農村小水電水能降損研究綜述

蔡 新，陳姣姣(.河海大學力學與材料學院，南京0098；.河海大學水利水電學院，南京 0098)

隨著時代的進步，小水電在社會中承擔的任務也與20世紀七八十年代大不一樣[2]。現(xiàn)階段，除了要滿足不斷增長的農村用電需求，農村水電站還要最大程度地利用現(xiàn)有資源，促進節(jié)能減排，保護生態(tài)環(huán)境。而老電站由于施工簡易、設備簡陋、技術落后、年久失修、管理落后及運行人員素質較低[3,4]，再加上后期受大網(wǎng)沖擊，已遠不能適應現(xiàn)代水電發(fā)展的需要，適時進行技術改造勢在必行[5]，對小水電節(jié)能降損的研究迫在眉睫。

1 農村小水電發(fā)展

最早修建的一批小水電站是在19世紀晚期至20世紀初。20世紀二三十年代后，大工業(yè)和大城市的用電負荷迅速增長，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，小水電對電力系統(tǒng)的作用越來越小[6]，且其單位千瓦造價較高。當時，大中型水電工程技術已日趨成熟，因而許多發(fā)達國家大規(guī)模修建大中型水電站，小水電不但發(fā)展很少，甚至停運拆除大批小水電站[7]。

20世紀70年代后期，能源危機出現(xiàn)，多數(shù)發(fā)達國家水能資源已開發(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，造價也增加，生態(tài)保護的要求對開發(fā)大中型水電站的制約又日益嚴重，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，許多發(fā)展中國家也制訂了小水電發(fā)展計劃[8]，小水電建設有了不同程度的發(fā)展。

中國的農村水電是一個相對的、歷史的、發(fā)展的概念。隨著農村、地方經(jīng)濟的發(fā)展及其對農村、地方電力能源的需求，農村水電的涵義在全國有過多次變化。20世紀50年代，500kW及以下的水電站和送電線路為農村小水電；60年代，單機500 kW、總裝機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；進入90年代，將總裝機在5萬kW及以下的水電站和配套電網(wǎng)統(tǒng)稱為農村水電[9]。

2003年世界水能大會估計，世界小水電可開發(fā)資源大致為1.2～1.44億kW，我國可開發(fā)小水電資源如以原統(tǒng)計數(shù)7 000萬kW計，占世界50%左右[10]。當前我國的農村小水電存在著諸多問題，如屬結構設備銹蝕嚴重，攔污柵配置或結構不合理，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]。基于以上問題，中央財政部、水利部決定，自2011年起實施農村水電增效擴容改造工程。

2 農村小水電結構

農村小水電站根據(jù)建站地點的具體條件和集中落差的方式，可以分為：

(1)引水式。用較長的引水道來集中水電站的全部或相當大一部分水頭，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，主蔓長度為株距一半，主蔓兩側均勻分布結果母枝，結果母枝間距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，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合的型式，上游筑壩建一水庫，起著抬高水位和調節(jié)流量作用，同時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。農村小水電水能降損的研究主要應針對水電站的輸水系統(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法和數(shù)值模擬法。模型試驗作為驗證和優(yōu)化小水電結構設計的重要手段，其結果往往真實可信，它不僅可以論證設計中小水電布置的合理性，而且可以預測原型可能發(fā)生的現(xiàn)象，詳細觀測各種運行工況下的水力學特性。一般來說，這方面的模型試驗技術已經(jīng)成熟，然而試驗易受到模型尺寸、流場擾動、量測精度等的限制，使得所得結果準確度受到影響。例如，對某些特殊具體問題，如漩渦等，其模型相似律、比尺效應等問題還有待進一步研究。此外，模型試驗還具有成本高、周期長等缺點。近幾十年來，隨著計算機硬件和網(wǎng)格技術的發(fā)展，計算流體力學(CFD)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了諸如時間平均法(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，研究人員對降低小水電水能損失進行了大量研究。水頭和水量是構成水能的兩大要素，這就把對水能損失的研究轉化為對水頭和水量的損失的研究。

3.1 農村小水電輸水系統(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、壓力管道進口過柵水頭損失、壓力管道進口過閘水頭損失等。

進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水口水力設計和水流條件優(yōu)劣的重要指標。按水流條件，可分為有壓式進水口、開敞式進水口和抽水蓄能進出水口三類。

