影響水庫(kù)水體混合的主要因素

陳惠清，劉福波

(1.七臺(tái)河市水務(wù)局，黑龍江七臺(tái)河 154600;2.龍煤集團(tuán)七臺(tái)河分公司新鐵煤礦，黑龍江七臺(tái)河 154600)

影響水庫(kù)水體混合的主要因素

陳惠清1，劉福波2

(1.七臺(tái)河市水務(wù)局，黑龍江七臺(tái)河 154600;2.龍煤集團(tuán)七臺(tái)河分公司新鐵煤礦，黑龍江七臺(tái)河 154600)

氣候循環(huán)會(huì)引起水庫(kù)內(nèi)溫度分層現(xiàn)象，溫度分層導(dǎo)致的熱交換導(dǎo)致水庫(kù)混合過(guò)程，文章介紹了水庫(kù)水體混合的幾個(gè)因素。

水庫(kù);水體混合;風(fēng)力;熱交換;入流;出流

由于氣候循環(huán)會(huì)引起水庫(kù)內(nèi)溫度分層的現(xiàn)象，水庫(kù)內(nèi)溫度結(jié)構(gòu)形成于年內(nèi)的變化過(guò)程就是熱交換而引起的混合過(guò)程。熱交換引起的混合主要在深度方向發(fā)展。水庫(kù)受風(fēng)力作用，河流加入水庫(kù)或水庫(kù)泄水都會(huì)促使水庫(kù)不僅沿深度方向，同時(shí)也沿水平方向發(fā)生混合。風(fēng)的作用尤其是強(qiáng)風(fēng)的作用所產(chǎn)生的混合(所謂“攪動(dòng)”)尤為突出。如果水庫(kù)或湖泊尺寸很大，特別當(dāng)寬度很大時(shí)，地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的柯氏力也會(huì)對(duì)水庫(kù)內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響?，F(xiàn)分別就主要影響因素簡(jiǎn)述如下。

1 風(fēng)力作用

風(fēng)力作用首先施加于水面，給水面以拖曳力，使表層原來(lái)處于靜止的水體發(fā)生運(yùn)動(dòng)，表層運(yùn)動(dòng)后逐漸再把風(fēng)力的能量傳遞給水庫(kù)內(nèi)部，使水體內(nèi)部誘發(fā)紊動(dòng)。弱風(fēng)的影響主要局限在表層，強(qiáng)風(fēng)的影響可直達(dá)庫(kù)底靜水層。水庫(kù)的表面溫水層內(nèi)之所以溫度分布較均勻，主要是由于風(fēng)力攪動(dòng)加快了熱量交換和混合的緣故。

風(fēng)給予水面的拖曳力大小，主要取決于風(fēng)的強(qiáng)度(即風(fēng)速)、大氣邊界層的穩(wěn)定性、吹程、波的發(fā)展及波能量在湖岸消散的情況等，起主導(dǎo)作用的是風(fēng)速。

風(fēng)作用于單位面積水面的拖曳力τ可以用下式表達(dá):

式中:u為水面以上10 m高處的風(fēng)速;ρA為空氣密度;CD為綜合其他影響因素的系數(shù)。

許多研究表明，水庫(kù)尺寸對(duì)CD的影響很小，在湖面所取得的CD值和海面上所獲得的結(jié)果幾乎相同。

2 表面熱交換

水庫(kù)水體與外部的熱交換主要通過(guò)水面。水面熱交換包括太陽(yáng)輻射熱，大氣輻射熱，水面?zhèn)鲗?dǎo)至空中的熱，水面蒸發(fā)所損失的熱，水面輻射所損失的熱，其關(guān)系如下式:

式中:hn為水面與大氣熱交換獲得的熱量;hsn為從太陽(yáng)輻射所獲得的凈熱量;ha為從大氣輻射所獲得的凈熱量;hws為從水面輻射兒損失的凈熱量;he為蒸發(fā)失去的熱量;hc為水傳導(dǎo)至空氣的熱量。

3 外來(lái)入流

河流進(jìn)入水庫(kù)后可能有3種方式向庫(kù)內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)入流水溫比庫(kù)面水溫高時(shí)，進(jìn)庫(kù)后演水庫(kù)表面流動(dòng)，并保持在水庫(kù)的表層。若入流的水溫比庫(kù)底水溫低，則河水進(jìn)入水庫(kù)后沿庫(kù)底流動(dòng)而后停留于底層。弱河流水溫介于二者之間，即低于表層水溫而高于庫(kù)底水溫，則入庫(kù)后首先沿庫(kù)底流動(dòng)，當(dāng)流動(dòng)到某一高程，庫(kù)水水溫與河水水溫溫度相同時(shí)，轉(zhuǎn)向水平方向流動(dòng)。

入庫(kù)水流將把它所持有的動(dòng)能帶入水庫(kù)，所帶進(jìn)的動(dòng)能為:

式中:ρ1為進(jìn)入水庫(kù)前原河流密度;A為入庫(kù)前河流過(guò)水面積;u為過(guò)水?dāng)嗝嫔先我恻c(diǎn)流速。

河流加入水庫(kù)也會(huì)增加(相對(duì)于水庫(kù)原有勢(shì)能)勢(shì)能。就以河流進(jìn)入庫(kù)面情況來(lái)說(shuō)，所增加的水體重量與該部分體積形心距某一參考平面高度的乘積，則是增加的勢(shì)能值。若入流沉入庫(kù)底，是相同體積的另一部分水體升至原庫(kù)水位以上，從而使勢(shì)能增大。

有外流加入水庫(kù)是，其中一部分能量將消耗于水體的混合，例如入流流速較高時(shí)，將發(fā)生明顯的紊動(dòng)卷吸作用。

4 出流

水庫(kù)泄流將引起庫(kù)內(nèi)水體的流動(dòng)。泄水孔平面位置或高程的不同將給庫(kù)內(nèi)不同位置的水體流向和流速有不同的影響。

在水庫(kù)分層情況下，若泄水流量很小，浮力作用將抑制水體垂直方向流動(dòng)，泄水僅僅來(lái)自與泄水孔高程相同的水平薄層。若泄水流量較大，被泄水層可能擴(kuò)大而穿過(guò)斜溫層。當(dāng)流量很大時(shí)，浮力影響將被沖破，流動(dòng)形態(tài)和不分層水體情況類(lèi)似。

［1］ 趙文謙.環(huán)境水力學(xué)［M］.成都:四川大學(xué)出版社，2004.

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1007－7596(2011)05－0209－01

2011－01－15

陳惠清(1972－)，女，山東陽(yáng)谷人，工程師;劉福波(1965－)，男，黑龍江勃利人，工程師。