（环境科学专业论文）大型水库垂向二维水温数值模拟——以格伦峡大坝为例.pdf

a b s t r a c t 2 d 皿皿n s i o n a lv e 肌c a l ，a t e rt e m 【p e ra t u r e n u m 哐r i c a ls 小a t i o no nl a j r g er e s e r v o m 砸k eg l e nc a n y o nd a ma sa ne x a m p l e a b s t r a c t w a t e rs t o r a g eo f r e s e r v o i r sc a nb r i n gc o m p r e h e n s i v eb e n e f i to f f l o o dp r e v e n t i o n , e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n ，i r r i g a t i o n , s h i p p i n g , w a t e rs u p p l ya n df i s h e r y s i m u l t a n e o u s l yi t a l s oh a sa ne n v i r o n m e n t a le f f e c to nv a r i e t i e so fa s p e c t so ff i v e rh y d r o l o g y , s e d i m e n t ， t o p o g r a p h ya n de c o l o g yc t c t h ew a t e rf l o ww a ss l o w e rf o rt h er e s e r v o i r sw a t e r s t o r a g e , s ot h es p r e a dc a p a c i t yo fp o l l u t a n t sr e d u c e d w a t e rp u r i f i c a t i o nc a p a c i t ya l s o w i l lb ew e a k e n e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , al a r g ea m o u n to f i n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n du r b a ns e w a g eu n t r e a t e dd i r e c t l ye x c l u d e si n t or i v e r sa n d r e s e r v o i r s t h u si tr e s u l t st oe x c e e dt h es e l f - c l e a n i n gc a p a c i t yo fw a t e rb o d y t h e i n c r e a s i n g l ys e v e r ep r o b l e mo fr i v e r sa n dr e s e r v o i r sp o l l u t i o np o s e sas e r i o u st h r e a t o ns u r v i v a la n dd e v e l o p m e n to fh u m a nb e i n g s w a t e rt e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n t f a c t o ro fw a t e rq u a l i t y t h es t r a t i f i c a t i o nr e s e r v o i r sw a t e rt e m p e r a t u r ec o u l dl e a d d i r e c t l yt ol a y e r e ds t r a t i f i e do ft h el o c a le c o l o g ya n dt h ew a t e rq u a l i t y t h o u g ho u g c o u n t r yh a sa b u n d a n th y d r a u l i cr e s o u r c e s ，t h ee x p l o i t a t i o no fh y d r a u l i cl 陀s o l l l c e $ f a r l a g sd e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h ew o r l dd u et ot h el i m i t a t i o no ft e c h n i q u ea n de c o n o m y c o n d i t i o n s m o r er e s e r v o i r sa n dd a m sa r cu n d e rt h