不同洪量對洪家渡水庫水溫分層結構影響分析

張 鵬 飛

(黃河水利職業(yè)技術學院，鄭州 475004)

0 引 言

水溫是評價深水水庫水環(huán)境重要因子之一[1]，在水庫水生態(tài)系統(tǒng)變化過程中起著重要作用。對于深水型水庫，下層水體常年水溫較低，上層水體由于受到外界因素的影響相對而言溫度較高，因此會出現(xiàn)垂向分層的現(xiàn)象，水庫水溫的分層結構一定程度上代表庫區(qū)內水體熱量的空間分布特征[2]。影響水庫水溫分層的因素[3-5]有水文因素、進出水口位置、調度方案、地形條件、庫內水深等因素，根據(jù)這些因子的影響強弱，庫區(qū)內水溫結構由強到弱可劃分為：分層型、過渡型和混合型[6]。一般而言，一年內分層型水庫水溫結構會出現(xiàn)周期性的變化[7]，在表溫層，由于有空氣對流和風浪等作用，表層水體快速混合，水溫變化不大，表溫層的深度主要取決于水體的穩(wěn)定性及水動力條件[8,9]；表溫層以下水體會產生溫度突變，稱為溫躍層；溫躍層以下水體溫度較低，庫底熱量變化平穩(wěn)，稱為滯溫層[10-12]。庫區(qū)內水體水溫分層加劇了水環(huán)境的變化，對水質、水生生物的繁衍、新陳代謝、群落結構及分布有著重要影響[13]，在不同的洪量下分層結構又會發(fā)生變化，因此研究不同洪量下水庫水溫分層結構有著重要意義。

目前研究水庫水溫變化主要有經驗法和數(shù)值模擬法[14]，相比經驗法，數(shù)值模擬法因考慮了熱交換、氣候條件、水動力等因素[15]能較好地用于探討水溫變化規(guī)律而得到廣泛應用。目前針對水溫模擬的一維、二維、三維數(shù)值軟件非常成熟，相比二維模型，三維模型能較好地處理研究區(qū)地形情況、水流運動特性、邊界情況等問題而被廣泛應用于湖、庫水環(huán)境研究中，龍圣海[16]等利用MIKE 3較好的預測了金盆水庫水溫全年水溫變化過程，劉晉高[17]等通過CE-QUAL-W2分析三峽水庫不同異重流條件下水體的水溫分布情況，趙一慧[18]等通過EFDC較好的預測小浪底水庫的壩前水溫分布。

近年來隨著水資源開發(fā)利用程度的加大，梯級水電站越來越多，隨著梯級水庫的建立，天然河流的水流情勢、庫區(qū)水體熱量分配會發(fā)生變化，相應河段水體的水溫也隨之改變[19-21]。目前研究水庫水體溫度分層的文章較多，但有關在不同洪量下水庫水溫分層情況的報道卻極少，尤其是對于梯級電站，又因EFDC模型擁有能靈活的邊界處理技術，能快速的耦合水動力、泥沙和水質模塊，能較好擬合近岸復雜的岸線和地形等優(yōu)點，故本研究建立了洪家渡水庫的EFDC水溫模型，擬對洪水歷時進行考慮，以3 d洪水、5 d洪水、7 d洪水進行研究，針對不同的歷時結合EFDC模型計算分析不同洪量對洪家渡水庫水溫分層結構的影響。

1 洪家渡水庫水動力模型建立

1.1 研究區(qū)域概況

洪家渡水電站(26°51′ ～27°02′N， 105°32′～105°55′E)位于貴州省畢節(jié)市黔西縣與織金縣交界的烏江干流北源六沖河下游段，是烏江干流梯級開發(fā)的第3級電站，洪家渡水庫不承擔下游防洪任務，工程規(guī)模為一等，為多年調節(jié)水庫，電站裝機容量60 萬kW(3×20)，年均發(fā)電量15.94 億kWH。水庫正常蓄水位1 140 m，庫容49.47 億m3，調節(jié)庫容33.61 億m3。

1.2 模型簡介

EFDC模型是美國環(huán)保署支持的三維環(huán)境流體動力學數(shù)值模型，被廣泛用于模擬水系統(tǒng)一維、二維和三維流場、物質輸運(包括溫度、鹽度和泥沙的輸運)、生態(tài)過程以及淡水入流等。目前，該模型還增強了很多水動力過程模擬因素，包括植被阻力、干度和濕度、水動力結構的表示、波浪和湖流邊界層的相互作用以及波動流等。該模型擁有完整的前、后處理軟件，采用可視化的界面操作，能快速的生成網格數(shù)據(jù)和處理圖像文件，計算效率較高，運行速率大約是 POM 的1.85倍。隨著EFDC模型的不斷發(fā)展，其功能愈加完善和強大，應用越來越廣泛。

