热带地区水库水温分层特性研究
分层型水库垂向水温分布模型解析解研究
解属 于适 定 的边值 问题 ， 解析 解 是唯一 的和稳定 的 ， 其
可通 过对 模 型结构 和边 界 条件 的合 理简 化推 导 出解 析
基 金项 目 ： 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ ０ ７０ ７） 国 ５ ６ ９ ６ ；武 汉 大 学 ２０ 年 博 士 研 究 生 （ ０８ 含 １ ＋ ４） 自 主 科 研 项 目
析 解 ， 到 了较好 的 效 果 。提 出 的垂 向 一 维 水 库 水 温 分 布 模 型 解 析 解 法 可 用 于 深 水 型 水 库 垂 向 水 温 分 布 预 得
测。
关
键
词 ： 温 ； 向 分层 结 构 ； 温模 型 ； 析 解 水 垂 水 解
文 献 标 志 码 ：Ａ
中 图 法 分 类 号 ：Ｐ ３ ． ３２６
大多数 水库 都 有水 温 分层 现 象 ， 据水 库 库 内水 根 温 的 分布 状 况 ， 水 库 划 分 为 混 合 型 、 渡 型 和 分 层 将 过
温结 构 的变 化 ， 步 解 决 了风 力 混 合 问 题 。１ ７ 初 ９ ７年 ，
Ｈａ ｅ ａ ｒ ｍ ｎ等 提 出 了一 个 类 似 的模 型 ， 来 ， 对 其 进 ｌ 后 又
文 献 ［ ］ 分 层 型 水 库 垂 向 水 温 模 型 的 数 值 解 法 ７对
精 度 不理 想 。② 数学 模 型法 。２ ０世 纪 ６ ０年 代 末 ， 美
国开 始利用 数 学模 型来 研 究水 库 水 温 分 层 问题 ， 国 美
水 资 源 工 程 公 ｒ ＷＲ Ｉｃ 的 Ｏ ｌｂ和 Ｓ ｌａ及 美 国 （ Ｅ，ｎ ） ｒ ｏ ｅｎ 麻 省 理 工 ： （ Ｔ） Ｈ ｂｒ和 Ｈａｌ ｎ分 别 独 立 院 ＭＩ 的 ｕ ｅ ｒ ｍａ ｅ
水库水温预测方法研究
均匀 ， 向温度梯度小 ， 内水温 变化却 较大。过渡型水 竖 年 库介于两者之间。春 、 、 夏 秋季有分层 现象 ， 不稳定 ， 但 遇 中小洪水时水温分层立即消失 。
由于水库水 温对农 田灌溉 、 工业 供水 、 活用水 、 生 下 游河 流的水质 和生态平衡 、 以及库 区水 的利用 （ 养殖 、 娱
Ｋｅ ｏ ｄ ： １・ ｔｅ ａ ｃ ｄ ｌ ｙ ｗ ｒｓ —Ｄ ｍａ ｍ ｔ ａ ・ ｈ ｍ ｔ ａ ｏ ｅ；３—Ｄ ｍａｈｍ ｔ ａ ｏ ｅ ； ＫＥ ａ ｃ ・ ｔｅ ｉ ｌｍ ｄ ｌＭＩ ３ ａ ｃ
１ 绪
论
低温水预测计算可首先对水库水温结构进行简易判别 ， 在此基础上对水库水温计算， 方法有经 验法、 垂向一维模型、 立面二维模型和三维模型等数 学模拟法， 详细介绍 了丹麦水科所新开发
的 Ｍ Ｋ ３ ＩＥ 。
［ 关键词】 一 维模 型 ； 维模 型 ； 维模 型 ； Ｋ ３ 二 三 ＭＩＥ
［ 中图分类号】 Ｔ６７ Ｖ９ ［ 文献标识码】 Ａ ［ 文章编号】 １ ６ ７７（ ０）２ ０３ 一 ４ ０ — １ ２ ８ — １ ｏ ０ ５０ ０ ４
维普资讯
第 １ ４卷第 ２ 期 ２０ 年 ２月 ０８
水利科技与经济
Ｗａｅ ｏ ｓ ｒａ ｃ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｇ ｄ Ｅ ｏ ｏ ｔｒＣ ｎ ｅ ｖｎ ｙ Ｓ ｉ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ ａ ｃ ｎ ｍｙ ｎ ｏ ｎ
、 ．４ Ｎ ． １ ｏ２ Ｆ ｂ． ２ ０ ｅ ，０ ８
水 库 水 温 预 测 方 法 研 究
张华丽， 周孝德， 陈朋成
（ 西安理－ 大学 环境科学研究所 ， Ｉ － 西安 ７０４ ） １０８
［ 要】 温度分层是水库的一个重要特征 ， 摘 它对库区及水库下游的生态环境有着巨大的影响。
水库的水温分层及其改善措施
水 电站设计 第 ２ 卷 第３ ３ 期
Ｄ Ｈ Ｐ Ｓ
２ ０７年 ９月 ０
水 库 的 水 温 分 层 及 其 改 善 措 施
吴莉莉 王 惠民 ， 时强２ ， 吴
（． １ 河海大学 环境科学与工程学 院， 江苏 南京 ２０９ ；． １０８２ 南京水利科学研究院 ， 江苏 南京 ２ ０２ ） １０９
２ １ 对农 作物 的 影响 ．
来的生态环境灾难 ， 提供了供水 、 电、 发 灌溉 、 水产 、 航运 、 生态支持等多种服务功能 ， 但不合理 的筑坝建
库对 生态 环境 会 造 成 多 方 面 的负 面 影 响 。例 如 ， 水 库的兴 建形成 了 巨大 的停 滞 水域 ， 阳辐 射 和水 的 太
齐 、 逆 性 降低 、 抗 结实 率低 、 熟期 推迟 、 成 产量 下 降 。
２２ 对 水生 生物 的 影响 ．
２ 水温分 层及其 影响
由于建 坝 后 大 中 型水 库 水 深加 大 ， 向温 度 分 垂 布呈 三个 层次 ： 层温 度较 高称 为 温水层 ； 层温 度 上 下 较低称 为 深水 层 ； 问 的过 渡 段称 为 温跃 层 。冬 季 中
还
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１ 态 物 。。 。 。一 。、 。
浮 游 生 物 一 温 — 水 ．．－－ ．．－－ ．－－ ．－－ ． － ． －－ －－ －－ －－ －－ －Ｊ
一 屋 ｑ面
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。。 。。 。。 。。 。一 。
（ ） 接式 （ 图 ３ ： ２铰 见 ） 由浮 于水 面 的浮子 和 铰连
美 国格 伦 峡谷 大 坝 在运 行 初 期 ， 罗拉 多 河 中 科 的 ８种本 地鱼 类 依 然 可 以全 部 找 到 ， 水 生 态 环境 对
大型水库水温分层影响及防治措施
2 水库水温结构类型判别模式
目前常用的水库水温结构判别模式有 :入流与库
容比值法 (又称α法) 、密度佛汝德数法 、水面宽深比
法等. 其中α法最为简单实用 ,经部分水库的实测资
料检验 ,其预测结果基本符合实际.
(1)α指标法
目前 ,国内划分湖泊水库是否产生分层状态 ,一
般用该法作为判别标准 :
α=
第 31 卷 第 6 期 2009 年 12 月
三峡大学学报 (自然科学版) J of China Three Gorges Univ. (Nat ural Sciences)
Vol. 31 No . 6 Dec. 2009
大型水库水温分层影响及防治措施
王 煜 戴会超
(三峡大学 土木水电学院 , 湖北 宜昌 443002)
1 水库水温分层结构的形成
水库的修建使流水环境改变为静水环境 ,由此在 库区出现一系列物理 、化学及生物学现象的改变. 其 中最大的变化之一是水温结构的变化 ,而水温又很大 程度地决定着水库在物理 、化学及生物上的特性. 水 库的水温来自太阳辐射 ,并由大气与水面的接触 ,输送 至水中. 随着水库深度的增加 ,热量的吸收程度不同. 由于水的热传导性远较其它物质弱 ,所以在不考虑其 它因素的前提下 ,热量是不会传导至库中或水库很深 之处. 如果水库升温过程中 ,有风力的吹动 、一定的入 流水量 ,水库热表面的水可与深层的水混合 ,其混合 程度可决定水温的结构状况. 当然水库温度结构还与 水库的规模 、深度 、地理位置 、气候条件等因素有关.