ec o n s t r u c t i o no rp l a n w a t e r q u a l i t yi so f t e ns t u d i e da sar e l a t i v e l yi m p o r t a n tc o n t e n t t h e r e f o r ew a t e rq u a l i t y a n a l y s i sa n df o r e c a s to fr e s e r v o i r si st h eb a s eo ft h ee n v i r o n m e n ta s s e s s m e n t , p l a n , t r e a ta n dm a n a g e m e n to fr e s e r v o i r s t h er e s u l to ff o r e c a s tw i l lh a v ev i t a l l yi m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e g l e nc a n y o nd a mi sl o c a t e di nt h ec o l o r a d or i v e r t h en o r mo p o r a t i o nl e v e ri s 1 1 2 8 m ，d a mh e i g h ti sa b o u t2 1 6 4 m ，c o r r e s p o n d i n g ，r e s e r v o i rs t o r a g ec a p a c i t yi s 2 5 7 5 x1 0 8 m 3 诵t l lat o t a l e dc a p a c i t yo f1 0 4 2 m w s oi ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yw a t e r q u a l i t y , t e m p e r a t u r ei nr e s e r v o i ra f t e rt h eh y d r o p o w e rs t a t i o nb u i l d i n gf o rm a n yy e a r s ， a n da l s ot ot h ed e v e l o p m e n to f w a t e rr c $ o n r c c si nc h i n a u a b s t r a c t m a i nw o r ka n dr e s u l t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： o ) t ob e g i nw i t h , 2 - d i m e a s i o nl o n g i t u d i n a la n dv e r t i c a l - h y d r o d y n a m i c s ，w a t e r t e m p e r a t u r ea n dw a t e fq u a l i t yc o u p l i n gc o n c e p tm o d e lw a se s t a b l i s h e df o rc o n l l o n 1 l i g i l d e p t hd a mr e s e r v o i r s ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fg l e nc a n y o nd a mb e l o n g i n gt oh i g h - a e p t h r e s e r v o i ro ff i v e rd a n li n t h i sp a p e r2 d e m e n s i o nh y d r a u l i cd y n a m i c sa n dw a t e r t e m p e r a t u r em e t h o dw a sa p p l i e dt og l e nc a n y o nd a m i nt e r l n so ft h eu n i q u e c o n d i t i o no f h y d r o l o g y , c l i m a t ea n dr e s e r v o i ro p e r a t i o n so f g l e nc a n y o nd a m ，u s ei t s i n f o r m a t i o no nw a t e rt e m p e r a t u r eh a sb e e nm e a s u r e dt ov e n f yt h em o d e l ，a n a l y s i st h e v e r t i c a ld i s t r i b u t i o no f r e s e r v o i r sw a t e rt e m p e r a t u r e ( 3 ) a i