EFDC模型通過控制方程物理量，通過二階空間有限差分格式求解，采用三層有限差分格式作為模型的時間積分分解求出，通過隱式差分、顯式差分分別計算垂向擴散項、水平擴散項，水平方向上采用平面正交模型進行轉換、垂直方向上采用sigma坐標進行轉換，對于不規(guī)則區(qū)域，一般先轉化再進行網格剖分。坐標轉換方程如下：

x=x(x*,y*)

y=y(x*,y*)

z=(z*+h)/(ε+h)

(1)

式中：x*、y*、z*分別表示橫向、縱向、垂向坐標；x、y、z分別為按對應的坐標系轉換后的橫向、縱向、垂向坐標；ε表示垂向坐標；h為底部地形高程。

2.4 兩組圍生兒并發(fā)癥發(fā)生情況 羊水過少組圍生兒共77胎，正常組圍生兒共78胎。羊水過少組新生兒窒息、足月低體質量兒、胎兒宮內窘迫、吸入性肺炎等圍生期并發(fā)癥發(fā)生率均明顯高于正常組，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見表4。

模型經過上述坐標轉換后對應的連續(xù)方程、動量方程、溫度輸運方程分別如下：

(2)

(3)

(4)

式中：mx、my是坐標轉換系數(shù)(其中m=mxmy)；u、v是轉換后坐標系下x、y方向上的速度分量。

熱輸運方程公式為：

(5)

I=rIsexp[-βfH(1-z)]+(1-r)Isexp[-βsH(1-z)]

(6)

式中：I為太陽短波輻射率；βf為快尺度的衰減系數(shù)；βs為慢尺度下的衰減系數(shù)；r為分配系數(shù)(值為0～1)。

1.3 模型的離散求解

采用二階精度的空間有限差分格式求解控制方程，變量布置采用交錯網格。模型的時間積分采用具有二階精度的三層有限差分格式，采用內外模分裂方式將物理過程分解為內模(斜壓模態(tài))和外模(正壓模態(tài))。外模求解采用半隱格式，利用預處理共軛梯度法同時求解二維水位場。以新的水位值為基礎，通過求解水深平均的正壓速度場得到外模解。外模求解的水平邊界條件包括如下選項：給定表面水位、入流特性、自由輻射的出流條件、邊界的任意部分給定法向體積流量。在和外模相同的時間步內，內模求解垂向擴散項采用隱格式。動量方程內模主要是求解應力和速度的垂向分布。三層時間格式中的時間分裂由周期性插入一個二階精度的兩層時間格式完成。

1.4 網格的構建

洪家渡壩址處河谷斷面為不對稱“V”形，左岸陡峭，為70°～80°的灰?guī)r陡壁。右岸相對較緩，為35°～45°的坡地。概化出的洪家渡水電站河底地形見圖1，網格邊長為25 m，共劃分得7 824個網格，垂向分為40層。

1.5 初始條件的確定

1.5.1 初始水位

1.5.2 初始水溫條件

根據(jù)2013年洪家渡水庫壩前斷面實測資料情況，洪家渡水庫2～15 m為溫躍層，溫差達到5.2 ℃，洪家渡水庫水溫分層區(qū)域為整個庫區(qū)。依據(jù)溫躍層分布情況，將水庫水深沿垂向由小到大分為20層。初始水溫分布根據(jù)2013年洪家渡水庫壩前實測垂向分布水溫設定，取值為模擬月份前一個月的水溫垂向分布值，沒有給定的水層初始水溫按相鄰兩層的數(shù)值進行線性內插。采用2013年洪家渡水庫上游實測水溫作為主流入庫斷面水溫，2013年洪家渡水庫壩前實測垂向分布水溫見表2。

圖1 洪家渡水電站河底地形圖

表1 2013年洪家渡水庫各月平均水位 m

表2 2013年洪家渡水庫壩前斷面各月垂向水溫分布表 ℃

1.5.3 邊界條件

(1)流量邊界條件。共設3個開邊界，凹水河和入庫水流(白甫河和木白河)匯合后于出庫斷面流出。主流入庫流量為總入庫流量減去同時刻的支流流量；洪家渡庫區(qū)主要的支流有三條，凹水河、木白河和白甫河，由于能獲取的支流流量的數(shù)據(jù)不足，能獲取的支流對應的年平均流量分別為7.9、6.45、30.6 m3/s；豐水期流量分別為11.06、9.03、42.84 m3/s；枯水期流量分別為4.74、3.87、18.36 m3/s。根據(jù)研究區(qū)域水文特性，將6-9月劃分為豐水期，12、1、2月劃分為枯水期，其他月份為平水期，模型計算時平水期入庫流量采用對應河段的年均流量，為保證月均水位相等，因此出庫流量設定值與入庫流量相同，出庫流量等于各河段入庫流量之和，最后將對應邊界的入庫、出庫流量平均分配到每一層中。

