梯级水电站生态调控实验装置的制作方法

1.本发明涉及一种梯级水电站生态调控实验装置。


背景技术：

2.梯级水电站是同一条流域中具有上下游关系的水电站群体，通过合理的调度方式，能够联合发挥防洪、发电及供水的多种功能，是充分开发利用河流的水利水能资源中的一种重要方式。
3.在梯级水电站的建设和运行过程中，对于流域的水文情势做出巨大的改变，进而影响流域的整个生态系统，因此需要进行生态调控对于当地的生态系统实时修复治理。梯级电站生态调控的内容主要分为：(1)生态水文调控，目的是恢复自然生态流量和自然水流情势；(2)生态指标调控，包括泥沙、ph值和溶解氧等，其中水温指标对于鱼类生存繁殖至关重要，水体营养盐的浓度是水华爆发的关键因子，是指标调控的重点。
4.目前已有的河工模型，基本都是单级河道水槽，该河道水槽只能模拟某一段河道，河道长度在几公里到十几公里的长度，且河道坡度变化不大的流域，无法实现连续变坡且长度长达几百公里的全流域河道的真实模拟。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明针对现有河工模型存在的局限性，提供一种梯级水电站生态调控实验装置，该梯级水电站生态调控实验装置能够进行连续变坡且长度长达几百公里的全流域的河道模拟，实现下流的水温调节、下流污染物的扩散速度调节等。
6.技术方案：本发明所述的梯级水电站生态调控实验装置，包括多级河道水槽，多级河道水槽依次串联呈梯级排布；相邻河道水槽之间设有水电站调控区；梯级河道水槽内的流体由水、纳米sio2和聚乙二醇配制而成。上一级河道水槽的水位高于下一级河道水槽的水位。
7.其中，所述河道水槽由多个单节水槽拼合而成；相邻单节水槽之间通过伸缩机构固定连接；所述河道水槽还包括调坡机构和底板，调坡机构设置在伸缩机构与单节水槽连接处的下方，调坡机构包括驱动机构，驱动机构的驱动端与单节水槽铰接；驱动机构的固定端固定在转接板上，转接板的两端均固连有滚轮，滚轮嵌入底板两侧的导轨内，转接板通过滚轮沿着导轨水平向滑动。底板底部还设有万向轮，用于移动整个梯级河道水槽。
8.其中，所述单节水槽由有机玻璃制备而成；伸缩机构由由多个并列设置的u型框架、防水外衬及弹性内衬组成，防水外衬包裹在框架外表面，弹性内衬为聚乙烯复合膜，相邻框架通过聚乙烯复合膜连接。伸缩机构首尾分别连接上一节单节水槽和下一节单节水槽；水电站调控区分别通过伸缩机构连接上游河道水槽和下游河道水槽，伸缩机构用于平滑过渡不同坡度的河流段，其中u型框架由不锈钢制成，多个并列设置的框架通过弹性内衬实现折叠伸展实现伸缩机构的长度变化；防水外衬由聚乙烯丙纶布制成，包裹在框架外表面，防止实验流体渗漏；弹性内衬具有良好的弹性和延展性，为伸缩段内的流体提供过流通
道。
9.其中，所述水电站调控区包括位于水电站调控区下部的进水口以及设置在与下游河道水槽对接处的溢流堰；沿流体流动反方向，出水口前端下部设有叠梁门；水电站调控区在出进口侧的上部还设有整流幕；水电站调控区还包括加热组件；加热组件设置在水电站调控区与上游河道水槽的对接处，加热组件设置于叠梁门和整流幕之间。上一级河道水槽的流体通过进水口进入水电站调控区内，水电站调控区使用有机玻璃制成，用于衔接上游河道水槽和下游河道水槽进行生态调控实验。进水口连接圆形进水管，配备压差流量计，根据水量调控要求，启闭各进水口进行入库流量控制；溢流堰为直角三角堰，用于调控出库流量；整流幕内置反渗透膜，安装在水电站调控区上游库区(下游河道水槽)水面位置，用于调控进入下游水体的营养盐浓度；叠梁门安装在进水口前端下部，用于调控进入下游河道水槽水体的水温；加热组件由若干层加热棒组成，用于对上游河道水槽要进入水电站调控区内的水体进行温度调控，形成水温分层结构，模拟太阳光照射在水体表面形成水体上表面水温高而下部水温低的情形。通过采用本发明流体，能够很好地解决液体混合过快，温度梯度被中和的问题。
