（水力学及河流动力学专业论文）水库下泄低温水对河道水温影响研究.pdf

摘要 摘要 水库在灌溉、防洪、航运、养殖、发电、生活用水和观光旅游等国民经济活 动中，占有十分重要的地位，但建设水库改变了水体的年内热量分配，由此引起 的水库下游河道水温的变化，对国民经济发展和环境保护等产生了一系列影响。 本文通过建立数学模型对水库下泄低温水对下游河道水温的影响进行了研究，主 要研究内容以及成果如下： 1 ) 介绍下游河道水温的一般研究方法，以及前人研究成果，剖析河流水温 相关的物理规律，以期对其有宏观上的认识。 2 ) 建立数学模型，并利用实测资料进行验证，结果显示模型模拟河道水温 问题精度较高，可以利用此模型进行水库低温水影响问题的研究。 3 ) 考虑四种影响因子：太阳辐射、气温、下泄流量和下泄水温单因子变化 情况下，分为相同目标水温与不同目标水温分别讨论各自对河道水温影响的规 律。研究结论是除流量因子外，在不同目标水温类中，其余三种因子变化与水库 下游河道低温水影响距离变化的关系基本呈线性负相关关系；在相同目标水温类 中，三种因子变化与水库下游河道低温水影响距离变化的关系均为幂函数关系； 流量因子不区分目标水温，与水库下游河道低温水影响距离变化的关系为正相关 关系； 4 ) 通过单位比较标准与单元比较标准两种方式对四种因子敏感性进行比较， 找出四种因子中与低温水影响距离关系最密切的因子。得出结论是在本文所研究 的范围内，单位衡量标准下气温为最敏感因子；单元衡量标准下流量为最敏感因 子；整体来说，太阳辐射敏感性最低。 关键词：低温水，影响距离，太阳辐射，气温，下泄流量，下泄水温，敏感性 a b s t r a c t a b s t r a c t r e s e r v o i ro c c u p i e sa 1 1i m p o r t a mp l a c ei nt h en a t i o n a ie c o n o m yw h i c hc o n t a i n s i 而g a t i o n ，p r e v e n t i n go rc o n t r o l i n gn o o d ，s h i p p i n g ，b r e e d i n ga q u a t i c s ，e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n ，w a t e rf o rl i v i n g 越1 dt o l l r b u tt h a tb u i l d i n g sc h a n g et h eq u a n t i 够o fh e a t d i s t r i b u t i o nl e a dt os o m ec h a n g e i n ga b o u td o 、v n s t r e 锄sw a t i 冀t e m p e r a t u r eo fm e r e s e o i r ， a i l di n f l u e n c et h en a t i o n a l e c o n o m y a r l de n v i r o n m e m p r o t e c t i n g m a t l l e m a t i cm o d e lw a su s e di nt h er e s e a r c ho ft h ei m p a c to fc o l dw a t e r r e l e a s i n g 丘o m t h er e s e n ，o i r t h ep r i m a r yc o m e n ta i l dc o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s 1 ) t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m eg e n e r a la p p r o a c h sa n df o r e g o n ec o n c l u s i o n so ft h e d o 、n s t r e a mw a t e rt e m p e r a t u r e ，a n a l y s e sw a t e rt e m p e r a t u r em l ei nt h eh o p eo f g e t t i n gm a c r o s c o p i c a lc o g l l i t i o n 2 ) t h em a m e m a t i cm o d e l 、a sv e r i f i e dw i t ha c t u a lm e a s u r e m e n td a t a t h ev 嘶f v c o n c l u s i o np r o v et h a tm o d e la c c u r a c yi sg o o de n o u 曲t 0s t u d yo nt h ei m p a c to fc o l d w a t e r r e l e a s i n gf 两mt h er e