m e da ts o l v i n gt h ep r o b l e m so fl o w e rt e m p e r a t u r ew a t e ro ft h eg l e n c a n y o nd a mr e s e r v o i ro nw a t e rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n da q u a t i ce c o s y s t e m d o w n s t r e a mo ft h ed a m ，t h ew a t e rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h er e s e r v o i ra n dt h e e f f l u e n tw a t e rt e m p e r a t u r ea tad i f f e r e n ti n t a k el o c a t i o na r ep r e d i c t e di nt h i sp a p e r 1 1 l ei n f l u e n c eo fi n t a k el o c a t i o n so nt h ew a t e rt e m p e r a t u r es t r u c t u r ei nt h er e s e r v o i r a l es t u d i e db a s e do nt h ep r e d i c t i o nr e s u l t s i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tl a y e r e di n t a k ee , a n r e d u c et h ed i f f e r e n c eb e t w e e ne f f i u e n ta n dn a t u r a lw a t e rt e m p e r a t u r et oac e r t a i n e x t e n t , a n dm i t i g a t et h ea d v e r s ee f f e c t so fl o w e rt e m p e r a t u r ee f f l u e n to na q u a t i c e c o s y s t e md o w n s t r e a mt h ed a m k e y w o r d s ：w a t e rt e m p e r a t u r e ，2 - i ) m o d e l ，g l e nc a n y o nd a m , m a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o n 1 1 1 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签孙甄砀2 嘲年3 月 日 学位论文使用授权说明 河海大学，中国科学技术信息研究所国家图书馆，中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印，缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文舛。 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 2 咖年3 月 1 日 河海大学第一章绪论硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 1 1 1 水库建设的生态效应 第一章绪论 水库建设是人类改变水资源自然分配和改造自然环境的一个重要手段。早在 公元前5 0 0 年，古代埃及就建起了最早一批水库，用来治理河流；到罗马时代， 地中海地区修建水坝已很普遍；中世纪随人口增加，物质生产发展，对水库建设 需求量增加。尤其进入2 0 世纪4 0 年代以来，与水力发电密切相关的水库建设迅 速发展，水库的规模( 库容、水面积、深度、长度) 不断增长。水库建设每年以 数百座的速度高速发展，有人用“水库爆炸”来形容当前地球上水库建设的特点。 水库容积在拉丁美洲国家增长3 5 倍，非洲增长6 0 倍，亚洲7 5 倍。出现了巨型 水库，如前苏联的布拉茨克水库其容积等于1 6 9 0 亿m 3 ，超过1 9 世纪和2 0 世纪 初全球已有水库总容积的l o 倍。加纳的沃尔特水库面积为加纳国土的4 【l 】。当 前，大多数发达国家的水电开发率很高有的国家甚至高达9 0 以上，而发展中 国家的水电资源开发水平极低，一般在1 0 左右。目前，中国水能资源开发也只 达到百分之十几。我国正处于经济高速增长期，研究表明：在未来2 0 年中，为 解决水资源短缺问题，实现合理配置满足防洪、电力供应等方面的要求，仍然 需要修建大型水利水电工程。 