（环境工程专业论文）龙羊峡水库水温模拟及其对下游河道水温影响研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 关键词：龙羊峡水库；水温模拟；m i k e 3 ； i i a b s t r a c t t i t l e ：r e a s e a r c ho nt h ev v a t e rt e m p e r a t u r es i m u l a t i o n f o rl o n g y a n g x i ar e s e r v o l r a n dl n f l u e n c eo n t e m p e r a t u r eo fr l v e rd o w n s t r e a m m a j o r = e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g a u t h o r = y o n g z h o n gc a o a d v i s o r ：p r o f x i a o d ez h o u a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： t h ew a t e rt e m p e r a t u r ep r e d i c t i o nf o rt h eh u g ea n dd e e pr e s e r v o i ri so n eo ft h ei m p o r t a n t c o n t e n t so ft h ee n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n to nt h eh y d r o p o w e rp r o je c t s i ti sg r e a t l y m e a n i n g f u lt os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fw a t e rr e s o u r c e s b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e s ，t h i s p a p e rs i m u l a t ef o rt h ew a t e rt e m p e r a t u r ei nl o n g y a n g x i ar e s e r v o i ra n dd o w n s t r e a mc h a n n e l w i t ht h em i x e dk s s m a g o r i n s k yf o r m u l a t i o ni nm i k e 3 ，i ta n a l y s i st h er e s e r v o i rw a t e r t e m p e r a t u r e s t r a t i f i c a t i o ni nf o r m a t i o n ，d e v e l o p m e n t ，a n dc h a n g e si nt h el a w , i ta l s o s u m m a r i z e dr e s e r v o i rw a t e rt e m p e r a t u r es t r a t i f i c a t i o n t h em a i nr e s u l ta sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i sp a p e ru s e st h em i x e dk s s m a g o r i n s k yf o r m u l a t i o nf o rs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n t h er e s u l to ft h ec a l c u l a t i o ni sa l lr i g h t ，a n da c c o r dw i t ht h em e a s u r e dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ( 2 ) t h ew a t e rt e m p e r a t u r es t r u c t u r eo ft h el o n g y a n g x i ah y d r o p o w e rs t a t i o ni ss t a b i l i t y t y p i c a ld e l a m i n a t i o nt y p e t h ew a t e rt e m p e r a t u r es t r a t i f i c a t i o nh a so b v i o u ss e a s o n a li nf r o n to f t h ed a m t h ew a t e rt e m p e r a t u r ei n f l