根据水温结构 ,水库可分为分层型和混合型两类 水库. 在夏季 ,分层型水库的水温可分为 ,库面温水层 (温变层) ,水库大多数增暖和冷却都在温水层进行 ; 温水层以下是温度变化较迅速的斜温层 (温跃层) ;斜 温层以下是热量难以交换的冷水层 (滞温层) . 库面温 水层和库下冷水层的温度差可超过 15 ℃～20 ℃. 夏 季水温分层后 ,形成稳定的斜温层. 水温在水平方向 上保持不变 ,仅垂直方向变化. 而且由于水温引起的 垂直方向的密度梯度 ,上下很难产生渗混 ,往往形成 入流和出流的水平层流. 而在秋季以后 ,表层水温度 降低 ,密度增加 ,库面水下沉 ,产生对流现象 ,进入对 流期. 这样入流和出流的流动 ,再加上上库来水的均 匀渗混 ,使库水温达到了均匀分布. 冬季则可能形成 表面冰盖 ,而冰盖下面是 4 ℃的水 ,形成冬季逆温分 层. 春季来临 ,湖泊上层热量的输入大于支出 ,使表面 温度升高 ,接近 4 ℃时 ,会发生上下水层之间的水量 交换 ,如遇有强风 ,则全深度的水达到均匀的密度分 布 ,水库水温达到了均匀的分布. 随着夏季的来临 ,水 库表面温度升高 ,由于外力影响 ,热量向较深层传递 ,
水库分层取水方案的探讨
３９３ｋ ２ ９ ． ｍ ，正 常库 容４６０ ｍ ，灌 溉 面积 ３ ． ８ 万 ３ ０５ 万亩 ，电站 装 机容 量 １ Ｗ，是 １座 以灌溉 、防 ４Ｍ 洪 ，结合发 电 、供水 、养殖 等综合利 用 的中型水 库 。峡 口水 库于 １ ６年 ９月开工建设 ，历经 了 ３ ９ ６
Ｓ ＡＬ Ｙ Ｒ ＰＷＥ ２１Ｎ２ ｏｌ ｏ ８ Ｍ Ｌ Ｈ Ｄ Ｏ Ｏ Ｒ ０１ ｏ，Ｔｔ Ｎ１ ａ ５ 采 用 １ ６ Ｎ 动 式 电动 葫 芦 启 闭 ；事 故 钢 闸 门 ×１０ｋ 移 位 于取 水塔 的后部 ，为平 面滚 轮钢 闸 门 ，孔 口尺寸 为２０ｍ ×２０ｍ，采 用 Ｑ Ｇ一１ ３ Ｎ 扬 程 固 ． ． Ｐ ＿ ×６０ｋ 高
口水库大坝的安全情况进行鉴定 ，并形成 《 大坝安 全鉴定报告》 ，大 坝安全类别评定 为三类坝。２０ ０７ 年 １ ２月 ，水 利 部 大 坝 安 全 管 理 中心 以 “ 函 坝 ［ ０ ］２６ 号 ”文下发 了 《 于峡 口水库三类 坝 ２ ７ ５２ ０ 关
体浑浊 ，可能存在 “ 异重流现象” ，也不宜作为水
厂 的取水 层 。
安全鉴定成果 的核查意见》 ，同意三类 坝的鉴定结
论 ；之 后 开 展 了初 步 设 计 等 相 关 工 作 。２０ ０９年 ６ 月 ，开始 实施 峡 口水 库除 险加 固工 程 。 目前 ，该工 程 已经 通 过 蓄水验 收 ，投 入正 常运 行 。
２ ）从 周边 水 库 来 看 。东 阳市 第 二 自来 水 厂 的 取水 口在 横 锦 水 库 ，设 有 上 、中 、下 ３层 取 水 口，
水库水温分层结构判定方法及其应用
验证 ， 在 此基础 上比较 各判 定方法的优劣势 ， 为水库水温结构判定提供参考性建议 。 【 关键词 】 低 温水 一 ｐ Ｎｏ ｒ ｔ ｏ ｎ密度佛 汝德数 水库 宽深比 大坝 拦截 后 ， 改变 了原 有河 流 的径 流过 程 ， 对 于
雨、 蒸发 等 ；
（ ５ ）地 理位 置 ， 水库 所处 地理 纬度 不 同 ， 则 太 阳
Ｇ —— 标 准 化 的垂 向 密 度 梯 度 （ 量级为 １ ０ ． ３ ／
ｍ， 推 荐值 为 １ ０ － ７ ｍ） 。
当Ｆ ｒ ＜ Ｏ ． １时 水 库 水 温 为稳 定 分 层 型 ；当 ０ ． １ ＜
Ｆ ｒ ＜ １ ． ０时 ， 水库水温为弱分层型或混合型 ；当 Ｆ ｒ ＞
１ ． ０时水 库水 温 为完 全混 合型 。 （ ３ ）水库 宽深 比判 别法 。 水库 宽深 比判 别 法公式 为 ： Ｒ＝ Ｂ ／ Ｈ
温 的 分层 结 构改 变 了水库 库 区 的水 生态 环 境 ， 根 据
调查， 对 于 一些 典型 的分 层 型水库 ， 夏 季下 泄水 温较
２ 水库水温 结构 的判别方法
现行 的水 库 水 温 分层 判 别 方 法 主 要 有参 数 一
３判 别 法 、 Ｎ ｏ ｒ ｔ ｏ ｎ密度 佛 汝 德 数 判 别 法 及 水 库 宽 深 天 然 水温 可 能低 １ ０ ℃以上 ， 从 而带 来一 系 列 低温 水 １ 影响， 如对下 游 河道 水生 生态 的影 响 ， 对农 业灌 溉 的
《 湖南水利水电） ２ ０ １ ５年第 ４期
陈 浩
（ 湖 南省水 利 水 电勘 测 设计研 究总 院 长沙市 ４ １ ０ ０ ０ ７ ）
【 摘
要】 文章对水库低 温水的影响 因素进行 了简要 阐述 ， 对 水库 水温结构 的判 定方法进行
水库水温计算方法综述
水库水温计算方法综述摘要水库水温分层及其低温下泄水造成的“冷害”是水电工程建设生态环境影响的重点关注问题之一，水库水温研究对于库区的生态环境保护具有重要的现实意义。
本文介绍了主要的水库水温计算方法，回顾了国内外水温模型与软件的发展。
最后，指出了当前水库水温计算中存在的问题和不足，结合已有的研究成果对水温数学模型的应用前景和发展趋势进行了展望。
关键词：水库；水温；计算方法；数学模型ABSTRACTWater temperature stratification within reservoirs underflows and the “chilling injury”caused by the discharged low-temperature water flows pose one of the primary concern for both eco-environmental conservation and hydropower operation. It is therefore, study on impacts on eco-environmental from reservoirs underflows temperature appear to be practically useful. This paper mainly reviews the development in water temperature models and software in home and abroad, then examines the primary approaches for calculation of reservoir water temperature. Finally, the existing problems, application prospect and developing trend of thermal mathematical models are also pointed out.Key words:reservoir; water temperature; computing method; mathematical model检索策略[检索策略]:1)检索数据库：CNKI数据库、万方数据库、维普数据库、SCI数据库。
水库水温分层及其规律探讨
水库水温分层及其规律探讨
水库水温分层是指水库中不同深度的水温呈现出明显的分层现象。
这种分层现象是由于水体的密度差异所导致的，密度较大的冷
水通常位于深层，而密度较小的暖水则位于表层。
水库水温分层的
规律受到多种因素的影响，包括季节变化、日夜温差、水体流动等。
首先，季节变化是影响水库水温分层的重要因素之一。
在夏季，由于日照辐射作用，水体表层受热而温度升高，而深层水温相对较低，形成明显的温度分层。
而在冬季，水体表层温度下降，深层水
温相对较高，也会形成分层现象。
这种季节性的水温变化会影响水
库生态系统的稳定性和水质。
其次，日夜温差也对水库水温分层产生影响。
在白天，受到阳
光照射，水体表层温度升高，而夜晚表层水温下降，导致水体温度
