農(nóng)村小水電水能降損研究綜述

蔡 新，陳姣姣(.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，南京0098；.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 0098)

隨著時(shí)代的進(jìn)步，小水電在社會(huì)中承擔(dān)的任務(wù)也與20世紀(jì)七八十年代大不一樣[2]?，F(xiàn)階段，除了要滿足不斷增長(zhǎng)的農(nóng)村用電需求，農(nóng)村水電站還要最大程度地利用現(xiàn)有資源，促進(jìn)節(jié)能減排，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。而老電站由于施工簡(jiǎn)易、設(shè)備簡(jiǎn)陋、技術(shù)落后、年久失修、管理落后及運(yùn)行人員素質(zhì)較低[3,4]，再加上后期受大網(wǎng)沖擊，已遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代水電發(fā)展的需要，適時(shí)進(jìn)行技術(shù)改造勢(shì)在必行[5]，對(duì)小水電節(jié)能降損的研究迫在眉睫。

1 農(nóng)村小水電發(fā)展

最早修建的一批小水電站是在19世紀(jì)晚期至20世紀(jì)初。20世紀(jì)二三十年代后，大工業(yè)和大城市的用電負(fù)荷迅速增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，小水電對(duì)電力系統(tǒng)的作用越來越小[6]，且其單位千瓦造價(jià)較高。當(dāng)時(shí)，大中型水電工程技術(shù)已日趨成熟，因而許多發(fā)達(dá)國(guó)家大規(guī)模修建大中型水電站，小水電不但發(fā)展很少，甚至停運(yùn)拆除大批小水電站[7]。

20世紀(jì)70年代后期，能源危機(jī)出現(xiàn)，多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家水能資源已開發(fā)到一定程度。開發(fā)條件較好的大中型水電站站址幾已開發(fā)殆盡，造價(jià)也增加，生態(tài)保護(hù)的要求對(duì)開發(fā)大中型水電站的制約又日益嚴(yán)重，因此，在80年代又重新出現(xiàn)世界范圍興建小水電的高潮。此時(shí)，許多發(fā)展中國(guó)家也制訂了小水電發(fā)展計(jì)劃[8]，小水電建設(shè)有了不同程度的發(fā)展。

中國(guó)的農(nóng)村水電是一個(gè)相對(duì)的、歷史的、發(fā)展的概念。隨著農(nóng)村、地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及其對(duì)農(nóng)村、地方電力能源的需求，農(nóng)村水電的涵義在全國(guó)有過多次變化。20世紀(jì)50年代，500kW及以下的水電站和送電線路為農(nóng)村小水電；60年代，單機(jī)500 kW、總裝機(jī)3 000 kW及以下的水電站和送電線路為小水電；70年代，小水電是指單站容量在1.2萬kW及以下的水電站及配套小電網(wǎng)；進(jìn)入80年代，將單站容量在2.5萬kW及以下的水電站和配套小電網(wǎng)稱為小水電；進(jìn)入90年代，將總裝機(jī)在5萬kW及以下的水電站和配套電網(wǎng)統(tǒng)稱為農(nóng)村水電[9]。

2003年世界水能大會(huì)估計(jì)，世界小水電可開發(fā)資源大致為1.2～1.44億kW，我國(guó)可開發(fā)小水電資源如以原統(tǒng)計(jì)數(shù)7 000萬kW計(jì)，占世界50%左右[10]。當(dāng)前我國(guó)的農(nóng)村小水電存在著諸多問題，如屬結(jié)構(gòu)設(shè)備銹蝕嚴(yán)重，攔污柵配置或結(jié)構(gòu)不合理，壓力管道較小，水頭損失過大、引水系統(tǒng)的滲漏損失過大，糙率大，不能滿足過流要求等[11-13]?；谝陨蠁栴}，中央財(cái)政部、水利部決定，自2011年起實(shí)施農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造工程。

2 農(nóng)村小水電結(jié)構(gòu)

農(nóng)村小水電站根據(jù)建站地點(diǎn)的具體條件和集中落差的方式，可以分為：

(1)引水式。用較長(zhǎng)的引水道來集中水電站的全部或相當(dāng)大一部分水頭，常見于流量小、坡降大的河流中、上游。

整形：按照“單主干雙主蔓”的樹型整形。主干離架下40 厘米處摘心，培養(yǎng)雙主蔓，主蔓長(zhǎng)度為株距一半，主蔓兩側(cè)均勻分布結(jié)果母枝，結(jié)果母枝間距30厘米左右。