10.其中，还包括支流河道，支流河道可与其中任一级河道水槽连接，对应河道水槽的侧面预留支流接口；支流河道由一体式水槽以及位于一体式水槽底部的支撑结构组成，支撑结构为液压顶托器，液压顶托器的固定端固定在底板ii上，液压顶托器的驱动端与一体式水槽转动连接；底板ii底部配备万向轮用于移动支流河道。
11.其中，还包括实验流体调配池，实验流体调配池包括多格独立的池体，不同池体分别通过连接管与首级河道水槽入水口以及支流河道入水口连接，连接管上设有水泵和整流格栅。整流格栅是由直径由粗到细的五层有机玻璃管构成的蜂窝状结构，用于消除大尺度旋涡，提高流体的均匀性；水泵选用线性调节水泵，可在工作范围内进行线性流量调节。
12.其中，本发明实验装置还包括尾门和后处理设备，尾门用于控制出口尾流水位；后处理设备采用加热、化学沉淀及过滤的方法对尾水进行处理，达标后排放。
13.其中，流入支流河道的流体由水、纳米sio2、聚乙二醇和氯化钠配制而成。
14.其中，还包括参数测量设备，每级河道水槽中末节单节水槽的外侧壁上均设有参数测量设备；参数测量设备包括沿纵向排布的多排测量探头以及与测量探头连接的控制器；每排测量探头均由成对设置的流速传感器、水位传感器和声速传感器组成。传感器基于超声时差原理用于测定流体的流速、水位、温度和盐度指标。
15.基于所要模拟的原型河道的实际尺寸，确定实验装置的水平比尺λ
h
和垂向比尺λ
v
，其中λ
h
≥λ
v
，几何变态比λ
h
/λ
v
≤5；根据各梯级间原型河道的实际坡度变化，计算梯级间河道水槽的坡度分段及每段单节水槽的水平尺度及垂向坡降：
16.l
mi
＝l
pi
/λ
h
17.d
mi
＝d
pi
/λ
v
18.式中，l
pi
和d
pi
分别为原型河道第i节的水平尺度和垂向坡降，l
mi
和d
mi
分别为模型河道水槽中第i节水槽的水平尺度和垂向坡降；同时，按照上式根据几何比尺确定支流河道的三维构型数据；原理是一样的，只不过支流河道的水平尺度远小于主流河道，具体为，根据主流河道确定的水平比尺λ
h
和垂向比尺λ
v
，计算支流河道模块的水平尺度及垂向坡降：
19.l
m
＝l
p
/λ
h
20.d
m
＝d
p
/λ
v
21.式中，l
p
和d
p
分别为原型支流河道的水平尺度和垂向坡降，l
m
和d
m
分别为模型支流河道的水平尺度和垂向坡降；
22.按照重力相似准则和雷诺数相似准则，通过确定实验装置的水平比尺λ
h
确定实验流体的流速比尺λ
u
和流量比尺λ
q
：
[0023][0024]
λ
q
＝λ
h1.5
λ
v
[0025]
由于实验的几何比尺相对较大，流量比尺的级数堆积效应会使实验流量过小，不利于实验操作及测量；因此，实验中使用非牛顿流体以增加液体粘性，降低流体流速，流体粘度比尺λ、扩散比尺λ
e
及修正后的流量比尺λ
q
′
为：
[0026][0027][0028]
λ
q
′
＝λ
h
λ
v
。
[0029][0030]
本发明梯级水电站生态调控实验装置的实验过程，具体为：
[0031]
(1)实验准备
[0032]
(1
‑
1)比尺设定：基于梯级电站所在流域实际尺寸和室内实验室大小限制，确定实验物理模型的水平比尺λ
h
和垂向比尺λ
v
，其中λ
h
≥λ
v
，但几何变态比λ
h
/λ
v
≤5。根据各梯级间河道的坡度变化，计算梯级间河道水槽的坡度分段及每段的水平尺度及垂向坡降。
