01 研究背景

增加现有水利工程的产能，能够在对社会和环境影响最小的情况下产生额外的能源。在法国，Rhône河的水力发电和航运运营商CNR正在为现有的水力工程增加小型发电站（Small Power Plant）。这些小型发电站将与现有水利工程并排建立，它们的水源主要来自现有水利工程入口通道前河段的入流量。在新建小型发电站的同时，CNR还将在现有水利工程的上下游建立渔道。

从水力的角度来看，在现有水利工程的基础上新增水利结构往往存在较大难度。若水电站的入口通道与主流方向之间的方向急剧变化，小型水电站的入口渠道的来流不均匀，就可能会影响发电效率，甚至因为水流震荡而引起涡轮机损坏。因此需要一个可靠的数值模型来研究宽大河流与较小进水口渠道之间的相互作用。

02 案例展示

ARTELIA的工程师通过三维水动力仿真对Rhône河的两个新增的小型水电站的进水口渠道的尺寸和形状进行了初步评估，通过ADCP数据和水位实测数据的校准后，对模型的设置参数进行了敏感性分析，并利用该模型筛选渠道的最佳构型，对这两个小型水电站的进水口渠道的尺寸和形状进行了优化。

03 模型搭建

模型主要研究Rhône河上的Donzère和Caderousse小型水电站的进水口渠道（宽度约为10m）以及渠道入口外延伸出去的主河道（宽度约为200米），因此这个模型可以充分考虑和模拟河道上游来流情况。网格总共有140000个节点，Rhône河主河道内网格密度约为5~10米，在小型水电站的进水口渠道入口附近加密至1~2米，进水口渠道内加密至0.2米。

图1 Donzère和Caderousse小型水电站建造前Khône河道地形

模型在Khône河上游、现有水利工程入口以及小型水电站进水口渠道末端施加恒定流量边界；在Khône河主干道下游施加恒定水位边界条件。为了尽量减少数值扩散，并且与通用水动力仿真软件中的潮滩设置兼容，ARTELIA的工程师使用LIPS对流格式来求解k-ε湍流模型。

04 模型验证

A. 水位验证

在中等流量工况下，河段的水位线很平坦，因此模型验证的信息量不大。在大流量工况下，通过将摩擦系数设置为0.01m，Caderousse案例的实测水位线与模拟计算水位线吻合度高。

B. ADCP测量验证

ARTELIA的工程师将三维水动力仿真模型计算结果与两个小型水电站入口附近Rhône河的ADCP流量测量结果进行了对比验证。图2为Donzère在大坝上游，小型水电站进水口与主河道交叉剖面的ADCP测量和模型计算的垂直平均绝对流速的比较。从图中可以看出模拟速度交叉剖面的形状与实测速度剖面吻合较好，计算值和实测值之间的平均差值约为-0.1 m/s。这可能由于在ADCP调查日期(2021年)，河床上的沉积物沉积量高于用于建立模型的水深调查日期，也表明了河道的形态演化会对速度剖面产生影响。

图2 三维水动力计算结果与ADCP测量结果对比

C. 水利比例模型验证

在Donzère小型水电站建设时，已经计算并获取了水利比例模型的结果数据：这些结果包括表面流线的绘制和小型水电站进口通道交叉剖面的流速测量。虽然水利比例模型计算出的速度交叉剖面的形状与测量结果大体一致，但定量校准并不完全令人满意。这可能是物理模型的流量和速度测量不准确产生的，而不是数值模型本身的问题。对模型所使用的湍流模型和网格密度进行的敏感度分析，结果证明这些修改对模型结果的影响非常有限。

05 结果与讨论

通过数值建模师和水力工程师对不同几何形状的进口通道和电厂不同的运行条件进行水力计算，找到能够同时满足水力和土木工程标准的几何形状。

在Caderousse小型水电站的案例下，测试了两种非常不同的进水口渠道配置（进水口渠道与主河道的位置和角度不同，见图3）进行初步评估。为了节约运行成本，将速度场更均匀的进水口渠道构型配置在实体比例模型上进行进一步测试。

图3 Donzère小型水电站的进水口渠道的两种构型下仿真计算的速度场图

在Donzère小型水电站案例下，进行了不同形状的进水口渠道的仿真计算对比测试，经过反复迭代优化。得到在主河道大多数水力情况下，水头损失均最小，入口流量最均匀的进水口渠道形状，如图4所示。然后通过局部模型来检查在数值模拟设计出的进水口形状下，是否会出现水流的周期性振动现象，以此来优化渠道的一些土木工程特性。

图4 小型水电站进水口渠道内的水位和水头沿流线分布

小型水电站的这两个进水口渠道案例通过使用水动力仿真数值模型，缩小对实体比例模型进行的选择范围。因为实体比例模型的构建和运行成本比数值模型更高。此外，数值模型用于可视化或提取其他需求变量也可以作为辅助决策的工具。

06 讨论

这项工作展示了三维水动力仿真模型如何用于研究水电站进水口渠道的水力学问题。ARTELIA的工程师使用三维水动力数值模型综合优化土木工程成本和最小化发电厂效率损失的财务风险，并使用了水力比例模型来验证和改进数值模型的结果。

07 小结

本文主要讲述了ARTELIA的工程师利用三维水动力仿真对两个配备渔道的小型水电站项目的入流口渠道的尺寸和形状进行了初步评估。三维水动力模型经过河流水位实际测量结果和ADCP测量结果的校验和敏感性分析后，可以很好地模拟出入流口渠道周围和内部的流型和流速的分布。三维水动力数值模型可以很好地用于筛选入流口渠道尺寸和形状或其他水利工程结构的最优配置，进而减少实体比例模型的构建和运行成本，提高效率。

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