紫坪鋪水庫水溫變化規(guī)律

吳宇雷，梁瑞峰，李嘉，李永，李克鋒

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室，四川成都　610065)

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紫坪鋪水庫水溫變化規(guī)律

吳宇雷，梁瑞峰，李嘉，李永，李克鋒

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室，四川成都610065)

水庫水溫對于生態(tài)系統(tǒng)具有決定性的影響。對紫坪鋪水庫庫尾天然河道、壩下進(jìn)行逐時連續(xù)觀測，分降溫期和升溫期對紫坪鋪水庫進(jìn)行兩次全庫區(qū)觀測，結(jié)合數(shù)值模擬對觀測結(jié)果進(jìn)行了分析。紫坪鋪電站調(diào)節(jié)導(dǎo)致下泄水溫呈現(xiàn)冬季高溫和春季低溫現(xiàn)象，下泄水溫變幅遠(yuǎn)低于入庫水溫變幅。數(shù)值模擬較好地計算了庫尾水溫?zé)o分層結(jié)構(gòu)到壩前分層結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程，模擬出在入流、出流和水氣界面熱交換影響下垂向溫躍層的形成和發(fā)展。水庫淤積和發(fā)電進(jìn)水口附近的三維流場效應(yīng)導(dǎo)致枯期計算水溫系統(tǒng)性偏低于實測水溫。

水庫水溫；原型觀測；數(shù)值模擬；水庫淤積

大型水庫的建設(shè)將對庫區(qū)及壩下水生環(huán)境帶來不可避免的影響。水溫作為一項重要水質(zhì)要素，對于水生生物乃至整個生態(tài)系統(tǒng)都具有決定性的影響。水庫水溫研究一般采用理論研究、室內(nèi)實驗和野外觀測3種方式。英國和前蘇聯(lián)在20世紀(jì)30年代就開始對水庫水溫進(jìn)行理論研究及實地監(jiān)測。美國在水溫數(shù)學(xué)模型的建立和應(yīng)用方面一直處于前沿水平[1-4]。日本在水庫低溫水灌溉對水稻產(chǎn)量的影響及水庫分層取水方面進(jìn)行了很多研究。我國從20世紀(jì)50年代中期開始進(jìn)行水庫水溫觀測，近年來在野外觀測及數(shù)學(xué)模型方面均取得了一批有價值的研究成果，先后對瀾滄江、二灘水庫、龍羊峽水庫等進(jìn)行了水溫變化規(guī)律的系統(tǒng)監(jiān)測[5-8]。這些觀測對于認(rèn)識水庫調(diào)節(jié)帶來的水溫影響無疑具有不可替代的作用。但一方面，這些觀測或受限于歷史條件和儀器水平，或只監(jiān)測部分影響因素，不能充分地反映水溫變化的主要影響因素；另一方面，受原型觀測水庫的規(guī)模限制，所得到的水溫規(guī)律適用性有限。如目前廣泛用于判斷水庫水溫結(jié)構(gòu)的α-β法[9]，是由日本學(xué)者在20世紀(jì)80年代中期總結(jié)其國內(nèi)已建水庫特性得到，但其觀測水庫最大庫容僅4×108m3?，F(xiàn)有觀測已表明，該方法在判斷大型水庫甚至中小型水庫水溫結(jié)構(gòu)方面存在明顯偏差。

綜上可知，隨著國內(nèi)大型水利水電工程的開發(fā)，對水庫調(diào)節(jié)水溫影響規(guī)律的認(rèn)識仍有待深化。本文擬通過對岷江上游紫坪鋪水庫的來流水溫、壩下水溫、水庫調(diào)度、同步氣象等實測資料進(jìn)行分析，結(jié)合與數(shù)值模擬結(jié)果的對比，研究具有一定調(diào)節(jié)能力的水庫對水溫影響的主要途徑及幅度。