[0033]
l
mi
＝l
pi
/λ
h
[0034]
d
mi
＝d
pi
/λ
v
[0035]
式中，l
pi
和d
pi
分别为原型河道第i节的水平尺度和垂向坡降，l
mi
和d
mi
分别为模型河道水槽中第i节水槽的水平尺度和垂向坡降。同时，可根据几何比尺确定支流河道的三维构型数据。
[0036]
按照重力相似准则和雷诺数相似准则，分别确定模型的水平比尺λ
h
确定实验流体的流速比尺λ
u
和流量比尺λ
q
。
[0037][0038]
λ
q
＝λ
h1.5
λ
v
[0039]
由于实验的几何比尺相对较大，流量比尺的级数堆积效应会使实验流量过小，不利于实验操作及测量。因此，实验中使用由增稠剂配置的非牛顿流体用以增加液体粘性，降低流体流速，粘度比尺λ
μ
、扩散比尺λ
e
及修正后的流量比尺λ
q
′
为：
[0040][0041][0042]
λ
q
′
＝λ
h
λ
v
[0043]
(1
‑
2)水槽搭建：根据比尺计算得到的水槽长度和坡降数据选定合适长度的单节水槽及伸缩机构组合，调整底板位置和驱动机构(顶托器)高度，组成各梯级河道水槽，通过水电站调控区进行s形衔接，组装完成梯级水电站的干流水槽流道；第n节单节水槽前端顶
托器高度h
nu
和后端顶托器高度h
nd
分别通过下式计算：
[0044][0045][0046]
式中，h0为进水口高程，后一项为各段垂向坡降的累加值；
[0047]
将支流三维构型数据输入3d打印机进行一体式水槽制作，使用顶托器调整支流水槽高度，通过接口与干流水槽进行衔接，接入流体控制设备，形成完整的实验水槽模块系统；
[0048]
(1
‑
3)工况设定和实验流体配置
[0049]
根据梯级水电站所在流域实际上游来流q
p
和下游水位h
p
水位，拟定对应的生态调度方案，即第k级梯级水电站的下泄流量q
pk
和下游库水位h
pk
,同时根据水文资料确定第k’条支流的上游流量q
pk’。根据修正后的流量比尺λ
q
′
和垂向几何比尺λ
v
拟定实验中水槽模型中各梯级水电站的下泄流量q
mk
和库水位h
mk
以及支流流量q
mk’。
[0050]
根据水电站库区的实测水温分层特征，按照几何比尺和扩散比尺确定实验中水电站调控区水温与深度的关系曲线t
mk
～z。
[0051]
根据实验设定干流和支流的污染物扩散特征，按照几何比尺和扩散比尺确定营养盐示踪剂(nacl)的浓度；根据粘度比尺λ
μ
结合增稠剂浓度与粘度特性曲线，确定实验流体的增稠剂(纳米sio2和聚乙二醇)浓度；结合干流和支流的实验流量确定单位时间内掺入实验流体调配池的nacl、纳米sio2和聚乙二醇的质量。
[0052]
(2)实验阶段
[0053]
(2
‑
1)水文调控
[0054]
根据流量比尺设定的上游流量，使用水泵从调配池中抽取定额流量的实验流体泵入梯级河道水槽入口及支流河道水槽入口，再经过整流格栅流入水槽系统，形成模拟的上游流量过程。
[0055]
实验流体通过水槽进入各梯级水电站调控区，水电站调控区的进口流量通过压差流量计311测定，根据流量及水位调控要求，控制各进水口的入流通道截面进行入库流量控制；水电站调控区的出口流量即下梯级的上游流量可使用矩形堰公式计算：
[0056]
q＝2m0bgh
2.5
[0057]
式中，m0为流量系数，b为流道宽度，g是重力加速器，h为堰上水头，出口流量通过调节闸门高度改变堰上水头h进行控制。单梯级水电站的实际出力通过下式进行求和：
[0058]
n＝ηλ
q
λ
v
qδh
[0059]
式中，η为水电站发电效率，可取值8.5，δh为实验中梯级水电站上下游水头差。
