水温分层流动的实验系统，通过电加热系统实现了稳定分层。上述公开的实验方法虽然能够实现库区水温分层的模拟，但均为提及下泄水温的监测。实验研究表明，当上游库区水流分层稳定时，其下泄水温也存在一定的分层。如果将实验监测位置设置于下游尾水管中间，则只能监测某一层的水温，不能实现下泄水温的平均值监测。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种测试水库下泄水温的实验装置和方法。所述装置和方法通过在尾水管下游加设混合池，将带有一定温度场的分层水通过装置后，形成温度平均的混合，以便更加准确的监测水库下泄水温，指导工程实践。

本发明的目的是这样实现的：一种测试水库下泄水温的实验装置，包括：设有尾水管出口的尾水混合池，所述的尾水混合池与缩口形的稳流池连接，所述的稳流池与集水池连接；所述的尾水管出口的下游设有使水上下层产生交流的掺混设施，所述的集水池内设有水温监测，所述的水温监测器与水温数据采集器电连接。

进一步的，所述的尾水混合池的长宽比为2：1。

进一步的，所述的掺混设施至少3座挡墙交错组成，分别位于尾水混合池的上中下游，挡墙为直角式或三角式。

进一步的，所述挡墙表面均布卵石，卵石直径为1-2cm。

进一步的，所述的掺混设施是电动搅拌器，所说的电动搅拌器位于尾水混合池中央，由叶片、传动器和电机组成。

进一步的，所述的稳流池边墙向内15°~20°收缩，稳流池的长度等于尾水混合池的宽度。

进一步的，所述的稳流池和集水池之间设有稳流栅。

进一步的，所述的集水池的池长不小于5倍的池宽，位于1.5倍的池宽处中央设置水温传感器，所述的水温传感器为杆式多点水温监测器，每个测点之间的间距不大于1/3倍的水深。

进一步的，所述尾水混合池、稳流池和集水池上方设有透明隔热板。

一种使用上述装置测试水库下泄水温的方法，所述方法包括如下步骤：

上游尾水管开始泄水，水温分层水流下泄至尾水混合池；

水流通过掺混设施，强化水流紊动，使尾水混合池中的水上下得到掺混，破坏上下水层之间的温度场，经缩口的稳流池进入集水池；

当水流稳定后，集水池内水面不再发生变化，调整水温传感器，并打开水温数据采集系统，实时采集水温数据；

当监测各点的水温数据显示值差值在1%以内时，这时认为集水池内的水温数据即为水库下泄水温，记录相应水温数据。

本发明产生的有益效果是：本发明采用尾水混合池内通过水流掺混设施，在加强紊动的作用下能够很好地将下泄水流实现自掺混，从而有效解决了下泄水温分层监测误差问题。此外本发明所述的集水池内设置多点式水温监测系统，实时监测集水池内各层水温情况，同时下泄水温测试区域通过透明隔热盖板降低下泄水温蒸发散热，保证了实验采集数据的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述实验装置的平面图；

图2是本发明的实施例一所述实验装置的立面图；

图3是本发明的实施例三所述挡墙形的掺混设施结构示意图；

图4是本发明的实施例五所述电动搅拌器的结构示意图；

图5是本发明实施例七所述稳流栅位置的示意图；

图6是本发明实施例七所述的孔板形稳流栅的示意图；

图7是本发明实施例九所述的透明隔热板的示意图。

图8是本发明实施例九所述实验实例的电站尾水管内水温分布图；

图9是本发明实施例九所述实验实例在混合池内未安装掺混设施时集水池内水流稳定后水温监测示值情况；

图10是本发明实施例九所述实验实例在混合池内通过掺混设施后水池内水温监测示值情况；

图11是本发明实施例九所述实验实例在混合池内未安装掺混设施时集水池内水流稳定后水温分布示意模拟情况；

图12是本发明实施例九所述实验实例在混合池内通过掺混设施后集水池内水流稳定后水温分布示意模拟情况。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种测试水库下泄水温的实验装置，如图1、2所示。本实施例包括：设有尾水管出口1的尾水混合池2，所述的尾水混合池与缩口形的稳流池3连接，所述的稳流池与集水池4连接。所述的尾水管出口的下游设有使水上下层产生交流的掺混设施5，所述的集水池内设有水温传感器6，所述的水温传感器与水温数据采集器7电连接。