(1)有壓式進水口設在水庫死水位以下，以引進深層水為主，故有名深式進水口，其后接有壓隧洞或管道，水流在進水口出于有壓流狀態(tài)。按照結構特點，有壓式進水口可以分為以下六類：閘門豎井式進水口、塔式進水口、岸坡式進水口、壩式進水口、河床式進水口、分層取水進水口。黃智敏等[14]根據(jù)樂昌峽水利樞紐工程電站進水口在水力模型試驗的基礎上，對電站進水口布置方案的運行流態(tài)、防渦工程措施、水頭損失影響因素和變化規(guī)律等進行研究和分析。 由于水生態(tài)保護的需要，部分水電站已開始逐漸采用分層取水式進水口。Tracy B Vermeyen.[15]用物理模型試驗，研究了格倫峽谷壩(Glen Canyon Dam)分層式取水口方式的水力學特性，研究內容包括：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，采用物理模型試驗和數(shù)值模擬對其進水口分層取水的水力學特性進行研究。楊建東[17]以嘉陵江亭子口水利樞紐為背景，采用數(shù)學模型與物理模型相結合的方法模擬了疊梁門分層取水式電站進水口水力特性。但已有對分層進水口進行模擬的時候大都假定水體為等溫體，沒有考慮溫度對流態(tài)和流速分布的影響。

圖2 湍流數(shù)值模擬方法及相應的模型

(2)開敞式進水口亦稱無壓進水口，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)、進水閘、沖沙閘及沉砂池等。虹吸式進水口是典型的無壩取水進水口。王顯煥[18]對虹吸式進水口的局阻定義和測試方式以及組合局阻的水力學概念進行了介紹，并指出各種進水口體型均有待改進和優(yōu)化。當然，這種進水口也有缺點：體型復雜，施工質量要求高，引水道比閘門式進水口長，工程量相應增多。

(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，其進水建筑物既是進水口，又是出水口，故稱為進出水口。由于其特殊性，對進出水口的研究有別于其他進水口形式。張青玉等[19]結合回龍抽水蓄能電站進水口及國外同類工程的試驗資料，研究了進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]對大樹子抽水蓄能電站下庫進出水口水流特性進行了模型試驗研究，通過優(yōu)化原體型解決了抽水蓄能電站側式短進出水口在出流時流態(tài)分布不均勻與水頭損失系數(shù)偏大的難題。葉建軍[21]通過物理模型試驗分析進出水口的水流特性，然后分析平面擴散角，擴散段長度，立面擴散角，分流墩布置形式，來流管道坡度等主要因素對進出水口水流特性的影響。通過以往學者的研究，得出了進水口周圍幾何條件、分流墩數(shù)目、閘槽位置都對雙向水流特性有顯著影響，應根據(jù)實際情況慎重設計。

針對進水口周邊結構對水頭損失的影響，很多學者也進行了研究。FuXiang[22]對于攔污柵的攔截污物的效率進行了相關實驗的研究。C Katopodis[23]研究了明渠內具有一定傾角的立體過濾柵上游的流動結構。任玉珊[24]用水工水力學模型試驗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系。王波[25]采用數(shù)學模型和物理模型相結合的方法研究了聯(lián)系梁對電站進水口水流特性的影響。得出聯(lián)系梁僅對其局部水流會產生影響，由于聯(lián)系梁大多布置在低流速區(qū)，對系統(tǒng)總體影響不大的結論。夏在森等[26]用物理模型實驗研究分析了隔流墩長度對收縮段內流速分布及進水口水頭損失的影響。在接下來農村小水電降損實踐方面應該開展既有水電站進水口攔污柵銹蝕和堵塞規(guī)律的試驗研究，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系，以便采取相應的措施，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、施工質量、使用年限、養(yǎng)護條件等。田淳等[27]結合工程實際，對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行了計算和物理模型試驗，選定了最為合適的流道斷面。閆旭峰等[28]基于SMS水動力學模型對漸變河道水流特性進行了二維數(shù)值模擬，與實測值吻合較好，并計算分析了局部水頭損失系數(shù)沿程的變化規(guī)律。靳國厚[29]根據(jù)國外資料，給出了國外對冰蓋底面波紋的觀測成果，分不同情況列舉出了求解冰蓋和渠底糙率的幾種計算公式及與河渠過水能力的關系。