1　紫坪鋪水庫水溫原型觀測

2009年11月6日、2010年7月6日對紫坪鋪水庫全庫區(qū)進(jìn)行了水溫觀測，分別作為數(shù)學(xué)模型計算的初值和庫區(qū)驗證值；并于2009年10月20日至2010年7月15日期間對水庫庫尾和下泄水溫進(jìn)行了逐時連續(xù)觀測，作為數(shù)學(xué)模型計算的水溫來流條件和下泄水溫驗證值。

1.1工程特性

紫坪鋪水利樞紐工程位于四川省成都市西北部岷江上游，是一座以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪等綜合效益的水利工程。紫坪鋪水庫總庫容為11.12×108m3，調(diào)節(jié)庫容7.74×108m3，具有不完全年調(diào)節(jié)能力，正常蓄水位877 m，死水位817 m。

電站發(fā)電、泄洪等泄流孔口垂向位置在水溫分層情況下將影響下泄低溫水的水溫變化幅度。紫坪鋪電站的發(fā)電引水口底板高程(800 m)與泄洪洞高程相同，沖砂放空洞低于電站進(jìn)水口30 m。觀測期內(nèi)泄洪及沖砂洞均有使用。

1.2水庫調(diào)度

紫坪鋪水庫大壩上游12 km處有支流壽溪河匯入，壽溪河多年平均流量與岷江干流紫坪鋪水文站多年平均流量相比低于5%，可認(rèn)為全部來流均為干流流量，不考慮壽溪河來流對紫坪鋪水溫的影響。

收集到觀測期間水庫的逐日入出庫流量、電站發(fā)電引用和泄洪流量，其中泄洪主要發(fā)生在6—7月。水庫在觀測期間均未蓄至正常蓄水位877 m，在2009年11—12月以相對高水位運(yùn)行，從2010年1月中旬進(jìn)入供水期水位迅速降低，至5月初接近死水位，5月中旬進(jìn)入汛期后水位再度迅速抬升。

1.3氣象、入庫水溫與壩下水溫

庫區(qū)氣象條件采用距離壩址8.7 km的都江堰氣象站作為參證站。入庫水溫為紫坪鋪庫尾映秀電站下泄水溫的連續(xù)監(jiān)測值，出庫水溫為紫坪鋪壩下的水溫連續(xù)監(jiān)測值。

1.4庫區(qū)水溫

2009年11月6日、2010年7月6日測量的全庫區(qū)水溫分布見圖1、圖2，圖中散點(diǎn)為水溫測點(diǎn)，等值線根據(jù)散點(diǎn)測值插值得到。

圖1　2009年11月6日紫坪鋪庫區(qū)實測溫度分布Fig.1　Observed water temperature distribution of Zipingpu Reservoir on Nov. 6th, 2009

圖2　2010年7月6日紫坪鋪庫區(qū)實測溫度分布Fig.2　Observed water temperature distribition of Zipingpu reservoir on Jul. 6th, 2010

2009年11月6日(冬季)的測量中，由于來流水溫低于庫區(qū)水溫，來流沿庫底向壩前爬行，壩前除表層外大都同溫，庫區(qū)僅在表層10 m內(nèi)受氣象條件影響存在溫差。而在2010年7月6日(夏季)的測量中，來流水溫在16℃左右，水流進(jìn)入庫區(qū)14 km左右后脫離庫底，在流動層上緣(即表層)、下緣(770 m高程附近)分別形成溫躍層，水庫的分層現(xiàn)象較為明顯。發(fā)電引水和泄洪孔口均高于底部的溫躍層，下泄低溫水現(xiàn)象不明顯。

2　紫坪鋪水庫水溫模擬分析

為進(jìn)一步分析實測水溫，采用寬度平均的立面二維水庫水溫數(shù)學(xué)模型對紫坪鋪水庫的水溫變化進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見圖3至圖5。

圖3　紫坪鋪庫區(qū)2010年7月6日模擬值與實測水溫分布比較Fig.3　Comparison of simulated and observed water temperature distribition of Zipingpu reservoir on Jul. 6th, 2010