[0060]
(2
‑
2)生态调控
[0061]
根据设定的库区水温与深度关系曲线，使用加热组件对库区水体进行分层加热，形成预设的水温分层结构。利用升降机构调整水电站进水口前的叠梁门高程，改变水电站的取水高度及对应水温，同时，监控水电站下泄水温的变化。
[0062]
利用升降电机调整库区整流幕的底端高度，改变整流幕内反渗透模的有效工作面积及周围的水流结构，控制整流幕的脱盐(nacl)速率，从而改变进入库区及下游的营养盐
浓度。
[0063]
(2
‑
3)指标测量
[0064]
本实验系统需要测的流速、水位、水温及盐度指标均匀基于无接触式的超声时差技术，使用成对的多参数探头实现指标实时测量。初始状态时，水槽两侧的测量控制板根据水位探头反馈的数据，根据过流水深调节各滑轨的高度，使探头均匀分布；控制系统实时分析流速、水温及盐度的分布特征，在指标分布梯度较高(突变)出，智能分配更多的探头用于提升该区域测量分辨率。
[0065]
(3)实验后处理阶段
[0066]
在调配池冲加入清水，泵入水槽模块进行冲洗，待声速探头反馈的水槽内流体nacl浓度达标后，认为水槽清洗完毕，拆卸各模块进行检修复查以备下次实验使用。
[0067]
实验及冲洗阶段的所有尾水进入后处理设备进行净化，水质达标后再进行排放。
[0068]
有益效果：本发明梯级水电站实验装置基于特定的流体以及对应的变态模型，能够实现对存在连续变坡且长度长达几百公里的全流域的河道进行真实模拟，即流态(流速和水位)符合实际情况，在这样的前提下，实现对下游水温的生态调控和对下游营养盐浓度的生态调控。
附图说明
[0069]
图1为梯级水电站实验装置的结构原理图；
[0070]
图2为河道水槽的结构示意图；
[0071]
图3为支流河道的结构示意图；
[0072]
图4为水电站调控区的结构示意图；
[0073]
图5为实验流体调配池的结构示意图；
[0074]
图6为参数测量设备的结构示意图；
[0075]
图7为梯级水电站实验装置进行实验时的操作流程图；
[0076]
图8为实施例中第三梯级水电站调控区生态调控前后下泄水温变化过程；
[0077]
图9为实施例中第三梯级水电站调控区生态调控前后库区营养盐浓度变化过程。
具体实施方式
[0078]
如图1～6所示，本发明梯级水电站生态调控实验装置，包括多级河道水槽1，多级河道水槽1依次串联呈梯级排布；相邻河道水槽1之间设有水电站调控区3；梯级河道水槽1内的流体由水、纳米sio2和聚乙二醇组成。河道水槽1由多个单节水槽11拼合而成；相邻单节水槽11之间通过伸缩机构12固定连接；河道水槽1还包括调坡机构13和底板14，调坡机构13设置在伸缩机构12与单节水槽11连接处的下方，调坡机构13包括顶托器133，驱动机构133的驱动端132与单节水槽11铰接；驱动机构133的固定端固定在转接板134上，转接板134的两端均固连有滚轮131，滚轮131嵌入底板14两侧的导轨141内，转接板134通过滚轮131沿着导轨141水平向滑动；底板14底部还设有万向轮142，用于移动整个梯级河道水槽1。单节水槽11由有机玻璃制备而成；伸缩机构12由多个并列等距排布的u型框架121、防水外衬122及弹性内衬123组成，防水外衬122包裹在框架121外表面，弹性内衬123由若干段聚乙烯复合膜构成，每段聚乙烯复合膜连接两个相邻的框架。
[0079]
水电站调控区3包括位于水电站调控区3下部的进水口31以及设置在与下游河道水槽1对接处的溢流堰32；沿流体流动反方向，进水口31前端下部设有叠梁门33；水电站调控区3在进水口31侧的上部还设有整流幕34；水电站调控区3还包括加热组件35，加热组件35设置在水电站调控区3与上游河道水槽的对接处，加热组件35设置于叠梁门33和整流幕34之间。