的垂直分布发生变化。
这种日夜温差引起的水温变化也会影响水库
中的生物生态环境。
另外，水库水温分层还受到水体流动的影响。
水库中的水流动
会扰动水体，破坏温度分层，使得水温分布发生变化。
特别是在水
库的进出水口附近，水流的搅动会使温度分层变得不稳定。
总的来说，水库水温分层是一个复杂的动态过程，受到多种因素的综合影响。
了解水库水温分层及其规律对于水库水质管理、生态环境保护具有重要意义。
因此，需要通过实地观测和数值模拟等手段来深入研究水库水温分层的形成机制及其规律，为水库管理和保护提供科学依据。
水库电站分层取水过程水热耦合运移机理
水库电站分层取水过程是指水库电站在进行水库调度时，根据水库水位不同，实施分层取水的过程。
水热耦合运移机理则是指水库水体在分层取水过程中水热运移的相互作用机理。
一、水库电站分层取水过程1. 概述水库电站分层取水是为了充分利用水库蓄水，根据水库的水位分布，在水库中逐层提取不同层次的水质。
这样可以最大限度地减少对生态环境的影响，同时提高水库的多用途开发效益。
2. 水库分层取水原理水库分层取水的原理是利用水体密度、温度、溶解氧等物理、化学特性随水深变化的规律，分层提取不同层次水质，以满足下游用水、防洪、发电等需求。
3. 操作流程水库分层取水的操作流程主要包括水质监测、水位控制、取水阀门操作等步骤。
通过合理的操作和控制，实现水库分层取水的过程。
4. 分层取水的效果通过分层取水可以减少对水库底部水体的干扰，保护水库生态环境；提高取水口水质，保障下游水质；减少泄洪时的底部排沙排泥量，延长水库寿命。
二、水热耦合运移机理1. 概述水热耦合运移机理是指水库水体中的热量和物质的耦合作用。
水库分层取水过程中，水体中的热量随着水位的变化和不同层次水体的运移而发生相互作用。
2. 热量传递过程水库水体中的热量传递过程主要包括对流、辐射、蒸发、凝结等方式。
在分层取水过程中，不同层次水体的温度差异和水流对热量传递的影响需要进行研究和分析。
3. 物质运移过程水库水体中的溶解氧、营养物质、微生物等物质也会随着水位变化和分层取水的过程发生运移。
这些物质的运移对水库生态环境有重要影响。
4. 水热耦合运移效应水热耦合运移效应是指水库分层取水过程中，由于水位和温度变化引起的水热耦合作用产生的效应。
这些效应影响着水库生态环境和水质。
结论水库电站分层取水过程和水热耦合运移机理是水库调度和管理中重要的研究内容，对于提高水库的综合利用效益、保护生态环境具有重要意义。
需要不断深入研究分层取水和水热耦合运移的机理，加强水库调度和管理，实现水资源的可持续利用和生态环境的保护。
水温分析报告
水温分析报告1. 引言水温是指水体的温度，是水环境中的一个重要物理指标。
水温的变化与气候、地理位置、季节等因素密切相关，对水生态系统和人类活动具有重要影响。
本文对水温进行了分析，并提出了相关的研究结论和建议。
2. 数据收集2.1 数据源本次水温分析使用的数据来自气象观测站和水文观测点。
具体数据包括每日的水温观测数据，涵盖了过去5年的观测记录。
2.2 数据处理首先，对原始数据进行了清洗和预处理，排除了异常值和缺失值。
然后，根据每日观测数据计算了每个季度的平均水温。
3. 水温变化趋势分析通过对历史数据的分析，我们得出以下水温变化趋势：3.1 季节性变化水温在不同季节间存在显著差异。
夏季水温较高，冬季水温较低。
春季和秋季的水温介于夏季和冬季之间。
3.2 年度变化通过对不同年份的水温数据进行比较，我们发现近年来水温呈上升趋势。
其中，20XX年的水温最高，20XX年的水温相对较低。
3.3 长期趋势综合分析多年的数据，我们可以看到长期来看，整体水温呈缓慢上升的趋势。
这可能是气候变化导致的结果。
4. 水温与气候的关系分析水温的变化与气候因素密切相关。
我们分析了水温与气温、降水量等因素的关系。
4.1 水温与气温的关系通过分析水温与气温的相关系数，我们发现水温与气温呈正相关关系，即气温上升时水温也上升。
这说明气温是水温变化的主要驱动因素之一。
4.2 水温与降水量的关系通过分析水温与降水量的相关系数，我们发现水温与降水量呈负相关关系，即降水量增加时水温下降。
但这种关系的强度较弱，可能由其他因素的影响导致。
5. 结论通过水温的分析，我们得出以下结论：1.水温存在明显的季节性变化，夏季水温较高，冬季水温较低。
2.近年来水温呈上升趋势，而且长期来看水温也在缓慢上升。
3.水温与气温呈正相关关系，气温升高时水温也上升。
4.水温与降水量呈负相关关系，但关系较弱。
6. 建议基于以上结论，我们提出以下建议：1.加强气温监测，及时掌握气温变化情况，并据此预测水温变化。
冬天湖泊水温的垂直变化
冬天湖泊水温的垂直变化冬天湖泊水温的垂直变化因水温分层类型而异。
一般来说，湖泊水温的垂直变化可以划分为三种类型：分层型、过渡型和混合型。
分层型水库的水体上部温度竖向梯度大，称为温跃层或斜温层。
在水体表面由于热对流和风吹掺混，水面附近的水体产生混合，水温趋于一致，这部分水体称为同温层或混合层。
水库底部温度梯度小，称为滞温层。
到冬季，上下水温无明显差别，严寒地区甚至出现温度梯度逆转现象，上层接近于0℃，底层接近于4℃。
过渡型和混合型的水温垂直变化则没有明显的分层现象，上下水温均匀，竖向梯度小，年内水温变化却较大。
此外，湖泊水温的垂直变化还会受到气温、辐射热、天然来水、流量和含沙量、泄水以及水库调节性能和水库水深等多种因素的影响。
湖泊水温的垂直变化会对水生生物和生态系统产生影响，主要是因为水温是水生生物生存和繁殖的重要环境因素之一。
水温的变化会影响水生生物的代谢、生长、繁殖和行为，进而影响整个生态系统的结构和功能。
具体原因如下：-水温对水生生物代谢的影响：水温会影响水生生物的代谢过程，从而影响它们的生长和繁殖。
水温过高或过低都会对水生生物的代谢产生负面影响，导致它们生长缓慢、繁殖能力下降或死亡。
-水温对水生生物生长的影响：水温对水生生物的生长和繁殖有重要影响。
一般来说，水生生物的生长和繁殖需要适宜的水温，过高或过低的水温都会影响它们的生长和繁殖。
-水温对水生生物繁殖的影响：水温对水生生物的繁殖也有重要影响。
一些水生生物需要在特定的水温条件下才能繁殖，例如某些鱼类需要在水温较高的夏季繁殖，而某些水生植物则需要在水温较低的冬季繁殖。
-水温对水生生物行为的影响：水温还会影响水生生物的行为，从而影响它们的生存和繁殖。
例如，某些水生生物需要在特定的水温条件下才能进行迁徙或觅食，而某些水生生物则需要在特定的水温条件下才能进行繁殖。
因此，湖泊水温的垂直变化会对水生生物和生态系统产生重要影响，需要密切监测和管理。
松涛水库水温数值模拟研究
１. Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｃｈｉｎａ
２. Ｊｉａｎｇｓｕ Ｑｉｎｈｕａｉ Ｒｉｖｅｒ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｏｆｆｉｃｅ Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００２２ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｃｈｉｎａ
间改变ꎬ 常年保持在 １９ ℃ 左右ꎻ 全年内ꎬ 水库表层水温均高于入流水温和当地气温ꎻ 入库流量猛增时会导致水库
水温出现双温跃层结构ꎮ
关键词: ＤＹＲＥＳＭ 模型ꎻ 水温结构ꎻ 水温分布ꎻ 双温跃层ꎻ 松涛水库
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ Ｓｏｎｇｔａｏ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ
流域内水库的建设会形成流动相对缓慢的大体
代后引入并改进国外数学模型ꎬ 开展了大量关于水
