烏魯瓦提水利樞紐工程不同運(yùn)行方式下水溫模擬研究

羅 興

(新疆維吾爾自治區(qū)烏魯瓦提水利樞紐管理局, 新疆和田 848000)

0 引 言

在防洪發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游灌溉等方面水利工程具有顯著的效益，對(duì)于保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源供應(yīng)等反面具有重要意義。然而，河流的水文水動(dòng)力、水質(zhì)等要素將受到蓄水蓄水勢(shì)的影響而發(fā)生改變，河流的原有的平衡遭到破壞，并對(duì)下游及庫(kù)水水生態(tài)產(chǎn)生不利影響。水溫分層現(xiàn)象在較強(qiáng)調(diào)節(jié)性水庫(kù)中較為明顯，水體環(huán)境在不同深度時(shí)存在明顯差異，并對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)和水生生物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響；另外，為滿足發(fā)電要求水庫(kù)大壩通常將單層泄水口設(shè)置在較低的位置，從而導(dǎo)致夏季下泄水文在水溫分層的條件下小于天然水文，而魚類的正常繁殖和農(nóng)作物的生長(zhǎng)又受到低水溫的影響，從而使得區(qū)域生物多樣性的喪失以及農(nóng)漁業(yè)的減產(chǎn)[1]。因此，為維持河流水生物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康，通常需要對(duì)河流水生態(tài)受水庫(kù)運(yùn)行方式的影響做定量分析，其中水溫對(duì)河流生態(tài)及整個(gè)系統(tǒng)的影響最為顯著，水生物種的生長(zhǎng)、繁殖與水庫(kù)水溫變化密切相關(guān)[2]。針對(duì)水庫(kù)水溫國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開展了模擬研究，并取得了豐碩的成果，例如東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院提出了一種基于大量實(shí)際觀測(cè)資料的中小型水庫(kù)月水溫估計(jì)方法，該方法具有較高的準(zhǔn)確性但所需數(shù)據(jù)量較大；李懷恩等[3]對(duì)水庫(kù)水文垂直分布問(wèn)題利用冪函數(shù)模型進(jìn)行模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模型能夠準(zhǔn)確的描述溫躍層特征，但其適用范圍受到一定的限制。綜上分析，這些研究大多側(cè)重于模擬計(jì)算水庫(kù)水溫，考慮水庫(kù)水溫受水利樞紐不同運(yùn)行方式的影響研究較少。鑒于此，以烏魯瓦提水庫(kù)工程為案例，對(duì)不同運(yùn)行方式下水庫(kù)水溫變化利用水熱耦合數(shù)學(xué)模型模擬研究，以期為河流水生態(tài)治理和水溫模擬計(jì)算提供科學(xué)依據(jù)。

1 水熱平衡耦合模型

模擬計(jì)算水庫(kù)水溫的理論依據(jù)為水庫(kù)水量與熱量平衡，其數(shù)學(xué)方程為：

I(t)Δt-O(t)Δt=ΔS(t)

(1)

式中：O(t)、I(t)為t時(shí)刻的水庫(kù)出庫(kù)和入庫(kù)流量，m3/s；Δt、ΔS(t)為模型運(yùn)算時(shí)間步長(zhǎng)和t時(shí)刻的水庫(kù)蓄水變量，m3。根據(jù)水庫(kù)水量平衡運(yùn)算結(jié)果求解水庫(kù)熱量，表達(dá)式如下：

TI(t)I(t)Δt-TO(t)O(t)Δt=ΔE(t)

(2)

式中：TI(t)、TO(t)為t時(shí)刻入庫(kù)水溫和出庫(kù)水溫平均值，℃；ΔE(t)為t時(shí)刻水庫(kù)的水體熱通量，m3·℃，采用下式計(jì)算確定：

(3)

式中：T(S)為不同蓄水量情況下水庫(kù)水體的平均溫度，℃；S(t)、S(t-Δt)為水庫(kù)不同時(shí)刻的蓄水變量，m3。

在水庫(kù)水溫不存在分層的情況下，可認(rèn)為各層水溫的平均值相等，則利用下述計(jì)算式確定水庫(kù)熱通量，即：

ΔE(t)=S(t)TR(t)-S(t-Δt)TR(t-Δt)

(4)

式中：TR(t)、TR(t-Δt)——為水庫(kù)t、t-Δt時(shí)刻的平均水溫℃。

采用以上公式(2)、(3)推求水庫(kù)熱量方程，并對(duì)出庫(kù)水體平均溫度利用以上運(yùn)算結(jié)果求解，其數(shù)學(xué)公式為：

TR(t)=

(5)

TO(t)=TR(t-Δt)

(6)