(2)壩式。在溪、河上選擇地形“口窄、肚大”，地形較好的地方，筑一道壩，擋住河水，使壩的上游形成水庫(kù)，集中落差，常見于坡度平緩的河流上。

(3)混合式。是壩式和引水式相結(jié)合的型式，上游筑壩建一水庫(kù)，起著抬高水位和調(diào)節(jié)流量作用，同時(shí)利用隧洞或壓力水管來增加水頭。在盆地和峽谷相連的情況下，上段河床坡度較平緩而下段河床坡度陡峻，采用這種方式更為有利。

(4)河床式。在集水面積較大的平原河道中，利用一段坡度較陡的河段，筑壩抬高水位，水電站建在河床上與堰一同起擋水作用。

農(nóng)村小型水電站的水工建筑物主要由擋水建筑物、泄洪建筑物、輸水建筑物及廠房樞紐四大部分組成。農(nóng)村小水電水能降損的研究主要應(yīng)針對(duì)水電站的輸水系統(tǒng)。

圖1 輸水系統(tǒng)組成圖

3 小水電水能降損研究方法及成果

目前研究小水電水能降損的主要方法包括物理模型試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法。模型試驗(yàn)作為驗(yàn)證和優(yōu)化小水電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要手段，其結(jié)果往往真實(shí)可信，它不僅可以論證設(shè)計(jì)中小水電布置的合理性，而且可以預(yù)測(cè)原型可能發(fā)生的現(xiàn)象，詳細(xì)觀測(cè)各種運(yùn)行工況下的水力學(xué)特性。一般來說，這方面的模型試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)成熟，然而試驗(yàn)易受到模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)、量測(cè)精度等的限制，使得所得結(jié)果準(zhǔn)確度受到影響。例如，對(duì)某些特殊具體問題，如漩渦等，其模型相似律、比尺效應(yīng)等問題還有待進(jìn)一步研究。此外，模型試驗(yàn)還具有成本高、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件和網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了諸如時(shí)間平均法(Reynolds Averaged Navier-Stokes equations RANS)，大渦模擬(Large Eddy Simulation-LES)和直接湍流數(shù)值模擬(Direct Numerical Simulation-DNS)等較多數(shù)值模擬方法。

利用上述方法，研究人員對(duì)降低小水電水能損失進(jìn)行了大量研究。水頭和水量是構(gòu)成水能的兩大要素，這就把對(duì)水能損失的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)水頭和水量的損失的研究。

3.1 農(nóng)村小水電輸水系統(tǒng)水頭損失研究

輸水系統(tǒng)的水頭損失包括：渠首進(jìn)口局部水頭損失、明渠及渠系建筑物水頭損失、無壓隧洞水頭損失、有壓隧洞水頭損失、壓力管道進(jìn)水口局部水頭損失、壓力管道水頭損失、尾水水頭損失、渠首過柵水頭損失、渠首過閘水頭損失、壓力管道進(jìn)口過柵水頭損失、壓力管道進(jìn)口過閘水頭損失等。

進(jìn)水口的水頭損失主要是局部阻力損失，其水頭損失的大小是衡量進(jìn)水口水力設(shè)計(jì)和水流條件優(yōu)劣的重要指標(biāo)。按水流條件，可分為有壓式進(jìn)水口、開敞式進(jìn)水口和抽水蓄能進(jìn)出水口三類。

(1)有壓式進(jìn)水口設(shè)在水庫(kù)死水位以下，以引進(jìn)深層水為主，故有名深式進(jìn)水口，其后接有壓隧洞或管道，水流在進(jìn)水口出于有壓流狀態(tài)。按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有壓式進(jìn)水口可以分為以下六類：閘門豎井式進(jìn)水口、塔式進(jìn)水口、岸坡式進(jìn)水口、壩式進(jìn)水口、河床式進(jìn)水口、分層取水進(jìn)水口。黃智敏等[14]根據(jù)樂昌峽水利樞紐工程電站進(jìn)水口在水力模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)電站進(jìn)水口布置方案的運(yùn)行流態(tài)、防渦工程措施、水頭損失影響因素和變化規(guī)律等進(jìn)行研究和分析。 由于水生態(tài)保護(hù)的需要，部分水電站已開始逐漸采用分層取水式進(jìn)水口。Tracy B Vermeyen.[15]用物理模型試驗(yàn)，研究了格倫峽谷壩(Glen Canyon Dam)分層式取水口方式的水力學(xué)特性，研究?jī)?nèi)容包括：水頭損失、渦的形成、流速分布、臨界淹沒水深以及壓力等。董紹堯[16]以某水電站為例，采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)水口分層取水的水力學(xué)特性進(jìn)行研究。楊建東[17]以嘉陵江亭子口水利樞紐為背景，采用數(shù)學(xué)模型與物理模型相結(jié)合的方法模擬了疊梁門分層取水式電站進(jìn)水口水力特性。但已有對(duì)分層進(jìn)水口進(jìn)行模擬的時(shí)候大都假定水體為等溫體，沒有考慮溫度對(duì)流態(tài)和流速分布的影響。

