紫坪鋪水庫水溫變化規律

吳宇雷，梁瑞峰，李嘉，李永，李克鋒

(四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川成都　610065)

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紫坪鋪水庫水溫變化規律

吳宇雷，梁瑞峰，李嘉，李永，李克鋒

(四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川成都610065)

水庫水溫對于生態系統具有決定性的影響。對紫坪鋪水庫庫尾天然河道、壩下進行逐時連續觀測，分降溫期和升溫期對紫坪鋪水庫進行兩次全庫區觀測，結合數值模擬對觀測結果進行了分析。紫坪鋪電站調節導致下泄水溫呈現冬季高溫和春季低溫現象，下泄水溫變幅遠低于入庫水溫變幅。數值模擬較好地計算了庫尾水溫無分層結構到壩前分層結構的發展過程，模擬出在入流、出流和水氣界面熱交換影響下垂向溫躍層的形成和發展。水庫淤積和發電進水口附近的三維流場效應導致枯期計算水溫系統性偏低于實測水溫。

水庫水溫；原型觀測；數值模擬；水庫淤積

大型水庫的建設將對庫區及壩下水生環境帶來不可避免的影響。水溫作為一項重要水質要素，對于水生生物乃至整個生態系統都具有決定性的影響。水庫水溫研究一般采用理論研究、室內實驗和野外觀測3種方式。英國和前蘇聯在20世紀30年代就開始對水庫水溫進行理論研究及實地監測。美國在水溫數學模型的建立和應用方面一直處于前沿水平[1-4]。日本在水庫低溫水灌溉對水稻產量的影響及水庫分層取水方面進行了很多研究。我國從20世紀50年代中期開始進行水庫水溫觀測，近年來在野外觀測及數學模型方面均取得了一批有價值的研究成果，先后對瀾滄江、二灘水庫、龍羊峽水庫等進行了水溫變化規律的系統監測[5-8]。這些觀測對于認識水庫調節帶來的水溫影響無疑具有不可替代的作用。但一方面，這些觀測或受限于歷史條件和儀器水平，或只監測部分影響因素，不能充分地反映水溫變化的主要影響因素；另一方面，受原型觀測水庫的規模限制，所得到的水溫規律適用性有限。如目前廣泛用于判斷水庫水溫結構的α-β法[9]，是由日本學者在20世紀80年代中期總結其國內已建水庫特性得到，但其觀測水庫最大庫容僅4×108m3。現有觀測已表明，該方法在判斷大型水庫甚至中小型水庫水溫結構方面存在明顯偏差。

綜上可知，隨著國內大型水利水電工程的開發，對水庫調節水溫影響規律的認識仍有待深化。本文擬通過對岷江上游紫坪鋪水庫的來流水溫、壩下水溫、水庫調度、同步氣象等實測資料進行分析，結合與數值模擬結果的對比，研究具有一定調節能力的水庫對水溫影響的主要途徑及幅度。

1　紫坪鋪水庫水溫原型觀測

2009年11月6日、2010年7月6日對紫坪鋪水庫全庫區進行了水溫觀測，分別作為數學模型計算的初值和庫區驗證值；并于2009年10月20日至2010年7月15日期間對水庫庫尾和下泄水溫進行了逐時連續觀測，作為數學模型計算的水溫來流條件和下泄水溫驗證值。

1.1工程特性

紫坪鋪水利樞紐工程位于四川省成都市西北部岷江上游，是一座以灌溉和供水為主，兼有發電、防洪等綜合效益的水利工程。紫坪鋪水庫總庫容為11.12×108m3，調節庫容7.74×108m3，具有不完全年調節能力，正常蓄水位877 m，死水位817 m。

電站發電、泄洪等泄流孔口垂向位置在水溫分層情況下將影響下泄低溫水的水溫變化幅度。紫坪鋪電站的發電引水口底板高程(800 m)與泄洪洞高程相同，沖砂放空洞低于電站進水口30 m。觀測期內泄洪及沖砂洞均有使用。

1.2水庫調度

紫坪鋪水庫大壩上游12 km處有支流壽溪河匯入，壽溪河多年平均流量與岷江干流紫坪鋪水文站多年平均流量相比低于5%，可認為全部來流均為干流流量，不考慮壽溪河來流對紫坪鋪水溫的影響。

收集到觀測期間水庫的逐日入出庫流量、電站發電引用和泄洪流量，其中泄洪主要發生在6—7月。水庫在觀測期間均未蓄至正常蓄水位877 m，在2009年11—12月以相對高水位運行，從2010年1月中旬進入供水期水位迅速降低，至5月初接近死水位，5月中旬進入汛期后水位再度迅速抬升。

1.3氣象、入庫水溫與壩下水溫

庫區氣象條件采用距離壩址8.7 km的都江堰氣象站作為參證站。入庫水溫為紫坪鋪庫尾映秀電站下泄水溫的連續監測值，出庫水溫為紫坪鋪壩下的水溫連續監測值。

1.4庫區水溫

2009年11月6日、2010年7月6日測量的全庫區水溫分布見圖1、圖2，圖中散點為水溫測點，等值線根據散點測值插值得到。

圖1　2009年11月6日紫坪鋪庫區實測溫度分布Fig.1　Observed water temperature distribution of Zipingpu Reservoir on Nov. 6th, 2009