新中国成立5 0 多年来，水利工程建设取得了巨大成就，截止到1 9 9 9 年底， 全国建成水库8 5 万座；修建堤防2 6 万k m ；供水能力从1 9 4 9 年的约1 0 0 0 亿 m 3 ，上升到1 9 9 9 年的5 7 0 0 亿i n 3 ；人均综合用水量从1 9 4 9 年的不足2 0 0 m 3 ，增 加到4 5 8 m 3 ；发展灌溉面积5 6 6 6 。7 万h m 2 ；水电装机容量达到2 8 8 0 万k w 。水 利工程各项功能的发挥，才使我国能以仅占世界6 的可更新水资源和9 0 6 的耕 地，养活了占全球2 2 的人口，并维持了经济社会的快速发展。流域建设可兼顾 防洪、航运、供水、灌溉等多种水资源的开发。如果流域水电开发及其它水资源 开发利用不合理，则会对农田灌溉、工业供水、生活用水、下游河流的水质和生 态平衡、以及库区水的利用( 养殖、娱乐) 等方面都产生重要影响1 2 l 。因此。修建 河海大学第一章绪论硕士学位论文 大型水利水电工程对生态环境的影响问题已受刭空前的关注，全世界大多数国家 在比以往任何时候都更加认真地考证、研究、推迟，甚至在某种极端情况下中止 或放弃新的水电开发方案。 水库的修建改变了天然河道的水文待性。如截留了河道的天然急流。往往造 成下游河道断流，近年来白洋淀干涸和黄河下游断流就是这个缘故。建坝以后对 下游河水流动模式的另外一种影响是短期的，每天甚至每小时河水水位在变动。 为了满足水力发电的高峰消耗而释放的水，有时候会使河流水位变动达好几米之 多。河流水位按这种模式变动会造成许多不良后果，如河流水位迅速波动，会加 速对下游河谷的侵蚀，会交替地暴露和淹没鱼群在浅水中有利的休息场所，妨碍 鱼群产卵等。 库水位的抬高，将淹没库区内的土地、房屋、森林、城镇、工矿企业、交通 枢纽以及文物古迹等，不仅给库区造成淹没损失，由于库周地下水位上升，库区 周边附近受到浸没影响，使耕地盐碱化，甚至可能形成部分沼泽地区，使一些珍 稀动植物和景观消失，造成不可逆转的影响。水库的淹没同时也带来了水库移民 问题，关系到调整人的生存权和居住权，是最值得关注的生态问题。汪恕诚【3 l 说我国约有1 5 0 0 万水库移民，许多移民至今生产发展和生活问题没能得到很好 解决，实质上是生态环境问题的欠债。水库建设和运行还可能会弓l 发地震、崩岸、 滑坡、泥石流、泄洪冲刷等地质灾害。 水库建成蓄水后，使库区水体表面热量辐射值增大，表层水温比蓄水前天然 河道水温有明显提高，进而引发水库的热源效应，水库整体的水温结构将发生变 化。同时天然河流原有的生态平衡将遭到破坏，库区和下游水生生态系统的结构 和功能遭到破坏，一些珍稀、濒危物种的生存条件进一步恶化。新的生物群落在 自然环境的变化过程中，重新形成和发展成为一种新的生态平衡，大片的土地和 草木被淹，被淹植物的分解提供了有机质，加上径流对地表的冲刷作用，为藻类 的生长提供了大量元素。库中水流速度减慢，水位抬高，喜流性鱼类由于对水库 环境条件的不适应将会逐渐减少，回游性鱼类由于阻隔作用难以回游，对鱼类资 源的繁殖造成很大危害嗍 水库建成后，由原来的河流变成几乎封闭型水域。随着社会经济的发展以及 城市的扩展，大量未经处理的或处理率比较低的生活污水、工业废水以及地表径 流流入水库。水库的水污染加剧，水质不断恶化，水库及周围的生态环境不断劣 河海大学 第一章绪论硕士学位论文 变，水生植物总量锐减，鱼类资源衰退，水禽资源骤减。水库的水环境经受着严 峻的考验，水资源的供需矛盾也日益增长。因此，在今后一个时期，生态问题将 成为我国水电建设乃至整个水利事业进一步发展的重要制约因素。 1 1 2 水库的水温、水质状况 水库水质在很大程度上取决于建库地区的自然条件，河流水质状况，库周经 济、社会发展情况及库水交换频率等因素。在水库淹没的最初几年中，由于被淹 没的植物的腐败作用，土地的浸渍作用，岩石溶蚀作用等，使水库的矿化度、氮、 磷、铁、锰、锌等含量大大增加。水库蓄水后其溶解气体，营养物质等渐渐接近 湖泊的水质状况，但水库的水交换频率高于湖水。交换频率高时，库水性质接近 于河水；频率低时，则接近于湖水。受以年为周期的水温、入流水温、气象规律 性变化的影响，水库在沿水深方向上呈现出有规律的水温分层。针对不同的水库 规模、水库运行等特点，水库水温结构一般分为混合型、过渡型和分层型。分层 型多出现于容积较大，水流较缓的水库，水温在垂直方向大致可分为三层：上层 水温受气温和风的作用比较明显，为表温层。表温层以下为温跃层，具有较大的 梯度，把表温层和滞温层分开，下层的水体受外界影响更小，温度变化比较平缓， 水温比较均匀。冬季表面水温不高，没有显著的温跃层；夏季水面温度较高，温 跃层就比较显著。夏季深水层中温度低，溶解氧含量低，同时二氧化碳浓度增加， 形成还原环境( 如图1 1 ) 【5 1 。也就是说，水库水温分层可能直接导致库区内的 水质分层和生态分层。 ；蓁乡 蒋嘲哇南 j 砝 4 _ | 八 - - - - - - - - j 列 可物 j一 - - - - j 一 - j j jj 支 子 彗未 j 忘臣 jj 图i - 1 典型水温分层型水库夏季水质示意图 河海大学第一章绪论硕士学位论文 由于蓄水水库内流速减小，使污染物扩散能力减弱，生成物易于淤积，水深 增加，使复氧能力减弱，从而影响水体的自净能力。库内水温出现分层后，底层 冷水层形成了一种死水，长年得不到光合作用而缺氧。