圖2 湍流數(shù)值模擬方法及相應(yīng)的模型

(2)開敞式進(jìn)水口亦稱無壓進(jìn)水口，其中的水流為具有與大氣接觸的自由水面的明流，以引進(jìn)表層水為主，其后一般接無壓引水道。其組成建筑物一般有攔河低壩(攔河閘)、進(jìn)水閘、沖沙閘及沉砂池等。虹吸式進(jìn)水口是典型的無壩取水進(jìn)水口。王顯煥[18]對(duì)虹吸式進(jìn)水口的局阻定義和測(cè)試方式以及組合局阻的水力學(xué)概念進(jìn)行了介紹，并指出各種進(jìn)水口體型均有待改進(jìn)和優(yōu)化。當(dāng)然，這種進(jìn)水口也有缺點(diǎn)：體型復(fù)雜，施工質(zhì)量要求高，引水道比閘門式進(jìn)水口長(zhǎng)，工程量相應(yīng)增多。

(3)抽水蓄能電站輸水道中的水流方向在發(fā)電和抽水兩種工況下相反，其進(jìn)水建筑物既是進(jìn)水口，又是出水口，故稱為進(jìn)出水口。由于其特殊性，對(duì)進(jìn)出水口的研究有別于其他進(jìn)水口形式。張青玉等[19]結(jié)合回龍抽水蓄能電站進(jìn)水口及國(guó)外同類工程的試驗(yàn)資料，研究了進(jìn)水口雙向水流作用下的水流流態(tài)、流速分布及水頭損失。章軍軍[20]對(duì)大樹子抽水蓄能電站下庫(kù)進(jìn)出水口水流特性進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，通過優(yōu)化原體型解決了抽水蓄能電站側(cè)式短進(jìn)出水口在出流時(shí)流態(tài)分布不均勻與水頭損失系數(shù)偏大的難題。葉建軍[21]通過物理模型試驗(yàn)分析進(jìn)出水口的水流特性，然后分析平面擴(kuò)散角，擴(kuò)散段長(zhǎng)度，立面擴(kuò)散角，分流墩布置形式，來流管道坡度等主要因素對(duì)進(jìn)出水口水流特性的影響。通過以往學(xué)者的研究，得出了進(jìn)水口周圍幾何條件、分流墩數(shù)目、閘槽位置都對(duì)雙向水流特性有顯著影響，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況慎重設(shè)計(jì)。

針對(duì)進(jìn)水口周邊結(jié)構(gòu)對(duì)水頭損失的影響，很多學(xué)者也進(jìn)行了研究。FuXiang[22]對(duì)于攔污柵的攔截污物的效率進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究。C Katopodis[23]研究了明渠內(nèi)具有一定傾角的立體過濾柵上游的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。任玉珊[24]用水工水力學(xué)模型試驗(yàn)方法研究了攔污柵銹蝕程度和堵塞狀態(tài)與水頭損失增量的關(guān)系。王波[25]采用數(shù)學(xué)模型和物理模型相結(jié)合的方法研究了聯(lián)系梁對(duì)電站進(jìn)水口水流特性的影響。得出聯(lián)系梁僅對(duì)其局部水流會(huì)產(chǎn)生影響，由于聯(lián)系梁大多布置在低流速區(qū)，對(duì)系統(tǒng)總體影響不大的結(jié)論。夏在森等[26]用物理模型實(shí)驗(yàn)研究分析了隔流墩長(zhǎng)度對(duì)收縮段內(nèi)流速分布及進(jìn)水口水頭損失的影響。在接下來農(nóng)村小水電降損實(shí)踐方面應(yīng)該開展既有水電站進(jìn)水口攔污柵銹蝕和堵塞規(guī)律的試驗(yàn)研究，掌握攔污柵的開孔率、堵塞率與過柵水頭損失增量之間的關(guān)系，以便采取相應(yīng)的措施，提高水力發(fā)電的效益。

