1、四 川 水 利 大石包水库工程水温预测及低温减缓措施徐留兴，余 乐，杨秉霖，付 杉，周秩丞（四川师范大学，成都，；四川鑫锦程工程咨询有限公司，成都，）【摘 要】以大石包水库为研究对象，结合主体工程设计采取的叠梁门分层取水措施，对比预测采取减缓措施前后的库区及下泄的水温，进一步论证了分层取水能有效地减缓低温水的不利影响。对同类型水库的库区及下泄水温预测分析提供了一定的借鉴意义。【关键词】水温预测 大石包水库 分层水温 叠梁门 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）大石包水库工程属于中型水利工程，工程建设可改善当地灌溉条件，提高当地灌溉保证率，保障威远县城供水安全，对威远县城市发展、农业稳粮增收、
2、威远县城市应急供水安全及河流生态环境改善等有着重要意义。但由于水库蓄水，将改变库区及下游河段的水文情势，其中水温为水文因素中重要的一项。因此，开展水库水温预测及减缓措施研究，对水库及周边环境保护具有重要意义。研究区概况大石包水库坝址位于镇西河上游的镇西镇肖兵村，坝址控制流域面积 。工程开发任务为农业灌溉、城镇及农村供水和改善水生态环境等综合利用，并作为威远县城市应急备用水源。大石包水库正常蓄水位 ，设计洪水位，校核洪水位 ，总库容 万，正常蓄水位库容 万，兴利库容 万，死库容 万。主坝坝顶长，坝顶宽 ，最大坝高；副坝坝顶长，坝顶宽 ，最大坝高。大石包水库库区属于亚热带暖湿季风气候分区，多年平均
3、气温 ，极端最高气温为，极端最低气温为 ；多年平均相对湿度，年平均日照时数 ，年平均蒸发量为 ，多年平均降雨量为 ，多年平均风速为 ，最大风速 ，相应风向。研究方法水库水温是否分层及分层强度，与水库所处地理位置、径流特性、水深、气候条件、库容、面积等有关。经验公式考虑了水库库容、径流对水温结构的影响，能一定程度对水温结构做简单判断，但往往存在一定的失真，而且不能获得水温的时空变化过程。除经验公式法外，数学模型法是目前研究水库水温结构的主要手段和方法，水库水温数学模型是基于热量平衡原理建立起来的，在理论上比较严密，综合考虑了气象、水文、地形等因素的影响，更能较好地反映水库水温状况。水库垂向水温数
4、学模拟方法包括水库垂向一维水温数学模型、立面二维水温模型、三维模型等，其中河道分层或过渡型水库水温宜采用立面二维数值模型计算。该模型在水库水温预测中较为成熟。立面二维水温数学模型得到了二滩水库实测水温资料的验证，应用于国内多个水库水温预测模拟。根据大石包水库的水温结构初步判别，本文拟采用立面二维水温数学模型对库区和下泄水温进行预测。立面二维水温数学模型主要方程如下：连续方程：四 川 水 利动量方程：向：模型认为在纵向尺度远大于垂向尺度的情况下，垂向流速远小于纵向流速，假定垂向流速对时间和空间的偏导数和湍流剪应力偏导数均为小量，在忽略时变加速度项、位变加速项和湍流剪应力项后，将 方向动量方程简化
5、为静水压力方程，这种假定对于有明显垂向加速度的流动不适用，如强降温导致的垂向对流等模拟不准确。向：状态方程：（，）自由水面方程：热输运方程：式中，为水体宽度，；为纵向流速，；为垂向流速，；为侧向单位体积净入库流量，；为水位，；为河道倾角，；为水体密度，；为控制体在 面 向的湍流剪应力，；为控制体在 面 向的湍流剪应力，；为支流流速的 分量；（，）为密度函数，为水温、盐度、悬浮物浓度的函数；为水面宽度，；为纵向离散系数，；为垂向离散系数，；为单元控制体侧向热量（水质）出入流的速率，（）；为源汇项，（）。热输运方程源项中考虑了水面热交换和河床热交换两部分。（）水面热交换水面热交换主要由辐射、蒸发和
6、传导三部分组成，由下式表达：（）式中，为通过水体表面的热交换净热量，；为太阳短波辐射，；为大气长波辐射，；为蒸发热损失，；为热传导通量，；为反射的太阳短波辐射，；为反射的大气长波辐射，；为水面长波辐射，。太阳短波辐射 （）式中，是水面反射率，取 ；是云层覆盖率。进入水体中的太阳辐射按比尔定律（）衰减：（）（）式中，（）为穿过水深 平面的太阳辐射，；为水面太阳辐射吸收系数；为纯水中太阳辐射衰减系数，；为水面的太阳短波辐射，。大气长波辐射 大气所吸收的太阳能以长波形式向地面发射，其长波辐射强度取决于气温和云量，可用 定律计算：（）（）式中，（）是水面上 处的气温；是长波反射率，取 ；是 常数，为
