影響水庫水體混合的主要因素

陳惠清，劉福波

(1.七臺河市水務局，黑龍江七臺河 154600;2.龍煤集團七臺河分公司新鐵煤礦，黑龍江七臺河 154600)

影響水庫水體混合的主要因素

陳惠清1，劉福波2

(1.七臺河市水務局，黑龍江七臺河 154600;2.龍煤集團七臺河分公司新鐵煤礦，黑龍江七臺河 154600)

氣候循環會引起水庫內溫度分層現象，溫度分層導致的熱交換導致水庫混合過程，文章介紹了水庫水體混合的幾個因素。

水庫;水體混合;風力;熱交換;入流;出流

由于氣候循環會引起水庫內溫度分層的現象，水庫內溫度結構形成于年內的變化過程就是熱交換而引起的混合過程。熱交換引起的混合主要在深度方向發展。水庫受風力作用，河流加入水庫或水庫泄水都會促使水庫不僅沿深度方向，同時也沿水平方向發生混合。風的作用尤其是強風的作用所產生的混合(所謂“攪動”)尤為突出。如果水庫或湖泊尺寸很大，特別當寬度很大時，地球自轉產生的柯氏力也會對水庫內水體運動產生影響。現分別就主要影響因素簡述如下。

1 風力作用

風力作用首先施加于水面，給水面以拖曳力，使表層原來處于靜止的水體發生運動，表層運動后逐漸再把風力的能量傳遞給水庫內部，使水體內部誘發紊動。弱風的影響主要局限在表層，強風的影響可直達庫底靜水層。水庫的表面溫水層內之所以溫度分布較均勻，主要是由于風力攪動加快了熱量交換和混合的緣故。

風給予水面的拖曳力大小，主要取決于風的強度(即風速)、大氣邊界層的穩定性、吹程、波的發展及波能量在湖岸消散的情況等，起主導作用的是風速。

風作用于單位面積水面的拖曳力τ可以用下式表達:

式中:u為水面以上10 m高處的風速;ρA為空氣密度;CD為綜合其他影響因素的系數。

許多研究表明，水庫尺寸對CD的影響很小，在湖面所取得的CD值和海面上所獲得的結果幾乎相同。

2 表面熱交換

水庫水體與外部的熱交換主要通過水面。水面熱交換包括太陽輻射熱，大氣輻射熱，水面傳導至空中的熱，水面蒸發所損失的熱，水面輻射所損失的熱，其關系如下式:

式中:hn為水面與大氣熱交換獲得的熱量;hsn為從太陽輻射所獲得的凈熱量;ha為從大氣輻射所獲得的凈熱量;hws為從水面輻射兒損失的凈熱量;he為蒸發失去的熱量;hc為水傳導至空氣的熱量。

3 外來入流

河流進入水庫后可能有3種方式向庫內移動。當入流水溫比庫面水溫高時，進庫后演水庫表面流動，并保持在水庫的表層。若入流的水溫比庫底水溫低，則河水進入水庫后沿庫底流動而后停留于底層。弱河流水溫介于二者之間，即低于表層水溫而高于庫底水溫，則入庫后首先沿庫底流動，當流動到某一高程，庫水水溫與河水水溫溫度相同時，轉向水平方向流動。

入庫水流將把它所持有的動能帶入水庫，所帶進的動能為:

式中:ρ1為進入水庫前原河流密度;A為入庫前河流過水面積;u為過水斷面上任意點流速。

河流加入水庫也會增加(相對于水庫原有勢能)勢能。就以河流進入庫面情況來說，所增加的水體重量與該部分體積形心距某一參考平面高度的乘積，則是增加的勢能值。若入流沉入庫底，是相同體積的另一部分水體升至原庫水位以上，從而使勢能增大。

有外流加入水庫是，其中一部分能量將消耗于水體的混合，例如入流流速較高時，將發生明顯的紊動卷吸作用。

4 出流

水庫泄流將引起庫內水體的流動。泄水孔平面位置或高程的不同將給庫內不同位置的水體流向和流速有不同的影響。

在水庫分層情況下，若泄水流量很小，浮力作用將抑制水體垂直方向流動，泄水僅僅來自與泄水孔高程相同的水平薄層。若泄水流量較大，被泄水層可能擴大而穿過斜溫層。當流量很大時，浮力影響將被沖破，流動形態和不分層水體情況類似。

［1］ 趙文謙.環境水力學［M］.成都:四川大學出版社，2004.

Q17

B

1007－7596(2011)05－0209－01

2011－01－15

陳惠清(1972－)，女，山東陽谷人，工程師;劉福波(1965－)，男，黑龍江勃利人，工程師。