s e n ，0 i r 3 ) t h i sp 印e r 谢1 1t a k eu pt h ef o l l o 谢n gf o u rf a c t o r so n eb yo n e ，s o l a r r a d i a t i o n ，a i rt e m p e r a t u r e ，t o 协id i s c h a r g ea n dt h ed i s c h a r g et e m p e r a t u r e i nt h e r e s e a r c hw et a k ea c c o u n to ft h em o n o f 犯t o r i a iv a r i a t i o n ， a j l dd i v i d ea l li n t o “v o 2 l s p e c t s ：t h es 锄et a r g e tw a t e rt e m p e r a t u r ea n dt i l ed i f f e r e n t t a r g e t w a t e r t e m p e r a t u r e t h ec o n c l u s i o ni st h a ta l lf a c t o r sa r en e g a t i v el i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h e i m p e c td i s t a l l c eo fc o l dw a t e rr e l e a s i n gf r o mt h er e s e o i ri nm ed i f f e r e n tt a 玛e tw a t e r t e m p e r a t u r ee x c e p tt h et o t a ld i s c h a 唱e ，a l 王f a c t o r sa r ee x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i p 谢m t h ei m p e c td i s t a l l c eo fc o l dw a t e r r e i e a s i n gf b m t h er e s e r v o i ri nt h es 锄et a r g e tw a t e r t e n l p e “l t u r ee x c e p tt h et o t a ld i s c h a 唱ea n dt h et o t a ld i s c h a 唱ei sp o s i t i v el i n e a r r e l a t i o n s h i pw i t ht h ei m p e c td i s t a n c eo fc o l d 、概e rr e l e a s i n g 肺mt h er e s e o i rb o t h i nt h ed i f f e r e n ta n ds 锄et a r g e tw a t e r t e m p e r a t u r e 4 ) c o m p a r i n gt h ef o u rf a c t o r so n ea n o t h e ri n 觚o 、) 唧s ：c e l ls t a n d a r da j l du n i t s s t a n d a r d ，、v es h o u l df i n dt h em o s ts e n s i t i v ef a c t o ri nt h ef o u ro n e t h ec o n c l u s i o n sw e p r e s e n t a tt h ee n d i n gc o n t a i n s3p o i n t sa sf o i i o w s ：i nt 王1 ed e t e n n i n a t i v er e s e a r c hr 孤g e ， u n d e rt h eu n i t ss t a n d a r dt h ea i rt e m p e r a t u r ei st h em o s ts e n s i t i v eo n e ，u n d e rt h ec e l l s t a j l d a r dt h et o t a ld i s c h a r g ei st h em o s ts e n s i t i v eo n e ，a sa w h o l e ，t h es o l a rr a d i a t i o n s s e n s i t i v i t yi sl o w e s t k e y w o r d s ：c o l d 、v a t e r ，t h ei m p e c td i s t a l l c e ，s o l a rr a d i a t i o n ，a i rt e m p e r a t u r e ，t o t a j d i s c h a r g e ，t h ed