[0080]
本发明梯级水电站生态调控实验装置还包括支流河道2，支流河道2与其中任一级河道水槽1连接；支流河道2由一体式水槽21以及位于一体式水槽21底部的支撑结构22组成；支撑结构22为液压顶托器，液压顶托器的固定端固定在底板ii23上，液压顶托器的驱动端与一体式水槽21铰接。流入支流河道2的流体由水纳米sio2、聚乙二醇和氯化钠组成。
[0081]
本发明梯级水电站生态调控实验装置还包括实验流体调配池4，实验流体调配池4包括多格独立的池体41，不同池体41分别通过连接管46与首级河道水槽1入水口以及支流河道2入水口连接，连接管46上设有水泵43和整流格栅42。本发明实验装置还包括尾门44和后处理设备45，尾门44用于控制出口尾流水位；后处理设备45采用加热、化学沉淀及过滤的方法对尾水进行处理，达标后排放。
[0082]
本发明梯级水电站生态调控实验装置还包括参数测量设备5，每级河道水槽1中末节单节水槽11的外侧壁上均设有参数测量设备5；参数测量设备5包括沿纵向排布的多根滑轨521，每根滑轨521上均安装有测量探头51，测量探头51在滑轨521上可以沿着滑轨521横向移动；参数测量设备5还包括与测量探头51连接的控制器52；每根滑轨521上均安装有成对设置的流速传感器、水位传感器和声速传感器组成。
[0083]
根据实验室尺度(20m
×
40m
×
5m)及梯级水电站所在流域实际尺度(500km*20km*500m)，拟定实验水槽的水平比尺λ
h
为5000和垂向比尺λ
v
为1000，并确定粘度比尺λ、扩散比尺λ
e
及修正后的流量比尺λ
q
′
分别为70、3.5
×
105和5
×
106，基于几何比尺拟定梯级河道水槽及支流河道水槽的尺寸数据如下表所示：
[0084]
[0085]
调整顶托器132高度，将干流各段水槽使用伸缩机构12进行连接，各梯级河道水槽1间利用水电站调控区3进行衔接；使用光敏树脂复合材料进行3d打印支流河道2，支流河道2与第三梯级第2段干流水槽拼接，形成完整的实验水槽装置。
[0086]
根据梯级水库流域的典型上游日平均流量过程和干支流的营养盐浓度，拟定调配池的流量、增稠剂及nacl浓度变化表，在实验流体调配池4中进行调制。
[0087]
实验时间(时:分)流量(l/s)增稠剂(g/l)nacl(g/l)00:00
‑
00:300.5280.2423.6400:30
‑
01:000.6883.0828.7301:00
‑
01:300.5779.6024.1301:30
‑
02:000.5382.3434.1202:00
‑
02:300.4978.6232.8702:30
‑
03:000.4777.2627.5603:00
‑
03:300.5885.6724.6703:30
‑
04:000.5184.4229.43
[0088]
实验开始后，通过水泵从调配池中分别向干流和支流供入实验流体。逐梯级使用水电站进水口流量计和出口闸门控制进出口流量进行水文调控，并使用测量探头记录关键位置处的流速和水位。待流动稳定后，调整叠梁门高度进行水温调控，调整整流幕有效作用高度进行营养盐调控，采集生态指标数据，对不同调控方案进行对比，最终得到的各梯级的调控数据，部分时段数据汇总如下表所示：
[0089]
[0090][0091]
采集第三梯级生态调控前后的水电站库区水温及营养盐数据绘制图8和图9，说明生态调控具有提高下泄水温和降低库区营养盐浓度的作用。