o wi sh i g h e ri nm a y - o c t o b e r t h ew a t e rt e m p e r a t u r ei s d e l a m i n a t i o nb e c a u s et h ea i rt e m p e r a t u r ei sh i g h ，i ts h o w st h a tt h eu p p e ri sl o w t e m p e r a t u r ea n d t h el o w e ri sh i g h t e m p e r a t u r e ；t h er e s e r v o i rw a t e rt e m p e r a t u r ei n f l o wi sg r a d u a l l yr e d u c ef r o m n o v e m b e r , t h ef l o wr a t ed e c r e a s e dr a p i d l y , a n dt h ew a t e r i st h em i x e ds t a t e ，w i t ht h ed e b a s ea i r t e m p e r a t u r e ，t h es u r f a c ew a t e rt e m p e r a t u r ew e r el o w e r t h er u n o f fw a t e rt e m p e r a t u r eo ft h e l o n g y a n g x i ar e s e r v o i ri s l o w e rt h a nn a t u r a lr i v e rf r o ma p r i l s e p t e m b e ，t h em a x i m u m t e m p e r a t u r ea p p e a r e di nm a y , a s 一8 0 9 ，a n dt h em i n i m u mt e m p e r a t u r ea p p e a r e di ns e p t e m b e r , a s 0 7 t h ew a t e rt e m p e r a t u r ei n f l o wi sh i g h e rt h a nt h en a t u r a lc h a n n e li n f l o w i n o c t o b e r - d e c e m b e ra n dj a n u a r y m a r c h , t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ea p p e a r e di nd e c e m b e r , a s 7 7l ，a n dt h em i n i m u mt e m p e r a t u r ea p p e a r e di nm a r c h ，a so 5 9 c i i i 西安s _ r - 大学硕士学位论文 ( 3 ) c o m p a r e dw i t ht h en a t u r a lc h a n n e l ，t h eo u t f l o wo fl o n g y a n g x i ah y d r o p o w e rs t a t i o n w a t e rt e m p e r a t u r ew a sac e r t a i nd e g r e eo fc h a n g e i tw i l lc a u s ei tt oe x c r e t ew a t e rt e m p e r a t u r e i nt h ey e a rt oc h a n g et h es c o p et oh a v ec o m p a r e dt ot h en a t u r a lr i v e rc o u r s er e d u c e sa f t e rt h e r e s e r v o i rc o m p l e t e s t h i sr u l ec o n f o r m st ot h eg e n e r a ll a r g ea n dm i d d l es c a l er e s e r v o i r st o e x c r e t et h ew a t e rt e m p e r a t u r er u l e t h ew a t e rt e m p e r a t u r ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o na p p e a r e dt h e o b v i o u ss e a s o n a lc h a n g ei nf r o n to ft h el o n g y a n g x i ad a m ：t h ew a t e rt e m p e r a t u r ei nf r o n to ft h e l o n g y a n g x i ad a mh a ss t a b l es t r a t i f i c a t i o ni nm a y - d e c e m b e lw h i c h0 - 5 0 md e e p t hr e l a t i v e l y h i 曲t e m p e r a t u r es u r f a c e ，d e c r e a s i n gt e m p e r a t u r ei nm a yw a s0 0 4 4 8 。