7、；为大气发射率，晴天的大气发射率 可用 及 公式计算得到：（）在多云天气可用 公式修正为：（）式中，参数 与云层高度有关，美国田纳西工程管理局推荐其平均值为 。大气长波返回辐射 大气长波返回辐射可用 定律计算：（）式中，（）是水面气温；是长波反射率，取；是 常数，为 ；为大气发射率，晴天情况下可用 及 公式计算（见上节计算公式）。蒸发热损失 水的蒸发过程需要吸收热量，蒸发热损失表徐留兴，余 乐，杨秉霖，付 杉，周秩丞：大石包水库工程水温预测及低温减缓措施 达式为：（）（）其中（）为风函数：（）式中，为地面 高处的风速，；为水面饱和蒸发压力，；为大气蒸气压，。热传导通量（）（）式中，为 常数，取
8、为 。（）河床热交换相对于水面热交换，河床热交换比较小，许多模型不考虑河床热交换。调查表明，要精确模拟水库下层滞水带水温必须要考虑河床热交换。河床热交换公式和水面热交换公式类似：（）式中，为河床和水体之间的热交换通量，；为 热 交 换 系 数，取 值；为水温，；为泥沙温度，一般取年平均气温。（）下泄水温下泄水温为出水口高程对应单元网格的流量加权平均水温，具体为：式中，为第 出水口高程范围内对应的第 个网格单元的流量，；为第 个网格单元的水温，；为下泄水温，。边界条件 气气象象距离本项目最近的气象站为威远气象站，观测高程约，与大石包坝址高程基本接近，因此采用威远气象站气象要素作为水温预测的气象边
9、界条件，预测所需的主要气象要素包括气温、相对湿度、风速、云量、太阳辐射逐月值。入入库库水水温温研究区附近河流无长期水温观测成果，本次研究收集到与本工程气候特征、海拔高度基本相近的升钟水库所在嘉陵江支流西河流域开封水文站多年平均水温监测成果，升钟水库与大石包水库均位于四川盆地，同属长江流域，因此其水气温相关关系可近似用于本工程天然水温推求。结合威远气象站多年平均气温推求得到大石包水库坝址天然水温过程，由于大石包水库正常蓄水位下回水长度仅 ，因此入库水温采用坝址天然水温。表 大石包坝址天然水温推求成果项目 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月气温（）天然水温（）水水库库调调度度选取丰水年
10、（）、平水年（）、枯水年（）水库径流调节成果。底层取水方案水温预测 库库区区水水温温预预测测 平平水水年年大石包水库平水年库区水温在 月分层较强，其余月份分层较弱，基本为垂向同温状态，库表 水 温 ，库 底 水 温 ，垂向温差 。月气温、太阳辐射均为全年最低，来流水温比库区水温低约 ，但入库流量较小，进入库区后与库区水体迅速混合均匀，对库区水温影响较小，库区水温在来流和气象的共同作用下，保持同温状态，坝前平均水温约 。月 入 库 流 量 仍 然 较 小，月 均 入 库 水 温，在低温来流水及气象的影响下，库表库底水温均有所下降，但全库区近乎为同温状态。月开始进入升温期，入流水温、气温均有所升高
11、，表层水温受气象影响升高明显，库表水温，受 月持续低温入流的影响，库底水温则出现一定的延迟，库底水温 ，水温在垂向上逐渐有所分层，坝前垂向温差为 。月受气象条件和来流水温影响库区水温上升较快，库表温度达 。由于入出库流量的加大，增强了库区底部的掺混，整体上库区垂向热量传递增大，中上层水体水温增温较快，库底为约 的低温层，水温较低且稳定，平均水温约。月，来流水温和气温、太阳辐射等大幅提升，库区水温也大幅提高。月入库流量较大，库区保持较低水位运行，受气温和太阳辐射升高影响，库表水温也不断攀升，由 月的 升至 月的 。月、月坝前垂向温差分别 四 川 水 利达到 、。月的气温和太阳辐射均为全年最高，但