i s c h a r g et e m p e r a t 眦e ，s e n s i t i v i t y 符号、单位表 g q s d q s s 岛 ， 掌、7 g g 明 乞 d 意义 水体比热容 水体密度 流体微元体上的压力 水体和河床的热交换 水体的长波辐射 与河床有关的热传导系数 河床温度 为与河床材料有关的扩散系数 纵向离散系数 断面平均流速 水深 重力加速度 水面坡降 水面宽度 横向扩散系数 摩阻流速 平均流速， 水力半径 大气顶上辐射能通量密度 太阳高度角 光学厚度 太阳天顶角 大气对太阳辐射所有波长的平均吸收系数( 按各种波所 含能量的加权平均值) 太阳总辐射 直达太阳辐射 散射太阳辐射 蒸发面温度 时间 水平曲线坐标系 曲线坐标系转换为直角坐标系的转换系数 参考平面上水位值 参考平面下水深值 靴咐矶n耐耐龇龇 觚m 积 m 眺眺m甜。 号 烈勺以p q瓯b乃q仇万厅 g 6 b。甜圪足瓦听缈 后 2 2 2 m m m w 州州 s m m m m 符口、单位表 ( f ，刁) 坐标系中孝和7 7 方向的水深平均速度 ( f ，刁) 坐标系中孝和刁方向的水压梯度 ( 善，7 7 ) 坐标系中孝和7 7 方向的紊流通量 质量浓度 水平涡粘系数 p r a n d t l s c h m i d t 数 一阶衰减系数 热输运方程中源项 传质的单位体积入流、出流量 来流质量浓度 水体热交换总量 太阳净辐射 大气净辐射 大气反射辐射 蒸发换热量 对流换热量 水体表面温度 表层水体厚度 太阳反射辐射 模型定义水深函数的参数值= 0 0 6 晴空太阳辐射 云量 大气温度 汽化潜热 蒸发量 风速 水域面积 给定温度下标准水汽压 给定温度下实际水汽压 给定温度下空气相对湿度 对流换热系数 总水深日= d + f 仃坐标系中仃方向上速度 眺蜘旅蜘积 挑 帆蜘咖讹咖咖讹讹m讹 讹从从。幽妇 从心 0 吼 c珥如s”瓯鲰鲸鲸如瓦缸鲰口线凡乃风e如h缈 符号、单位表 f q 乃 死 乃 f 白l 、p ，2 疋 c 玎 r p s ，愠 s 流量 s 下泄水温 s 太阳辐射 k g m s 2 m 3 s s m 河床面切应力 流量 相应月份任一时刻下游边界水温值 上游某月份实测平均水温值 下游相应月份实测平均水温值 计算时长 吻合度 下游某月份计算所得平均水温值 谢才系数 糙率 水力半径 温差比 气温变化对低温水影响距离的敏感性 流量变化对低温水影响距离的敏感性 气温变化对低温水影响距离的敏感性 气温变化对低温水影响距离的敏感性 l i i 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 学位论文使用授权说明 日 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外，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) ：扩年多月，弓日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 中国是一个水库众多的国家，据目前统计，目前我国约有大小水库8 3 2 1 9 座， 总库容为4 3 1 1 0 1 1 m 3 。水库是重要的可多功能利用的地表水资源，在灌溉、防 洪、航运、养殖、发电、生活用水和观光旅游等国民经济活动中，占有十分重要 的地位。但建设水库改变了河道径流量的年内分配，也改变了下游水体的年内热 量分配，由此引起的区域性生态环境变化，对国民经济发展和环境保护等可能产 生一定的影响n 2 | 。 在天然河流中水体温差相对较小，水体紊流掺混作用较强，单位水体自由表 面大，温度随气温变化较为明显。由于许多高坝大库的建成，特别是一些调节性 能好的深水水库，下泄的低温水极大地改变了天然河道的水温分布。而许多水质 要素都与水温变化有密切的相关性，如生化耗氧和复氧过程都与温度有关；从水 生生态方面来说，水温有着更加密切的关系，如水体中的鱼类及其它水生生物对 水温都非常敏感，特别是在水生生物的繁殖期。此外，水温在河流中的分布不仅 涉及到环境本身，同时也涉及到其它工农业技术方面的问题口1 。 事物均具有两面性。一方面，低温水给下游农业灌溉和水生生态环境带来不 利影响；另一方面，低温水又是一种资源，合理利用将给企业带来经济效益n 1 。 为了寻找一种方便有效的河流水温计算方法，国内外许多学者对此也进行了大量 研究。目前对河流以及水库水温的模拟主要采用经验公式法和数学模型法。经验 公式法具有简单实用的优点，在过去的工程中广泛采用，但是精度较差。数学模 型法在理论上比较严密，具有一定的普遍性，精度也较高，随着计算机硬件和软 件的飞速发展，该方法已成为模拟水温研究的主要手段。 1 2 问题提出 水库蓄水后，水深增大，库内流速变缓，水体紊动动能减小，改变了原有的 水气界面的热交换和水体内部的热传导过程，大部分水库形成了与天然河道不同 的水温分布特性。尤其是调节能力大的水库，水温结构沿水深方向可分为同温层、 温跃层、滞温层三层嵋1 。同温层层内水体相互掺混作用较强，全层水温基本上均 匀。温跃层层内水温梯度大，全层从上到下水温变化幅度较大。