圖4　紫坪鋪庫區(qū)2010年7月6日模擬與實測的垂線水溫比較Fig.4　Comparison of simulated and observed vertical temperature profiles of Zipingpu reservoir on Jul. 6th, 2010

圖5　2009年11月6日至2010年7月15日紫坪鋪下泄水溫比較Fig.5　Comparison of discharged and observed water temperature of Zipingpu during Nov. 6th, 2009 to Jul. 15th, 2010

2.1數(shù)學(xué)模型與計算條件

寬度平均的立面二維水庫水溫數(shù)學(xué)模型采用k-ε雙方程紊流模型，考慮了出入流水文過程、來流水溫過程、水汽界面熱交換，庫底采用絕熱邊界。

模型氣象、水溫、水文等邊界條件均采用實測的逐日值，出流根據(jù)電站調(diào)度的實際流量分別從發(fā)電引水孔口、沖砂放空洞、泄洪排沙洞下泄。

熱通量計算采用的太陽輻射表面吸收系數(shù)β和太陽輻射在水體中的衰減系數(shù)η，分別取值0.65和0.5。

以2009年11月6日測量的全庫區(qū)水溫分布作為計算初始水溫(圖1)。根據(jù)庫尾入流水溫進(jìn)行多年循環(huán)計算流場的初值，待穩(wěn)定收斂后以11月6日的流場分布作為初始流場。

2.2模擬結(jié)果與相關(guān)分析

(1)庫區(qū)水溫

圖3比較了2010年7月6日模擬與實測的庫區(qū)內(nèi)水溫分布，顏色代表溫度值，相同位置處實測點(diǎn)與模擬等溫線顏色越趨一致，表明模擬值與實測值吻合得越好。

與實測值相比，模擬也得到了庫區(qū)的雙溫躍層現(xiàn)象，庫區(qū)大部分模擬值與實測值吻合較好。但模擬得到的表層水溫要高于實測值，應(yīng)是模型未考慮風(fēng)摻混引起的表層溫度均化和山體遮蔽部分輻射所致。壩前庫底模擬得到了7℃的低溫，而實測的最低值為8.4℃，但從實測的8.4℃附近變化趨勢分析，在靠近庫底的位置有可能存在更低水溫。

模擬水溫分層強(qiáng)度總體要大于實測值，如模擬得到的16℃水溫等值線位于發(fā)電孔口下方，而非實測的上方(圖2)。該偏差可能由地形精度引起。模擬采用“5·12”地震前的地形測量數(shù)據(jù)，地震淤積帶來的庫容損失使水庫調(diào)節(jié)性能下降，分層強(qiáng)度降低。庫區(qū)兩次測量的所有垂線均未探至深泓線，也從側(cè)面反映了淤積影響。

圖4提取模擬值的垂線數(shù)據(jù)，并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行單線對比。

距庫尾14.3 km處的實測和模擬水溫表層均出現(xiàn)溫躍層，實測表層水溫比模擬水溫低3.7℃。表層溫躍層之下的水溫模擬值與實測值較為接近，比實測值高約0.2℃。

距庫尾18.2 km處的實測與模擬水溫仍存在溫躍層，實測表層水溫比模擬值低1.2℃，與距庫尾14.3 km處垂向水溫相比已較為接近。主要由于隨著水流向大壩前行，水面逐漸開闊，兩側(cè)山體對水面氣象條件的影響逐漸減弱。

距庫尾21.5 km和23.6 km處的表層之下的實測與模擬水溫較為接近。實測的表層水溫已比模擬水溫高，一方面是由于壩前水面開闊山體影響減弱，另一方面則是因為實測水溫所測的是一條垂線，而模擬值是一個寬度平均的數(shù)值，實測水溫垂線不能充分反映河寬方向的表層水溫變化。