c m ；5 0 8 0 md e p t hi nt h e f r o n to ft h ed a mb e t w e e nt h em o r eo b v i o u st h e r m o c l i n e ，t h et e m p e r a t u r er e a c h e dt h em a x i m u m g r a d i e n t ，w h i c ha u g u s tt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ta s0 313 * c mi nf r o n to ft h ed a m ，a st h ep e a k v a l u e ；8 0 mb e l o wh a sl i t t l ec h a n g e ，a st h es t a g n a t e dt e m p e r a t u r el a y e r ( 4 ) b e f o r eg u i d es t a t i o n ，a l r e a d yr e s t o r e db e f o r ec o n s t r u c t i n gt h es t o r e h o u s et h en a t u r a l r i v e rc o u r s ew a t e rt e m p e r a t u r ea f t e rt h ew a t e rr u n o u to ft h e l o n g y a n g x i at h el e n g t h so f i n f l u e n c ed o w n s t r e a mc h a n n e li ne a c hm o n t ha r e lo k m 、15 k m 、2 0 k m 、2 k m 、6 0 k m 、6 0 k m 、 3 0 k m ，5 0 k m ，3 0 k m ，l k m ，15 k m ，2 5 k i n at h i ss h o w st h a tt h en i n ah y d r o p o w e rw h i c hl o c a t e d n e x tt h el o n g y a n g x i ar e s e r v o i rw o u l db ei n f l u e n c e ( 41k m ) o n l yi nt h r e em o n t h s ，m a y ，j u n e ， a u g u s t k e yw o r d s ：l o n g y a n g x i ar e s e r v o i r ；w a t e rt e m p e r a t u r es i m u l a t i o mm i k e 3 ； i v 主要符号表 主要符号表 过水断面面积( m 2 ) 河宽( m ) 水的比热( j ( k g ) ) 云层覆盖率( 成) 纵向弥散系数( m 2 s ) 重力加速度( 9 8 0 6 6 5m s 2 ) 水深( m ) 水力坡降 流量( m 3 s ) 水力学半径( m ) 雷诺数 时间( s ) 温度( ) 气温( ) 露点温度( ) 河床温度 ， 纵向流速( m s ) f 方向上的时均速度( m s ) f 方向上的瞬时速度( m s ) 摩阻流速( m s ) 横向流速( m s ) 垂向流速( m s ) 风速( m s ) 太阳辐射的水体表面吸收率 水面反射率 大气发射率 水体的长波发射率 太阳辐射在水体中的衰减系数( m q ) 密度( k g m 3 ) 参考密度( k g m 3 ) s t e 纽b o l t z m a n 常数( 5 6 7 1 0 8 ( w m 2 k 4 ) ) 温度普朗特数( 0 9 ) 水体吸收的热通量( w m 2 ) 太阳短波辐射( w m 2 ) v i i 彳召0 c 仇 g ，q r 贴 ，r 乙乃乃 吩一坼“ v w彬反r 巳刁 p p o 叭 西安理工大学硕士学位论文 v u i 仍 妒5 纯 妒。 q b r 仇 吼 到达地面的太阳短波辐射( w m 2 ) 水体吸收的净太阳辐射( w m 2 ) 穿过z 平面的太阳辐射通量( w m 2 ) 大气长波辐射( w m 2 ) 水体长波的返回辐射( w m 2 ) 水面蒸发热损失( w m 2 ) 热传导通量( w m 2 ) 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：一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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，+ 论文中不包含其他人的研究成果。