滞温层接近于库 底，层内水温基本上变化较小，全层温度梯度很小，或接近均匀。可以看出，大 河海大学硕十学位论文 型水库在夏季正处于水温分层的典型时期，温跃层与滞温层中水体水温比天然河 道水体水温低。 大型水库都存在水温分层的问题，这种水温分层现象与水库电站引水或水库 泄水则造成了一种不容忽视的环境问题：水库低温水下泄。第一，大型水库中水 体除了表层水体外，温跃层与滞温层水体水温均低于天然河道；第二，水库电站 取水日或水库非溢洪泄水口位置极少为表层取水，多数为中层与底层取水。两种 因素共同作用导致温跃层以及滞温层中的低温水下泄。以位于浙江省建德县铜官 峡谷中的新安江水库为例1 ，水库拦河坝为混凝土宽缝重力坝，坝顶高程11 5 o m ， 最大坝高1 0 5 o m 。水库正常蓄水位1 0 8 o m ，设计洪水位1 11 4 m ，校核洪水位 1 1 4 0 m 。水电站引水口底板高程7 0 0 m 。正常蓄水位情况下，进入水电站引水管 道中的水是以水深3 8 m 处的水体为主体，并以电站尾水形式排入下游河道中， 结合图1 1 可见，水深3 8 m 处水体己处于水温滞温层的范围内，所以电站引水的 水体属于水库中滞温层水体，尽管经过水轮机以及管道后水体温度会略有升高， 电站尾水的水温依旧较天然河道水温要低。 巡 赠 匿 巡 落 赠 噬 媚 捷 图1 1新安江水库1 9 6 5 1 9 8 1 年各月平均水温 水库下泄低温水导致了水库下游河道水温的变化，相应的改变了水生生物的 生存条件，无论是从农作物生长方面，还是鱼类繁殖方面，下泄低温水都对下游 的生态环境有着巨大的影响： 1 ) 灌溉水库从深孔取水，导致部分水稻减产的问题，具有普遍性。美国加 罩福尼亚州，1 9 6 4 年修了萨斯塔水库，水稻生长季节内水田水温下降，结果5 的水稻贪青而影响收获。日本二战后为了恢复国民经济，开发能源，在河川上兴 建了一些水电站，造成水库下游的水温下降，使两岸农业受到影响，引起水温纠 第l 章绪论 纷。我国水稻产区在水稻生长期内本来普遍存在两头低温冷害的问题，灌溉水库 的冷水下泄很自然地加重了这种冷害的程度。 7 3 2 ) 各种鱼类对水温有一个自己适应的范围，需要较充足的氧气等。由于水 库内的水温表层高于底层，水库从深孔泄流，对下游的鱼类生长十分不利。据江 西省柘林水电站下游的渔民反映，自从水库蓄水发电后( 中层放水) ，从坝脚到 涂家埠5 0 l ( 1 l l 河道内鱼业减产4 0 左右，该河道建库前每年清明到立夏之间就可 见到鱼苗浮游；建库后，由于水冷等原因，要到端午节前后才能见到鱼苗，而且 数量只有以前的一半。新安江水库建库后，下游河道由于水温低，鲥鱼产量大大 减少，从坝下至芦茨埠6 2 m 长的河段内，鲥鱼濒于绝迹，3 0 k m 内难以捕到鲢、 鳙等家鱼嘲。 3 ) 水库采用深孔放水时，浮在库表层的温水不能得到有效利用，不断积蓄 下来的热能，不仅不能继续提高库温，反而加剧了库面蒸发，使水库宝贵的水量 遭到了损失。据古田溪水库观测，库温每增加l ，全年蒸发量增加8 0 m m 。纬 度相近的江西水库n0 | ，其表面温度比整个水库平均温度高4 ，则每亩水面全年 要多损失水量2 2 0 m 3 。一个普通的小( 一) 型水库，全年平均表面积以l m 2 计， 则将多蒸发水量3 3 万m 3 。所减少的供水量相当于一个中等小( 二) 型水库的水 量，水库水量的损失，也就直接影响着灌溉和发电 。 针对上述水温分层导致低温水下泄问题，在某些水库上，在条件允许情况下， 可以采用以下两种方法改善水温：其一，人工干扰水库分层，在取水口前面一定 范围内，用动力搅动或向深层输气，促进水库水体的上下对流，破坏水温的分层 结构，从而提高水库底层水温。而且随着表层水温降低，水的蒸发减少，还可更 多地吸收太阳辐射；其二，建设分层取水装置，根据用水部门或者取水时期的不 同需要，用适当的取水措施，放取水库不同层的水。对于以灌溉为主的水库，灌 期放取表层水，非灌期放底层水。这样，可充分利用水库宽广的表面积，大量吸 取太阳能，以提供温度适宜的下泄水。但这两种方法都有其应用的局限性。为了 最大程度上避免或者减轻水库低温水下泄的影响，改善水环境，准确预测其影响 距离与地区、季节、水库调度方式等因素的相关性是亟待了解的问题。n 2 1 3 1 4 埔1 1 3 研究现状 国内外许多学者对水库下泄低温水研究方法进行了大量研究，力求寻找简单 而又精确度较高的方式对河道水温进行模拟预测。目前对水库下泄低温水的研究 主要包括经验公式法和数学模型法。经验公式法具有简单实用的优点，在过去的 工程中广泛采用，但是精度较差。数学模型法在理论上比较严密，具有一定的普 遍性，精度也较高，随着计算机硬件和软件的飞速发展，该方法已成为水库下泄 河海大学硕上学位论文 低温水研究的主要手段。河道水温研究有众多研究结论，本文在经过总结归纳后， 将其一一列出。首先对河道水温的两种方法加以简述。 1 3 1 研究方法 1 3 1 1 经验公式法 早期研究表明，径流式水电站( 水库) 下泄水流对下游河道水温无影响，但 季、年或多年调节水库下泄水流则对下游河道水温有很大影响，下泄水温较入库 河道水温升温期降低，降温期升高n6 l 。