其中，水庫(kù)水體積熱、出入庫(kù)水量與出庫(kù)溫度之間存在密切關(guān)聯(lián)，選取1d作為運(yùn)算時(shí)間尺度。

2 水溫模擬研究

2.1 烏魯瓦提水庫(kù)概況

烏魯瓦提水庫(kù)壩址以上控制面積19983km2，控制全河徑流量97%，是一座集生態(tài)保護(hù)、防洪發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉等功能于一體的大(2)型工程。該水利樞紐包括水電站廠房、升壓變電站、開關(guān)樓、沖沙洞、發(fā)電引水洞、泄洪排沙洞、溢洪道、大壩等建筑結(jié)構(gòu)，水庫(kù)裝機(jī)容量60MW，年發(fā)電量1.97億kW·h，總庫(kù)容3.336億m3。工程投入運(yùn)行后改善和擴(kuò)大灌溉面積75 793 hm2，設(shè)計(jì)和校核洪水位為1962.65、1963.29m，正常蓄水位1962.00m，通過(guò)水庫(kù)調(diào)節(jié)每年平均向塔里木河供水10.57億m3。烏魯瓦提水庫(kù)工程的地質(zhì)條件以礫巖、粉砂巖、石膏巖、砂頁(yè)巖、砂礫巖、碳系灰?guī)r、粉砂巖及砂礫為主，該區(qū)域?qū)儆趦?nèi)陸干旱區(qū)，一面瀕臨沙漠、三面高山環(huán)抱，地表干燥剝蝕和物理風(fēng)化強(qiáng)烈，而高山河道凍冰剝蝕風(fēng)化、冰磧物豐富且地勢(shì)陡峭，加之森林缺少和植被稀缺，地表和河道沙源豐富，高山段河流洪水期水量集中且流速較大，水流具有較強(qiáng)的攜沙能力，同時(shí)中低山地帶的暴雨和融雪也將大量泥沙沖入河道，以上各因素作用使得河流含沙量大[4-6]。

烏魯瓦提水庫(kù)工程顯著提升了下游河段的防洪能力和周邊地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，有利于減輕洪水災(zāi)害和維護(hù)和田河下游綠色廊道生態(tài)環(huán)境，對(duì)保障該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和水資源合理發(fā)揮著重要的作用[7-8]。

2.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)2008-2018年烏魯瓦提水庫(kù)庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證模型入庫(kù)、出庫(kù)水溫，結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。

表1 烏魯瓦提水庫(kù)出庫(kù)、入庫(kù)水溫模擬精度

圖1 出庫(kù)、入庫(kù)實(shí)測(cè)水溫相關(guān)圖

根據(jù)表1可知，烏魯瓦提水庫(kù)實(shí)測(cè)與模擬出庫(kù)水溫誤差控制在10%以內(nèi)，且水庫(kù)實(shí)測(cè)與模擬出庫(kù)水溫絕對(duì)誤差為1.0-2.3℃范圍；烏魯瓦提水庫(kù)實(shí)測(cè)與模擬入庫(kù)水溫誤差也控制在10%以內(nèi)，且水庫(kù)實(shí)測(cè)與模擬入庫(kù)水溫絕對(duì)誤差為0.8-2.2℃范圍。綜上分析，對(duì)于水庫(kù)入庫(kù)、出庫(kù)水溫的模擬水熱耦合數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)出精度、準(zhǔn)確度較高，模擬準(zhǔn)確度較高能夠反映出水庫(kù)水溫真實(shí)情況。結(jié)合圖1可知，水溫實(shí)測(cè)值與模擬值之間的相關(guān)度較高，相關(guān)系數(shù)為0.65-0.68范圍，二者存在高度相關(guān)性。因此，在水庫(kù)水溫預(yù)測(cè)方面水熱耦合數(shù)學(xué)模型的實(shí)用性良好，能夠用于水庫(kù)水溫受水利樞紐不同運(yùn)行方式的影響研究。

2.3 初期運(yùn)行下水文模擬分析

對(duì)豐水年、枯水年兩種情況下，水庫(kù)初期運(yùn)行方式的旬入庫(kù)和旬出庫(kù)水溫利用驗(yàn)證后的水熱耦合數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 水庫(kù)初期運(yùn)行前后旬水溫變化特征

從圖2(a)可知，烏魯瓦提水庫(kù)初期運(yùn)行的豐水年入庫(kù)最高和最低水溫為25.7℃、8.5℃，而出庫(kù)最高和最低水溫為25.1、12.0℃，同時(shí)水庫(kù)水溫在調(diào)蓄節(jié)水方式下能夠下降0.6℃。從圖2(b)可知，從2月中旬至8月中旬水庫(kù)入庫(kù)水溫呈不斷增大趨勢(shì)，自8月下旬至次年3月呈下降趨勢(shì)；從3月中旬到8月中旬的水庫(kù)出庫(kù)水溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，8月下旬以后呈下降趨勢(shì)。由此表明，水庫(kù)調(diào)蓄在初期運(yùn)行情況下能夠在一定程度上延遲溫度的上升，但其影響程度較低。水庫(kù)入庫(kù)水溫在7月上旬至3月中旬高于出庫(kù)水文，水庫(kù)出庫(kù)、入庫(kù)水溫在9月下旬到7月中旬比較接近。水庫(kù)溫差在豐水年的變化區(qū)間為-5.4-4.8℃，水庫(kù)負(fù)向溫度最大變化值發(fā)生在5月中旬，即第14個(gè)旬?dāng)?shù)。