再加上水体中接纳了大量 的腐烂有机物等耗氧物质，在好氧微生物的作用下，多分解为简单无机物质，在 此过程中消耗了水体中大量的溶解氧，使水体处于低溶解氧水平，甚至厌氧状态。 而水中保持一定的溶解氧水平是维系水生生态最重要的条件之一一般含量低于 4 m g l 时，鱼类就会死亡。溶解氧高，适于微生物生长，水体自净能力强。生化 需氧量和溶解氧可以作为水质有机污染的代表性指标。 在温带气候地区的水库，水温由于受季节变化的影响而引起的分层和对流现 象，对水体富营养化也有着不可忽视的影响【6 】。由于热分层效应，使得水体的表 层水在夏季光照充足，温度较高1 7 1 。若这时供给水体的营养物质充分，藻类光合 作用随之加强，因而生长旺盛，因此在夏季富营养化湖泊中经常发生“水华”现 刽引。同时，水体的底层往往处于缺氧状态，很容易加速底泥磷的释放，从而导 致磷浓度的增高。到了秋季，水对流，底层的内源性磷到湖表层，提高了表层水 中的磷浓度，为第二年藻类的大量繁殖提供了充足的营养物质，使得水库继续保 持富营养状态。 据联合国环境规划署r u n e p ) 【9 】的一项调查表明，在全球范围内3 0 - 4 0 的 湖泊和水库遭受了不同程度富营养化的影响。特别在气候干旱半干旱地区，水源 以人工或半人工方式蓄积起来，富营养化情况尤为严重。如西班牙的8 0 0 座水库 中，至少1 1 3 处于重富营养化状态；在南美、南非、墨西哥及其它一些地方都有 水库出现严重富营养化的报道。据全国水资源质量评价，1 1 9 座水库富营养化程 度评价表明，6 3 座水库为中营养，1 3 座水库为富营养。 由于水库的温度分层、化学分层使水库从不同高程出流的水质有很大的差 别。在夏季从分层水库表层下泄的水体溶解氧高。水温较高，水质较好，但营养 贫乏。而从深水层下泄的水多为含有大量离子成分、溶解氧低的低温水，使下游 水质变坏，过多的营养物质可使下游富营养化加重。 水生生物生长要求有一定的水温，较充足的氧气、养料和较少的游离c 0 2 。 由于水库内的水温表层高于底层，溶解氧、浮游生物等均为表层多于底层：而对 于鱼类有害的c 0 2 、h 2 s 等，则是底层多于表层。在水温分层的水体中，浮游生 4 河海大学第一章绪论 硕士学位论文 物常呈现分层分布，库表温水层中的浮游生物可能较深水层多几百倍。藻类的大 量繁殖，不仅使水道受阻，鱼类生存空间缩小，水体透明度降低，水的感官性变 差。鱼类通常生活在1 5 3 0 的水域中，水温超过这个范围就会导致鱼不进食， 新陈代谢减缓。很多鱼类产卵时对水温的要求很严格，鲤、螂等鱼类在春季水温 升到1 4 c 左右才开始产卵，而产漂浮性卵的鱼类则需要到1 8 才开始产卵。如 果水温不能到达鱼产卵生长所需温度，产卵场就可能消失，鱼产量降低。水库下 泄水温往往是夏季比原天然河流情况低，冬季比天然情况高，且溶解氧含量低， 改变了水库下游河段水生生物的生存条件，导致生物群落的变异。 低温水的泄放会对农作物造成一定的影响，特别是需水喜温作物水稻。 水稻各生育期生长的适温大致为2 5 c 3 5 c ，最适温度为2 8 3 2 c ，各生育 期的水温下限大致是2 0 ，上限约3 8 。从水库底层取水，造成水土温度低， 使水稻新陈代谢慢，光合作用弱，吸肥能力差；还会抑制微生物的活动，使土壤 中有机质分解缓慢，不能及时提供水稻发育所需的养分。因而导致水稻返青慢、 分蘖迟、发兜不齐、抗逆性降低、结实率低、成熟期推迟、产量下降。例如，我 国长江流域中下游的双季稻种植区，在早稻稻株生长前期经常遇到低温大气的影 响，如果再取用水库中的低温水来进行灌溉，就会造成对水稻生长和产量方面更 不利的影响；在北方，大部分水稻种植区的气温都比较低，如果也是取用水库中 的低温水进行灌溉，则对水稻生长的危害性也就更为严重。 水库下泄低温水对下游生态环境带来不利影响，改变了下游天然河道的水温 分布。低温水一方面给下游农业灌溉带来不利影响，为了选取水库中适宜温度的 水来进行灌溉，就需要研究水库水体的温度变化特性，以便采取适当的措施，获 取适宜温度的库水来灌溉稻田，满足水稻生长的要求，促进水稻高产稳产。另一 方面破坏了下游水生生态环境，特别是对鱼类造成了极大影响。因此，准确模拟 和预测水库库区的水温分层规律，以及水库建成后的下游水环境的变化情况，加 以改善和控制，对于工程的环境保护和工程的建设及运行有重要意义。 1 2 国内外的研究动态 英国和苏联在3 0 年代就开始重视水库的水温和水质研究，并进行了水温的实 地监测分析。在这以后的发展过程中，美国在水温数学模型的建立和应用方面一 河海大学第一章绪论硕士学位论文 直处于世界前列；苏联在现场实验研究方面傲了大量深入细致的工作；日本在水 库低温水灌溉对水稻产量的影响及水库分层取水方面进行了很多研究。我国从5 0 年代中期开始进行水库水温观测：6 0 年代进行过水库水温特性的分析研究工作， 7 0 年代有部分生产单位在水库水温估算方面取得了进展：进入年代以来，有更 多的单位开展水库水温研究工作，并取得了一批有价值的研究成果1 ”。2 0 1 。九十年 代，武汉大学的陈小红、雒文生、周志军等进行了水库的二维水温计算【2 ”习；最 近，i 四j l l 大学的邓云等人进行了紫平铺水库水温预测研究【拍捌。 