就丹江口水库n 7 1 来说，有研究表明，在观 察期内，2 月份与天然水温没有太大区别；3 8 月为降温期，即下泄水温比天然 水温要低，其中6 月份为水温变化的最大月份，低温水影响距离约5 0 0 l ；9 1 2 月以及1 月为升温期，其中9 月份为过渡期，1 2 月份差别最显著。而对于山 口岩水库，在坝址至半山水汇入口6 m 长的河段水温回升较慢，年平均水温温 升率为o 4 1 4 l 锄，在坝址下游l o k m 断面，由于受袁河支流半山水汇入影响， 各月平均水温与建库前天然水温相差不超过o 3 n8 1 。以上结论都是利用经验公 式法所得出，所谓经验公式法，就是利用科学研究或者工程经验中提出的经验公 式，来研究水库下泄低温水的影响。以丹江口水库为例，根据实测资料，以附近 天然河道的水温为主要因子，作者建立了河道主要断面的水温预测经验公式，分 为指数方程和线性方程两种，分别预测当月与下月黄家港和碾盘山的水温： r l = b c ： z + l = 口g + 6 ( 1 2 ) 其中c f 为当月白河水温，乃为预测站当月水温，乃+ ，为预测站下月水温，口、 6 为回归系数，具体系数参见文献“9 2 刚。相对于实际情况来说，上述经验公式没 有考虑包括河道支流汇入对其影响。日本农林省农地局建议的公式乜门为： x ：垡丝鼠( 1 3 ) 爿o 其中：x ( m ) 为影响长度，勺( j k g ) 为水的比热容，肪( k m 3 ) 为水的密度，万 ( 州s ) 为x 区间水的平均流速，万( m ) 为x 区间的河道平均水深，口，( ) 为水库下 泄水流水温与天然河道水温之差值，上式适用于无其它水源及支流的来水影响长 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 = 蹁岛 x = 7 二弋乩 嶂o + b o ) 2 凰= 口忆一p ) 4 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 第l 章绪论 b o = 1 1 9 f p ) ( 1 6 ) 其中：玟，为比例系数，如( ) 为平衡水温，耿) 为主流水温，研( ) 为支 流和其它来水的温度，仍( ) 为水库下泄水流水温与天然河道水温差乜2 2 引。有 学者利用此公式对山口岩水库下泄低温水对下游河道水温的沿程变化的影响瞳钔 进行了研究，取口= 4 1 8 6 8 j ( m 2 s ) 、= 2 0 9 3 纠1 8 6 8 j ( m 2 s ) ；从研究结果 分析，在坝址至半山水汇入口6 k m 长的河段，水温回升较慢，年平均水温温升 率为o 4 1 4 m ，水稻生育期( 3 l o 月份) 水温温升率为1 1 l ( m 。在坝址下游 1 0 l ( 1 i l 断面( 老联陂) ，由于受袁河支流半山水汇入的影响，各月平均水温与建库 前天然水温相差不超过0 3 。 近几年国内外对水库修建后对生态环境影响的关注程度越来越高，有学者研 究后提出，无论是否考虑了支流汇入，绝大部分经验公式多采用蓄水前后同一断 面的水温差值表征，计算简单，但没有考虑到不同时间和不同区域气温等自然因 素引发的水温变化，很难准确反映水库蓄水影响水温的真实情况。因此有关学者 基于龙羊峡水库水温类型和水温铅直分布规律分析旺引，引入气温与水温相关关系 的修正因子，对水库下泄低温水的影响进行了更深入的研究。通过对给出的数据 分析，得到净影响与普通意义上的影响有一定的差别，而工程中考虑此种因素的 可能性不是很大，此结论对于科研中的参考价值远大于对工程中的参考价值。 1 3 1 2 数学模型法 由于经验公式法的局限性，必须探求更为精确有效的方法。在计算机技术迅 猛发展的今天，计算机数据处理速度不断提高，使利用计算机对进行这类问题进 行模拟成为可能，数学模型这种研究方法以其不可替代的优势迅速为科研工作者 们所接受啪1 。目前，河道水温研究的数学模型有很多种，按照维度来分包括一维、 二维和三维模型心7 1 。对于长度远远大于河宽与水深的河道，一般采用一维纵向模 型；对于流速、水温在深度方向上的分布具有明显的差异的河道，如垂向有回流 漩涡、密度分层等，采用立面二维模型可以充分反映流动特征以及对水温分布的 影响，对于河道深度相对较浅且河宽不可忽略的情况，采用平面二维模型；而三 维模型多用于大型深水库水温的模拟心8 1 ，在河道水温模拟中，应用不多。 数学模型法主要包括了以下几个方面： 1 ) 基本方程 水库下泄低温水影响研究的数学模型主要控制方程包括质量守恒方程、动量 守恒方程，能量守恒方程与状态方程。 质量守恒方程： 河海大学硕士学位论文 动量守恒方程： 粤+ 掣+ 掣+ 掣：o 7 ) 8 t蕊a va z 一 型+ 旦幽+ 里幽+ 业型 8 t瓠 卸8z = 昙( 罢 + 导( 雾 + 鲁( 老 一罢+ 瓯2 瓦i 瓦j + 万i 万j + 瓦i 瓦厂言+ 剑+ 丛趔+ 丛趔+ 丛趔 a |a x a y 砚 = 丢( 塞) + 号( 考 + 昙( ) 一多+ 鼠2 瓦l 瓦，j + 万i 万j + 瓦l 瓦厂方描v 丛趔+ 皇【趔+ 丛趔+ 倒 8 t瓠 a y a z = 昙( 芸) + 专( 爹) + 鲁( 警) 一考+ &2 瓦i 瓦j + 万l 万j + 瓦l i 厂言“w 能量守恒方程： 皇翊+ 曼纽盟+ 里趔+ 刿 ：昙( 毒罢) + 导( 毒等) + 昙( 毒警) + 品 q j ” 相应状态方程： p = p ( p ，7 1 ) ( 1 1 2 ) 2 ) 热交换因子 对于水库下泄低温水影响研究模型中的关键部分能量输运方程源项研 中的热交换在此加以说明。 