圖2　2010年7月6日紫坪鋪庫區實測溫度分布Fig.2　Observed water temperature distribition of Zipingpu reservoir on Jul. 6th, 2010

2009年11月6日(冬季)的測量中，由于來流水溫低于庫區水溫，來流沿庫底向壩前爬行，壩前除表層外大都同溫，庫區僅在表層10 m內受氣象條件影響存在溫差。而在2010年7月6日(夏季)的測量中，來流水溫在16℃左右，水流進入庫區14 km左右后脫離庫底，在流動層上緣(即表層)、下緣(770 m高程附近)分別形成溫躍層，水庫的分層現象較為明顯。發電引水和泄洪孔口均高于底部的溫躍層，下泄低溫水現象不明顯。

2　紫坪鋪水庫水溫模擬分析

為進一步分析實測水溫，采用寬度平均的立面二維水庫水溫數學模型對紫坪鋪水庫的水溫變化進行模擬，模擬結果見圖3至圖5。

圖3　紫坪鋪庫區2010年7月6日模擬值與實測水溫分布比較Fig.3　Comparison of simulated and observed water temperature distribition of Zipingpu reservoir on Jul. 6th, 2010

圖4　紫坪鋪庫區2010年7月6日模擬與實測的垂線水溫比較Fig.4　Comparison of simulated and observed vertical temperature profiles of Zipingpu reservoir on Jul. 6th, 2010

圖5　2009年11月6日至2010年7月15日紫坪鋪下泄水溫比較Fig.5　Comparison of discharged and observed water temperature of Zipingpu during Nov. 6th, 2009 to Jul. 15th, 2010

2.1數學模型與計算條件

寬度平均的立面二維水庫水溫數學模型采用k-ε雙方程紊流模型，考慮了出入流水文過程、來流水溫過程、水汽界面熱交換，庫底采用絕熱邊界。

模型氣象、水溫、水文等邊界條件均采用實測的逐日值，出流根據電站調度的實際流量分別從發電引水孔口、沖砂放空洞、泄洪排沙洞下泄。

熱通量計算采用的太陽輻射表面吸收系數β和太陽輻射在水體中的衰減系數η，分別取值0.65和0.5。

以2009年11月6日測量的全庫區水溫分布作為計算初始水溫(圖1)。根據庫尾入流水溫進行多年循環計算流場的初值，待穩定收斂后以11月6日的流場分布作為初始流場。

2.2模擬結果與相關分析

(1)庫區水溫

圖3比較了2010年7月6日模擬與實測的庫區內水溫分布，顏色代表溫度值，相同位置處實測點與模擬等溫線顏色越趨一致，表明模擬值與實測值吻合得越好。

與實測值相比，模擬也得到了庫區的雙溫躍層現象，庫區大部分模擬值與實測值吻合較好。但模擬得到的表層水溫要高于實測值，應是模型未考慮風摻混引起的表層溫度均化和山體遮蔽部分輻射所致。壩前庫底模擬得到了7℃的低溫，而實測的最低值為8.4℃，但從實測的8.4℃附近變化趨勢分析，在靠近庫底的位置有可能存在更低水溫。

模擬水溫分層強度總體要大于實測值，如模擬得到的16℃水溫等值線位于發電孔口下方，而非實測的上方(圖2)。該偏差可能由地形精度引起。模擬采用“5·12”地震前的地形測量數據，地震淤積帶來的庫容損失使水庫調節性能下降，分層強度降低。庫區兩次測量的所有垂線均未探至深泓線，也從側面反映了淤積影響。

圖4提取模擬值的垂線數據，并與實測數據進行單線對比。

距庫尾14.3 km處的實測和模擬水溫表層均出現溫躍層，實測表層水溫比模擬水溫低3.7℃。表層溫躍層之下的水溫模擬值與實測值較為接近，比實測值高約0.2℃。

距庫尾18.2 km處的實測與模擬水溫仍存在溫躍層，實測表層水溫比模擬值低1.2℃，與距庫尾14.3 km處垂向水溫相比已較為接近。主要由于隨著水流向大壩前行，水面逐漸開闊，兩側山體對水面氣象條件的影響逐漸減弱。

距庫尾21.5 km和23.6 km處的表層之下的實測與模擬水溫較為接近。實測的表層水溫已比模擬水溫高，一方面是由于壩前水面開闊山體影響減弱，另一方面則是因為實測水溫所測的是一條垂線，而模擬值是一個寬度平均的數值，實測水溫垂線不能充分反映河寬方向的表層水溫變化。