上与太阳辐射、 入流、 出流、 库底河床等的热量传
和温带地区ꎬ 海南等热带地区的水库水温分布规律
积水域ꎬ 使天然河道的水温分布规律发生变化ꎬ 加
库水温的模拟研究 [１] ꎮ 但研究区域多集中在亚热带
输ꎬ 形成了特有的水库温度场ꎮ 调节性能强、 库水
ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ＤＹＲＥＳＭ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｏｎｇｔａｏ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｉｎ
Ｈａｉｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ａ
坝前库水温度预测方法研究进展
坝前库水温度预测方法研究进展大坝建成之后，将在坝体上游面形成水库，坝前库水温度在上游来水、太阳辐射地岩温度等众多环境下将呈现不同的温度规律。
而在大坝设计阶段，就应该预测出坝前库水温度分布情况作为基础来对整个大坝的稳定性及结构安全性进行分析。
文章主要对坝前库水温度的基本分布情况进行介绍，总结出库水温度分布情况变化规律和预测方法研究对比，并对每个方法应用场景进行分类。
标签：库水温度；垂向水温结构；水温分层；预测方法引言水电站拦河大坝由于其自身特性，对外界温度变化敏感，因此大坝建设到运行期控制外界温度变化对大坝整个寿命周期安全性和稳定性至关重要，而在运行期，库水温度是坝体接触时间较长，影响也较为深远的外界温度之一。
在水工建筑物设计阶段，需要对坝前库水温度在不同蓄水深度下的温度表现以及不同时段下的变化规律进行预测，以便作为水工建筑物设计的初始温度边界条件进行大坝在各个运行阶段状态分析和评估。
如在计算混凝土坝内部稳定温度场和温度应力场时，需要坝前库水多年平均水温，年变化幅度等作为基础资料进行研究分析；为了确定拱坝在运行期的温度荷载，还必须知道库水温度的相位差；对于大坝基础温度和温度控制标准，计算中都不可避免将坝前库水温度考虑其中等等。
可见研究水库水温对大坝从设计阶段到运营阶段的整个生命周期都有着很重要的意义。
随着大体混凝土各项技术的成熟与应用，世界各地建造大型水利工程突破以往各种技术瓶颈，在建坝高度和建坝类型上都有了长足的进步。
早在20世纪30年代起，库水温度作为大坝内部温度应力分析重要外界边界条件逐渐被人们所重视。
许多国家都开始对坝前库水温度进行长期监测和研究分析。
大多数水库因为拦河大坝的存在，水流速度变得很小，基本不存在水的紊流，由于水体的密度和水温有着非常密切的关系，深层水库水体从库底到水库表面形成的温度梯度会抑制对流，因此一般来说，水库水体在水平面上有着相差不大的温度表现，也就是说大部分水库从水体垂向结构来说，具有水体水温分层现象，水库越深，表现越明显，这是大部分水库具备的重要特征之一。
水源水库季节性热分层特征及藻类控制研究
水源水库季节性热分层特征及藻类控制研究水源水库是人类生活中不可或缺的重要资源，而研究水源水库的季节性热分层特征及藻类控制对于保护水库水质以及维护生态环境具有重要意义。
本文将从水库的季节性热分层特征和藻类控制两个方面展开，旨在提供一定的理论和实践指导。
首先，我们来探讨水源水库的季节性热分层特征。
季节性热分层是指湖泊或水库中水温随季节的变化而产生的分层现象。
熟悉这一特征对于了解水库的水动力学过程以及水体中溶解氧的分布具有重要意义。
一般来说，水库的季节性热分层特征主要表现为夏季暖水层、秋季中上层较暖、深层较冷的现象。
这是由于夏季水温高，湖水表层受到太阳辐射热量的直接作用，发生了蓄热现象，形成了暖水层；秋季由于夏季的热量积累，中上层水温较高；冬季由于水温降低，水库深层水体温度较低。
水温的分层特征对于水库的水生态系统起到了一定的影响，因此在水库的管理和保护中需要重视对季节性热分层特征的研究。
其次，我们来探讨藻类控制对水库的重要性。
藻类是水体中常见的一类植物类群，虽然在水库生态系统中具有重要的功能，如氧气的产生和有机物的分解等，但过多的藻类繁殖会引起水体富营养化，导致水质恶化以及毒藻的产生，从而影响水库的水生态系统和水源的安全。
因此，对藻类的控制研究显得十分重要。
当前，藻类控制的方法主要有物理、化学和生物方法。
物理方法包括水力剪切、高温灭活等，可以通过破坏藻类细胞结构来控制藻类数量。
化学方法主要是应用一些化学物质来抑制藻类的生长，如过氧化氢、浮游藻素等。
生物方法主要是利用某些生物来控制藻类的生长，如鱼类、浮游生物等。
这些方法各有优缺点，在实际应用中需要根据具体情况进行选择和组合使用。
除了上述方法外，近年来，越来越多的研究者开始探索利用生物激素、方解石等新型材料对藻类进行控制。
生物激素是一种能够抑制细胞分裂和促进细胞死亡的物质，可以通过干扰藻类的生理代谢来控制其数量。
方解石是一种天然的矿物质，具有吸附有机物和重金属离子的能力，可以净化水体中的营养物质，从而抑制藻类的生长。
大型水库热分层的水质响应特征与成因分析
收稿日期：2020-07-03；网络首发时间：2021-01-22网络首发地址：https:///kcms/detail/.20210122.1104.002.html基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0401701）；中国水科院团队建设及人才培养重点项目（WE0145B592017）；中国水科院基本科研业务费项目（WE0163A052018，WE0145B422019，HTWE0202A242016）作者简介：李步东（1993-），硕士，主要从事流域水环境数学模型研究。
E-mail ：通讯作者：刘晓波（1978-），博士，教授级高级工程师，主要从事水环境数值模拟、河湖健康评估理论与方法等研究。
E-mail ：文章编号：1672-3031（2021）01-0156-09中国水利水电科学研究院学报第19卷第1期大型水库热分层的水质响应特征与成因分析李步东，刘畅，刘晓波，王世岩（中国水利水电科学研究院水生态环境研究所，北京100038）摘要：为研究大型水库热分层期间水质的响应特征及成因，于2018年4月—2018年12月对大黑汀水库坝前水体的水温及溶解氧等理化指标进行了连续性垂向监测，在此基础上分析了大黑汀水库季节性热分层变化规律以及各水质指标的响应特征。
结果表明：（1）大黑汀水库水体呈典型的单循环混合模式，热分层期间，溶解氧在垂向分布同样表现出季节性变化，且在水体底部出现严重的缺氧现象，但在形成时间上比热分层略有迟滞；（2）氨氮、总磷、磷酸盐以及铁、锰浓度表现为底层>中层>表层的变化趋势。
研究表明，水体热分层会改变水体中溶解氧的垂向分布结构，并进一步导致沉积物向上覆水体释放大量的氮、磷营养盐以及铁、锰等污染物，对水库的正常运行和管理产生不利影响。
关键词：热分层；缺氧现象；营养盐；还原性金属；水质中图分类号：X524文献标识码：A doi ：10.13244/ki.jiwhr.202001131研究背景河道筑坝成库后热力学条件发生明显改变，水库水温出现垂向分层现象［1-2］，而水体发生季节性热分层是湖沼学中最基本的物理过程［3-4］，在高温季节，深水湖泊上层湖体由于受到较强的来自大气及太阳辐射的物质和能量交换，致使湖体上下层产生温差，温差导致了水密度的不同，进而导致垂向剖面水温结构自上而下形成变温层、温跃层和滞温层［5］，呈现出季节性分层现象。
一个分层水库温跃层的模拟与验证