输运方程中曲为源项，定义如下： s 7 = 日( g ，。c 加一g 。，c ) + q m ( 1 1 3 ) 其中日为总水深，9 加，g 。，为传质的单位体积入流、出流量，c 为质量浓度， c 册为来流质量浓度，q f o ，( w m 2 ) 为水面热交换。 大部分数学模型在经过各种因素比选后，只考虑水面热交换。水面热交换主 要是各种辐射、反射、蒸发与热传导等。一般采用的公式为： 9 厶= q 。+ q 厶一q ，一q 乙 ( 1 1 4 ) 6 ) ) ) 8 9 0 ，i ll 1 l 第1 章绪论 其中鲰( w m 2 ) 为净太阳短波辐射，纵( w ，m 2 ) 为净长波辐射， 既= q 口一q 打一q 。，q 。( w m 2 ) 为大气长波辐射，鲰( 删，m 2 ) 为水面对长波 的反射，q 。( w ，m 2 ) 为水体的长波辐射，q 。，( w m 2 ) 为净蒸发，既( w ，m 2 ) 为热传导。 也有研究者认为对于封冻河道和浅水河道，特别是水温昼夜变化较大的浅水 河道，水体与底部土壤之间的热交换是一个很重要的因素，在计算中必须考虑。 水体和河床的热交换绕( w m 2 ) 是通过固体的热传导来确定的，可描述为： q “，鲁i 舢 ( 1 1 5 ) 其中岛( c a l ( m s ) ) 为与河床有关的热传导系数；乃( ) 为河床温度，可以 通过求解下述非稳态热传导方程获得： 上盟：盟 口，瑟 瑟2 其中口，为与河床材料有关的扩散系数。在初始条件、 下，上式即可求解2 9 删。 3 ) 纵向离散系数 ( 1 1 6 ) 边界条件一致的情况 纵向离散系数优是河流纵向混合特性的重要反映和体现，是水温模型中的一 个重要参数，其取值是否合理直接关系到水温影响研究的精度。仇是随空间而变 化的，确定其分布十分困难，其理论研究进展缓慢。一般来说，d 应区分为渐近 值、恒定值和瞬时值，但为了方便起见，一般天然河流中的d l 都取不随时间变化 的渐近值来代替随时间变化的实际值。目前，大都采用经验公式来确定天然河流 的纵向离散系数珧，仇主要有以有几种表达形式： 经验公式一： 见：掣 ( 1 1 7 ) 其中万( 州s ) 为断面平均流速，6 ( m ) 为河宽，办( m ) 为水深，甜+ ( 州s ) 为摩阻流速，甜= 面，g ( m s 2 ) 为重力加速度，r ( m ) 为水力半径，为水 力坡降； 经验公式二( m c q u i v e y & k e e f e r ) ： 见：o 0 5 8 墨 ( 1 1 8 ) 7 河海大学硕上学位论文 其中q ( i n 3 s ) 为流量，为水面坡降，6 ( m ) 为水面宽度； 经验公式三( f i s c h e r & j a i n ) ： 岫警 其中圪( n 1 ，s ) 为平均流速，6 ( m ) 为水面宽度，谚为横向扩散系数； 经验公式四： q = 寿 12 0 广1 1 5 其中= o 18 i l ，“+ ( “s ) 为摩阻流速，圪( 州s ) 为平均流速，q ( m 3 s ) l p jj 为流量，r ( m ) 为水力半径。 一般来说，根据不同研究水体得到的经验公式的差别是比较大的。在应用上 述公式之前，针对不同待测水体对应的资料校验上述公式，使各个断面d l 值变 化不大，相对稳定，视为此水体水温预测较适合的公式，采用其计算此待测水体 纵向离散系数n 。 4 ) 模型验证 为了迸一步说明所建模型的可靠性，需要进行模型验证。归纳国内外学者所 作的研究，水库下泄低温水影响研究模型主要有两种验证方式，一种是已有某水 库以及水库至下游某一区域内水温的实测数据，利用其验证将用于水库下泄低温 水影响研究的数学模型；还有一种就是自身计算封闭验证船引，计算时长为一个 水平年，计算初值与计算终值相同，两者变化趋势相似，且整体变化过程符合一 般物理规律。 对比两种模型验证方式，侧重点各不相同。第一种验证方式实测数据的 验证方式需要有大量一手数据作为支撑。所以在利用某个模型做研究前，需要事 先调查研究地域用于模型验证的水流及水温方面各项资料是否齐备，但目前国内 诸多水文测站资料不完整，故此种模型验证方式在这方面有一定的局限性。正因 为如此，第二种验证方式一自身计算封闭验证有较大的优势，应用较广，该方法 在保证了计算初值与计算终值相同，两者变化趋势相似，且整体变化过程符合物 理规律时，即认为河道水温数学模型的封闭性良好，满足了验证的要求。此种方 式的不足之处是其需要调试以及计算的时间较长，工作量相对较大。模型验证在 整体规律上可以，但对于局部或者说一年中的典型月的规律的反映不能尽善尽 美。 3 4 1 8 第l 章绪论 5 ) 模型时空尺度 尺度，是生态学的一个重要概念，通常意义上的尺度包括时间尺度和空间尺 度，是指观察或研究对象( 包括物体、现象或过程) 的时间单位和空间分辨率。