(2)下泄水溫

圖5比較了水庫出流模擬水溫和壩址下游實測水溫過程。模擬下泄水溫過程與壩下水溫過程總體吻合，2009年11月6日至2010年4月5日模擬水溫略偏低，最多低1.2℃，2010年5月9日至7月15日的實測水溫與模擬水溫較為接近。其中，2009年12月至2010年3月底模擬水溫比實測水溫系統性偏低，可能由三維效應引起。在升溫期由于溫躍層逐漸形成，進水口附近三維流場效應導致上層溫度較高的水被吸入進水口，造成實測下泄水溫偏高。而目前二維水溫模型尚不能模擬出進水口局部的三維效應，因此應進一步研究通過局部參數優化改善模型對取水口附近流場的模擬。與此同時，水庫淤積導致調節性能降低，對枯水期小流量影響較大，來流水體可在較短時間內流到壩前，弱化了由于水體延遲出庫帶來的低溫水現象。

3　結論

通過對岷江紫坪鋪水庫水溫的原型觀測，對河流水溫和庫區、壩下水溫變化規律進行分析，采用數值模擬對庫區及下泄水溫進行對比研究。結果表明：

(1)水庫調節帶來下泄水溫冬季高溫和春季低溫現象。11月至次年2月下泄水溫平均比入庫水溫高1.7℃，3—4月下泄水溫平均比入庫水溫低0.8℃。

(2)庫區在冬季分層現象不明顯，僅在表層存在一定溫差；庫區在升溫期存在明顯分層現象，存在雙溫躍層現象。

(3)數值模擬較好地計算了庫尾無分層結構到壩前分層結構的發展過程，模擬出在入流、出流和水汽界面熱交換影響下溫躍層的形成和發展。

(4)庫區實測水溫的分層強度要弱于模擬結果，應是由于水庫淤積帶來的調節性能降低所致。

(5)進水口附近三維流場效應和水庫淤積將引起枯水期水溫模擬值比實測系統性偏低。

[1]G. T. Orlob, L. G. Selna. Temperature Variation in Deep reservoirs[J]. J. of Hydr. Div., ASCE, 1970, 96(2): 391-410.

[2]D. R. F. Harleman. Hydrothermal Analysis of lakes and reservoirs[J]. J. of Hydr. Div., ASCE,1982, 108(3): 301-325.

[3]W. C. Huber, D. R. F. Harleman. Temperature Prediction in Stratified reservoirs[J]. J of Hydr. Div., ASCE,1972, 98(4): 645-666.

[4]J. Imberger, John Patterson, Bob Hebbert,etal. Dynamics of reservoir of medium size[J]. J. of Hydr. Div., ASCE, 1978, 104(5):725-743.

[5]劉蘭芬, 陳凱麒, 張士杰, 等. 河流水電梯級開發水溫累積影響研究[J]. 中國水利水電科學研究院學報, 2007, 5(3): 173-180.

[6]宋策, 周孝德, 辛向文. 龍羊峽水庫水溫結構演變及其對下游河道水溫影響[J]. 水科學進展, 2011, 22(3): 421-428.

[7]李冰凍, 李嘉, 李克鋒, 等. 二灘水庫壩前及下泄水體水溫分布現場觀測與分析[J]. 水利水電科技進展, 2009, 29(4): 21-23.

[8]L Baohong, K Yuee, Z Hanwen,etal. Field observation of water temperature profiles in large reservoirs with different features[C]//Hydrological Cycle and Water Resources Sustainability in Changing Environments, 2011, 350: 359-368.

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

Study on Water Temperature Change of Zipingpu Reservoir

WU Yu-lei, LIANG Rui-feng, LI Jia, LI Yong, LI Ke-feng

(State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng., Sichuan Univ., Chengdu 610065, China)

Water temperature in reservoirs has significant impact on ecosystem. In order to study the water temperature change of Minjiang River, a series of water temperature observations and researches of Zipingpu Reservoir were conducted, which included continuous observations in the natural river upstream and downstream of the dam. Meanwhile, observations in the reservoir were carried out in the temperature rising period and decreasing period, respectively. Combined with numerical simulation, the prototype observation data was analyzed. The regulation of Zipingpu power station led to the phenomenon that the discharge water temperature was high in winter and low in spring. In addition, the discharge water temperature variation is much lower than the storage temperature changes. The development process of water temperature stratification from low intensity in the reservoir tail to high intensity in front of the dam was well predicted by numerical simulation, as well as the formation and development of vertical thermocline that were affected by inflow and outflow of the reservoir and heat exchange at air-water interfaces. However, due to reservoir sedimentation and three-dimensional effect of flow field near the reservoir outlet, computed values of temperature in dry season were lower than the observed data.

reservoir water temperature; prototype observation;numerical simulation; reservoir sedimentation

2016-02-27

國家自然科學基金(51279114；51379136；51479127)

吳宇雷(1991—)，男，四川樂山人，碩士研究生，主要研究方向為環境水力學，E-mail：308047873@qq.com

梁瑞峰(1974—)，男，河南南陽人，副教授，博士，主要研究方向為環境水力學，E-mail：liangruifeng@scu.edu.cn

10.14068/j.ceia.2016.03.007

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0024-05