水温预测方法大致可分为两大类：经验法和数学模型法。这两类方法各有特 点，经验性方法具有简单实用的优点；数学模型法在理论上比较严密，随着计算 科学的飞速发展，它越来越成为研究的主要手段和方法。 为了快速简易地判断水库是否分层及分层强度，我国现行的水库环境影响评 价中普遍采用两种经验公式方法吐- j 日法和密度佛汝得数法。 6 t _ 胜又称为库水交换次数法，其判别指标为： 口= 丝掣0 - 0口2 百雨f 一 卢= 等 ( 1 2 ) 当口 1 0 时，为分层型；1 0 l 的洪水，则为l 临时性的混合型；遇 0 5 的洪水。 则水库仍稳定分层；o 5 口 l 的洪水的影响介于二者之间。 密度佛汝得数法是1 9 6 8 年美国n o r t o n 等提出用密度佛汝得数作为标准，来判 断水库分层特性的方法，密度佛汝得数f r 是惯性力与密度差引起的浮力的比值， 即 肌：z 鬲( 1 - 3 ) ( 竺g h ) 风 其中“为断面平均流速，h 为平均水深，p 为水深月上的最大密度差。风为参 考密度( k g m 3 ) ，g 为重力加速度( m s 2 ) 当f r l z r ，水库为强分层型；当 6 河海大学 第一章绪论硕士学位论文 o 1 f r 1 0 ，则为完全混合型。还有其它不常用 的方法，如叶守泽，陈小红等田】提出水温分层的模式判别预测方法，蔡为武【2 9 】 考虑到水库调节性能、年内泄水状况、泄水孔口相对位置而提出的水库水温分层 方法。 1 2 1 经验法 ( 1 ) 东勘院张大发的方法n 2 j 该方法是东北勘测设计研究院张大发在总结国内实测水温资料于1 9 8 2 年提 出的，该方法只需给定库底水温和库表水温就可计算各月垂向水温分布，而库底 水温可由纬度水温相关估算，库表水温由气温相关或纬度相关推算。该法计算公 式为： 瓦：( 兀一瓦弦卜形) 4 + 瓦( 1 - - 4 ) 拧；旦+ 一m 2 ( 1 - 5 ) 1 23 5 x = i 4 0 + 面万m 2 而 ( 1 6 ) 埘 2 3 7 ( 1 + o 1 肌) 式中l 为水深y 处的月平均水温( ) ；瓦为月平均库表水温( ) ：瓦为月平均库 底水温( ) ；m 为月份。 ( 2 ) 朱伯芳法【1 3 1 在混凝土拱坝设计中需要确定水库水温分布，朱伯芳于1 9 8 2 年提出了关于库 表水温、库底水温、水温垂向分布的估算方法： t ( y ，t ) = 乙( y ) + a ( y ) c o s o ) ( t t o 一占)( 1 7 ) 式中y 为水深( m ) ；，为时间( 月) ；t o , ，) 为水深j ，处在时间f 的温度( ) ；乙( y ) 为 水深y 处的年平均温度( ) ；一( y ) 为水深y 处的温度年变幅( ) ；占为水温与气 温变化的相位差( 月) ；m = 2 ，r p 为温度变化的圆频率：p 为温度变化的周期( 1 2 个月1 。 由于经验法是根据实测资料综合得到的，反映的是水温变化的一般规律，所 7 河海大学第一章绪论 硕士学位论文 以对于一些具体问题( 如库形、水库运行、泥沙异重流等对水温分布的影响) 和较 短时段( 日、月、内变化) 的信息还无法获取。这就要利用更为精细的数学模型方 法。 1 2 2 数学模型法 数学模型法按照模型所包含的数学变量可分为零维、一维、二维、三维数学 模型法。自然界中任何水体在实际中都是三维的，水库水温也不例外，但是在处 理某些具体问题时，在不影响结果精度的情况下，可以在一定假设基础上使用包 含两个空间变量的二维模型或只含有一个空间变量的一维模型。 国外从2 0 世纪6 0 年代起就开始研究，并取得较多的成果。美国水资源工程 公司的o r l o b 和s e i n a 及美国麻省理工学院的h u b e r 和h a i l e m a n 分别独立提出了 深分层蓄水体温度变化的一维数学模型，m i t 模型和w r g 模型旧，8 0 年代我 国引进了m i t 模型，并对模型进行扩充和修改，提出了。湖温一号”模型1 1 4 l 。 该模型为垂向一维模型，主要用于模拟和预报作为热电厂冷却水源的深水库、深 湖泊及冷却池的水温分布，也可用于无热负荷的深水库和深水湖泊的水温分布的 模拟和预报。垂向一维水温模型在我国得到广泛的应用。李怀恩和沈罾怕j 利用冯 家山水库水温实测资料验证垂向一维水温模型，并将该模型应用于黑河水库且预 测其水温分布，模型中还考虑了泥沙异重流的影响。殷学鹏【1 8 】提出了一维模型中 垂向扩散系数沿水深呈指数函数衰减的经验公式，陈永灿等 2 0 l 将其应用于密云水 库，得到较好的效果。蒋红【刈曾将垂向一维混合模型应用于溪洛渡水温的模拟预 测中。 除上述一维水温模型外，国内在水库和湖泊的水温研究中，还建立了二维和 三维模型。江春波p i 】将立面二维水温模型应用于优化水库取水口计算，利用实测 资料率定有浮力影响，不同变量在不同方向上的紊动涡粘系数，取得较好的成果 陈小纠3 2 l 采用立面二维r e 紊流模型模拟具有弱分层的湖泊型水库的温度计 算。邓云【m j 5 1 采用立面二维j r e 紊流模型模拟分层的大型深水库的温度计算。 