水 库下游河道这个生态系统按照当前时空尺度的理论，也可以划分出一系列尺度。 在一定程度上，这些尺度可分别考虑。在同一时间和空间尺度上，不同的生物过 程和非生物过程的相互作用是动态变化的，是在一定空间区域进行的，影响距离 与工程的空间尺度是息息相关的。有了划分时间和空间尺度的这种依据，可以预 估低温水可能的影响距离，为更加准确地研究问题提供参考。 从以往学者所做的关于水库下泄低温水影响模型的研究来说，时间尺度上， 包括对溪洛渡水电站、龙羊峡、糯扎渡、三门峡、伦潭、滩坑等几乎所有水库下 泄低温水影响的研究中，各学者都采用了以月为研究单位。在空间尺度上，在上 述提及的各研究中，空间尺度均以m 为最小研究单位口鲥。根据河海大学李煜等 人所提出的河流生态系统的时间和空间尺度量级对比，水库下游河道水温模型应 该属于中小尺度。 各研究者按照科学意义上的尺度划分规律进行研究，去除各自特殊情况的影 响，给出的结论经过对比，与实测值研究的结论是比较相近的。 1 3 2已有的研究结论 实际观测是各种研究最基本的方法，也是经验法与数值模型法的基础口7 l 。包 括实际观测在内的各种水库下泄低温水影响研究方法，宏观上的结论都是相似 的。归纳起来主要有以下几点： 1 ) 建库后多年平均水温相比建库前都有不同程度变化，调节能力越大，变 化也越大。水库蓄水后体积增大，具备了调蓄能力。且水库调蓄能力与水库容积 有直接关系，大多大容积调蓄能力强的水库都为非混合型水库，而非混合型水库 库水温度分层明显，与天然河道水温分布差异较大，所以水库调节能力越大，建 库前后水温变化也越大，二者成正比关系眵8 1 。 2 ) 水库下游河道夏季水温降低，冬季水温升高，春秋两季为过渡期。由于 水体比热较大，大体积水体内部温度与外部温度有很大差异。所以在夏季相对于 外部天然河道来说水库深处的水体水温较低，因而水库中底孔泄水时，泄水水流 温度较天然河道水温低。反之冬天则较高。 3 ) 建库后下游河道在没有支流汇入的情况下水温恢复缓慢，低温水影响距 离很长。低温水下泄后，通过各种热交换方式吸取热量，沿程水温将逐渐升高并 趋向于平衡水温。下游河道水流的热交换方式可以大致分为两种：接触式传热与 非接触式传热。而影响下游河道水温的因素中，支流汇入和河床传热为接触式传 9 河海大学硕十学位论文 热，往往河床温度与河道水温度相差不大，因而在没有支流汇入的情况下，主要 影响下游河道水温的因素为太阳辐射、气温、水面蒸发等非接触式传热因素，相 对接触式传热来说这些因素对河道水温的升温作用要弱的多。无论是太阳辐射对 其影响大还是气温对其影响大，总体来说河道水温恢复速度都比有支流汇入的同 种情况下缓慢的多，导致水温影响距离很长。 4 ) 水电站运行方式是影响下游河道水温变化的重要因素。水电站运行方式 对于下游的影响主要是下泄流量与下泄水温的不同，二者在低温水影响的研究 中，都占有举足轻重的作用。 3 9 删 1 4 本文主要研究内容 本文主要研究内容为水库低温水下泄对下游河道水温影响区域及过程。研究 结果将给出各种计算条件下水库下游水温恢复到平衡水温或者天然状态水温时 距水库大坝的距离，通过系列计算总结出四种影响因子与低温水对下游河道水温 影响距离之间的关系，并对四种因子敏感性进行横向比较。 本文主要研究内容如下： 1 ) 介绍下游河道水温的一般研究方法，以及前人研究的一些成果，对各种 研究方法的优缺点予以分析； 2 ) 介绍河流水温相关的物理规律，对天然河道水温与水库下游河道水温的 区别进行阐述； 3 ) 建立研究河道水温的数学模型，并利用实测资料进行验证； 4 ) 考虑泄水量、泄水温度、大气辐射、太阳辐射、反向辐射、空气温度、 对流蒸发散热、风速、云量以及湿度等多种因素进行计算，求得当河道水温恢复 到天然状态水温或者平衡状态水温时距水库大坝的距离； 5 ) 现有的对于水库下泄低温水的结论极少单独考虑某个热平衡因子与低温 水影响距离的关系，所以本文按照单因素分析法，对太阳辐射、气温、泄水水温 和泄水流量四种因素分别研究，找出四者各自与水库下泄低温水影响距离的关 系； 6 ) 为了弥补科研与实际工程中对四种热平衡因子敏感性区分的不足，本文 对四种因子敏感性进行横向比较，找出四种因子中与低温水影响距离关系最密切 的因素h 。 l o 第2 章水库下游河道水温物理规律 第2 章水库下游河道水温物理规律 2 1 河道水温基本规律 河道中的水体吸收太阳辐射并与大气和河床等进行热量交换，当水体总吸热 量大于放热量时，水温上升，反之，水温下降。水面蒸发，消耗很多热量，可影 响水温的升高。在天然状态，由于水的热容量大，水温的升降速度比气温慢，因 而水温的日温差值比气温小，一般河流的水温的单日温差仅有小于1 2 左右 的变幅，而气温的变幅可达1 0 以上。 河水温度的日变化规律一般为早晨低，最低水温出现在6 8 时；午后高， 最高水温出现在1 5 1 6 时，与气温极值出现时间比较，水温极值呈滞后现象， 一般1 0 时的水温接近于日平均值。根据有关资料分析，河水温度随时问和河段 不同而异，在同一断面上各点的水温也不一定相同。 以下是珠江河口断面的月平均水温与月平均气温年变化过程线h2 j 。 