本实施例的基本原理是通过掺混设施，将尾水混合池中的水加强紊动，破坏下泄水的温度分层，从而准确的测试水库下泄水流的平均水温。

上游水温分层型下泄水流经尾水管下泄至尾水混合池内，此时池内水流为弱分层状态。通过掺混设置，水流上下翻滚，产生水流紊动，使温度分层的水流上下均匀，形成比较均匀的水温。为减小紊动强度，尾水混合池长宽比设置为2：1。为进一步降低紊动强度平稳水流，尾水混合池后接稳流池，稳流池两侧边墙设置向内收缩15°~20°，稳流池长等于尾水混合池的宽度，且稳流池末端集水池首部设有稳流栅，使尾水混合池掺混后的水流平稳进入集水池。为防止集水池出流对测点数据的影响，集水池长度不小于5倍的池宽。集水池位于1.5倍的池宽处中央设置杆式多点水温监测器，且每个测点之间的间距不大于1/3倍的水深，由此可以监测池内不同层的水温值。当集水池内水面稳定，这时根据水位调整监测点垂向位置及数量，连接水温数据采集系统进行实时监测，当监测各点的水温数据显示值差值在1%以内时，认为集水池内的水温数据即为水库下泄水温，方可记录相应水温数据。实验过程中，为防止下泄水流在监测区域内由于蒸发、散热作用下水温下降，本实施例尾水混合池、稳流池和集水池上方设有透明隔热盖板。

本实施例的关键是搅动设施。所述的搅动设施可以使用机械搅动，例如电动搅拌器，也可以使用无需任何动力的挡墙。

当水流通过挡墙过程中，上下/左右翻滚，并由于墙面卵石加糙作用使水流紊动进一步加强，从而尾水混合池中的水得到更充分掺混，池内水温分层逐渐减弱消失，水温分布均匀，但同时混合池内水流紊动较大。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于尾水混合池细化。本实施例所述的尾水混合池的长宽比为2：1。

本实施例所述的尾水混合池的长和宽，所述的长为沿水流方向的长度，所述的宽则是与水流方向垂直的水池宽度。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于掺混设施的细化。本实施例所述掺混设施位于尾水混合池上中下游，由至少3座挡墙组成，如图3所示。

本实施例所述的掺混设施由3座以上挡墙交错布置组成，挡墙可以上下布置，或左右布置，或上下左右布置，使混合池内的水体形成上下/左右翻滚，减弱池内水温分布。挡墙形式可以为直角式，也可以为三角式等。

为进一步加强水流在混合池的紊动效果，使水流掺混更加充分，本实施例在所有墙面上均布有卵石，卵石直径为1-2cm。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于挡墙的细化。本实施例所述挡墙表面均布卵石，卵石直径为1-2cm。

为增强紊流作用，在挡墙上可以设置扰流物，如楔形物或其他形状的突出物。本实施例在挡墙上设置鹅卵石作为扰流物。鹅卵石是一种十分容易找到的物体。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于掺混设施的细化。本实施例所述掺混设施是电动搅拌器，所述的电动搅拌器位于尾水混合池中央，由叶片501、传动器502和电机503组成，如图4所示。

本实施例所述的搅拌器是类似风扇形的叶片组成，叶片的旋转平面与尾水管出口相对，并与水流方向垂直，这样当叶片旋转时，可以使上层的水和下层的水产生交流。

为尽量减少对水流的干扰，本实施例通过传动器，将电机的动力传递到叶片上，而不是直接将电机安装在水中。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于稳流池的细化。本实施例所述的稳流池边墙向内15°~20°收缩，稳流池的长度等于尾水混合池的宽度。