张仙娥1 4 j 采用二维模型模拟水库的水温分布规律。 由于对于库区长几十公里，甚至上百公里的水库，水温在纵向上的变化不能 被忽略以及三维计算的工作量巨大，尚难以对天然情况的大型水体进行大尺度、 0 河海大学第一童绪论硕士学位论文 长时间的模拟，则对于流动方向尺度较大和横向宽度相对较窄，且横向温度分布 差异小的水库或湖泊，横向平均的立面二维水温模型是比较好的选择。 1 3 本文主要研究内容 我国拥有丰富的水力资源，由于受技术和经济条件限制，对水力资源的开发 远远落后世界发达国家。但同时，在未来1 0 年甚至2 0 年，水电事业也具有更大的 潜力，在西南地区更多的水库大坝正在建设或规划之中。我国水污染问题又十分 严重，在进行水电工程环境影响评价时，水质问题往往作为一个比较重要的内容 开展研究。然而，水温是水质因素的一个重要变量，在确定其他水质指标( 如氧 的浓度或b o d 等污染物浓度) 的过程中往往与水温有关。而水温的变化，进而对 库区及下游河段的水生生物、农田灌溉、和生活用水等将产生重大影响：对水工 坝体温度应力分析、旌工温控设计、继电机组冷却等也有重要影响。因此本文主 要对水库的水温分层特性进行了研究，建立了适用于河道型深水库的垂向二维水 温模型，并采用美国的格伦峡大坝实测水温资料进行验证，深入揭示水库水温模 拟中的规律性和特点。并在水库水温分层的基础上，提出采取分层取水的方式来 解决水温分层所带来的不利影响，并准确计算不同高程的取水口对水库下泄水温 的影响，对改善环境，发展工农业生产有着重大意义，同时为流域开发的环境影 响评价提供科学依据。 9 河海大学第二章 水库水温预测模型及其数值求解 硕士学位论文 第二章水库水温预测模型及其数值求解 水库蓄水后，改变了原来河道的水流特性。首先是水库水深增加，水体出现 热分层，热分层引起水质沿水深也出现分层；同时，水库流速减小，复氧能力减 弱，水力停留时问加长。因此水体的水质和建库前的水质相比也发生了很大的变 化。从理论上讲，三维模型才能真正描述水库水体中各流动变量的分布与发展变 化；然而实际操作中，受计算条件和实际资料的限制，水库准三维模型应用起来 还有很大的困难，再加上各水质指标之间相互错综复杂的关系，目前还没有形成 三维水动力学、水质耦合模型。 对于窄深峡谷河道型水库，其水较深，水面较窄，横向( 水平) 尺度相对较 小，宽深比很小，各水力参数( 如流速、温度、水质等) 沿垂向变化要比水平横 向的变化大得多。在这种情况下，水体就可近似为垂向和纵向的二维系统，将三 维问题简化为二维问题来处理。 2 1 基本方程组 2 1 1 水动力学模型 将三维湍浮力流的时均连续方程、动量方程及热量方程组嗍及k 和s 方程沿 河宽积分，就可以得到立面二维t 一占方程组，在笛卡儿直角坐标系下水动力学 方程分别为： 兰( 肌) + 兰( 肌) = 0 ( 2 1 ) 昙( 曰“) + 甜晏( 肋) + w 丢( 占”) = 昙( 西。瓦o u ) + 妄( 肌。罢) 一去孚+丢(巩罢)+昙(观面owox o z ) p 。 mm盘 昙( 驯+ 昙( 州+ w 妄( 驯= 昙( 西，i o w ) + 妄( 西，i o w ) 一旦皇一p a t g + z 0 【帆i o w ) + 晏( 观宴) p 。盘 彩应d x o z ( 2 2 ) ( 2 3 ) 河海大学第二章水库水温预测模型及其数值求解硕士学位论文 b k ) + “b k ) + w 三( 踟= 丢c b 毒+ 昙c b 毒+ b c q + g b - 6 ， c 2 川 詈( b s ) + 丢( 曰占) + w 妄( b 占) = 昙c b ；v , ，o 劣c ) + 兰c b 尝参+ 口c 。妻g k - b c 2 , 譬 g 国 盘 o 。积 o z o d z k 式中：g 。= k 罢 2 + z ( 老) 2 + ( 老+ 罢) 2 ；g = 一f i g 听v , o 出t 为浮力项，该 浮力项在稳定分层时可抑制紊动动能的生成，削弱热量向下的传递，是水库能保 持稳定分层的重要因素；v 。【m 2 s 】是分子粘性系数v 与紊动涡粘系数v ，之和， 叶= 孵譬：、， m ，s 1 为纵向和垂向流速：p 为压强；r 】为水温；口【m 】 为河宽；k 为紊动动能；占为紊动动能耗散率；吒、以分别为紊动动能和耗散 率的普朗特数，一般取1 0 和1 3 。其它模型常数巳，e 、c c 2 的取值分别为 2 1 2 水温模型 由面f c ，瑟，得宽度平均的立面二维温度方程为： 昙( b r ) + “昙( 曰丁) + w 兰p r ) = 讲o x 昙降卦鲁卦古警 眨。， 式中c ， j k g 】为水的比热；仗 w m 2 】为穿过高程为z 平面的太阳辐射通量； 占【m 】为河宽；v 。 m 2 s 】是分子粘性系数v 与紊动涡粘系数u 之和，h ：以譬； 听是温度普朗特数，一般取0 9 ：t 1 为水温。 河海大掌 第二章水库水温预测模型及其数值求解硕士学位论文 水面热交换包括辐射、蒸发和传导三部分 3 6 - 3 研，通过水面进入水体的热通量 为； 纯= + 一一霞一吼 ( 2 7 ) ( 1 ) 太阳短波辐射 一般来说，太阳的红外辐射( 一般亦称长波辐射) 大部分都被表层l i l l 内的水 体所吸收；水体对太阳辐射的反辐射随着太阳辐射的入射角的增大而增加。