j 与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢膏 本论文及其相关资料若有不实之处i 由本人承担一切相关责任 论支作者签名：、重基宴一辨多月日 学位论文使用授权声明 本人霉缸车在导师的指导下创作完成毕业论文o ，本人已通过论文的答辩 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：- 1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、，缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、，浏览t 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：导师签名：年客只移e l 1 绪论 1 绪论 我国水资源严重短缺并且时空分布不均，随着社会经济的高速发展，水资源供需矛盾 进一步加剧，某些地区出现紧急缺水的频率和严重程度都在不断加大，为了应对这种情况， 有关部门不得不实施应急水量调度以缓解缺水带来的生态环境、工农业生产、居民生活等 问题【1 1 。 西部大开发需要开发其丰富的自然资源，西部也蕴藏了极为丰富的水资源。在河流筑 坝建库，是开发利用水资源中常见的工程措施，但与此同时，它又改变了工程所在河流特 别是库区的环境条件，这就必然会产生一系列的环境影响【2 j 。这些影响既有有利的方面， 也又不利的方面。为了充分发挥水资源工程的综合效益( 经济效益，社会效益，环境效益) ， 把不利的环境影响减d , n 最低程度，就必须开展大量分析研究工作，并采取一定的对策p j 。 由于国内有一批已建、在建或待建的巨型深水库，如龙羊峡、刘家峡、三峡、溪洛渡、 瀑布沟等，这些水库在带来巨大经济社会效益的同时，也可能对水温、水质和生态环境产 生一定的影响。如果水库水温分层可能直接导致库区内水质和生态平衡，以及库区水的利 用( 养殖等) 等方面都产生了重要影响，因此对大型深水库水温的研究具有重大的工程意 义。 龙羊峡、刘家峡水电厂是西北电网的第一调频厂，分别是甘肃省电力公司和青海省电 力公司利润的主要来源，为带动青海和甘肃两省地方经济发展起着重大作用，龙羊峡、刘 家峡水库还承担水库下游及城市的防洪、防凌、灌溉、城市供水等综合利用任务。9 0 年 代以来，尽管黄河全流域发生连续枯水，但龙羊峡、刘家峡梯级水库在满足发电和灌溉等 综合利用的同时，为缓解下游断流发挥了重要作用。， 龙羊峡水库在建成2 0 - 3 0 年后，对库区及下游河道水温要素的影响程度到底如何，是 社会各界普遍关注的，也是本研究项目关键所在。本文仅就龙羊峡水库建坝前后库区和下 游河道水温变化影响进行研究。龙羊峡水库水温研究成果可为黄河流域将要进行的水电能 源的开发利用与生态环境保护提供借鉴。 1 1 研究背景和意义 1 1 1 水库的环境问题 为了充分开发和利用水资源，世界各国已修建了各种各样的水利工程，在河流上修坝 建库就是其中的一种。据1 9 9 6 年世界银行的统计，世界各地大坝现有3 8 0 0 0 多座( 高度 超过1 5 m ) ，其中有一半在中国，另一半遍布世界各地。水库蓄水带来了防洪、发电、灌 溉、航运、供水、渔业等综合效益，然而水库蓄水的同时，也引起了河流水文、泥沙、地 貌、生态等各方面的环境影响【4 】【5 】【6 】o 水库蓄水后，改变了原来河道的水流特性。上游进入库区的水流速度减慢，水流的挟 沙能力降低，破坏了天然河流水沙条件与河床形态的相对平衡，河流挟带的泥沙逐渐落在 西安理工大学硕士学位论文 库区内，减少了库内有效容积，提高了水库末端河床。对库区周围土地和城镇带来了威胁。 水库水位的抬高，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，将危及水库沿岸的居民和耕地。水 库的淹没同时也带来了水库移民问题，会加剧本来就十分突出的人地矛盾，并由此可能加 剧植被的破坏、水土流失和生态恶化。而移民问题又是一项十分复杂和艰巨的工作。 黄河是中华民族的母亲河，随着国民经济的发展和人民生活对黄河水资源需求量的不 断增加，黄河水资源也日益紧缺，水资源供给与区城经济发展之需求严重失调。流域上中 下游及不同用水部门用水矛盾突出，黄河下游断流现象频频发生，特别是近几年，断流现 象更日趋加重，1 9 9 7 年全年有1 1 个月出现断流，累计达2 2 6 天，水资源短缺己成为沿黄 地区经济和社会可持续发展的制约因素。 龙羊峡水库为黄河上游梯级开发的第一座水电站。龙羊峡水库的建成对生态环境不利 影响的数十年的累积效应。包括对水库库区局地气候、水体水质变化、水库水温分层变化 过程及其下泄水体水温变化过程、环境地质、水生生物系统的影响。 1 1 2 水库水温对水质的影响 水温是水环境中最重要的影响因子之一，水的物理、化学性质及水生生物、农作物对 水温都很敏感，水温的变化会对其产生较大的影响7 】【8 】【9 1 。 