基于Delft3D的水庫水溫模擬技術方法
——以觀景口水庫為例

楊智，葉清華，王成，水艷，李麗華，苗欣慧

(1.淮河水資源保護科學研究所，安徽蚌埠　233001； 2.荷蘭三角洲研究院，荷蘭代夫特　2600 MH)

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基于Delft3D的水庫水溫模擬技術方法
——以觀景口水庫為例

楊智1，葉清華2，王成1，水艷1，李麗華1，苗欣慧1

(1.淮河水資源保護科學研究所，安徽蚌埠233001； 2.荷蘭三角洲研究院，荷蘭代夫特2600 MH)

摘要：觀景口水庫位于重慶市巴南區西部長江南岸一級支流五布河上，水庫建成后將會對庫區水溫和下游河道的水溫產生影響，進而影響整個水生生態系統。采用Delft3D軟件對庫區水溫進行模擬，根據數值模擬結果，觀景口水庫壩前水溫年內垂向分布為分層型。水深0～20 m為變溫層，20～35 m為溫躍層，35 m以下為恒溫層。通過采取疊梁門分層取水后，根據豐、平、枯水年的預測結果，在五布河流域主要灌溉期5—8月平均下泄水溫較單層取水分別升高5.74℃、6.79℃、9.60℃。因此，采用分層取水可以有效減緩低溫水下泄對下游的不利影響。

關鍵詞：水溫；三維；預測；研究

水庫建設通常會呈現壩前水溫垂向分層現象。國內外有較多研究表明，水溫的變化會影響魚類的生長、產卵、繁殖和分布[1-2]，改變河道的生物群落[3]，影響河道的水生生態系統[4-5]；低溫水灌溉也會對農作物的生長期、產量等造成影響[6]。因此，在水庫建設環境影響評價過程中開展水庫水溫分層結構研究，針對下泄低溫水采取分層取水等措施，對改善下游河道生態環境有重大意義。

目前，國內外的水庫水溫研究主要集中在水溫實際觀測與模型、大壩水溫影響、水溫環境影響、水溫調控措施等方面。國外對水庫水溫研究經歷了水溫觀測、影響因素及壩工溫度場計算、水溫數學模型及分層取水設計3個發展階段。我國的水庫水溫研究以工程設計和管理需要為目的，重點集中于水庫水溫的實際觀測與模擬計算方法。20世紀70年代根據水庫的實際水溫觀測數據總結了很多水庫水溫經驗估算公式；80年代后，不斷吸收引進國外水溫數學模型的先進成果和經驗，并開展了減緩低溫水對環境不利影響的工程措施研究。其中具有代表性的幾種經驗公式為：東北勘測設計院張大發方法[7]、水利水電科學研究院朱伯芳方法[8]和統計分析方法[9]等。

擬建的觀景口水庫將改變水庫水體水溫，同時不可避免地會對下游河道水溫產生影響，進而影響整個水生生態系統。因此，預測水庫建成后的水溫分布情況并根據預測結果采取相應措施，對保護下游生態系統具有重要的實際意義。

1研究區域和工程概況

1.1研究區域

觀景口水庫選定壩址位于五布河干流的重慶東泉鎮雙勝場，壩址以上流域面積439 km2、主河道長59.0 km。五布河流域位于亞熱帶濕潤季風氣候區，根據巴南氣象站統計，1971—2010年多年平均氣溫18.3℃，極端最高氣溫為42.3℃，極端最低氣溫為-1.8℃，多年平均日照數1 134 h，多年平均相對濕度81%，多年平均水面蒸發量702 mm(E601)。流域多年平均降水量1 104 mm，但年內分配不均，汛期5—9月占全年的67.0%，最大年降水量1 487 mm，最小年降水量892 mm。五布河屬山溪小河，集雨面積小、河長短、比降大，具有山溪河流陡漲陡落的特點。

1.2工程概況

觀景口水庫是一座大(二)型水庫，興利庫容1.19億m3，總庫容1.52億m3。根據工程任務確定的水庫特征水位為：正常蓄水位281 m，汛限水位281 m，死水位254 m，水庫多年平均水位為276.18 m。

輸水建筑物采用岸塔式進水口，擬建疊梁門式分層取水結構，布置在樞紐的左岸岸坡，距壩頭約400 m。輸水工程設計輸水流量4.76 m3/s，加大輸水流量5.76 m3/s。

2水庫水溫研究方法

2.1經驗公式法

水庫水溫分層狀況與水深、水庫運行方式和水體交換的頻繁程度、徑流總量及洪水規模緊密相關。水庫水溫結構判別采用《水利水電工程水文計算規范》和《水利水電建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南(試行)》中的α-β法判別公式，有兩個判別指標：α=多年平均徑流量/總庫容；β=一次洪水量/總庫容。當α≤10為分層型；10<α<20為分層型或混合型；α≥20為混合型。當β≤5為穩定分層型；0.5<β<1為穩定型或臨時混合型；β≥1.0為臨時混合型。