稳流池边墙向内收缩的含义是，在平面图上看，稳流池的边墙向池的中线线方向偏移，与中心线形成夹角α，如图1所示。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于稳流池和集水池的细化。本实施例所述的稳流池和集水池之间设有稳流栅8，如图5所示。

稳流栅可以是孔板，即：整块板上均匀的布置圆孔，如图6所示，也可以是孔板等其他形式的稳流板。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于集水池的细化。本实施例所述的集水池的池长不小于5倍的池宽，位于1.5倍的池宽处中央设置水温传感器。所述的水温传感器为杆式多点水温监测器，每个测点之间的间距不大于1/3倍的水深。

所述的水温传感器是一根长杆，沿长杆上设置多个温度传感元件，将长杆竖直放在水中，则各个温度传感元件分列不同的水深，以测试不同水深的水温。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于尾水混合池、稳流池和集水池的细化。本实施例所述尾水混合池、稳流池和集水池上方设有透明隔热板9，如图7所示。

由于尾水实验的时间较长，因此，为避免气温对水温的干扰，可以在尾水混合池、稳流池和集水池上设置盖板，以隔绝空气的干扰。为便于观察，可以使用透明的盖板。

实施例十：

本实施例是一种使用上述实施例所述装置测试水库下泄水温的方法。所述方法的包括如下步骤：

上游尾水管开始泄水，水温分层水流下泄至尾水混合池。

水流通过掺混设置后，水流紊动加强，使尾水混合池中的水上下得到掺混，破坏上下水层之间的温度场，经缩口的稳流池进入集水池，最后流出。尾水管一般接在上游的分层水温实验装置上，因此，尾水管流出的水流在尾水混合池中会产生弱分层的现象，这时需要使用掺混设施，将上下层的水充分交流，形成上下相同的水温。分层水的水温很难准确的检测温度，现有技术都是简单的检测水中一点的温度，大致的确定为整体水温，这样的检测太过粗糙。还有一种方式是检测各分层水温，然后进行数据处理，如进行数值平均计算，或进行分布场计算等，但这样的方式通常比较复杂，同样无法达到十分精确。为此，本实施例则采用将分层水充分掺混为均匀水的方式，直接进行检测，可以达到十分精确的目的。

当水流稳定后，集水池内水面不再发生变化，调整水温传感器，并打开水温数据采集系统，实时采集水温数据。由于水温传感器上有多个水温传感元件，而且这些传感元件分别安装在不同的水深中，因此，可以采集到不同深度的水温。

当监测各点的水温数据显示值差值在1%以内时，这时认为集水池内的水温数据即为水库下泄水温，记录相应水温数据。若监测各点的水温数据显示差值长时间达不到1%以内时，需要调整挡墙数量和高度，直至各个水深的水温达到平衡，即在1%以内，即为各个水深的温度一致，即可以进行各种专项实验。

模拟实验实例：

某大型水电站分层取水模型实验，采用比尺1：120正态模型，电站上游为模拟库区水温分层流动的实验系统，为精确测试水库下泄水温，电站下游专门建立了本发明涉及的水库下泄水温测试实验装置，模拟了两台机组出流工况。模拟实验中，电站单个尾水管直径Φ为10cm，尾水混合池长1m，宽50cm,高60cm；混合池内安装有3座直角式挡墙，挡墙厚10cm，高30cm，宽50cm，上下交错布置于混合池上中下游位置；混合池下游接有稳流池，稳流池长50cm，下游宽20cm，两侧导墙向内收缩16°，稳流池下游接有集水池，稳流池和集水池之间设有稳流栅，稳流栅孔直径约为1cm；下游集水池宽20cm，长1.1m，稳流栅下游35cm处池中央装有水温传感器，集水池下游设有尾水坎，坎高25cm；实验工况运行时，集水池内水深约为30cm，表中底共设3个水温实时监测点，各监测点间距约为10cm。混合池、稳流池和集水池均采用混凝土砌筑，内侧并涂有保温砂浆，掺混设施挡墙采用有机隔热板制作，方便安装、拆卸及方案调整，装置上方设有透明隔热盖板。