水中溶解氧含量是确定水质好坏的重要指标之一，在天然河流中水体一般含有足够的 溶解氧，浓度约为5 一l o m g l 。水库蓄水后，表面温水层内的浮游植物在光合作用下释放 出氧气，使该层内的溶解氧浓度基本保持在近饱和状态。斜温层之下，很少发生掺混，溶 解氧不能传递下来，光合作用所需的阳光也不能到达，而死亡的水生动植物沉积下来，在 分解中将深水层中的氧气消耗殆尽。当水体中溶解氧含量达不到水生生物的需要时，水生 生物将大量死亡，使水质严重恶化。水温过低或者过高都严重影响鱼类产卵和农作物产量。 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 使下游富营养化严重。 水温的变化会给库区及下游河道的水质、水生生物的生长及工农业生产带来一系列的 影响。因此准确模拟和预测水库的水温分层规律，并加以控制，对改善环境，发展工农业 生产有着重大意义。 龙羊峡水库作为黄河上游龙头水库，其库区以及下游河道在建库前后水温的变化将影 响龙羊峡下游的梯级开发水库的水文形势、污染物迁移扩散等生态环境的变化。 1 1 3 水库水温存在的问题 水库具有水面宽广、水体大、水流迟缓、更新期较长等特点，加之水体受太阳辐射、 2 1 绪论 对流混合和热量传输作用以及地区的水文、气象条件和水库调度的影响，使水体具有特殊 的水温结构。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 上中下三层：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，其 特征具有较大的梯度，将表温层和滞温层分开。下层为滞温层，水体受外界影响更小，温 度变化比较平缓，水温比较均匀。这种水温分层的特点也会对水质产生不利的影响。由于 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，使底层冷水层形成了一种死水，长年得 不到光合作用而缺氧，变成厌氧微生物层。由于入库来水受阻，使水中的污染物沉积于底 部，产生富集现象，在春末夏初或秋末冬初发生“翻滚时，富集后的水质可能再次悬浮、 释放，造成二次污染。 同时随着社会经济的发展，水库超过了水体的自净能力，影响着人类的生存和可持续 发展，大量工业废水和城市污水未经处理排入河库，使河流、水库污染日益严重。 水库水质污染是水库普遍环境问题。水库水温作为影响水质指标的重要因素之一，水 温变化对水库水质变化影响相当大。也是影响我国经济可持续发展的重要问题之一。 龙羊峡水库建成后，由于总库容较大，为2 4 7 亿一。水库蓄水后，库区水温形成稳 定的分层结构【l o 】。由于水面宽，水体大，更新期长，受太阳辐射、对流、水文、气象条 件、水库调度等影响，使水体具有特殊的水温分层现象。库中水体污染物扩散能力弱，影 响了水体的启净能力。 1 2 水温模拟研究动态晕 从水温研究范围上看，可分为两部分：一是研究水库库区的水温分布；二是研究水库 下泄水流对河道水温的影响。 1 2 1 水库温度结构的判别方法 不同的湖泊和水库，水温垂向分层的差异是很大的，一般由强到弱划分为三种类型： 分层型、混合型、过渡型【1 l 】1 1 2 】。 为了便于对水温分层强弱进行定量研究，许多学者提出不同的分层指标【1 3 1 。我国现 行普遍采用两种经验公式方法【1 l 】【1 2 】：径流库容比数法( a 一卢) 和密度佛汝德数法。其 它不常用的方法，如：叶守泽，夏军等【1 4 】提出水温分层的模式判别预测方法，蔡为武【1 3 】 考虑水库调节性能、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。 a 径流一库容比数法 径流库容比数法( 口一卢) 又称为库水替换次数( 即水利水电工程水文计算规范 中推荐的判别公式) 。其判别指标为： 西安理工大学硕士学位论文 式中：w 为年平均径流量：v 为水库总库容；w c 为次入库洪量；q ，b 为指数。 当0 【s l o 时，为水温稳定分层型；屺2 0 时，为混合型；1 0 a 2 0 时，为过渡型。 对于分层型水库，当险l 时，洪水对水温结构有影响，为临时混合型；当1 3 o 5 时， 洪水对水温结构无影响；当o 5 1 3 l ，洪水对水温结构有一定影响，但未破坏水温的分 层结构。 b n o r t o n 密度佛汝德数法 为判断水库分层特性，1 9 6 8 年美国n o r t o n 等提出用密度佛汝德数作为标准的密度佛 汝德数法【1 5 】。密度佛汝德数法是惯性力与密度差引起的浮力的比值，即： f = = 育 ( 1 2 12 ) ，27 而 l j i 坐g 日l lpo 。 式中：u 为断面平均流速；h 为平均水深：p 为水深h 上的最大密度差； p o 为参考密度；g 为重力加速度。 当f r 1 n ，水库为强分层型；当0 1 f r 1 0 ，则为弱分层型；当f r = 0 ，则为完全 混合型。 c 其它方法 叶守泽，夏军等1 4 】提出水库水温分层的模式判别预测方法，是将水库水温结构的三 种类型当作三个模式，每一种模式都包含有一些水温分层特性相同或相近的水库，从而可 将分属于各模式类的水库的水温分层特性看成一个模式样本集。