一个分层水库温跃层的模拟与验证孙昕;王雪;许岩;解岳;黄廷林【摘要】以西安金盆水库为例,建立了分层水库水温结构的数值模拟方法,并以实测数据进行模型验证.运用Fluent软件数值研究了不同短波辐射强度及短波辐射衰减系数条件下温跃层的形成过程与特性.水库水面总传热量在春、夏季为正值,在秋、冬季为负值,长波辐射是水面总传热量的主要影响因素,短波辐射则是温跃层形成的主要影响因素.随短波辐射衰减系数的降低,温跃层厚度增加,温跃层内温度梯度减小,短波辐射衰减系数值与实测的藻类浓度存在良好的正相关性.水库具有极限短波辐射强度,温跃层内温差随水面短波辐射强度的增加呈现先增加后减小的变化趋势;但水面短波辐射强度过高时,难以达到热平衡而形成稳定的温跃层.【期刊名称】《湖泊科学》【年(卷),期】2015(027)002【总页数】8页(P319-326)【关键词】分层水库;温跃层;影响因子;数值模拟【作者】孙昕;王雪;许岩;解岳;黄廷林【作者单位】西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安710055;西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安710055;西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安710055;西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安710055;西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安710055【正文语种】中文水温是湖泊水库水质监测中一项非常重要的理化指标，它与水中溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)等水质参数密切相关，也是湖泊水库分层研究中的重要参数，水温的变化还直接影响湖泊水库的富营养化和生态变化[1-4].绝大多数深水型水库一般在夏、冬季节会普遍发生水温分层，夏季典型的正向水温分层结构从上到下依次为变温层、温跃层和等温层.季节性水温分层是分层水库水质内源污染的主要诱因之一[5-6].温跃层会阻碍上下水层的物质和能量交换，表层水体中较高浓度的溶解氧很难穿过温跃层而传递到底部水体，底部水体和底泥因各种化学、生物等作用而耗氧，二者共同导致底部水体溶解氧浓度逐渐降低，随温跃层厚度增加和持续时间延长，溶解氧浓度的降低程度增大，底泥中氮、磷、有机物等污染物释放量越大，内源污染越严重[6-8].当溶解氧浓度低于2mg/L时，水库底泥中的无机和有机污染物会大量释放，形成水库内源污染，在冬春交替季节“翻库”而污染整个水库水体[9].因此，研究温跃层的形成及其影响因素对进一步研究破坏分层水库水质的演变和内源污染控制技术具有重要的理论和现实意义.尽管国内外学者开展了大量水库水温预测模型和应用研究[10-12]，但很多模拟软件均不同程度地存在速度场和能量场耦合难的问题，多数只是注重模拟结果与实际数据的对比，缺乏对影响温跃层形成主要因素的研究与分析，尤其是对于富营养化分层水库.目前关于温跃层的研究主要针对海洋和浅水湖泊的水温观测，如陈希等[13]、张文静等[14]、赵保仁[15]现场考察了净辐射通量、海潮、洋流对海洋温跃层形成的影响，认为净辐射通量的季节性变化是造成海洋跃层产生季节性变化的主要原因之一；由洋流引起的海潮将海面处高温水体带入下层，加速温跃层的形成.Brett等[16]针对水深较浅的Mirror湖和Swan湖，提出了包含太阳辐射、风速、水深、水体密度和比热容等因素的水温分层参数，但未深入研究温跃层的形成机制.Lap等[17]根据对浅水湖泊的观测结果，认为水温分层的形成与消失主要是由于风的影响和太阳辐射.Tuan等[18]发现风速、风向对于浅水湖泊中热量的混合作用会产生一定影响.佘丰宁等[19]对太湖温跃层形成因素的研究认为，气温的变化会使得水温呈线性变化，而大气湿度的增加会使水温呈指数变化；目前，仅在个别深水型湖泊和水库进行了温跃层的现场观测和初步分析[20-22].Zhang等[20]根据千岛湖多年水温监测数据，分析了该湖水温及温跃层的月度和季节性变化规律，建立了温跃层深度、厚度和强度与表层水温和水体透明度的经验模型，认为气候变化明显影响该湖水温结构.学者们对抚仙湖水温分层进行了系统的长期观测[23]，对深水湖泊中温跃层的相关特征作出了定义，并根据实测数据，分析了温跃层的形成与演变过程.然而，关于深水型分层湖泊水库温跃层的形成特性及影响因素的系统研究尚未见报道.本文应用商业Fluent软件[24]并编写水体热交换的用户自定义函数(UDF)[25]对其进行了二次开发，以平均水深80m的西安金盆水库水体为对象，系统研究不同表层短波辐射强度及藻类浓度条件下的水温结构，旨在研究和分析气象及环境因子对温跃层形成的影响，为控制分层水库水质污染提供参考.1.1 水动力学控制方程采用Fluent软件自带的可压缩传热紊流模型，包括流体连续性方程、动量方程、能量方程和紊流方程，其中紊流方程采用标准的k-ε紊流模型.在浮力传热紊流中，密度和粘度均随温度和压力变化，但压力的影响可忽略，根据不同温度下水的密度和粘度数据，建立水的密度和粘度与水温的函数关系，采用C语言编写UDF，编译并加载到Fluent中.1.2 水体热交换模型水库水体内的热交换按性质通常分为对流、传导、辐射和蒸发4种，按影响的区域不同又可分为表面传热和穿透传热两种.大气长波辐射、蒸发和传导均属于表面传热，表面传热一般影响深度不超过2m；太阳短波辐射则属于穿透传热，会作用于更深的水体.实际上，表面0～2m处水温受表面传热和表面短波辐射影响.水温分层是表面传热和水下短波辐射传热共同作用的结果，二者影响范围的有限性导致水温在一定水深处出现跃降，自上而下形成水温变幅较小的变温层、温度梯度较大的温跃层和水温相对恒定的等温层.根据Hodges的水体热交换模型[26]，水体表面总的热交换量(QS)为长波辐射量(QR)、水面蒸发量(QW)、水面显热对流量(QH)之和，即：长波辐射量(QR)的计算公式为：式中，T(water)、ε(water)、ε(air)、Rt(w)(1/C)、δ、T(air)、C(cloud)分别为水面0m处温度(K)、水的辐射系数(取0.96)、大气的辐射系数、水面长波辐射反射率(取0.3)、波兹尔曼常数(取5.669×10-8 W/(m2C4))、水面上2m处气温(K)、云层覆盖率(取0.17).水面蒸发量(QW)的计算公式为：式中，L、CW、ρ(air)、u(wind)、P、Rh分别为蒸发潜热(取2.5×106 J/kg)、蒸发传热系数(取0.0014kg/m3)、空气密度(取1.225kg/m3)、水面处的风速(m/s)、一个标准大气压(pa)、相对湿度.水面显热对流量(QH)的计算公式为：式中，CH、cp(air)、T(air_r)分别为显热传导体积系数(取0.0014)、水的定压比热(取1003J/kg C)、水面上空气的干球温度(K)，其余同上.水面太阳净短波辐射量(Qsw(S))和水下短波辐射量(Qsw(Z))的计算公式为：式中，Rt(sw)、Q(sw_surface)、Qsw(S)、ηe分别为无量纲的短波辐射表面反射率、通过水面的总短波辐射量(W/m2)、透过水面的净短波辐射(W/m2)、衰减系数(m-1).1.3 金盆水库及计算网格、初始条件与边界条件研究对象为西安金盆水库，该水库平均水深70～100m，日供水量80×104 m3，为西安市主要饮用水水源.近年来，该水库水体富营养化程度不断加剧，其中氮、磷营养盐浓度阶段性超标，有机质含量上升，藻类季节性高发等水质问题尤为突出，处于中富营养化状态，7-8月表层藻类浓度可高达2×107～3×107 cells/L[4].以坝前主库区的断面水体为研究对象，所研究水域半径约为500m.水库地形采用中海达RTK系统测量.为长期监测金盆水库水质，在主库区设置5个监测点，本文所用数据均取自引水塔和主坝之间的S1点[4]，该点约位于图1所示断面宽度的1/3处(近右侧).