(2)下泄水溫

圖5比較了水庫出流模擬水溫和壩址下游實測水溫過程。模擬下泄水溫過程與壩下水溫過程總體吻合，2009年11月6日至2010年4月5日模擬水溫略偏低，最多低1.2℃，2010年5月9日至7月15日的實測水溫與模擬水溫較為接近。其中，2009年12月至2010年3月底模擬水溫比實測水溫系統(tǒng)性偏低，可能由三維效應(yīng)引起。在升溫期由于溫躍層逐漸形成，進(jìn)水口附近三維流場效應(yīng)導(dǎo)致上層溫度較高的水被吸入進(jìn)水口，造成實測下泄水溫偏高。而目前二維水溫模型尚不能模擬出進(jìn)水口局部的三維效應(yīng)，因此應(yīng)進(jìn)一步研究通過局部參數(shù)優(yōu)化改善模型對取水口附近流場的模擬。與此同時，水庫淤積導(dǎo)致調(diào)節(jié)性能降低，對枯水期小流量影響較大，來流水體可在較短時間內(nèi)流到壩前，弱化了由于水體延遲出庫帶來的低溫水現(xiàn)象。

3　結(jié)論

通過對岷江紫坪鋪水庫水溫的原型觀測，對河流水溫和庫區(qū)、壩下水溫變化規(guī)律進(jìn)行分析，采用數(shù)值模擬對庫區(qū)及下泄水溫進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明：

(1)水庫調(diào)節(jié)帶來下泄水溫冬季高溫和春季低溫現(xiàn)象。11月至次年2月下泄水溫平均比入庫水溫高1.7℃，3—4月下泄水溫平均比入庫水溫低0.8℃。

(2)庫區(qū)在冬季分層現(xiàn)象不明顯，僅在表層存在一定溫差；庫區(qū)在升溫期存在明顯分層現(xiàn)象，存在雙溫躍層現(xiàn)象。

(3)數(shù)值模擬較好地計算了庫尾無分層結(jié)構(gòu)到壩前分層結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程，模擬出在入流、出流和水汽界面熱交換影響下溫躍層的形成和發(fā)展。

(4)庫區(qū)實測水溫的分層強(qiáng)度要弱于模擬結(jié)果，應(yīng)是由于水庫淤積帶來的調(diào)節(jié)性能降低所致。

(5)進(jìn)水口附近三維流場效應(yīng)和水庫淤積將引起枯水期水溫模擬值比實測系統(tǒng)性偏低。

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Study on Water Temperature Change of Zipingpu Reservoir

WU Yu-lei, LIANG Rui-feng, LI Jia, LI Yong, LI Ke-feng

(State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng., Sichuan Univ., Chengdu 610065, China)

Water temperature in reservoirs has significant impact on ecosystem. In order to study the water temperature change of Minjiang River, a series of water temperature observations and researches of Zipingpu Reservoir were conducted, which included continuous observations in the natural river upstream and downstream of the dam. Meanwhile, observations in the reservoir were carried out in the temperature rising period and decreasing period, respectively. Combined with numerical simulation, the prototype observation data was analyzed. The regulation of Zipingpu power station led to the phenomenon that the discharge water temperature was high in winter and low in spring. In addition, the discharge water temperature variation is much lower than the storage temperature changes. The development process of water temperature stratification from low intensity in the reservoir tail to high intensity in front of the dam was well predicted by numerical simulation, as well as the formation and development of vertical thermocline that were affected by inflow and outflow of the reservoir and heat exchange at air-water interfaces. However, due to reservoir sedimentation and three-dimensional effect of flow field near the reservoir outlet, computed values of temperature in dry season were lower than the observed data.

reservoir water temperature; prototype observation;numerical simulation; reservoir sedimentation

2016-02-27

國家自然科學(xué)基金(51279114；51379136；51479127)

吳宇雷(1991—)，男，四川樂山人，碩士研究生，主要研究方向為環(huán)境水力學(xué)，E-mail：308047873@qq.com

梁瑞峰(1974—)，男，河南南陽人，副教授，博士，主要研究方向為環(huán)境水力學(xué)，E-mail：liangruifeng@scu.edu.cn

10.14068/j.ceia.2016.03.007

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0024-05