底部倒灌异重流运行特性试验研究

底部倒灌异重流运行特性试验研究

自2003年蓄水以来，三峡水库在防洪、蓄水、交通运输、生态灌溉等方面取得了巨大的综合效应，并带来了一些生态环境问题。在一些支流的回归区，每年都会发生不同程度的洪水，尤其是2008年夏天大宁河和香溪等支流发生的严重洪水。纪道斌和杨正健在现场监测的基础上，根据香溪的长期观测结果，提出了三峡水库支流的东西段不同大小的特点。同时，假设不同层次和高度的差异流的存在对该湾的矿产盐分布和水温等有不同程度的影响。然而，关于三峡水库支流的差异和高距离差异，有必要研究和应用不同的基质流。由于现场应用的同步和系统监测的困难，有必要在室内重新安置灌木，进一步了解和研究灌木异常流动的起源条件和运动规律。本文以三峡水库香溪河库湾发生的底部倒灌异重流为背景,建立倒灌异重流室内物理模型,以初始水位、倒灌入流量、干支流温度差这3个主要影响因子为变量,设计系列工况,重现底部倒灌异重流现象,分析温差倒灌异重流头部流速、运行距离、厚度等主要水力学要素的变化规律,为进一步认识三峡水库支流库湾倒灌异重流的运动规律提供支持,为开发三峡水库支流库湾水动力数学模型奠定基础,同时也为通过水库生态调度来改变支流的水动力条件以改善库湾水质及抑制水华发生提供理论支撑.1试验设备和材料1.1试验特征层设计本试验采用全透明有机玻璃直道矩形断面明渠水槽,配有相应的冷、热水处理及进水系统,图1为倒灌异重流试验系统平面图,图2为倒灌异重流试验系统A-A剖面图.试验水槽长1000cm,宽30cm,底坡为-0.03.试验水槽由进水段(模拟长江干流)、观测段(模拟典型支流库湾)与尾水段3部分组成,水深逐渐变小,模拟异重流从渠深较大的进水段倒灌潜入渠深逐渐减小的观测段的过程.其中,进水段长150cm,在进水段与观测段之间设置有机玻璃隔板(模拟典型支流库湾与长江干流的交汇口),有机玻璃隔板可上下平稳抽动;另外,在进水段与水箱或蓄水池连接处的进水口设置有消能栅,以便入流平稳.外置配水系统包括一个配蓄水池和水箱.蓄水池长250cm,宽50cm,高150cm,用于提供试验常温水,并在蓄水池内装配4根大功率电热棒,用来加热试验用水.配水箱尺寸为100cm×75cm×75cm,塑料材质,用来配置本试验底部反坡异重流的入侵冷水.1.2dv时图像检测试验除消耗大量清水(自来水)外,其他试验材料有:高锰酸钾(用来对入侵水体染色,以便观测异重流运动形态)、计时器(记录异重流运行时间)、记号笔、铅笔、水框等.实验中在水槽一侧设置摄像机专用滑道,用DV摄像机对异重流头部进行移动跟踪拍摄,以记录异重流头部到达各监测断面的所用时间;在水槽另一侧布置3个相机,每隔10s左右同步记录一次各监测断面倒灌异重流厚度.1.3设置及时器.观测段总长421cm,共分8个观测断面,分别布设在距隔板71、121、171、221、271、321、371和421cm处.水槽其余部分为尾水段,末端安装溢水管来控制水槽水位.2积分法与底部高差倒灌试验试验中考虑到三峡水库干支流水体温度差在0～10℃的范围内,所以将冷热水的温差控制在10℃以内,另外,结合试验条件选定两种水体的温度差和泵的流量.表1给出了底部温差倒灌异重流试验的初始参数,对于底部异重流的温差是指入侵水体与环境水体的温度差;初始水位是以水槽底座为基准、进水段内水体的高度.3试验期间的异重流试验试验流程主要共分3步,流程如下:1配水层温度调节首先将水槽中水体水温调至表1中各组试验所设定的水槽水体水温;然后利用冰块将配水箱中自来水调至各组试验所设置的入侵水体温度,加入适量高锰酸钾,待水槽中清水静置后插上有机玻璃挡板,向进水段水体中加入适量的冰块和高锰酸钾,使其温度及水体浓度均与配水箱中水体一致.22设备准备将拍摄每个断面的照相机放在合适的位置,安排专人专控;另外,选择试验所需流量水泵.3异重流到达各断面的拍摄抽去隔板并启动水箱水泵,用DV摄像机跟踪异重流头部移动拍摄,以记录异重流到达各断面的所用时间.每隔10s左右由固定相机同步记录一次各观测断面异重流温度和厚度,由移动摄像机所拍摄的影片来读取异重流头部所在位置和到达时间等.4初始水位状态当倒灌异重流潜入河底后,促使异重流头部前进的力量,要比维持继而来之的潜流力量为大,这样就使得异重流的头部比后面的稳定潜流厚.异重流头部的长度较短,和后面稳定潜流的连接比较突然,在行进中头部的形状和速度基本上保持不变.在环境水流静止状况下,底部异重流头部形态如图3所示,头部移动速度为u′,交界面高度指异重流头部最上缘距离水槽底部高度,即h0′+h0,其中异重流头部厚度为h0′.分析不同因素影响倒灌异重流各水力学要素的规律时:1)入流量选择表1中一、二、三工况;2)初始水位选表1中二、四、五工况;3)温度差选表1中二、六、七、八、九工况.另外,将倒灌异重流划分成运动初期、过渡期和稳定期,相应距隔板的距离分别为0～200、200～500cm和500cm以上.4.1不同初始水位对异重流顶部速度的影响由图4(a)可知,异重流运行各个阶段均显示头部流速沿程近似线性缓慢减小,同一个断面处异重流头部移动速度随入流量增加而增大.