水温采用美国HACH Hydro-Lab DS5型多参数水质分析仪现场监测，垂向测点间距一般为5～10m；藻类现场取样(1L)，采用鲁哥试剂(15ml)固定后，带回实验室进行显微镜计数分析，垂向测点分别位于水面下方0.5、5、30m，频率1～3次，本文所用藻类浓度为水深0.5m处值.采用GAMBIT构建水域断面的实际地形网格，针对水深月际变幅较小的3、5、7、9和12月，水深约为80～88m，图1为水深80m(7月)坝前断面的二维网格，共有12835个节点(nodes)，12600个单元(cells).该河道型水库上游河道长近40km，根据水库坝前特征计算出流量和断面面积，进口采用速度入口边界(velocity-inlet)，计算的断面平均流速约为0.0002m/s，由此计算左上侧等效进水口和右下侧出水口断面的平均流速.水库边壁和底部都采用无滑移固体壁面条件(Wall)，设置为绝热墙，其当量粗糙高度取0.0003m.根据金盆水库底部水温资料(断面中心处)，将水库水体初始温度设为279.15K，开启能量方程(energy equation)，采用k-ε紊流模型进行计算，通过水体的自然热交换实现分层.表面和水下传热过程采用C语言编写的UDF写入，表面传热项由DEFINE_PROFILE(name，thread，i)宏将方程通过Heat Flux项写入，水下传热通过DEFINE_SOURCE(name，cell，thread，dS，eqn)宏写入水体源项(source terms).1.4 水库温跃层影响因子及模拟参数在分层水库地形和水文条件相对固定的条件下，水库温跃层的形成是水库内热力和动力过程共同作用的结果[23，27]，受各种气象和环境等因素的影响，如风力混合、水体清澈度(藻华堆积)、大气温度、云量、太阳辐射强度等[27]；水库的运行调度(如进出水流)、原位水质控制设施的运行等也会影响温跃层的形成与破坏；自然水文事件(如夏季汛期暴雨径流和/或冬春季融雪径流等)也在一定程度上影响温跃层的变化[28].本文以中富营养化的金盆水库为案例，因该地区春、秋季一般均为20d左右，故未将气温作为主要因素进行研究，而是重点研究气象因子(如太阳辐射强度、风速等)以及水质因子(藻类浓度)对温跃层形成的影响，并利用非暴雨径流期间实测水温数据进行模型验证.根据西安市气象局和相关文献[29-30]，2009年西安金盆水库库区相关气象和水文参数如表1所示.根据改进的水体热交换模型，将以上气象条件参数通过UDF导入，直接进行基于Fluent的数值计算，时间步长选取10s；由于实际水库中水体形成分层过程较慢，每个条件下运行30d左右(即259200s)，通过温度云图观察温跃层的形成和变化特性.模型垂向深度间隔约为2m，由于表面传热仅仅作用于水面下1～2m深度处，故忽略可能产生的能量跃变问题.2.1 模型验证及温跃层演变根据王银珠等的研究结果[21]，将垂向的温度梯度大于0.2℃/m的水层定义为温跃层.利用表1所示基础资料并对照在金盆水库库区断面中实测的垂向水温分布数据[30]，变化不同的短波辐射衰减系数进行水温模拟，对比不同条件下模拟的水温结构和实测的水温结构，对短波辐射衰减系数进行参数率定，发现不同季节水温结构的模拟结果与实测结果吻合良好，对弱分层、较强分层和混合阶段的水温结果进行对比，发现其相关系数均在0.91以上，说明了这种模拟方法的准确性(图2).3月水库处于弱分层期，温跃层约位于水深3～8m处，温跃层内温差约为3℃.7月水库处于强分层期，温跃层约位于水深3～19m处，温跃层内温差约为20℃，水深2.5m内为上部变温层，水深19m以下为等温层.9月水库水温分层不断减弱，温跃层约下潜至水深30～70m处，温跃层内温差约为8℃，水深30m内为变温层.12月，冬季气温较低，上下层水体温差微小(约1.9℃)，基本处于等温状态，水温分层结构消失，不存在温跃层.对照2009年实测数据，温跃层的形成过程更为完整，冬、春季节整个库区水温基本相同，不存在温跃层；夏、秋季节水面和水底开始存在一定温差，极易形成水温分层，尤其是7-8月，水面和底部水体温差最大，水温分层最为强烈，温跃层最为稳定、厚度最大.对比国内关于深水湖泊的开创性研究成果[21]，金盆水库温跃层的垂向演变特性与平均水深87m的抚仙湖情况大体类似，只是该湖地处中亚热带半湿润季风气候区，水温常年高于12℃，不同于金盆水库.抚仙湖1、2月份处于完全混合期，其余月份水温自上而下均可分为变温层、温跃层和等温层，但温跃层深度、厚度以及层内温度梯度因季节而异，增温期温跃层位置较浅、厚度较大、温度梯度较小，升温期温跃层位置下移、厚度变薄、温度梯度增大.此外，该湖水面宽广，温跃层特征也在水平方向略有差异，与水面较小的金盆水库不同.2.2 风对温跃层形成的影响风在一定水深范围内、一定条件下影响着水面的混合强度和水体能量的耗损，一般风驱动的混合作用使得上部水体水温趋于均匀，在中部形成稳定度很大的温跃层，风对浅水湖库和海洋水温分层影响较大[20，27].具体而言，风对水温的影响至少体现在3方面：1) 影响表面传热；2) 影响波浪和湖流，造成上下层水层交换；3) 改变水柱中光衰减物质组成，造成短波辐射衰减系数变化，影响短波辐射传热量. 根据表1所示金盆水库气象及水文资料，应用根据Hodges的水体热交换模型，分别计算3、5、7、9、12月水库表面各项传热量和总传热量，并绘制于图3.根据传热量计算结果，如果不计表面的短波辐射传热量，长波辐射传热量约占总传热量的95%～100%，说明长波辐射传热量是决定表面热量散失的绝对主导因素，而水面蒸发和热对流引起的传热量对水面处热量散失的影响极其微小.根据段誉等的研究[31]，当水面总传热量为负值时，风的影响较小，基本可以忽略；另外，金盆水库实际气象条件(表1)表明，风速较小，水面蒸发和热对流引起的传热量与风速相关，因此风对金盆水库水温结构的影响可忽略不计.如果考虑表面的短波辐射传热量，则在春、夏季节，水面总传热量为正值，水面将处于加热状态，表层水的密度将随水温增加而减少，温跃层将会变厚；在秋、冬季节，水面总传热量为负值，水面处于散热状态，温跃层变稀薄，等温层加深.在本研究条件下，坝前主库区水面面积和风速均较小，可以认为风的作用对金盆水库温跃层形成的影响较小，不同于浅水环境[32].2.3 短波衰减系数对温跃层形成的影响在本模拟中，水库水面净热交换量为负值，说明水库温跃层的形成主要取决于水体受纳的短波辐射传热量，影响短波辐射传热量的主要参数是水面短波辐射强度和水体短波衰减系数.先以表层和底部水温差别最大的7月为例，此时水体分层较强烈，利用表1所示的实际气象资料，分别取短波辐射衰减系数为0.5、2.0、3.0和4.0m-1进行模拟，运行一个月后的水温结构如图4所示.随着短波辐射衰减系数从0.5增加到4.0，在表层水深5m范围内，虽然不同条件下的水体水温总体基本在26℃附近；但表层水温仍有略降低的趋势，水深5m处水温约从26.5℃降低到25℃；随着水深的增加，水温随短波辐射衰减系数的增加而降低的趋势更为明显，水深20m处水温约从18℃降低到9.5℃.依据公式(7)，短波辐射传热量随水库水深的增加而呈指数衰减，衰减的快慢主要与短波辐射衰减系数有关，短波辐射衰减系数越大，单位水深内藻类及其他悬浮物等吸收的热量越大，水体实际受纳的短波辐射热量越小，表现为水温增加值越小，太阳短波辐射的穿透深度越小.模拟结果与理论分析相一致.根据图4所示的水温结构，短波辐射衰减系数对温跃层的形成有直接影响.如以水温7～9℃作为等温层水温，则当短波辐射衰减系数分别为0.5、2.0、3.0和4.0m-1时，温跃层位置分别约为水下8～43m、5～35m、4～30m、3～21m，跃层内温度梯度分别为0.50、0.57、0.63、0.92℃/m.利用表1所示其他4个月份的基础气象和水文资料，变化短波辐射衰减系数进行水温模拟，得到的温跃层特性也较为相似，即随短波辐射衰减系数的降低，温跃层位置下移、温跃层厚度降低，温跃层内温度梯度逐渐增加.