水库低温水计算及其影响.pdf

1 水库低温水计算及其影响水库低温水计算及其影响 高文娟 1 张平2 1 河海大学环境科学与工程学院 南京 210098 2 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院 昆明 650051 E mail wenjuan8319 摘摘 要 要 本文分析了高坝大库下泄低温水产生的原因 及水温结构简易判别方法 并进一步 对水库垂向水温计算方法进行了分类 同时 论述了下泄低温水对下游河道的影响 及应采 取的态度 关键词 关键词 高坝大库 低温水 垂向水温计算 措施 科学态度 中图分类号 中图分类号 TV697 1 引言引言 据我国最新水能资源复查成果及远景规划 到 2020 年 水电装机将达到 3 28 亿 kW 占电力总装机的 30 以上 水能资源开发程度达到 60 我国将成为名副其实的世界水电 大国 近年 我国已进入水电建设的高峰期 水库产生的相应问题相继出现 如低温水问题 等 天然河流中 水体相对较小 紊流掺混作用强 单位水体自由表面大 河水水温随着气 温变化 在河道上修建水库 特别是修建大型水库后 水库形成一个热容量极大的水体 水 库的水温结构发生显著的变化 河道的时空分布也随之改变 大型水库泄放水库深层低温水 时 坝下河段一定距离内 河水将处于低温状态 低温水一方面给下游农业灌溉和水生生态 环境带来不利影响 另一方面 低温水同时是一种潜在资源 合理开发利用将给社会带来经 济效益 准确计算水库水温结构分布 是预测下游河道水温时空变化的基础 许多学者对此 进行了大量的研究 寻找一种既方便又有效的水库水温计算公式一直是许多专家学者追求的 目标 2 低温水的产生低温水的产生 天然河道上修建高坝大库 改变了河道天然径流方式 水体被存储在一个大容积体里 水深加深 流速锐减 流态发生改变 热容量变大 水体置换期变长 水库水温特别是下层 水体水温变化发生滞后性 高坝大库对库内热量的调节作用 使水库沿水深方向呈现出有规 律的水温分层 大致表现为 冬季库区趋于等温分布 下泄水温较天然情况高 春夏季库表 水温高 库底水温低 底孔下泄水温较天然情况低 水库下泄水一般为发电用水及水库弃水 丰水季节 夏季 来水量大 供电需求增高 发电量相应加大 下泄水量较大 水温一般在 10 18 间 枯水期来水量较小 供电需求 减小 发电能力较弱 下泄水量很小 水温一般在 7 16 间 气温在 15 以下 称停止作 物生长温度 所以称 15 以下水温为低温水 3 水库水温结构判别及计算水库水温结构判别及计算 多年调节 年调节 不完全年调节及季调节等调节性能好的水库建成运行后 将对库内 的热量起到调节作用 水库沿水深方向呈现出有规律的水温分层 大致表现为 冬季库区趋 于等温分布 下泄水温较天然情况高 春夏季库表水温高 库底水温低 下泄水温较天然情 况低 2 3 1 水库水温结构判别水库水温结构判别 建坝后 水库整体水温结构将发生变化 除了受气候条件影响之外 库区水温还取决于 水库规模和库内水流的急缓 大致分为分层型和混合型两种类型 简易判别方法分别有 1 参数判别法 判别式为 多年平均年入库径流量 总库容 一次洪水量 总库容 当 值 20 水库的水温结构为混合型 当 值 10 时为分层型 10 1 的洪水 则为临时性的混合型 0 5 的洪水对于水库水温的结 构无多大影响 Norton 密度佛汝德数判别法 判别式为 Fd LG HV gG 1 2 式中 Fd 为密度佛汝德数 L H V 分别为水库长度 平均水深和库容 Q 为入库流 量 g 为重力加速度 G 为标准化的垂向密度梯度 量级为 10 3 l m Fd 0 1 时为稳定分层型 0 1 Fd 1 0 时为弱分层型或混合型 Fd 1 0 时为完全混合 型 水库宽深比判别法 判别式为 R B H 式中 B 为水库水面平均宽度 H 为水库平均水深 当 H 15m R 30 时水库为混合型 R 30 时水库为分层型 3 2 水库垂向水温计算水库垂向水温计算 水库水温的预测方法很多 目前使用较多的计算方法有 3 2 1 经验法经验法 为了解决实际生产问题 国内提出了许多经验性水温估算方法 最有代表性的几种经验 性公式有 水电部东北勘测设计研究院张大发和中国水科院朱伯芳提出的方法 以及中南堪 测设计研究院 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 统计公式 东勘院法 计算公式为 b x y by TeTTT n 0 其中 35 15 2 2 m m n m m m x 1 0137 2 40 2 式中 