從圖2(b)可知，初期運(yùn)行方式下烏魯瓦提水庫(kù)枯水年入庫(kù)、出庫(kù)最高水溫為27.6℃、26.4℃，其變化幅度為1.2℃，水庫(kù)入庫(kù)水文在初期調(diào)蓄方式在有所下降。從2月中旬至9月上旬枯水年溫度在初期運(yùn)行方式下不斷上升，自9月中旬以后水溫開始慢慢下降，初期運(yùn)行方式能夠?qū)⑺畮?kù)升溫天數(shù)推遲40天，且能夠延遲枯水年水庫(kù)降溫10d。出庫(kù)、入庫(kù)水溫在6月中旬至3月中旬不斷減小，至8月底較為接近。出入庫(kù)溫差處于-4.0-5.1℃之間，其中水庫(kù)水溫正向、負(fù)向變化最大值發(fā)生于12月中旬和5月上旬。

2.4 正常運(yùn)行下水文模擬分析

結(jié)合水庫(kù)出入庫(kù)水溫在初期運(yùn)行方式下的變化分析結(jié)果，對(duì)水庫(kù)正常運(yùn)行方式下的水溫采用水熱耦合數(shù)學(xué)模型模擬，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 水庫(kù)正常運(yùn)行前后旬水溫變化特征

從圖3(a)可知，烏魯瓦提水庫(kù)正常運(yùn)行期的豐水年入庫(kù)最高和最低水溫為25.2℃、8.8℃，而出庫(kù)最高和最低水溫為24.8、13.4℃，同時(shí)發(fā)現(xiàn)水庫(kù)水溫在調(diào)蓄節(jié)水方式下能夠下降0.4℃。從圖3(b)可知，從2月中旬至8月中旬水庫(kù)入庫(kù)水溫呈不斷上升趨勢(shì)，自8月下旬至次年3月呈波動(dòng)下降趨勢(shì)；從3月中旬到7月中旬的水庫(kù)出庫(kù)水溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，8月下旬以后呈下降趨勢(shì)。由此表明，水庫(kù)調(diào)蓄在初期運(yùn)行情況下能夠在一定程度上延遲溫度的上升，但其影響程度較低。水庫(kù)入庫(kù)水溫在7月上旬至3月中旬高于出庫(kù)水文，水庫(kù)出庫(kù)、入庫(kù)水溫在9月下旬到7月中旬比較接近。水庫(kù)溫差在豐水年的變化區(qū)間為-6.0-6.8℃，水庫(kù)負(fù)向溫度、正向溫度最大變化值發(fā)生在5月中旬和1月中旬。

從圖3(b)可知，正常運(yùn)行方式下烏魯瓦提水庫(kù)枯水年入庫(kù)、出庫(kù)最高水溫為27.2℃、26.1℃，其變化幅度為1.1℃，水庫(kù)入庫(kù)水溫在初期調(diào)蓄方式在有所下降。從2月中旬至9月上旬枯水年溫度在正常運(yùn)行方式下不斷上升，自9月中旬以后水溫開始慢慢下降，正常運(yùn)行方式能夠?qū)⑺畮?kù)升溫天數(shù)推遲40d，且能夠延遲枯水年水庫(kù)降溫10d。出庫(kù)、入庫(kù)水溫在6月中旬—3月中旬不斷減小，至8月底較為接近。正常運(yùn)行方式下出入庫(kù)溫差處于-4.8-6.2℃之間，其中水庫(kù)水溫正向、負(fù)向變化最大值發(fā)生于12月中旬和5月上旬。

3 結(jié) 論

對(duì)烏魯瓦提水庫(kù)水文利用水熱耦合數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測(cè)，并對(duì)水庫(kù)水溫受水利樞紐運(yùn)行方式的影響做定量的分析，主要結(jié)論如下：

1) 對(duì)于水庫(kù)入庫(kù)、出庫(kù)水溫的模擬計(jì)算水熱耦合數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)出較高的精度、準(zhǔn)確度，模擬準(zhǔn)確度較高能夠反映出水庫(kù)水溫真實(shí)情況。水溫實(shí)測(cè)值與模擬值之間的相關(guān)系數(shù)為0.65-0.68范圍，二者存在高度相關(guān)性，在水庫(kù)水溫預(yù)測(cè)方面水熱耦合數(shù)學(xué)模型的實(shí)用性良好，能夠用于水庫(kù)水溫受水利樞紐不同運(yùn)行方式的影響研究。

2) 水庫(kù)水溫受運(yùn)行方式的影響較為顯著，豐水年運(yùn)行初期入庫(kù)溫差小于正常運(yùn)行期的溫差，即(-5.4-4.8℃)<(-6.0-6.8℃)。水庫(kù)蓄水條件能夠?qū)⑺畮?kù)升溫天數(shù)推遲40天，且能夠延遲枯水年水庫(kù)降溫10天，水庫(kù)降溫時(shí)間在豐水年未發(fā)生較大改變。