根据不同短波辐射衰减系数条件下模拟的垂向水温分布，对比实测的垂向水温分布数据[18]，得出针对3、5、7、9和12月的最适宜短波辐射衰减系数分别为0.5、1.5、0.5、2.0和0.5m-1.国外对湖泊水库水体短波辐射衰减系数的参考范围较大，从清澈的贫营养湖泊的0.2m-1到浑浊的富营养湖泊的4.0m-1[27]，本文校验的短波辐射衰减系数值亦与其相近.将不同月份经过校验的短波辐射衰减系数和实测藻类浓度共同绘于图5，可以看出短波辐射衰减系数大小与藻类浓度高低的对应关系良好，较好地反映出中富营养化水库不同季节藻类生长情况与短波辐射衰减状况的关系.水库水的浊度很低，非汛期一般为10NTU左右，无机颗粒对短波辐射衰减系数的影响可以忽略，藻类成为影响短波辐射衰减系数的主要物质，故藻类浓度的增加会影响短波辐射的水下穿透量，从而造成短波辐射衰减系数降低，影响温跃层位置.水质监测结果显示，藻类浓度随水深增加，表现出先增加至水深5m处的峰值，然后降低，并在15m左右约降为峰值的1%.尽管藻类浓度在垂向分布不均，但由于短波辐射热量呈指数型衰减，在夏季净短波辐射较强的时节，短波辐射能量的消耗主要集中在表层水体，故垂向采用统一的短波辐射衰减系数对水温预测结果的影响较小.2.4 短波辐射强度对温跃层形成的影响根据表1所示水库7月的气象和水文资料，取实测短波辐射强度197.4W/m2和经过校验的短波辐射衰减系数0.5m-1，变化水面短波辐射强度100、400、800W/m2进行水温模拟，虽然所取得的短波辐射强度变化范围较大，超出实测范围，但利用极端条件的水温模拟数据，可更全面、直观地评判短波辐射强度对温跃层的影响趋势，为后续短波辐射强度的相关影响研究提供参考.图6表示水面短波辐射强度与上下层水体温差的关系.当水面短波辐射强度为100、400W/m2时，上下层水体温差随时间的推移而逐渐增加，但增幅减小，20d后趋于稳定，说明在次模拟条件下，水体热交换达到相对平衡.当水面短波辐射强度为800W/m2时，上下层水体温差也随时间的推移而增加，但增幅并未减小，20d后水体温差仍在继续增加.随着短波辐射传热过程的延续，水面及以下水体吸收的热量增加，导致表层水温增加，上下层温差随之增加.根据公式(7)，在短波辐射衰减系数相同的情况下，短波辐射在水下的衰减速率相同，并呈指数型衰减，可以看出在夏季净短波辐射较强的时节，短波辐射能量在穿透水下40m左右时，能量消耗达90%，水体受纳的短波辐射传热量理论上主要与水面短波辐射强度有关，从而上下层水体温差随短波辐射强度的增加而增加.图6表明，水库可能存在一个水面短波辐射强度极值QS∈[400， 500].在较低的水面短波辐射强度(≤400W/m2)下，随着时间的推移，水面短波辐射强度越高，水面处吸收的热量越多，水面处水温增加；由于短波辐射强度在水深方向呈指数关系衰减，水体垂向各层吸收的能量向下递减，当短波辐射强度小于水库辐射强度极值时，表层水温因不断吸收短波辐射而增加，但能量来不及作用到水底，从而上下层水体温差逐渐增大，即上下层水体温差与水面短波辐射强度呈正相关.在较高的水面短波辐射强度(>400W/m2)时，当短波辐射强度高于水库短波辐射强度极值时，由于水体吸收的热量较多，会影响到底部水体温度，使底部水温也增加，在一定的传热时间内，导致上下层水体温差减小；而随着传热过程的继续，受较高的水面短波辐射强度影响，表层水温增幅会高于底部水温增幅，导致后期上下层水温差增大.上下层水体温差随水面短波辐射强度的增加而呈现先增大后减小的趋势，在太湖地区也曾有所观测：在太湖地区，当短波辐射强度增大到700W/m2时，太阳辐射强度会使得垂向水体受到均匀加热，温差降低，产生短波辐射极值[32].对比本文初步得出的水库短波辐射强度极值与太湖地区[31]报道的值，可以发现水库水温分层的形成与水面短波辐射的关系较为密切，上述变化过程应该还会与水库或湖泊的水深及不同纬度带上的气象与地质要素等有关，具体关系仍需要进一步研究与讨论；但是现有结果表明，水面短波辐射强度对水温结构和温跃层的形成有重要影响，当水面短波辐射强度超过极值时，很难形成稳定的温跃层.表1资料显示，金盆水库地区短波辐射强度不高(约200W/m2)，水深较大(约80m)，故在季节交替时易形成稳定的温跃层，不同于浅水环境的分层情况.1) 通过模型参数率定，模拟研究了水温结构与温跃层随季节的变化，温跃层从春季气温回升逐步形成，在夏季形成稳定分层、温跃层厚度最大，秋季随着气温下降而逐步下潜，至冬季再次消失.模拟结果对水库水质演变和内源污染控制研究具有重要的参考价值和指导意义.2) 在本模拟条件下，水库水面长波辐射、蒸发和传导传热量总和为负值，长波辐射量约占表面总传热量的95%～100%，风基本不影响金盆水库温跃层的形成过程；短波辐射是影响温跃层形成的主要因素.3) 经校验的短波辐射衰减系数值与实测的藻类浓度存在良好的正相关性，二者的年际变化相互一致；随短波辐射衰减系数的降低，温跃层位置下移、厚度增加，层内温度梯度减小.4) 水面短波辐射强度对温跃层形成的影响较为复杂，不同类型水库具有不同的极限短波辐射强度，温跃层内温差随水面短波辐射强度的增加呈现先增加后减小的变化趋势；但水面短波辐射强度过高时，难以达到热交换平衡，对形成稳定温跃层有重要指示作用.【相关文献】[1] Burns NM， Rockwell DC， Bertram PE et al. Trends in temperature， secchi depth，and dissolved oxygen depletion rates in the central basin of Lake Erie， 1983-2002. Journal of Great Lakes Research， 2005， 31(Suppl.2)：35-49.[2] Liu X， Lu XH， Chen YW. The effects of temperature and nutrient ratios on Microcystis blooms in Lake Taihu， China： An 11-year investigation. Harmful Algae，2011， 10(3)：337-343.[3] Qin BQ， Gao G， Zhu GW et al. Lake eutrophication and its ecosystem response. Chinese Science Bulletin， 2013， 58(9)： 961-970.[4] 马越，郭庆林，黄廷林等.西安黑河金盆水库季节性热分层的水质响应特征.水利学报，2013，44(4)：406-415.[5] 黄廷林，丛海兵，柴蓓蓓.饮用水水源水质污染控制.北京：中国建筑工业出版社，2010.[6] 孙昕，黄廷林.湖泊水库水体污染控制.武汉：湖北科学技术出版社，2013.[7] 吴雅丽，许海，杨桂军等.太湖水体氮素污染状况研究进展.湖泊科学，2014，26(1)：19-28.[8] Fernandez RL， Bonansea M， Cosavella A et al. Effects of bubbling operations on a thermally stratified reservoir： Implications for water quality amelioration. Water Science and Technology， 2012， 66(12)： 2722-2730.[9] Cong HB， Huang TL， Chai BB et al. 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南方某水库底层溶解氧分布特征及低氧成因分析