图8为采用数值模拟技术得出的电站尾水管内水温分布。由图可以看出，尾水管内水体存在明显的水温分层，且变化梯度不同，因此无法通过测试某点水温值来表示下泄水温的平均值。目前文献（高学平、宋慧芳、陈弘，水库分层取水下泄水温试验方法，中国科技论文在线）或专利（CN103924549）中对水库分层取水水温的模拟均通过在下游尾水管内布置水温测点来监测下泄水温，根据模拟结果可知，现有方法误差较大。

图9为混合池内未安装掺混设施时集水池内水流稳定后水温监测示值情况，水温分布明显不均匀，表底温差最大达到3℃左右；当布置掺混设施后，水流经过装置得到充分掺混，下游集水池内水温分布均匀，表底温差减小，满足各点水温监测差值不大于1%，如图10所示，已满足数据采集条件，水库下泄水温可以用监测点的平均值来表示。

为验证本发明所述装置的效果，专门对混合池内不加掺混设施和加掺混设施下池内水温分布进行了示意性数值模拟。图11为未加掺混设施混合池内水温分布情况，图12为加掺混设施混合池内水温分布情况。根据图我们可以看出，不加掺混设施时，水流由管道流出，管道内水温为分层状态，混合池内水流同样处于分层状态流出。而布置掺混设施后，水温分层水流由管道流出后，经掺混设施后，由于紊动增强，水流上下翻滚，水温分层减弱，经过多座挡墙后，水流掺混充分，形成水温上下均一分布，如图12所示。由此说明，本发明所述的掺混设施能够使分层水流得到掺混，并通过稳流池后，在集水池内形成稳定的水温均一水流，可以实现分层型水库下泄水温的精确测量。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如整个装置的连接方式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种测试水库下泄水温的实验装置，其特征在于，包括：设有尾水管出口的尾水混合池，所述的尾水混合池与缩口形的稳流池连接，所述的稳流池与集水池连接；所述的尾水管出口的下游设有使水上下层产生交流的掺混设施，所述的集水池内设有水温监测，所述的水温监测器与水温数据采集器电连接。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述的尾水混合池的长宽比为2：1。

3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述的掺混设施由至少3座挡墙交错组成，分别位于尾水混合池的上中下游，挡墙为直角式或三角式。

4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述挡墙表面均布卵石，卵石直径为1-2cm。

5.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述的掺混设施是电动搅拌器，所说的电动搅拌器位于尾水混合池中央，由叶片、传动器和电机组成。

6.根据权利要求1-5之一所述的实验装置，其特征在于，所述的稳流池边墙向内15°-20°收缩，稳流池的长度等于尾水混合池的宽度。

7.根据权利要求1-5之一所述的实验装置，其特征在于，所述的稳流池和集水池之间设有稳流栅。

8.根据权利要求1-5之一所述的实验装置，其特征在于，所述的集水池的池长不小于5倍的池宽，位于1.5倍的池宽处中央设置水温传感器，所述的水温传感器为杆式多点水温监测器，每个测点之间的间距不大于1/3倍的水深。

9.根据权利要求1-5之一所述的实验装置，其特征在于，所述尾水混合池、稳流池和集水池上方设有透明隔热板。

10.一种使用权利要求1所述实验装置测试水库下泄水温的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

上游尾水管开始泄水，水温分层水流下泄至尾水混合池；

水流通过掺混设施，强化水流紊动，使尾水混合池中的水上下得到掺混，破坏上下水层之间的温度场，经缩口的稳流池进入集水池；

当水流稳定后，集水池内水面不再发生变化，调整水温传感器，并打开水温数据采集系统，实时采集水温数据；

当监测各点的水温数据显示值差值在1%以内时，这时认为集水池内的水温数据即为水库下泄水温，记录相应水温数据。