觀景口水庫總庫容1.52億m3，水庫壩址處多年年均天然徑流量為2.34億m3，100年一遇三日洪量為7 650萬m3。經計算，α=1.539，β100=0.503。對照α、β判別指標，水庫水溫呈分層型；在遭遇100年一遇洪水時，水庫水溫可能為穩定分層狀態，也可能出現臨時混合型水溫。

2.2Delft3D數值模擬法

采用荷蘭三角洲研究院(Deltares)開發的Delft3D Flow軟件包，計算范圍的確定考慮工程、資料及研究目的等因素。計算區域東西長約6 km，南北寬約12 km。利用中科院空間地理數據庫查找到的水庫區域30 m×30 m分辨率的DEM。用Arcgis處理后輸入Rgfgrid，采用Rgfgrid 程序生成正交曲線網格。網格的疏密根據需要確定，主要位置及工程鄰近區域網格布置較密，非主要位置相對較疏。最小網格間距約15 m，最大網格間距約300 m。最大網格數為164×8 個。網格確定后，利用Delft3D中的Qickin模塊通過平均高程法確定每個網格中的地形高程。入流為上游蘆溝和五步兩個支流，出流設計方案布置在壩前左岸。經試算調整后，曼寧糙率系數取值0.018。橫向粘滯度和擴散系數分別采用推薦值1 m2/s和10 m2/s。縱向黏滯度和擴散系數由Delft3D根據傳輸方程的能量項自動計算。主要水動力學方程如下：

傳輸方程：

根據觀景口水庫可研方案中的水文調算結果，依照庫容曲線確定豐、平、枯水年年初蓄水水位。初始水溫根據重慶開縣鯉魚塘水庫1月水溫觀測結果設為10℃。入庫流量按上游蘆溝和五布兩個支流面積比例將壩址處流量調節結果(豐、平、枯3個年型)分配給兩個支流作為入庫流量。用巴南氣象站觀測到的系列平均氣溫作為Delft3D中熱交換模型的背景氣溫。根據資料收集情況，確定用外部溫度模式進行計算，該模塊只需要提供氣溫和水面面積數據。

根據建立的模型模擬壩前水溫垂向分布，用Delft3D中的z-layer模式將水庫垂向分為19層。假定工程未設表層取水設施，設為“單層取水方案”，在出流設置中設壩址處出水從246 m高程出流。工程實際擬采用4 m×8層的疊梁門分層取水方案，門頂最小淹沒深度為3 m，取水庫表層水，設為“分層取水方案”，取水水溫根據疊梁門的工程運行和模擬水位變化，通過在Delft3D中的operation設為根據水位變化分別設在不同層取水。

由于五步河上下游均無歷史水溫觀測資料，因此在水溫預測模擬過程中收集了重慶開縣鯉魚塘水庫的歷史水溫觀測資料。鯉魚塘水庫工程地處長江支流小江的二級支流桃溪河的上游，建成于2008年，水庫樞紐距開縣縣城47 km，距重慶市城區約350 km，壩址以上流域面積235.8 km2，多年平均年徑流量1.66億m3，多年平均流量5.28 m3/s，水庫正常蓄水位450 m，總庫容1.024億m3，屬于多年調節水庫。用鯉魚塘水庫庫表水溫觀測結果對觀景口水庫壩前庫表水溫進行驗證，結果如圖1所示。預測結果和實測水溫較為接近，表明水溫預測參數選取合理。

圖1　觀景口水庫表層水溫模擬和鯉魚塘水庫庫表實測水溫比較示意圖Fig.1　The comparison of the simulated surface water temperature in Guanjingkou Reservoir and the measured surface water temperature in Liyutang Reservoir

3水溫模擬結果分析

3.1分層取水模擬結果

根據數值模擬結果，觀景口水庫壩前水溫年內垂向分布為分層型。其中水深0～20 m為變溫層，20～35 m為溫躍層，35 m以下為恒溫層。壩前水庫水溫預測模擬結果見圖2至圖4。

圖2　豐水年壩前水溫垂向分布預測模擬結果Fig.2　The simulated temperature profile in front of the dam in a high flow year

圖3　平水年壩前水溫垂向分布預測模擬結果Fig.3　The simulated temperature profile in front of the dam in a normal flow year

圖4　枯水年壩前水溫垂向分布預測模擬結果Fig.4　The simulated temperature profile in front of the dam in a low flow year

3.2分層取水效果分析

擬建的取水口為表層取水，取水溫度和模擬預測表層水溫一致。未設置分層取水時，擬從高程246 m處取水。豐、平、枯年模擬預測的未分層取水處水溫和分層取水處水溫比較見圖5。