明渠作為無壓引水的一種主要建筑物形式，其水頭損失主要是沿程水頭損失，影響因素主要有渠道糙率、邊界幾何形狀、彎道、變斷面、建筑物、流量、水質(zhì)、施工質(zhì)量、使用年限、養(yǎng)護(hù)條件等。田淳等[27]結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)不同斷面引水流道的水頭損失、最大取水量及前池水面壅高進(jìn)行了計(jì)算和物理模型試驗(yàn)，選定了最為合適的流道斷面。閆旭峰等[28]基于SMS水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)漸變河道水流特性進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，與實(shí)測(cè)值吻合較好，并計(jì)算分析了局部水頭損失系數(shù)沿程的變化規(guī)律。靳國(guó)厚[29]根據(jù)國(guó)外資料，給出了國(guó)外對(duì)冰蓋底面波紋的觀測(cè)成果，分不同情況列舉出了求解冰蓋和渠底糙率的幾種計(jì)算公式及與河渠過水能力的關(guān)系。

壓力管道作為有壓引水的一種典型結(jié)構(gòu)，其水頭損失包括管身段、伸縮節(jié)、岔管段、彎管段、漸變段和法蘭等附屬結(jié)構(gòu)的水頭損失，其大小與壓力管道的材質(zhì)、長(zhǎng)度、直徑、尺寸形狀變化、地形條件、制造工藝和運(yùn)行維護(hù)情況等因素有關(guān)。Valiantzas[30]通過考慮局部水頭損失和沿程水頭損失的關(guān)系對(duì)Darcy-Weisbach公式進(jìn)行了改進(jìn)。陳朝[31]運(yùn)用三維k-ε紊流模型對(duì)11種常見管道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了管道幾何尺寸對(duì)水流流態(tài)和局部水頭損失的影響，得出了各種類型管道的局部水頭損失系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律。韓方軍等[32]應(yīng)用內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)進(jìn)水管、出水管采用不同管徑比的T型三通管道的湍流流動(dòng)進(jìn)行了分析計(jì)算，得出了具有較小水頭損失三通的進(jìn)水口、出水口的管徑比。

引水隧洞可按其是否有壓分為有壓引水隧洞和無壓引水隧洞。水經(jīng)過引水隧洞時(shí)產(chǎn)生的水頭損失，其大小與隧洞的長(zhǎng)度、地質(zhì)條件、襯砌型式、運(yùn)行維護(hù)情況等因素有關(guān)。李協(xié)生[33]以漁子溪一級(jí)水電站引水隧洞為例，用近似公式框算和用水工模型試驗(yàn)成果對(duì)比分析的方法確定引水隧洞漸變段的水頭損失，并在隧洞內(nèi)設(shè)置測(cè)壓管進(jìn)行原型觀測(cè)加以印證。徐哲[34]根據(jù)引水隧道直徑與水頭損失的函數(shù)關(guān)系和工程實(shí)踐,推導(dǎo)出引水式水電站引水隧洞或管道直徑的計(jì)算公式，減少了通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的工作量。

3.2 農(nóng)村小水電輸水系統(tǒng)水量損失研究

輸水系統(tǒng)的水量損失包括：水庫(kù)棄水量、水庫(kù)蒸發(fā)和滲漏水量、明渠及渠系建筑物漏水量、無壓隧洞漏水量、壓力前池漏水量、有壓隧洞漏水量、壓力管道漏水量、渠首沖沙耗水量、排污耗水量、渠首閘門漏水量等。

渠道的輸水損失主要包括渠道的滲水損失、漏水損失和水面蒸發(fā)損失三大部分，其中滲水量占主要部分。影響渠道滲水損失的主要因素為：渠床的土壤性質(zhì)，渠道的斷面形式及渠中水深以及沿渠線的地下水的埋深和出流狀況等水文地質(zhì)條件；渠道的淤積狀況和有無襯砌措施等。髙惠嫣等[35]基于明渠均勻流原理提出渠道輸水損失測(cè)定的改進(jìn)動(dòng)水法：順時(shí)法。賈俊[36]結(jié)合西河渠道改建項(xiàng)目，對(duì)渠道防滲襯砌形式、施工技術(shù)要求以及施工質(zhì)量控制措施進(jìn)行了分析探討。田守成等[37]在分析滲漏損失的基礎(chǔ)上，總結(jié)了北方渠道防滲的工程技術(shù)措施。石金堂[38]總結(jié)了我國(guó)東北、西北、華北這些寒冷地區(qū)的渠道工程普遍存在的凍害問題及主要影響因素；探討了土層產(chǎn)生凍脹變形的機(jī)理、渠道凍脹破壞的機(jī)理及重要的影響因素，提出了防滲渠道防治凍害的原則及措施?；炷练罎B是國(guó)內(nèi)廣泛采用的一種渠道防滲技術(shù)措施，但混凝土襯砌板適應(yīng)變形的能力差，目前國(guó)外已開始利用納米技術(shù)改進(jìn)混凝土的性能，今后可以針對(duì)新材料和新施工工藝進(jìn)行研究。

