取水口高程对水库水温结构的影响研究

国内大深型水库的水温分层可引起水质垂向 变化 ， 下泄低温水 对 下 游 水 生 态 环 境 产 生 不 利 影 响
［ １， ２］
拟， 获得进水口三维流场的特征及水力特性 。 １． ２ 定解条件与求解方法 （ ） 初始 条 件 。 考 虑 到 水 库 水 温 分 层 的 累 积 １ 效应 ， 由实测资料 计 算 给 出 模 型 初 始 时 刻 动 力 场 和温度场分布 。 ） （ 边界 条 件 。 ① 入 口 边 界 。 采 用 流 量 边 界 ２ ） 。 其中 ， ） 由实测资料给定 ， 假定 在 Ｑ＝ＦＱ （ ｔ ＦＱ （ ｔ 入流 方 向 垂 直 于 开 边 界 ， 切 向 速 度 为 ０。 入口处 ， 出口边界同样采 用 流 量 边 界 控 制 ， 根据不同工况 确定不同流量过程 。 ② 自然边界 。 闭边界即是水 法向采用不可渗透条件 ， 切向采用不可 陆交界处 ， 滑移条件 。 ③ 垂向边界 。 其中 ： 表面边界
取水口高程对水库水温结构的影响研究
杨大超１， 陈青生１， 程 涛２
（ ） １．河海大学 水利水电学院 ，江苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ８； ２．中国水电顾问集团 北京勘测设计研究院 ，北京 １ ０ ０ ０ ２ ４ 摘要 ：大 型水 库 水 温分 层 现象引 起 的 低 温 水 下 泄问题 对 下 游 生 态 环境 造 成 了 不利 影响 ， 采用分层取水是目前 减 缓低 温 水 下 泄 的 有 效 措施 ， 而不 同 的 取 水 口 高程 对 水 库 水 温的分 层 产 生 不 同 影响 。 为 研究不 同取 水 口 高程 对 水 库 水 温结 构 的分 层 影响 ， 以 某 流域 中 型水 库 为 例 ， 选 取 ５ 种 不 同取 水 口 高程 进 行工 况 设 计 ， 采用三维水动 力－水温数学模型， 利 用 验 证 可 行的 数 值 模 拟 方 法 进 行 数 值 模 拟 计 算 和 结 果 比 对 分 析 。 结 果 表 明 ， 取水口高 程 因素 对 水 库 水 温结 构 影响 较 为 明 显 ， 各取 水 口 位置 对应的 水 库 水 温结 构 四 季差 异 性 较 强 。 关键词 ：分 层 取 水 ；水 库 水 温 ；数 值 模 拟 ；取 水 高程 中图分类号 ： ＴＶ ６ ９ ８ 文献标志码 ：Ａ
ｕ １ ｃ ｏ ｓ τ θ ｜ ｚ＝ ＝ ｓ ｚ ζ ρ ０ ｖ １ 烅 ｃ ｏ ｓ υ τ θ ｜ ｚ＝ ＝ ｓ Ｖ ｚ ζ ρ ０
烄 υ Ｖ
Ｃｄ Ｕ２ τ ｓ ＝ρ ａ １ ０ 烆 、 、 式中 ， 分别为 纵 向 横 向 流 速； ｕｖ ｚ 为 高 程； ０ 为 ρ
密度 ； θ 为风 力 形 成 的 角 度 ； τ ｓ 为 风 应 力； ａ 为空 ρ 气密度 ； Ｕ１ ０ ｍ 处 的 风 速； Ｃｄ ０为 高 于 自 由 表 面 １ 为风的拖曳系数 ， 无量纲 。 底边界
。 为充 分 发 挥 水 资 源 工 程 的 综 合 效 益 ， 利
［ ３， ４］
简明 用电站进水口进 行 分 层 取 水 是 当 前 最 直 接 、 且有效的方法 。分层取水因其自身取水方式
［ ５］
不可避 免 地 会 对 水 库 水 温 分 布 结 构 产 的多变性 ， 生影响 ， 同时 也 影 响 分 层 取 水 的 效 果 。不同的 取水口高程对水库水温的分层影响也不同 。 文献 ［ ］ 对某一过渡 型 水 库 采 用 宽 度 平 均 的 立 面 二 维 ６ 水温模型 ， 研究了 三 种 不 同 取 水 口 高 程 工 况 下 水 库水温分布结构和水库下泄水温的变化规律 。 但 在大坝附近区域 ， 由于水电站引水发电及泄洪洞 泄洪的影响 ， 坝前附近水流具有明显的三维特征 ， 流速场和温度场 变 化 较 大 ， 在计算条件允许的情 况下应考虑采用三维水动力 — 水温数学模型进行 模拟较为精 确 。 鉴 此 ， 本文进一步研究了取水口 利用三维数 高程的改变对水 库 水 温 结 构 的 影 响 ， 值模拟方法预测 水 温 分 层 结 构 及 其 变 化 规 律 ， 为 正确评价和改善水库环境影响提供依据 。
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水 电 能 源 科 学 ２ ０ １ ３年
本模型的离散 方 法 基 于 有 限 差 分 法 ， 利用正 交曲线网 格 对 空 间 进 行 离 散 。 采 用 Ａ Ｄ Ｉ算 法 进 行求解 ， 可保证需要的计算精度 ， 同时计算效率较 高， 稳定性好 。