南方某水库底层溶解氧分布特征及低氧成因分析陈仲晗;徐海升;刘翔;刘威;邓培雁【摘要】以南方某水库为例,通过2013年4月至2014年3月的监测数据研究底层溶解氧(bottom dissolved oxygen,BDO)和底层水温(bottom temperature,BT)、pH值、电导率、浊度(TU)、TP、TN、COD、总有机碳(TOC)、Chl-a间的关系,以阐明该水库BDO的时空分布特征及低氧成因.结果表明,BDO春、夏季浓度低,秋、冬季(枯水期)浓度较高,进水口附近的DO浓度普遍高于库中、库心;低氧现象主要发生在夏季(5--8月);水越深、水温越低,BDO下降趋势显著(P＜0.05);浊度、TOC与BDO为正相关关系.BDO与叶绿素a呈现显著正相关,在底层浮游植物中,蓝藻门占绝对优势,BDO浓度与蓝藻的垂直迁移有关.表明水库BDO在时间上的变化趋势受温度的影响,而空间上的变化受到水动力的影响,低氧现象的发生受到水体垂直密度分层的影响.【期刊名称】《水资源保护》【年(卷),期】2016(032)001【总页数】7页(P108-114)【关键词】底层溶解氧;低氧现象;水体分层;浮游植物【作者】陈仲晗;徐海升;刘翔;刘威;邓培雁【作者单位】华南师范大学化学与环境学院,广东广州510631;深圳市铁岗·石岩水库管理处,广东深圳518034;四川师范大学生命科学学院,四川成都610068;珠江水资源保护科学研究所,广东广州510611;华南师范大学化学与环境学院,广东广州510631【正文语种】中文【中图分类】X832溶解氧DO是维持水生物生存、分解部分污染物及保持水环境动态平衡的重要环境因子。
过低的溶解氧不仅影响水生物的生长和分布,还会通过氧化还原电位影响无机盐、有毒痕量金属的溶解度[1]。
影响水中溶解氧的因素有多种,物理方面有水气交换、水动力、温度等;化学方面有有机物合成、化学物质的氧化还原反应等;生物方面有生物的生长、繁殖和新陈代谢等[2]。
水体水温季节变化规律
水体水温的季节变化规律是：在一年中，水体水温会经历一个分层过程和另一个混合过程。
在春季和初夏，随着气温慢慢升高，水体表面温度上升比较快，水体表层会形成一层暖水层。
由于水的密度随着温度的上升呈下降趋势，即使表层暖水层和底层冷水层之间的温度只有几度的差异，但两个水层之间的密度差异仍然非常显著，足以阻止上下水体的混合，形成“正分层”。
当进入寒冬时节，由于水的密度特性，4℃水处于最大密度值1g/cm³，而冰的密度0.917g/cm ³小于液态水，结果表层结冰，冰都是浮于水面上，而下层水温4℃，此时水温分层称作“逆分层”。
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（１．中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙 江 杭 州 ３１００１４； ２．四 川 大 学 水 力 学 与 山 区 河 流 开 发 保护国家重点实验室，四川 成都 ６１００６５）
摘要：为探讨热带地区水库水温分层特征，采用垂向一维 水 温 数 学 模 型 对 海 南 省 南 渡 江 干 流 某 拟 建 大 型 水 库
开 展 了 水 库 垂 向 热 分 层 结 构 和 下 泄 水 温 过 程 研 究 ，并 探 讨 了 叠 梁 门 分 层 取 水 措 施 对 低 温 水 的 改 善 效 果 。 研 究
结果表明：① 受水库湖泊特性和气候特征影响，海南热 带 地 区 水 库 水 温 总 体 也 呈 现 随 季 节 变 化 的 分 层 结 构，
在冬季水温趋于同温，夏季水温分层逐渐加强且显著，年内垂向最大温差可达 １１．８℃，由于海南主汛期为 ９～
１０月，汛后水库蓄热能力明显减弱。② 水库下泄水温呈现低温水明显、高温水 较 弱 的 规 律，最 大 降 幅 门分层取水措施的运用，加强了水库垂向分层状态，对低温水的改善效果显著，
究对象大多集中在 温 带 和 寒 带 地 区，而 对 热 带 地 区 的 研究相对较少。热带 地 区 具 有 太 阳 辐 射 强、气 温 高 的 特点，加之径流周期 过 程 受 台 风、热 带 气 候 的 影 响，其 气候和径流过程与 内 陆 地 区 存 在 明 显 的 差 异，将 导 致 该区域内的水温时空变化具有特异性 。 ［１３－１４］
南 渡 江 地 处 我 国 热 带 北 部 ，为 海 南 岛 第 一 大 河 ，年 均气温 ２０℃以上，主 要 径 流 量 分 布 集 中 ８～１０月，占 全年的 ５０％ 以 上 。 ［１５］ 该 区 域 内 水 资 源 的 开 发 利 用， 在改变南渡江天然河道的水文过程和水力学条件的同 时，所产生的 水 温 影 响 也 不 可 忽 视 。 ［１６－１７］ 因 此，本 文 以海南省南渡江干流已建松涛水库和某拟建水库为 例，采用实测水温资 料 和 数 学 模 型 相 结 合 的 方 法 预 测 分析热带地区水库坝前垂向水温分布及下泄水温的时 空变化规律，以期初 步 探 索 热 带 地 区 水 库 的 热 分 层 特 征 ，并 评 估 工 程 采 取 分 层 取 水 措 施 的 水 温 改 善 效 果 。
ｃｎ
６６
人 民 长 江
２０１９年
建松涛水库，下 游 为 已 建 谷 石 滩 水 电 站 （见 图 １）。 工 程任务以供水、防洪 为 主，兼 顾 发 电，并 为 改 善 下 游 水 生态环境和灌溉创造条件。水库最 大 坝高 ７１．５ｍ，装 机容量 ３０．０万 ｋＷ，坝址控 制 流 域 面 积 ９７０．０ｋｍ２，多 年平均流量 ３４．９ｍ３／ｓ，水 库 正 常 蓄 水 位 １０８．０ｍ，死 水 位 ７２．０ｍ，总库容 ６．６２亿 ｍ３，水库具有多年调节作 用。水 库 库 水 替 换 次 数 ａ为 １．７，经 验 判 断 水 库 水 温 结构为稳定分层型。
１ 工 程 概 况
拟 建水库 位于海南 省南渡 江干 流 中 游 ，上 游 为 已
收 稿 日 期 ：２０１８－０６－１４ 作 者 简 介 ：谭 升 魁 ，男 ，工 程 师 ，硕 士 ，主 要 从 事 水 利 水 电 工 程 环 境 保 护 相 关 的 工 作 。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｔａｎ＿ｓｋ＠ ｅｃｉｄｉ．ｃｏｍ 通讯作者：脱友才，男，副研究员，硕士生导师，博士，主要从 事 环 境 水 力 学 及 水 污 染 方 面 的 研 究。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｕｏｙｏｕｃａｉ＠ ｓｃｕ．ｅｄｕ．
第 ５０卷 第 ４期 ２０１９年 ４月
文 章 编 号 ：１００１－４１７９（２０１９）０４－００６５－０６
人Ｙ ａｎｇ民ｔｚ ｅ 长Ｒ ｉｖｅ江ｒ
Ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．４ Ａｐｒ．， ２０１９
热带地区水库水温分层特性研究
谭 升 魁１，周 武１，黄 滨１，施 家 月１，邓 云２，脱 友 才２
最大低温水影响降低为 ２．３℃。
关 键 词 ：水 库 水 温 分 层 ；垂 向 一 维 水 温 模 型 ；叠 梁 门 分 层 取 水 ；热 带 地 区 ；南 渡 江
中 图 法 分 类 号 ：ＴＶ６２ 文 献 标 志 码 ：Ａ
ＤＯＩ：１０．１６２３２／ｊ．ｃｎｋｉ．１００１－４１７９．２０１９．０４．０１２
大型水库的修 建，使 得 库 区 河 段 水 温 由 原 河 道 的 混合状态转变为垂 向 分 层，坝 址 处 水 库 下 泄 出 现 低 温 水 和 高 温 水 现 象 ，并 且 其 过 程 的 相 位 发 生 移 动 ，升 温 期 和降温期特征水温值出现时间发生延迟。建库河段热 力的时空改变，将直 接 影 响 水 体 中 生 态 系 统 的 发 展 和 其他水质参数 过 程 ［１－２］，将 对 坝 下 河 道 鱼 类 繁 殖 和 灌 区农作物生长等产生直接影响 。 ［３－４］