将这一规律作为水库水温 分层类型的总体规律。 蔡为武【1 3 1 认为水库水温分层类型与水库调节性能年内泄水状况、泄水孔v i 相对位置 有关系。水库按调节性能可分为径流式调节、季调节、年调节三大类，径流式水库不能调 节洪水，季调节水库能调蓄洪水，年调节水库能将洪水贮存到枯水季节，多年调节水库能 将丰水年水量贮存到枯水年，并且很少泄洪。泄水孔口可分为表层、上中层和底层三种。 表层泄水对深层库水体扰动小，上中层常年泄水孔会使上游大范围内水温分层有所不同， 底层常年泄水孔则产生混合型水温分布。 1 2 2 水库水温模拟研究动态 美国和苏联在3 0 年代开始研究分析水温的监测，在以后的发展过程中，在水温数学 模型的建立和应用方面一直处于世界前列。前苏联在现场试验方面做了大量的贡献，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等方面进行了大量研列1 6 l 。7 0 年代 4 旦v竖v = = 口 卢 1 绪论 m ； l - 研究水库水温比较活酬1 7 】【1 8 】。 国内自5 0 年代中期开始水库水温观n t l 9 】，6 0 年代水库水温观测在大、中型水库逐渐 展开，7 0 年代中期以来预测水库水温的经验类比方法不断出现，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，出了“湖温一号”湖泊、水库和深冷却池水温预报通用 数学模型【2 0 】。之后，我国的许多研究者对一维数学模型进行了修改和和补充，使一维数 学模型不断得到完掣2 1 】【2 2 1 。9 0 年代，武汉大学的陈小红、雒文生、周志军等进行了水库 水温二维模拟计算1 4 】【2 3 】【2 4 】【2 5 】1 2 6 】；四川大学的邓云等人采用立面二维k 一模型对紫坪铺水 库水温进行了预测研究口7 】【2 蚋。 由于水库给人类带来巨大效益的同时，也给环境造成了一定的影响。为了使负面影响 尽可能降低到最小程度，在建水库前都要进行环境影响评价，预测模拟水库水温的变化规 律。模拟水库水温的方法包括经验类比法和数学模型方法1 2 9 3 们。 a 经验法 国内提出了许多水温估算的经验方法。最具有代表性的几种经验性方法是：水利部东 北勘测设计院张大发和水科院朱伯芳提出的方法；中南勘测设计院水工建筑物荷载设计 规范编制组和水利水电科学研究院结构材料所提出的统计分析方法，以及西安理工大学 李怀恩提出的幂函数公式u 1 1 。 ( 1 ) 东勘院张大发法【1 1 】【1 2 】【3 2 】 计算公式：t r ：( 丁。一r 。) p ( 一 ) 。+ 丁。 舯疗= 导+ 罢； 4 0m 2 舻一m + 万2 丽1 0l m 3 7 ( + 1 式中：t v 为水深处y 的月平均水温值；t o 为库表面月平均水温值； t b 为库底月平均水温值；m 为月份。 该方法应用简单，只需知道各月的库表、库底水温就可以计算处各月的垂向水温分布， 而且库底和库表可由气温水温相关法或维度水温相关法推算。 该方法适用于我国东南部海拔较低的中小型水库各层月平均水温的初步估算，具有一 定的精度，但该方法无法预测典型分层型水库的逐月平均水温分布f 3 引。 ( 2 ) 水科所朱伯芳法j 水科院朱伯芳为了确定混凝土拱坝设计中所需要的水库水温分布，以国内外1 5 座水 库水温资料为基础，总结归纳出水库水温的周期性变化规律，并通过余弦函数进行模拟， 于1 9 8 2 年提出了库表水温、库底水温、水温垂向分布的估算方法： 西安理工大学硕士学位论文 = d 一；e 1 y 彳( y ) = a o e 邓? 乙( y ) = c + ( b c ) e 咄y ( 1 4 ) r ( y ，f ) = l ( y ) + a ( y ) c o sc o ( t t o 一) c = ( 乃一扩仉0 4 ) ( 1 - p m 0 4 ) 式中：r c y ，f ) 为任意深度y ，t 月的水温；7 ：，| ( y ) 为任意深度y 的年平均水温； a ( y ) 为任意深度y 的水温变幅； 为水温相位差； t d 为库底水温；b 为库表水温；h 为为水库深度； ( i ) 为为温度变化频率国= 2 j r r p ；p 为为温度变化周期( 1 2 月) 由于库表和库底水温均可由气温确定，只要已知库区多年平均气温资料及水位就可以 计算出各月的垂向水温分布【3 5 1 。该方法用于一般的大中型水库工程设计和大坝运行监测 中预测水库任意深度、任意时刻的水温。 ( 3 ) 统计法【3 6 】 利用最小二乘法等数理统计分析方法对朱伯芳公式中的各项参数提出了不同的计算 方法。在各项参数中考虑了水库规模、水库运行方式等因素。 乙( y ) = c e 口y 彳( y ) 2a p 一缈 ( 1 5 ) s = d 一痧 c = 7 7 7 + o 7 5 l 式中：乙( y ) 为任意深度y 的年平均水温；t 。为气温； a ( y ) 为任意深度y 的水温变幅：为水温相位差。 该方法利用最d , - 乘法等数理统计分析方法对朱伯芳法的各项参数提出了不同的计 算，在各项参数中考虑了水库规模、水库运行方式等因素 3 7 】。