图2 1月均水温与气温年变化过程线 由图2 1 可见，河水温度冬季低夏季高，从春季开始，水温随气温升高而缓 慢上升，一个月之内的水温升幅为2 4 ，秋季水温下降速度稍快，月降温幅 度不大于5 ，河道最高水温出现在7 8 月，水温约为3 0 ；最低水温在1 月， 水温约为1 7 。整体来说，月平均水温略高于平均气温，并且水温与气温的关 系大致符合天然河道水温与气温间的基本规律，一般来说河流年平均温度都高于 当地年平均气温l 2 左右n 副。春季，水温逐渐升高，但气温升高较快。夏季， 河水温度普遍升至全年最高，长江中下游和黄淮平原河流最高水温一般在2 7 以上。秋季，水温下降，1 0 月以后又进入冬季状态。中国河流水温的年变幅一 般都较大，是中国气候大陆性较强的反映。 河海大学硕士学位论文 2 2 各因素对河道水温的影响 在建立一个合理的河道水温的数学模型前，首先要分析影响水库水温的各种 因素。对于影响的主要因素，要对其进行详细的分析；对于影响的次要因素，则 可以忽略。由于数学模型和原型存在一定的误差，其只要求反映与某种目的相关 的方面和层次，在进行模拟计算的时候，把主要因素和其余要关注的因素反映到 模型里面即可，这样目的更明确，为计算也带来方便。 影响河道水温有众多因素，包括太阳辐射、大气辐射、气温、相对湿度、风 速、河床传热、水面蒸发量、河道上游水温等。 2 2 1 太阳、大气与水体之间的辐射换热 自然界中，一切物体都以电磁波的形式向外放射热量。这种能量传递方式称 为热辐射。热辐射能可以用能量的单位焦耳来度量。单位时间内，通过任一表面 的辐射能称辐射通量，以w ( 或以j s ) 计。辐射通量除以辐射所通过的面积， 称辐射通量密度，单位是w m 2 ( 或j s m 2 ) 。与水温现象密切相关的热辐射是太 阳辐射和大气辐射( 亦称地球辐射) 。 1 ) 太阳总辐射 太阳辐射的波长范围为o 1 5 0 4 岬，属于紫外线、可见光和红外线的波段 范围。大气辐射的波长为3 1 2 0 吣，属于红外线波段。因此称太阳辐射为短波 辐射，大气辐射称为长波辐射。单位面积在单位时间内接受的太阳辐射能称为太 阳辐射强度，通常以i 表示，其单位为w m 2 ，这个数值决定着利用太阳能的可 能性。m 1 太阳辐射经过大气时，由于臭氧、水汽及二氧化碳对紫外线、可见光和红外 线的吸收，同时由于空气分子、水滴和固体微粒对光的散射，使得到达地面的太 阳辐射强度发生了变化。直接到达地面的部分，称为直接太阳辐射；另一部分为 大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部 分返回宇宙空间，另一部分到达地面，到达地面的这部分称为散射太阳辐射，如 图2 2 所示。 型终 = = = = 二7 ：j ：二二- 土 1 | ：兮一删 图2 2 太刚辐射削弱示意图 1 2 第2 章水库下游河道水温物理规律 就全球平均而言，太阳辐射通过大气层后，只有5 1 被达到地面，其中3 2 5 为太阳直达辐射量，1 8 5 为散射辐射量。在太阳光未被遮挡的地方，可接受到 太阳直达辐射鼢： s 材= e 。s i n 向同- e x p ( 一仃，) ( 2 1 ) ，一一 q 2 s e c 缈j 幼比( 2 2 ) o 其中瓦为大气顶上辐射能通量密度，为太阳高度角，q 为光学厚度，妒 为太阳天顶角，后为大气对太阳辐射所有波长的平均吸收系数( 按各种波所含能 量的加权平均值) 。 在一天内，有日变化，盯值也随之产生日变化，所以太阳直达辐射也有 日变化。云量对太阳直达辐射的影响最为强烈。太阳直达辐射不能透过浓密的低 云层，所以阴天时候太阳直达辐射为零。只有在太阳高度角较大时，太阳直达辐 射才能透过薄的高云。所以云量少的地方，太阳直达辐射相形增多。海拔也影响 到太阳直达辐射的强度。海拔增加，太阳辐射进入大气到达地面的厚度减小，仃 值减小，同时高原上水汽含量小，吸收系数相应减小，从而太阳直达辐射强度随 海拔增大而增大。当然，从较长时段来说，影响地面接受太阳直达辐射的主要因 子还是纬度和季节。 太阳辐射射入大气后，通过空气分子、尘埃和云滴散射后，一部分的辐射能 返回宇宙空间，而另一部分则以散射光方式由空中射到地面。后者用d 表示， 它和太阳直达辐射强度一样，随着太阳高度角的增大而增强。大气中尘埃、微粒 或云量减少时，散射辐射减弱。云量对散射辐射强度的影响很大。在有薄的高云 时，散射辐射的强度要比无云晴天时的散射辐射的强度大的多，有时散射辐射值 可和太阳直达辐射值相当。散射辐射随海拔增加而减小，这是因为高山上空空气 稀薄，微尘含量小的缘故。平均来说，由于后向散射而返回宇宙空间的能量约占 射入大气内的太阳辐射总量的6 。 到达地面的太阳直达辐射与散射辐射之和，称为太阳总辐射，以珐表示： q ，= q 埘+ q 甜 ( 2 3 ) 晴天时，总辐射由太阳直达辐射和散射辐射两部分组成；阴天时，总辐射等 于散射辐射。总辐射量随纬度升高而减小，随高度升高而增大。一天内中午前后 最大，夜间为0 ；一年内夏大冬小。n 5 】 2 ) 地面反射辐射 河海大学硕十学位论文 到达地面的总辐射，有一部分被地面反射回到大气和宇宙空间，这部分辐射 称为地面反射辐射；另一部分总辐射被吸收并转变