管道滲漏水是輸水管道常見的工程問題，產(chǎn)生的主要原因有管道基礎(chǔ)的不均勻沉陷、輸水流量和流速、水質(zhì)、管道接口填料及閉水段端頭封堵不嚴(yán)密等。趙杰等[39]以西北某引水輸水管道為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了不同灰土墊層厚度在相同滲漏時(shí)間下的數(shù)值仿真計(jì)算方案，目的是研究滲漏的影響范圍，取得灰土墊層推薦合理厚度值。屈高健等[40]結(jié)合古仙洞水電站混凝土輸水管道，分析其產(chǎn)生的主要原因是地基產(chǎn)生不均勻沉降和溫度變化，根據(jù)裂縫性質(zhì)，采用噴涂、化學(xué)灌漿、黏貼GB復(fù)合板等方法綜合處理。水利樞紐工程的引水管道設(shè)有伸縮節(jié)來保證管道的變形和應(yīng)力得到耗散，以確保大壩安全運(yùn)行。但機(jī)組發(fā)電運(yùn)行后，各發(fā)電引水鋼管的伸縮節(jié)均出現(xiàn)了不同程度的漏水現(xiàn)象，不但影響了電站的穩(wěn)定運(yùn)行，也威脅了大壩的安全，所以有必要研究取消伸縮節(jié)的可行性。王春濤等[41]結(jié)合萬家寨水電站分析取消伸縮節(jié)的具體做法，并對(duì)其應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析。

水經(jīng)過隧洞產(chǎn)生的漏水量，其大小與隧洞的長(zhǎng)度、斷面大小、洞內(nèi)水壓、地質(zhì)條件、襯砌型式和運(yùn)行維護(hù)情況等因素有關(guān)。蘇曉英[42]用回歸分析法對(duì)文峪河水庫(kù)隧洞現(xiàn)有觀測(cè)資料進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了隧洞存在的滲漏問題，并通過隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的復(fù)核計(jì)算，分析了隧洞滲漏的原因。馮麗杰[43]分析了水工隧洞滲漏的成因，總結(jié)了水工隧洞處理的原則。具體介紹了水工隧洞點(diǎn)滲漏、裂縫和變形縫滲漏、面滲漏處理的一般方法。蘭輝[44]結(jié)合洞坪水電站水工隧洞，分析混凝土襯砌裂縫及滲水產(chǎn)生的原因，提出了施工縫滲漏的處理辦法及防治措施。目前我國(guó)在水工隧洞常見滲漏病害的治理方面有很多可供選擇的修補(bǔ)方法，但各種方法都有自身的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，也都存在著某些不足。在選擇治理方案時(shí)，要結(jié)合隧洞的地質(zhì)條件、運(yùn)行方式、經(jīng)濟(jì)成本、具體病害特征及可能帶來的后果綜合確定，以達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 語

本文在概述小水電發(fā)展和農(nóng)村小水電結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前研究小水電水能降損優(yōu)化的主要方法，然后從水頭損失和水量損失兩方面綜述了以往學(xué)者對(duì)農(nóng)村小水電輸水系統(tǒng)降損的研究成果，并針對(duì)前人的研究，指出有待進(jìn)一步進(jìn)行研究的問題，為以后農(nóng)村小水電水能降損的研究提供了參考。

農(nóng)村小水電輸水系統(tǒng)的水能降損可以從水頭損失和水量損失兩個(gè)方面加以考慮。在今后的降損設(shè)計(jì)中，進(jìn)水口、攔污柵、渠道、隧洞、壓力管道等處的局部水頭損失應(yīng)主要從優(yōu)化體型結(jié)構(gòu)方面來降低水頭損失；降低渠道、隧洞、壓力管道等處的沿程水頭損失則應(yīng)從結(jié)構(gòu)的糙率、邊界幾何形狀、彎道、變斷面形式等方面著手。降低輸水系統(tǒng)的水量損失則可以從影響結(jié)構(gòu)漏水的因素出發(fā)，研究新材料和新施工工藝來減少漏水量。

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