该方法考虑影响因素较多， 而且应用简便，但预测结果不稳定，无法预测典型分层型水库的逐月平均水温分布。故只 可适用于一般水库的水温初步估算。 1 9 9 3 年，李怀恩发现取水温指数规律衰减的经验公式不能很好的反映分层型水库的 垂向分布特性，假设水温分布用幂函数来表示，并将该公式运用于冯家山、丹江口、新安 江，与实测水温比较，取得了满意的结果【3 8 1 。 上述经验公式法都是在国内外多座水库实测资料的基础上综合出来的。但经验法是根 据实测资料综合统计出来的，反映的是水温变化的统计性规律，而没有从水温的形成过程 探讨水温变化的内在规律，在应用上还有一定的局限性：一是对于一些具体问题，如水库 形态、入流、出流流量、水库调度方式、泥沙异重流等对水温分布的影响难于考虑：二是 较短时段如日、月内变化还无法解决；三是有些地区缺少或无水温观测资料，则经验公式 就不能很好地反映这些地区的特点。数学模型则可以在一定程度上弥补经验法的不足，要 深入研究水温变化规律，数学模型是一种可以借鉴的方法。 6 1 绪论 b 数学模型法 2 0 世纪6 0 年代，美国开始利用数学模型来研究水库水温的分布和变化规律。当时美 国为了解决湖泊和水库的加速富营养化问题，以及水利工程特别是水电站来的一系列环境 问题( 如河道水温和流量的变化，产卵鱼洄游等) ，开展了水库水温的研究工作【3 9 1 。美国 水资源工程公司的o r l o b 和s e l n a 及美国麻省理工学院的h u b e r 和h a l 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 e 模型【2 1 ；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 4 0 1 。 数学模型法按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。 ( 1 ) 一维数学模型 大量实测资料表明，尽管水库的形状、长度、宽度、气候条件和水文条件有很大差 异，分层型湖泊和水库的水温分布都有一个基本特性，即水体中的等温面基本上是水平面。 为了解决生产实际问题，很多研究者进行了一维垂向数学模型研究，取得了一定的研究成 果。最具代表性的是一维对流扩散模型和能量模型。 1 ) 一维对流扩散模型【4 l 】【4 2 】 该模型是建立在热量交换和热量平衡原理的基础上，因此称为对流扩散模型。设向 上为正，从高程z 处取一垂向厚度无限小的水平单元，假设薄层内温度均匀分布，进行热 量平衡分析。考虑入流出流、垂向移流、扩散等引起的热输移及水体内部的太阳辐射，由 热量平衡原理得： 百a t t - 丢c 孥= 三毫c 彳4 a t + 弹b吨驴去掣 6 ， 式中：t 为单元层温度；t i 为入流温度；a 为单元层水平面面积：b 为单元层平均宽度； d ：为垂向扩散系数；p 为水体密度；c p 为水体定压比热；妒：为太阳辐射通量； u i 、u o 分别为入流和出流速度；q ：为通过单元上边界的垂向流量。 在大量的研究中，还存在对于入流和出流速度、水体密度、垂向扩散系数的不同处 理建议。入流速度和出流一般采用均匀分布、三角形分布、或正态分布；严格说来水体密 度、垂向扩散系数沿垂向会发生变化。有的研究中水体密度、垂向扩散系数按常数处理； 有的研究中采用随时间和深度发生变化的。但对结果的影响并不明显。 2 ) 能量模型【4 3 】【删 2 0 世纪7 0 年代，s t e f a n ，h a r l e m a n 等在湖库水温模拟预测研究中，提出了风混合层 水温模型。这类模型仅仅依据风力情况和水体的初始温度分布，预计混合层的深度和温度 变化，而未考虑这时的大气热交换影响。该模型从能量的观点出发，以紊流动能和势能的 转化来计算水库水温的变化。 7 西安理工大学硕士学位论文 依据风力产生的紊动动能： 墨= z 0 u ，a s d t ( 1 7 ) 式中：为水面上的风剪应力；l l s 为风产生的水面漂移流速；a 。为水面面积； b 为紊动动能转化为混合层势能增量 e 。：o 0 5 7 冠2 9 6 4 - ( r i ) 0 3 5 ( 1 8 ) ， 1 4 2 0 + 冠 冠：a p _ g h 一, p o u ： 式中：u 摩阻流速；g 为重力加速度；风为混合前库表的水体密度； h m 为混合层厚度；a p 为混合层下界面处的密度差。 混合层势能增量和密度变化的关系： e p = g 位彳( f ) k - ( i - o 5 ) & 】【以- p ( i ) 】 ( 1 9 ) 根据上式可求出p ，然后根据水温和密度关系式，即可得不同深度的温度。 能量模型只考虑风的紊动作用，没有考虑水库调度作用、大气热交换作用。国内单 纯使用能量模型还未见报道，通常将对流扩散模型和风混合模型结合使用，效果比较理想。 ( 2 ) 二维数学模型 二维数学模型有沿深度平均的平面二维模型和沿宽度平均的立面二维模型。 在二维水流、水温水质数学模型模拟计算中，一般都是先解流速场，然后将解得的 流速值代入水温方程中。这样的处理方式是使计算大大简化，并能反映水流水温之间的一 些主要影响；其缺点是没有同时考虑他们之间的彼此交互作用，在有些情况下会给模拟预 测带来较大的误差，特别是对于水深较大的水库。