壓力管道作為有壓引水的一種典型結構，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構的水頭損失，其大小與壓力管道的材質、長度、直徑、尺寸形狀變化、地形條件、制造工藝和運行維護情況等因素有關。Valiantzas[30]通過考慮局部水頭損失和沿程水頭損失的關系對Darcy-Weisbach公式進行了改進。陳朝[31]運用三維k-ε紊流模型對11種常見管道進行數(shù)值模擬，分析了管道幾何尺寸對水流流態(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]應用內部流場數(shù)值計算軟件對進水管、出水管采用不同管徑比的T型三通管道的湍流流動進行了分析計算，得出了具有較小水頭損失三通的進水口、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)過引水隧洞時產生的水頭損失，其大小與隧洞的長度、地質條件、襯砌型式、運行維護情況等因素有關。李協(xié)生[33]以漁子溪一級水電站引水隧洞為例，用近似公式框算和用水工模型試驗成果對比分析的方法確定引水隧洞漸變段的水頭損失，并在隧洞內設置測壓管進行原型觀測加以印證。徐哲[34]根據(jù)引水隧道直徑與水頭損失的函數(shù)關系和工程實踐,推導出引水式水電站引水隧洞或管道直徑的計算公式，減少了通過技術經(jīng)濟比較的工作量。

3.2 農村小水電輸水系統(tǒng)水量損失研究

輸水系統(tǒng)的水量損失包括：水庫棄水量、水庫蒸發(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，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定的改進動水法：順時法。賈俊[36]結合西河渠道改建項目，對渠道防滲襯砌形式、施工技術要求以及施工質量控制措施進行了分析探討。田守成等[37]在分析滲漏損失的基礎上，總結了北方渠道防滲的工程技術措施。石金堂[38]總結了我國東北、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；探討了土層產生凍脹變形的機理、渠道凍脹破壞的機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。混凝土防滲是國內廣泛采用的一種渠道防滲技術措施，但混凝土襯砌板適應變形的能力差，目前國外已開始利用納米技術改進混凝土的性能，今后可以針對新材料和新施工工藝進行研究。

管道滲漏水是輸水管道常見的工程問題，產生的主要原因有管道基礎的不均勻沉陷、輸水流量和流速、水質、管道接口填料及閉水段端頭封堵不嚴密等。趙杰等[39]以西北某引水輸水管道為研究對象，設計了不同灰土墊層厚度在相同滲漏時間下的數(shù)值仿真計算方案，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]結合古仙洞水電站混凝土輸水管道，分析其產生的主要原因是地基產生不均勻沉降和溫度變化，根據(jù)裂縫性質，采用噴涂、化學灌漿、黏貼GB復合板等方法綜合處理。水利樞紐工程的引水管道設有伸縮節(jié)來保證管道的變形和應力得到耗散，以確保大壩安全運行。但機組發(fā)電運行后，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]結合萬家寨水電站分析取消伸縮節(jié)的具體做法，并對其應力狀態(tài)進行了分析。

水經(jīng)過隧洞產生的漏水量，其大小與隧洞的長度、斷面大小、洞內水壓、地質條件、襯砌型式和運行維護情況等因素有關。蘇曉英[42]用回歸分析法對文峪河水庫隧洞現(xiàn)有觀測資料進行了分析，驗證了隧洞存在的滲漏問題，并通過隧洞襯砌結構的復核計算，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，總結了水工隧洞處理的原則。具體介紹了水工隧洞點滲漏、裂縫和變形縫滲漏、面滲漏處理的一般方法。蘭輝[44]結合洞坪水電站水工隧洞，分析混凝土襯砌裂縫及滲水產生的原因，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方法，但各種方法都有自身的特點和應用范圍，也都存在著某些不足。在選擇治理方案時，要結合隧洞的地質條件、運行方式、經(jīng)濟成本、具體病害特征及可能帶來的后果綜合確定，以達到最佳的技術經(jīng)濟效益。

4 結 語

本文在概述小水電發(fā)展和農村小水電結構形式的基礎上，總結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者對農村小水電輸水系統(tǒng)降損的研究成果，并針對前人的研究，指出有待進一步進行研究的問題，為以后農村小水電水能降損的研究提供了參考。

農村小水電輸水系統(tǒng)的水能降損可以從水頭損失和水量損失兩個方面加以考慮。在今后的降損設計中，進水口、攔污柵、渠道、隧洞、壓力管道等處的局部水頭損失應主要從優(yōu)化體型結構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從結構的糙率、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構漏水的因素出發(fā)，研究新材料和新施工工藝來減少漏水量。

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