ｕ １ 烄 υ τ ｜ ｚ＝－ ｄ ＝ ｂ ξ Ｖ ｚ ０ ρ 烅 ｖ τ ｂ η υ ｜ ｚ＝－ ｄ ＝ Ｖ ｚ ０ ρ 烆 、ｂ 式中 ， 分别为底部剪切应力在ε、 τ ｂ ξτ η η 方向上的 分量 。
， 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ ２ １ １ ３ ０ ２ ０ １ ３ ０ １ ０ ９ － － － － ） 基金项目 ：水利部公益性基金资助项目 （ ２ ０ ０ ９ ０ １ ０ ７ ０ ， ： 作者简介 ：杨大超 （ 男， 硕士研究生 ， 研究方向为水工 、 环境水力学 ， １ ９ ８ ６ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｈ ｉ ｚ ｕ ｎ １ ９ ８ ２＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ －）
第３ １ 卷第 ４ 期
杨大超等 ： 取水口高程对水库水温结构的影响研究
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图 ３ 各工况坝前水温全年分布 Ｆ ｉ ． ３ Ｄ ａ ｍ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｈHale Waihona Puke Baiduｏ ｕ ｔ ｅ ａ ｒ ｇ ｐ ｇ ｙ
第３ １卷 第４期 ２ ０ １ ３年４月 （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ７ ７ ０ ９ ２ ０ １ ３ ０ ４ ０ ０ ７ ７ ０ ５ － － －
水 电 能 源 科 学 Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ １Ｎ ｏ ． ４ Ａ ｒ ． ２ ０ １ ３ ｐ
表 ２ 取水口高程工况方案 ｒ ｏ ｒ ａ ｍ Ｔ ａ ｂ ． ２ Ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ａ ｋ ｅ ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｇ
工况 １ １ － １ ２ － １ ３ － １ ４ － １ ５ － 取水口高程／ ｍ ３ ４ ３ １ ３ ４ ４ １ ３ ４ ５ １ ３ ４ ６ １ ３ ４ ７ １ 流量方案 （ 出流量 ） 丰水年 丰水年 丰水年 丰水年 丰水年
图 ２ 水库平面和垂向网格 ｌ ａ ｎ ｅ ｒ ｉ ｄ ｒ ｉ ｄ Ｆ ｉ ． ２ Ｒ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｉ ｒ ａ ｎ ｄ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｇ ｇ ｇ
３． ２ 数值模拟方案 从取水口高程对数值模拟方案进行设计 。 首 先针对取水口高 程 按 分 层 取 水 设 计 手 册 标 准 ， 在 满足取水口最小 淹 没 深 度 的 条 件 下 ， 沿坝址从正 向下纵向选取 ５ 个取水 常蓄水位下 ４ ５ｍ 处开始 ， 口位置 ， 各取水 口 垂 向 依 次 间 隔 １ 选取计算 ０ ｍ， 时长为一个丰水年 ， 入流温度 资 料 见 表 １， 工况具 体方案见表 ２。
１ 数值模型
１． １ 模型的基本控制方程 由于取水口进 水 口 水 流 运 动 较 为 复 杂 ， 有边 界层 流 动 、 管道内流动、 旋 转 流 动， 还带有分离流 动、 薄壁堰流动 ， 因此采用 Ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｂ ｌ ｅκ － ε紊流模
７］ 型［ 对分 层 取 水 进 水 口 进 行 了 三 维 紊 流 数 值 模
图 １ 水库数学模型验证结果 Ｆ ｉ ． １ Ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｉ ｒ ｍ ａ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｖ ａ ｌ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ
３ 应用与分析
３． ３ 取水口高程工况模拟结果分析 首先对各工 况 坝 前 水 温 分 布 情 况 进 行 分 析 。 图 ３ 给出了不同取水口高程工况的全年各月坝前