在水体垂直密度分层明显、产生温差异 重流时，非同时耦合求解得到的流场和温度场与实际情况有较大的误差。针对这种情况， 武汉大学的陈小红、雒文生、周志军等，四川大学的邓云、罗麟等都将考虑浮力的k s 方 程模式引入描述水库水流运动中，并将水动力方程与水温水质方程耦合建模，求解水流、 水温沿纵向和垂向的变化。合理考虑了水流运动与水温水质分布的相互影响。尤其是狭长 河道型水库，水库水流和水温分布都具有明显的二维特性，由于河宽变化对水面热量交换 和热量向水下传递都具有一定的影响，因此代表性的水动力学模型为： 连续方程：晏( b ) + 昙( b w ) = 0 ( 1 1 0 ) 动量方程： 昙( 训+ 甜丢( 砌) + w 兰( 砌) = 夏8 【见面o u ) + 乏( 以西8 u ) 一丢罢+ 反0 、，8 玉w ) + 岔0 、。8 玉w ) ( 1 1 1 ) 3 1 绪论 b w ) + 甜尝( m + 嗟( 剐= 磊0 ( 睨瓦o w ) + 丢( 巩老) 一丢笔一肚珐+ 夏0 【彬i o w ) + 善( 巩参 ( 1 1 2 ) 水温模型： 昙c 踟+ “昙c + w 昙c 团一0 。百b y e 孛o t d x + 拿o zc 鲁去警 o l呶a z o t a ) c o to zp l o z 式中：u 、w 为纵向和垂向流速；p 为压强；t 为水温；b 为河宽； v c 为分子粘性系数和紊动粘性系数之和；p 为密度。 雒文生等和邓云等方法的相同点是在二维模拟计算中，都采用水动力学和水温耦合模 型，而且都采用k s 模型来解决紊动项，不同点是前者采用坐标变换和有限分析解法， 后者采用有限体积法并未考虑复杂边界的处理。上述两种方法都采用七一模型来处理平 均雷诺应力，计算比较繁琐，而且都未考虑自由水面的变化。 ( 3 ) 三维数学模型 实际水库水流流动均为三维流动。目前计算三维水温的数学模型通常是将紊流模型作 为基本方程，将温度方程和紊流模型进行耦合求解，对温差产生的浮力只在重力项中考虑。 准三维模型也就是分层三维模型，其基本思想是在垂向上将水体划分为若干个层次， 物理量在垂向上的变化通过物理量在各层之间的变化加以反映，而在每一个层次中物理量 的变化则忽略不计。因而对三维控制方程中的每一项沿垂向平均，在每一层内，实际上就 变为平面二维模型。清华大学的陈永灿等将分层三维模型用于日本谷中湖水流及水质特性 分区模拟分析【4 5 1 ，模拟效果较好。但在运用分层模型计算时，各层之间的边界条件比较 难处理。 目前用于研究水库水温计算模型并取得很好模拟计算效果的是引进了丹麦水科所研 究的m i k e 3 水动力学模型。2 0 0 4 年水利水电科学研究院的刘畅应用m i k e 3 模型对湘潭 电厂取水1 ：1 温度场进行了模拟计算，取得较好的结剽删。 1 2 3 下游河道水温模拟研究动态 水温是重要的水化学因素和生态因子，是水质因素中的重要变量。水体说的富营养化 及有机物降解都与水温密切相关。此外，水体中的鱼类、其他水生生物及农作物生长对水 温也非常敏感。水库的兴建将可能改变下游河道水温的时空分布。 我国对水库下游河道水温的研究起步较晚，发展经过了三个阶段，第一个阶段是对建 库前和建库后的下游河道水温进行实测，收集整理水温资料，并根据实测水温资料，确定 建库后冷水下泄对下游河道的影响范围；第二个阶段是利用己有的水温资料，建立经验公 式，模拟建库后下游河道的水温分布；第三个阶段是分析影响下游河道水温变化的因素， 考虑其主要影响因素，建立数学模型，对河道水温分布进行模拟。 下游河道的水深一般不大，由于水流湍急，环流速度的垂直分量较大，使得上下层水 9 西安理工大学硕士学位论文 体不断搅混，水面与空气的热交换量能迅速传递到其他部位，因此水温在整个水流断面上 的分布是基本上均匀的。位于水库下游的河道，其水温往往受水库泄水洞的位置、水库运 行调度、气象条件、水体与河床的热交换、区间各支流天然来水的热交换等的影响，其中 受到水库放流温度的支配影响，放流水温高，河道水温变高，反之则低【47 。 下游天然河道水温预测方法可分为经验公式法和数学模型法两类： 8 经验法 水库下游的河道水温，除受到水库放水温度影响外，还受到区间来水，特别是城市及 大工业企业排水温度的影响。日本农林省农地局建议的公式为： 是c p h v _ _ _ d o o 厶9 、 h 、l ( 1 1 4 ) 式中：x 为影响长度；v 为x 区间水的平均流速；p 为水的密度；c 为水的比热j ( k g k ) ； d 为x 区间的河道平均水深：a o , 为水库放水水温与天然河道水温之差值。 式( 1 1 4 ) 适用于无其它水源及支流的涞水影响长度，当有支流来水影响或者其它的 不能忽略的水源汇入时，则用下式计算： x ：毒型氅良 ( 1 1 5 ) ( 乩+ 鼠) 2 1 4 0 = 口( 氏- 0 ) 岛= p ( q - 0 ) ( 1 1 6 ) 式中：q 为比例系数，可取1 0 c a l m 2 k s ；1 3 为比例系数，可取5 0 1 0 0 c a l m 2 k s ； 以为平衡水温；0 为主流水温；q 为支流和其它来水的温度