Ty为水深 y 处的月平均水温 T0为水库表面月平均水温 Tb为水库 底部月平均水温 对于分层型水库各月库底水温与其年平均值相差很小 可用年平均 值代替 y 为水深 m m 为月份 1 2 3 12 朱伯芳法 3 HH d y y y m m ebeTc fed eAyA ecbcyT yAyTyT 04 004 0 0 0 1 cos 式中 T y 为水深 y 处在时间为 时的温度 Tm y 为水深 y 处年平均温度 A y 为水深 y 处的温度年变幅 为水温与气温变化的相位差 月 Td为库底水温 b 为库表水温 H 为水库深度 2 P 为温度变化的圆频率 其中 P 为温度变化的周期 12 个月 统计法 a y y m Tc fyd eAyA ceyT 75 077 7 0 式中 Tm y 为任意深度 y 的年平均水温 Ta为气温 A y 为任意深度 y 的水温变幅 为水温相位差 该方法利用最小二乘法等数理统计分析方法对朱伯芳法里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 2 2 数学模型法数学模型法 水温模型通过建立水库水温数学模型的途径 研究水库水温的分布和变化规律 数学模 型法提出了计入风力 热对流 水面冷却等动能和势能变化的一维混掺对流模型 2 它的基 本方程由热量平衡方程和能量转换方程组成 热量平衡方程 在水库水体中取出厚度为 z 体积为 V 面积为 Az 水温为 T 的一个微元 研究其热 量平衡 流入热量 单位时间内流入该微元的热量包括三部分 即入流带入的热量 Q1 垂向 扩散带入的热量 Q2和短波辐射热 Q3 ininin TQCQ 1 式中 Qin为入流流量 C 为水体的比热 in为入流水体的密度 Tin为入流水温 z ADCQ zz 2 式中 Dz为垂向扩散系数 为入流水体的密度 Tin为入流水温 6 0 3 1 ZZ snz s eQAQ 式中 为表层吸收系数 为太阳辐射在水中的衰减系数 Qsn为高程 z 处吸收的太阳 辐射热 z 为水位 流出热量 单位时间内流出该微元的热量包括两部分 即 出流带出的热量 Q4 垂 向扩散带出的热量 Q5 4 TQCQ out 4 式中 Qout为出流流量 C 为水体比热 为入流水体的密度 z z ADC zz ADCQ zzzz 5 式中 Dz为垂向扩散系数 C 为水体比热 为水体的密度 微元的热量增量 Q6 t TVC Q 6 根据热量平衡得 Q6 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 表层的能量转换方程 热量增量 水库表层水体的热能增量包括库面冷却引起势能增量 P1和库表热对流 引起势能增量 P2两部分 CthAHgP s 2 1 式中 为水的热膨胀系数 g 为重力加速度 H为水体表面的冷却速率 As为水体表 面积 h 为混合层水深 t 为时间间隔 C 为水的比热 2 2 AhghP 式中 为混合层与下层水体的密度差 h 为时间间隔内混合层水深的增量 A 为混 合层底部的面积 动能增量 水库表层水体的动能增量包括风引起的动能增量 E1及热对流引起的动 能增量 E2两部分 E1 u tAs 式中 u 为剪切流速 为剪切应力 4 2 0 2 fs uhAA E 式中 0为混合层水体的密度 uf为对流速度 能量转换 势能与动能的转换比为 i i i R R R EE PP E P 2 14 5 29 057 0 21 21 21 其中 Ri为理查德森数 数学模型法比前三个经验法更完善 可考虑天然来水温度 流量和含沙量 水库的运行 方式以及泄水情况 水库的调节性能和水库深度的影响 水库水位的变化 水库几何形态等 多方面的影响 4 低温水对库区及下游河道的影响低温水对库区及下游河道的影响 水库水体中热能分布的变化对环境 生态及人类生产活动都会产生广泛而深刻的影响 3 这些影响有不利的一面 也有有利的一面 5 4 1 不利影响不利影响 4 1 1 对水质的影响对水质的影响 水体置换期较长的高坝大库的水温分层会引起深水层水质恶化 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 引起底部沉积物分解出锰和铁 还常含 有高浓度的磷酸盐 硅及二价钙盐 碳酸盐 同时水体内有机物质产生厌氧分解 释放出甲 烷 硫化氢 氨等物质 将使下游水质变坏 过多的营养物质可使下游富营养化严重 4 1 2 对水生生物的影响对水生生物的影响 一般河道中的鱼类产卵季节为 4 8 月 鱼类产卵所耐受的最低温度一般为 18 水温 变冷 水体的溶氧量和水化学成分将发生变化 