３． １ 水库水温模型的建立 三维水库水温模型依据我国某流域的实际工 程资料建立 ， 先对模型计算区域进行选取 ， 然后考 虑研究对象的需要对各研究工况进行不同方式的 网格划分 。 模型选取沿 水 流 方 向 约 １ 涵盖了从库 ０ｋ ｍ， 尾入流处到坝址 位 置 的 长 度 ， 根据水库实测地形 资料建立网 格 。 网 格 尺 度 沿 水 流 方 向 为 １ ０ ０ ｍ， 垂直水流方向为 ２ 主河道部分进行了 ０～１ ０ ０ ｍ， 网格局部加密 ， 在水深方向为 １～１ 取水口部 ０ ｍ， 分根据设计工况不同 ， 分别进行了垂向局部加密 。 图 ２ 为水库平面网格和垂向网格 。
库建成后正常 蓄 水 位 下 水 库 水 深 １ 死水位 ０ ５ ｍ， 作为年调节水 下水库水深 ７ ５ｍ。 根据以往经验 ， 库， 库区水体将会产生温度分层现象 ， 实际的温度 运行方式 、 水文条件 、 气候条件 、 分布受水库规模 、 太阳辐射 、 季节更替等因素的共同影响 。 由于本河段尚 处 于 规 划 阶 段 ， 相关资料不够 完善 ， 因此根据掌握的实测资料情况 ， 基于如下推 断模型验证 ： 在天 然 情 况 下 河 道 内 水 体 热 交 换 应 流动过程中水温基本保持稳 基本处于平衡状 态 ， 定 。 水库库区河段从库尾入流处到坝址处仅有不 足１ 气候条件和高程等变化很小 ， 即在相对 ０ｋ ｍ， 可近似 较短的河段内河 流 的 沿 程 增 温 作 用 微 弱 ， 认为上游来流水温与坝址处出流水温一致 。 模型验证采用实际流量过程 ， 气象 、 水文条件 及相关参数按提供资料说明设定 。 模型上边界为 库尾入流处 ， 由水 文 站 实 测 资 料 按 沿 程 增 温 率 给 定入流水温 ， 计算 该 库 区 河 段 下 边 界 的 月 平 均 出 并以计算 得 到 的 下 游 出 流 水 温 与 上 游 来 流水温 ， 流水温进行比对 。 图 １ 为实测资料与计算结果的 二者吻合较好 ， 表明模型各 对比图 。 由图可看出 ， 项参数及条件选 择 恰 当 ， 因此所建立数学模型可 用于水温预测分析 。
表 １ 丰水年入流月均温度 Ｔ ａ ｂ ． １ Ｍ ｏ ｎ ｔ ｈ ｌ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｏ ｗ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｎ ｒ ａ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｓ ｙ ｇ ｐ ｙ ｙ
月份 ６ ７ ８ ９ １ ０ １ １ １ ２ 月均温度 ９． ７ ６ １ ０． ９ ６ １ ２． １ ７ １ ０． １ ６ ６． ５ ７ １． ７ ６ ０． ０ ０ 月份 （ 次年 ） １ ２ ３ ４ ５ ℃ 月均温度 ０． ０ ０ ０． ０ ０ ２． １ ４ ５． ８ ６ ９． ７ ６
水温分布 ， 进行水温年际趋势变化对比 ， 图中相对 高度 ０ 点对应为正常蓄 水 位 ３ ５ １ ６ ｍ。 由 图 ３ 可 看出 ， 不同工况的坝前水温分布规律趋于一致 ， 水 库水温分层状况较 为 明 显 。 ① 水 库 水 温 １～４ 月 即表层温度低于底层温度 ， 主要是 处于逆温结构 ， 由于冬季气温较低 ， 库区垂向温差约在 ４ ℃ 之内 ； 同 时 来 流 水 温 升 高， 水 ０ 月由于气温上升 ， ②５～１ ， 库水温呈稳定分 布 结 构 即 表 层 温 度 高 于 底 层 温 度， 夏季水库分层状况较为显著 ， 库区垂向温差最 大接近 ９ ℃ ； １～１ ２月水库水温处于过渡阶 ③１ 段， 由于气温及来流温度降低 ， 库区垂向分层现象 库区垂向温度较为接近 ， 基本呈现等温 逐渐消失 ， 分布 。 图 ３ 可较为直观展示了各工况坝前水温的年 度变化趋势 。 为便于对各运行工况进行横向对比 ，
２ 模型验证
以某流域中型 水 库 为 例 ， 采用实际工程资料 对建立的三维水 温 数 学 模 型 进 行 验 证 ， 并根据验 证结果 分 析 其 合 理 性 。 该 龙 头 水 库 为 年 调 节 水 库， 正常蓄水位 ３ 死水位 ３ 正常蓄 ５ １ ６ｍ， ４ ８ ６ ｍ，
８ ３ 水位以下库容为 １ 调节库容为 ０ ． ５ ３×１ ０ ｍ， ． ９ ３× ８ ３ 坝址 高 程 ３ 壅水１ 厂房尾水 １ ０ ｍ， ４ １ １ ｍ， ０ ５ ｍ， 位３ 利用落 差 １ 电 站 为 混 合 式。 水 ３ ３ ３ｍ， ８ ３ ｍ，