如距离隔板453cm处,流量分别为0.75、1.07、1.82L/s时头部速度对应为3.363、3.595、3.897cm/s.显示出异重流入流量只影响其运动速度大小而并不影响头部流速的变化规律,沿程递减率均近似于1‰.由图4(b)可知,初始水位对异重流头部移动速度有一定影响,在异重流运行一段时间趋于稳定后,水位越高,同一断面处头部速度越大.如在距隔板690cm处,初始水位分别为40、60、80cm时头部流速分别为2.545、3.387、3.613cm/s.另外,初始水位为40、60、80cm时,头部速度沿程均呈递减趋势,平均递减率分别为1.3‰、0.9‰、0.5‰,说明初始水位越高,其头部速度沿程减小越缓慢.由图4(c)可知,异重流进入过渡期之后,异重流与水槽环境水体温度差越大,异重流倒灌潜入到同一断面时头部速度越大,如距隔板330cm处,温差分别为2、4、6、8、10℃时,头部速度分别为2.89、3.714、4.024、4.671、4.955cm/s.温差分别为2、4、6、8、10℃时,头部速度最大值分别为3.367、4.056、4.391、4.902、5.022cm/s,随着温差的增加,头部速度最大值也有增加的趋势,且出现在潜入点附近.随着异重流的潜入,头部速度沿程均呈递减趋势,温差为2、4、6、8、10℃时对应的头部速度沿程平均递减率分别为1‰、0.9‰、0.9‰、1.1‰、0.8‰,头部速度沿程减小的速率相差不大.4.2种水位下交界面沿程变化由图5(a)可知,3种入流量条件下,异重流形成最初期,交界面高度差异很小.而在异重流运行稳定期,异重流交界面随着入流量的增加而略有升高的趋势,但升幅不大.如距隔板820cm处,入流量为0.75、1.07、1.82L/s时,异重流交界面高度分别为45、46、49cm.同时,交界面沿程呈增高趋势,入流量为0.75L/s和1.82L/s时,交界面沿程平均比降分别约为16‰和19‰.由图5(b)可知,3种水位条件下,水位越高,交界面越高,如初始水位为40、60、80cm时,距隔板110cm处交界面高度分别为27、37、45cm,距隔板620cm处,对应的交界面高度分别为35、45、50cm.同时,3种初始水位下,异重流交界面沿程变化趋势相同,均沿程缓慢升高.水位为40、60、80cm时,交界面沿程平均升高率分别为17‰、15‰、10‰,可见,初始水位越高,异重流交界面沿程升高越缓慢.由图5(c)可知,温差大小对异重流交界面几乎无影响,5种温差下的交界面沿程变化趋势基本一致,沿程平均升高率均约为15‰.对比分析图5(a)、(c)发现:初始水位相同,均为60cm时,3种入流量条件下交界面高度变化范围均为30～49cm,5种温差下交界面高度变化范围均为33～47cm;而流量温差不变,初始水位分别为40、60、80cm时异重流交界面高度对应的变化范围分别为25～38、33～46、46～54cm.由此可见,底部异重流交界面高度主要受水槽初始水位的影响,交界面高度随水位的增加而升高,而高水位下交界面高度沿程升高速度反而越缓慢.试验过程中观测到,当异重流运行稳定时前锋过后的异重流交界面形态基本不再发生变化,由图6可见,稳定后异重流厚度沿其流动方向逐渐减小,底部异重流与环境水体交界面的倾向与水槽底部相反,同时交界面的比降小于水槽底坡坡比.4.3初始水位差异由图7(a)可知:入流量分别为0.75、1.07、1.82L/s时,距隔板420cm处异重流头部厚度分别为22.9、24.9、26.9cm;距隔板820cm处分别为15.9、16.9、19.9cm,可见异重流进入过渡期后其头部厚度随入流量增加而增大,但沿程减小.3种入流量条件下头部厚度变化率(-dh/dx)的区间分别为0.002～0.030、0.005～0.030和0.000～0.030,相差不大.如图7(b)所示,初始水位分别为40、60、80cm时潜入点处头部厚度分别为20.1、28.9、39.1cm;距隔板420cm处,分别为18、24.9、32.9cm,可见初始水位对底部异重流头部厚度影响较为显著,同一断面处水位越高头部厚度越大,且异重流头部厚度变化趋势相似,均沿程呈线性递减,初始水位为40、60、80cm时头部厚度沿程变化率分别约为13‰、15‰、19‰,初始水位越高,头部厚度沿程递减越快.由图7(c)可知,5种不同温差条件下,异重流头部厚度变化范围均为15.9～28.9cm,平均变化率大致相等,均约为14‰,由此可知入侵水体与环境水体的温差对异重流头部厚度沿程变化几乎没有影响.同时由图7可见:图7(a)、(c)中当初始水位设为60cm时,增大入流量,同一断面异重流头部厚度略有增大(图7(a));变动温差时,同一断面异重流头部厚度范围基本不变(图7(c));而流量温差不变,增高初始水位时,同一断面异重流厚度明显变厚(图7(b)).由此可见异重流头部厚度变化过程主要受水槽初始水位的影响,头部厚度随水位的增加而增大,且高水位下头部厚度沿程递减趋势更显著,其次是受入流量影响,基本不受温差影响.5异重流顶部运行状态1)底部倒灌异重流头部移动速度沿程呈线性递减;异重流