当太 阳高度较低时。水库水体所反射的太阳辐射能量增加，而水体所吸收的太阳辐射 能量减少；当太阳高度较大时，反射与吸收情况与上面情况相反。 水体净吸收的太阳短波辐射通量为： = 仍0 一，)( 2 8 ) 式中织是到达地面的太阳短波辐射( w ，m 2 ) ；，是水面反射率，它与太阳角度和云 层覆盖率相关，文中取o 0 3 。进入水体的太阳辐射部分在水面被吸收，其余部分 按指数衰减进入水体深处，其计算公式为： 吼= ( 1 一属k e x p ( - 叩h ) ( 2 9 ) 式中磊是太阳辐射的水体表面吸收率；碍为太阳辐射在水体中的衰减系数，与水 体的透明度和水质相关；h 为水深( m ) 。 ( 2 ) 大气长波辐射9 。 大气所吸收的太阳能以长波形式向地面发射，其长波辐射强度取决于气温和 云量，可用s t e f a n b o l t z m a n 定律计算： = ( 1 一九) 盯吒( 2 7 3 + ) ( 2 1 0 ) 式中l 是水面上2 m 处的气温( ) ；儿是长波反射率，取0 0 3 ；盯是 s t e f a n - b o l t z m a n 常数，为5 6 7x1 0 4 ( w m 2 - k 4 ) ；乞为大气发射率，晴天的大气发 射率可用i d s o 及j a c k s o n 公式准确计算得到： 吒= l 一0 2 6 1 e # 0 7 4 x 1 0 。乇2 l ( 2 1 1 ) 在多云天可用b o l z 公式修正为： 乞= 气6 + j ：c 2 ) 2 1 2 ) 1 2 河海大学第二章水库水温预测模型及其数值求解 硕士学位论文 式中c 为云层覆盖率；参数k 与云层高度有关，美国田纳西工程管理局推荐 其平均值为0 1 7 。 ( 3 ) 水体长波的返回辐射伊b 水体吸收的大气长波辐射会向大气进行返回辐射，其强度仍用 s t e f a n - b o l t z m a n 定律计算： = 盯g ，( 2 7 3 + t ) 4 ( 2 1 3 ) 式中占，为水体的长波发射率，取0 9 7 ；t 为水体表面温度( ) ( 4 ) 水面蒸发热损失纯 水在从液体转变为气体的蒸发过程中需要吸收热量，水体由于蒸发损失的热量大 多根据空气与水面的蒸发压力计算； 织= 眇她一e a ) ( 2 ，1 4 ) 式中厂缈) 是风函数，反映了自由对流和强迫对流对蒸发的影响，计算为： 厂眇) = 9 2 + 0 4 6 睨2 ( 2 1 5 ) 式中彬是水面上l o m 处的风速；p ，是相应于水面温度t 的紧靠水面的空气饱和 ( m m h g ) ，e 。为水面上空气的蒸发压力( m m h 曲，分别可由水面温度t ( ) 和露点温度t a 。c ) 计算： p ，= 6 1 1 x 1 0 ( 矗“3 ) ( 2 1 6 ) e 。= 6 1 l x l 0 ( r 一“3 3 ) ( 2 1 7 ) 在没有露点温度乃观测值时，可根据相对湿度h 。和气温兀，由下面公式 反算得到： 耻嘲黯) ，3 4 斗，s 厶b 一丽i ) ( 2 嘞 ( 5 ) 热传导通量纯 当表层水温与气温有温差时，水气界面上会通过传导进行热交换，热传导通 量正比于表层水温t 和气温瓦的差值； 河海大学第二章水库水温预测模型及其数值求解硕士学位论文 仍= 0 4 7 f ( w ) 亿一t o )( 2 1 9 ) 从上所述，只有一部分太阳辐射能穿透水体，被水体直接吸收( 方程2 1 2 ) ， 其它热量都是在水体表面吸收( 或散失) ，再向下层水体传输。这样水体表面吸收 的总热量为： = 届织( 1 一，) + 一一亿一致 ( 2 2 0 ) 2 2 求解方法 由于这组模型方程为非线性的二阶偏微分方程，除了对少数简单的流动能够 求得精确解外，对自然界中具有复杂边界或复杂流动情况，目前还无法求得解析 解，因此只能利用计算机进行数值计算。 微分方程的数值计算方法有有限差分法、有限元法和有限体积法等多种方 法。有限提及法又称为控制体积法，其基本思路是将计算区域分为一系列不重复 的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积，将微分方程对每一个控制体 积分，便得出一组离散的代数方程，其中的未知数是网格点上的因变量的数值。 由于有限体积法得出的离散方程，要求在任意控制体积中因变量的积分守恒，因 此对整个计算域也就满足守恒。这样即使在较粗的网格下，也能保证积分守恒。 这是有限体积法最大的优点，本次计算采用该方法来离散微分方程。 微分方程离散为代数方程组后，就可利用代数方程组的求解方法，并结合定 解条件，以迭代方法来逼近变量在这些时间网格和空间网格节点上的真实值，从 而得到方程在离散点上的解。 2 2 1 微分方程的离散 2 2 1 1 通用方程 前面列出的水动力学控制方程都具有相同的形式，均可表达为如下的通用方 程形式： 署+ v 一l v 妒) ；墨 ( 2 2 1 ) 式中，i 为通用变量，如、y 、f 、_ ，甜。- 和r 等；、0 和分别为 1 4 河海大学第二章水库水