影响鱼类和饵料生物的衍生 致使鱼类区系 组成发生变化 如 鱼类产卵期推迟 影响鱼卵孵化甚至造成不产卵 下泄低温水还会降低 鱼类新陈代谢的能力 使鱼生长缓慢 饵料生物生长缓慢 将直接影响鱼类的生长 育肥和 越冬 再有 低温水下泄造成鱼类产卵场地被迫向下游迁移 建坝前存在的一些产卵场所部 分会消失 部分规模变小 而离坝较远的河道下游 产卵场地可能相对扩大 总体上讲 鱼 类产卵场所将会减少 4 1 3 对农作物的影响对农作物的影响 在热带 亚热带地区 水库低温水对农业灌溉的影响不明显 但在温带和寒带地区 保 持较高的地温是很重要的 低温水灌溉往往会限制地温的提高 导致减产现象较为普遍 我国长江流域中下游的双季稻种植区 如果取用大坝下泄的低温水进行灌溉 将会造成 对水稻生长和产量方面不利的影响 在北方 大部分水稻种植区的气温都比较低 如果也是 取用下泄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 4 2 有利影响有利影响 高坝大库的深水对地表温度进行阻隔 使水库水温层形成近似永久等温层 所谓的低温 水也就是恒温水 我国大部分地区气候变化很大 夏季下泄水温相对于天然水温要低 但是 在冬季下泄水就成了高温水 对于北方地区水库 大大减少了一些河流冬季的封冻时间和范 围 对增加冬季河流中的含氧量 促进河道周围的动植物的生长和经济鱼类的养殖非常有利 对于南方地区水库 可用作冬季作物的生长灌溉用水 有助于作物生长 提高产量 还可为 水生生物提供充足的饵料 有助水生生物度过漫长的冬季 5 措施措施 为减轻水库下泄低温水对下游造成的不利影响 保护下游生态系统的良性循环 应考虑 采取一定措施 如 在工程设计时考虑采用分层取水措施 合理利用水库洪水调度运行方式 采用放空洞泄洪 改善库区水体水温结构 尽量采用宽浅式过水断面的灌溉渠道 以利于灌 溉水体水温上升 采用田间调温措施 设置田间迂回加温水渠 加温池和升温田 其中采用 分层取水是目前缓减低温水影响的最有效办法 6 结论结论 建设高坝大库必然存在低温水问题 低温水涉及环境 生态及人们的生产生活 对其影 响要进行综合评价 合理分析 6 我们要用科学的态度对待低温水问题 首先 并不是所有低温水下泄的生态环境效果都是负面的 在某些地区 水库下泄的低 温水更是一种资源 作为恒温水 在冬季可为作物提供丰富的一定温度的水源 适宜的水温 促进作物的生长 冬季的高温水给下游水生动植物的生长繁殖提供了条件 可为鱼类越冬提 供充足的饵料 对于经济鱼类的养殖也非常有利 有些地区已经形成了冬季鱼类捕获旺季 其次 分层取水措施虽然解决了低温水下泄的问题 但同时也会引起或者产生其他方面 的问题 分层取水结构比较复杂 改变了原来最简单的直接取水流态 增加水的扰动可能会 引起结构的振动 水能损失 降低发电效率 在高压 高速 不规则 水流的情况下 水体 流态复杂化甚至会导致某些结构产生空化 空蚀的现象 闸门的启闭 调度 操作也会增加 水电站运行的负担 影响水电站结构的安全性和寿命 此外 分层取水口一般设在表层 由 于取水部位的提高 不利于水库泥沙的正常排泄 必然会对水库的泥沙淤积产生不利影响 4 最后 低温水下泄引起自然生态环境的改变 其后果是破坏性的还是只是对自然生态系 统进行了改造或优化 其后续影响到底是怎样的 这是一个有待考究的问题 目前就下泄低 温水影响的研究大多数是推测性或是水库建成后近几年的状况表现 对于长远来看 生态系 统到底会变成什么样子 是好是坏 没有这方面的详细追踪研究 即使有也是针对特定的目 标进行的评价 对于综合效益如何不明确 参考文献参考文献 1 环评函 2006 4 号 水电水利建设项目河道生态用水 低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南 试行 北京 国家环境保护总局办公厅 2 蒋红 水库水温计算方法探讨 水力发电学报 1999 2 3 陈凯麒 曹晓红 廖琦琛等 水利水电建设中若干环境保护关键技术的考虑 环境影响评价动态 2007 2 4 水博 用科学态度对待水库低温水问题 The calculation and impact of the reservoir s low temperature water Gao Wenjuan1 Zhang Ping2 1 College Of Environmental Science Engineering Hohai University Nanjing 210098 2 Kunming Hydropower Investigation Design Researc