12、入出库流量较 月大幅减小，表底温差仍保持在 左右，为全年最大。月的气温、太阳辐射仍然保持较高水平，入出库流量较 月大幅度降低，库区流速相对减缓，热量易于蓄集，使该月表层水温达到全年最高的 ，库底水温也上升明显，较 月升高 ，坝前垂向平均温度为 。月库区水温分层仍然十分明显，但表层水温较 月有所下降，而垂向热传导使得库底水温有所升高，坝前垂向平均水温 ，为全年最高。月气温、太阳辐射的下降，使得库表水温也有所下降，垂向温差不断缩小。但出库流量较小，库区流速较小，垂向热传导作用使得中下层水体水温不断升高，坝前水温逐渐趋向于同温，垂向平均水温约 。月水库仍保持较高水位运行，蓄热作用明显，气温及太阳辐射
13、的降低使得库表水温不断降低，温差缩小，垂向趋于同温，月、月坝前垂向平均水温分别为 、。图 平水年坝前垂向水温分布 丰丰水水年年、枯枯水水年年丰水年及枯水年库区水温及其演变规律基本相似，月水温分层较强，其余月份垂向趋于同温或弱分层。丰水年库表水温 ，库底水温 ，垂向温差 ，由于丰水年库区水位较高，因此对水温的调节能力相对较强，坝前年内垂向温差略大于平水年。枯水年库表水温 ，库底水温 ，垂向温差 ，枯水年水温基本与平水年相似。图 丰水年坝前垂向水温分布图 枯水年坝前垂向水温分布 表 库表、库底水温及其温差单位：月份 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月平水年库表水温 库底水温 最大温差
14、丰水年库表水温 库底水温 最大温差 枯水年库表水温 库底水温 最大温差 徐留兴，余 乐，杨秉霖，付 杉，周秩丞：大石包水库工程水温预测及低温减缓措施 下下泄泄水水温温预预测测总体来看，大石包水库的调节能力较强，通过左岸放水洞下泄水体水温 月存在不同程度的低温水。月、月月均低温水幅度最大，丰水年、平水年、枯水年 月月均低温水幅度分别为 、，月 月 均 低 温 水 幅 度 分 别 为、，其中丰水年由于 月库区蓄水量较大，而 月、月供水量相对稳定，因此导致 月、月低温水相对平水年、枯水年显著。各典型年 月至次年 月则存在不同程度的高温水，丰水年、平水年、枯水年最大月均高温水幅度分别为 、，均出现在
15、月。图 各典型年月均下泄水温与天然水温对比表 各典型年月均下泄水温过程单位：月份坝址天然水温下泄水温与天然水温温差丰水年平水年枯水年丰水年平水年枯水年 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 平均 低温水减缓措施及预测大型水库可采用叠梁门分层取水方式改善下泄低温水问题，叠梁门具有灵活的特点，可根据水温需求时段和调度确定叠梁门层数。大石包水库放水洞进水口前设置了叠梁门，叠梁门共 层，每层高度 ，共计 ，根据前文预测，经放水洞下泄水体 月下泄水温低温水现象较严重，因此叠梁门运行时段宜覆盖 月，同时为避免叠梁门快速提起后造成水温突变，因此设定叠梁门运行时间为 月，叠梁门顶最小淹没水深取一节叠
16、梁门高度，即 ，在满足最小淹没水深基础上 月份开始根据库区水位放下叠梁门，以阻挡库区中下层低温水。平水年左岸放水洞使用叠梁门后下泄水温改善情况见表，放水洞采用叠梁门分层取水后，下泄水温得到一定程度的改善，其中 月月均水温升高幅度最大，为 ，其余各月升幅在 ，其中 月月均低温水幅度由底层取水的 降低为 ，低温水的影响得到了较大程度的减缓。表 平水年使用叠梁门后下泄水温改善情况 单位：月份坝址天然水温底层取水叠梁门水温影响较底层取水水温改善 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 平均 图 平水年使用叠梁门后下泄水温改善 结论采用立面二维水库水温模型对大石包水库建成运营后库区和下泄水温进行预测和分析，结果表明：（）大石包水库在各典型水文年的水温结构均为季节性分层型，平水年库区水温在 月分层较强，其余月份分层较弱，基本为垂向同温状 四 川 水 利态，库表水温 ，库底水温 ，垂向温差 。丰水年及枯水年库区水温及其演变规律基本相似，月水温分层较强，其余月份垂向趋于同温或弱分层。（）月、月月均低温水幅度最大，丰水年、平水年、枯水年 月月均低温水幅度分别为、，月月均低温水幅度分别为、，其中丰