圖5　分層取水和單層取水水溫預測模擬結果對比圖Fig.5　The comparison of simulated water temperature discharged from stoplog gate and single gate

根據模擬分析，工程擬采用疊梁門分層取水方案。根據豐、平、枯水年的預測結果，在五布河流域灌溉期5—8月平均下泄水溫較單層取水分別升高5.74℃、6.79℃、9.60℃。

4結論和建議

根據經驗公式計算，觀景口水庫水溫結構為分層型。按照Delft3D三維水動力—水溫耦合數值模型模擬結果，觀景口水庫未采取分層取水措施情況下，單層取水和天然河道水溫相比偏低。在豐、平、枯水年條件下，水庫單層取水方案下泄水溫月均最大值分別為25.59℃(8月)、24.43℃(9月)、24.47℃(9月)；月均最小值分別為9.69℃、9.71℃、9.48℃，均出現在2月；在五布河流域主要灌溉期5—8月，下泄水溫較河道天然水溫低，特別是枯水年，最大降幅約10℃。經采取疊梁門方式分層取水后，根據豐、平、枯水年的預測結果，在五布河流域主要灌溉期5—8月平均下泄水溫較單層取水分別升高5.74℃、6.79℃、9.60℃。

因此，采用分層取水可以有效減緩低溫水下泄對水庫下游的不利影響。

本次模擬選擇的Delft3D的z-model模式根據高程固定分層，分別考慮到干濕變化，能夠考慮疊梁門的定高程情況。不足之處是由于條件所限，未能收集更多資料開展模擬。未來在開展長期水溫、水文和氣象觀測的基礎上可進一步提高和完善。

參考文獻(References)：

[1]張陸良, 孫大東. 高壩大水庫下泄水水溫影響及減緩措施初探[J]. 水電站設計, 2009, 25(1):76- 78.

[2]Ferguson R G. The Preferred Temperature of Fish and their Midsummer Distribution in Temperate Lakes and Streams[J]. Journal of the Fisheries Research Board of Canada, 1958, 15(4): 607- 624.

[3]Jonsson N. Influence of water flow, water temperature and light on fish migration in rivers[J]. Nordic Journal of Freshwater Research, 1991.

[4]黃麗華, 程璜鑫. 觀音堂庫區水溫變化對水生態環境影響的分析[J]. 湖南環境生物職業技術學院學報, 2004, 10(4): 316- 319.

[5]婁云, 楊智, 水艷. 安徽白蓮崖水庫庫區水溫結構及影響分析[J]. 治淮, 2011(12):101.

[6]鮑其鋼, 喬光建. 水庫水溫分層對農業灌溉影響機理分析[J]. 南水北調與水利科技, 2011, 9(2): 69- 72.

[7]張大發. 水庫水溫分析及估算[J]. 水文, 1984(1): 19- 27.

[8]朱伯芳. 庫水溫度估算[J]. 水利學報, 1985(2): 12- 21.

[9]岳耀真, 趙在望. 水庫壩前水溫統計分析[J]. 水利水電技術, 1997(3): 2- 7.

收稿日期：2016-02-27

作者簡介：楊智(1974—)，男，安徽淮南人，教授級高級工程師，博士，主要研究方向為水環境模擬、環境影響評價，E-mail：smartd@hrc.gov.cn

DOI:10.14068/j.ceia.2016.04.013

中圖分類號：X820.3；TV697.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6444(2016)04-0047-04

Simulation Technology of Water Temperature with Delft3D—A Case Study of Guanjingkou Reservoir

YANG Zhi1, YE Qing-hua2, WANG Cheng1, SHUI Yan1, LI Li-hua1, MIAO Xin-hui1

(1.Institute of Huai River Water Resources Protection, Bengbu 233001, China; 2.Deltares, Delft 2600MH, Netherlands)

Abstract:The Guanjingkou Reservoir is located in Wubu River, which is the first tributary of Yangze River in Banan District of Chongqing city. The water temperature in the reservoir and downstream, and the aquatic ecosystem would be impacted by the construction of reservoir. This paper simulated the water temperature in Guanjingkou Reservoir by using the Delft3D model. According to the simulation results, the temperature profile in the reservoir was divided into three layers vertically: the upmost epilimnion layer was located within 20 meters depth from the surface, the thermocline layer was from 20 to 35 meters, and the constant temperature layer was below 35 meter. The temperature effects could be reduced by countermeasures of using stoplogs stratified intake structure. Based on the simulation results in the high, normal, and low flow years, the discharge water temperatures from the stoplogs were increased by 5.74℃、6.79℃、9.60℃ in the irrigation period from May to August, respectively, in comparison to the monolayer water intake. The negative impacts from the discharge water with lower temperature on the related ecosystem can be significantly mitigated.

Key words:water temperature; three dimension; prediction; study