30年代,美国成立田纳西流域管理局时就已经开始重视水库水温问题;日本在50年代亦已成立了河川水温调查委员会,研究水温与水稻生长的关系及水库水温分布特性等。70～80年代,日本相继建成了不少多节式选择取水结构,并在80年代后期编制了《选择取水设施设计要领及说明》供设计者采用。我国对选择取水问题的认识不算太晚,但发展不快,目前的设计水平也不高。为了提高国内选择取水的设计水平,笔者根据国外试验研究资料,结合自己的看法,着重谈谈以下几个问题,供国内同行参考。

1　水库成层特性
　　根据水库水温沿水深分布的特性,可将水库分为成层型、中间型和混合型3种。成层型水库表层水温度高,水温随水深加深而降低,当达到一定水深时,水温常年稳定不变,即水库中的水温形成明显分层状态。水温为什么会有如此规律?这是因为水库是一个巨大的蓄热库,水库中的水大量吸收阳光辐射热,但水体吸收辐射热的多少随水深的不同而不同,水深愈深,吸收的辐射热愈小。美国辛尼加湖的观测资料表明:表层1m水深内吸收的热量占全部吸热量的80%的,其中大部分被表层20cm的水层吸收,约5%的热量能达到5m深度,仅有1%的热量能够达到10m深处。水中热量少,相对温度就低。从水的密度方面分析,温水的密度小于冷水的密度,密度大的水沉在密度小的水的下面是大家都认同的,所以,下面的冷水不会自动向上浮,温水也不会自动向下沉,即温水、冷水不交换,从而形成水库中水温分层状态。
　　不是每座水库水温都分层。水库来水量相对总库容较大的水库,来水时会破坏水库水温成层分布。日本经多年研究,规定用表1判定水库成层特性。

表1　水库成层特性判定表

　　表中　　　　　
　　

(1)
式中　Q_t——全年入库总水量(m³);
　　　Q₇——7月份入库水量(m³);
　　　W_t——水库的库容(m³);
　　　L——水库的长度(m);
　　　Q——年平均流量
　　　Q=Q_t／(365×86400)(m³／s);
　　　H₁——水库平均水深(m);
　　　ρ_o——水的标准密度(t／m³);
　　　-dρ／dz——平均密度梯度(t／m⁴);
　　　F_D——水库内的平均费汝德数;
　　　g——重力加速度(m／s²)。
　　例如:L／H₁=400　　ρ_o=1t／m³　　
　　
　　则
　　　
　　若α=19
　　则F_D=5.23×10^-4×19=0.01
　　结论:水库为中间型水库。
　　在设计中首先应根据表1判定水库成层特性,当为成层型时有考虑选择取水的必要,当是混合型时,则毫无必要选择取水。

2　取水深度
　　从成层型水库中取水时,在取水口附近会形成一流动层,流动层的水流向取水口被排出库外,这一流动层的水应是人们所需要取的水。图1为某水库表层取水时,水温分布及流动状况图。同样,在中层、底层取水时,取水口附近也会形成一流动层。因此,可以说人们可以根据需要有目的的取水,即只取需要的水。

图1　表层取水水温分布及流动状态图

　　流动层厚度δ用下式求得:
　　　　　(2)
式中　Q₁——取水量(m³／s);
　　　G——日野,大西系数(表层、底层取水时为0.324,中层取水时为0.134);
　　　β=(ρ_b-ρ_s)／(ρ_b^.H₂)　　　　　(1/m)
式中　ρ_b、ρ_s——底层、表层水密度　(t/m³);
　　　H₂——水库的最大水深　(m);
　　θ——有效开口角(取水口为直线型或半圆型时等于π,为圆型时等于2π)。
　　式(2)是在取水深度H＜(1/2～1/3)δ的条件下由试验得出。也就是说,当H小于δ/3时,不会影响流动层的厚度δ,只能取厚度δ内的水。如若δ为设计中需要的最大值δ_max时,则取水深度H必须控制小于或等于1/3δ_max,设计中H值通常为2～3m。

3　最大取水量
　　对二层水域即水的密度分上下两层的水域进行研究,其结论是,当只取上层或只取下层水的限制条件为取水量不能太大,并可根据试验结果计算出最大取水量Q_c。
3.1　垂直壁下开孔口取底层水
　　当垂直壁下开孔口只取底层水时(见图2),其研究结果为:满足壁右侧的上层水不会被引到壁左侧的极限条件为:
　　壁为平面时:
　　　　(3)

图2　垂直壁下开孔口的底层取水示意图

　　壁为弧面时:
　　　　(4)
式中　ε=(ρ₂-ρ₁)／ρ₂;
　　　θ、R——重直壁的中心角及圆弧半径(m);
　　　d——底层水深度(m);
　　　D——孔口高度(m);
　　　B——平面垂直壁的宽度(mm)。
　　可知,弧面垂直壁取水优于平面垂直壁取水。
3.2　铅直取水管底层取水
3.2.1　铅直管底层取水
　　当二层水域下方用铅直管只取底层水时(见图3a),试验得出的极限条件为:
　　b=0时:
　　(5)

图3　铅直取水管取水示意图

　　b≠0时:
　　(6)
式中　ε=(ρ₂-ρ₁)／ρ₂
　　可以看出,取水管突出优于不突出。
3.2.2　加设取水盖
　　二层水域铅直取水管上面加设取水盖,只取底层水时(见图3b),试验得出的极限条件为:
　　　　(7)
式中　ε=(ρ₂-ρ₁)／ρ₂
　　式(7)与式(5)、式(6)相比可以看出,加设取水盖优于不加设取水盖。
3.2.3　加设取水盆
　　二层水域铅直取水管顶部加设外径R的取水盆,只取表层水时(图3c),试验得出极限条件:
　　　　(8)
式中　ε=(ρ₂-ρ₁)/ρ₂

4　取水设施的栅流速
　　为防止冰、污物等流入取水塔内,在取水设施中均设置拦污栅。过栅流速过大时会产生涡流;当取水水流的振动频率f与拦污栅的固有频率f_n相近时,会引起共振,致使拦污栅破坏。通常设计中推荐f_n/f≥2.5。
　　　　　　(9)
　　　　(10)
式中　W=V₁(γ₂+l^.γ₁／δ₁);
　　　S_t——0.2　(系数);
　　　U₁——过栅流速;
　　　δ₁——栅条厚度;
　　　K——支承状态系数(栅条两端固定时为17);
　　　E——弹性模量;
　　　I——栅条惯性矩;
　　　L₁——栅条支承间距;
　　　γ₁——水容重;
　　　γ₂——栅条容重;
　　　V₁——栅条支承间的体积;
　　　l——栅条的净间距。
　　例:δ₁=0.9cm;栅条宽9cm;L₁=50cm;
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　拦污栅的过栅流速通常为1.0m／s左右,所以不会产生振动。

5　取水塔塔内流速
　　取水塔塔内流速U₂过大会产生负压,也可能会发生共振。当取水是为发电时,则水头损失会加大。取水塔内不产生负压的条件为:
　　　　(11)
式中　U₃——进水口流速;
　　　h——从水面到计算点的距离;
　　　n——损失系数。
　　例:U₃=1m/s;h=5m;n=0.2;
　　
　　只要塔内流速控制在2～5m/s,并且在进水口布置喇叭状的取水盆,使流线不脱离取水闸门内壁,就不会有产生负压的危险。
　　取水塔塔内流速U₂很小时,塔内会吸入空气,吸入空气后会产生旋涡。通常当取水深H与取水塔塔内直径之比小于2～3时,不吸入空气的条件为:
　　　　(12)
式中　K₁

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