(2)水位邊界。洪家渡水庫出庫流量考慮模型計算的穩(wěn)定性，按月均水位給定下游水動力邊界條件。

(3)水溫邊界條件的確定。入流水溫邊界分為兩種，一種是主流的入庫水溫，另一種為支流凹水河的入庫水溫。由于支流凹水河是天然河道，水深較淺，河道特征明顯，垂向斷面水溫混合均勻，故采用相應月份的天然水溫作為凹水河入庫水溫，而主流的水溫由于受上游引子渡水電站下泄水溫的影響故不能采用天然水溫，應采用2013年洪家渡壩前斷面實測值(見表2)。 出流水溫根據(jù)2013年洪家渡水庫下泄水溫實測值給定，具體實測值見表3。

表3 2013年洪家渡水庫下泄水溫實測值 ℃

注：表中數(shù)據(jù)為各月水溫的平均值。

(4)大氣邊界條件。大氣邊界條件中大氣壓、空氣溫度、空氣濕度、降雨量根據(jù)當?shù)貙崪y資料給定，蒸發(fā)量、太陽輻射量及云量利用模型，根據(jù)給定的實測大氣邊界條件及洪家渡水電站經緯度自行運算。

1.6 模型率定驗證

根據(jù)模型各參數(shù)之間的影響規(guī)律，采用試算法進行率定計算，即先根據(jù)經驗(或模型中的默認值)給出參數(shù)初始取值，再對模擬值和實際值進行比較，反復調整和試算，直到模擬結果與實測結果擬合效果較好為止，根據(jù)2013年洪家渡水庫壩前斷面各月垂向水溫進行模型的率定驗證，壩前斷面各率定月份模型模擬出的水溫垂向分布曲線和實測值對比分別見圖2～圖5。

圖2 2013年4月洪家渡壩前垂向水溫分布

圖4 2013年10月洪家渡壩前垂向水溫分布

圖5 2013年12月洪家渡壩前垂向水溫分布

從上圖率定結果表明：①洪家渡水庫水溫結構為分層型，與經驗法結論一致；②7月、10月庫區(qū)壩前水溫出現(xiàn)分層現(xiàn)象，水溫隨深度的增加而逐漸降低，上層水體水溫變幅較大，下層水體水溫變幅較小，尤其7月份，庫區(qū)上下層水體水溫溫差達到10 ℃；③庫區(qū)壩前水溫在4月、12月上下層水體水溫相差不大(溫差在2 ℃以內)，筆者推測11月以后由于氣溫的降低，表層水體水溫隨著降低，上層水體與下層水體產生對流現(xiàn)象，上下層水體發(fā)生翻轉致使水溫趨于一致；④模型水溫計算值與實際水溫監(jiān)測值差值在0.5～2.7 ℃，模型率定效果較好，可以用來模擬與計算洪家渡庫區(qū)的水溫分布情況。

根據(jù)對洪家渡水電站水溫的率定，得到EFDC模型計算水溫率定的參數(shù)如下：蒸發(fā)傳熱系數(shù) 1.5、凈水消光系數(shù) 0.45、總懸浮固體消光系數(shù) 0、水體表層水最小太陽輻射吸收率 0.45、河床熱力厚度13 m、初始河床溫度12 ℃、河床反射到水體的太陽輻射的比率 0.003、河床和水體之間的傳熱系數(shù) 0.3。

2 不同洪量對水庫水溫分層結構影響

目前徑流-庫容比法(α-β法)是判別水庫水溫結構常用的經驗公式法[8]。其中α值為多年平均流量與水庫總庫容的比值，當α<10時為穩(wěn)定分層型，10≤α≤20 時為不穩(wěn)定分層型，α> 20 時為混合型；其中β參數(shù)表征了汛期洪水對水溫分層結構影響程度，其值為一次洪水量與水庫庫容的比值，當β>1時，洪水對水溫結構有影響，為臨時混合型；當β<0.5時，洪水對水溫結構無影響；當0.5<β<1，洪水對水溫結構有一定影響，但未破壞水溫的分層結構。這個經驗公式的一次洪水量未明確洪水的具體歷時，當一次洪水量相同但歷時不同時，對水庫水溫分層結構的影響也不一樣，根據(jù)上文α計算方法判斷得本水庫α<10，故為穩(wěn)定分層型。為了具體分析研究不同歷時的一次洪水量對水庫水溫分層結構的影響，取洪家渡水庫庫容V=45 億m3做模型計算，選取3 d洪量、5 d洪量、7 d洪量來計算一次洪水量水庫水溫分層結構所造成的影響，這種影響以庫表與水庫深度為5、20、40、80 m的溫差來體現(xiàn)，當一次洪水量相同但歷時不同時，庫表與水庫各深度的溫差值也不相同，通過模型的計算來說明溫差的具體差異。

模型計算時，根據(jù)設置的流量邊界對水庫分別計算出3 d洪量、5 d洪量、7 d洪量對水庫水溫分層結構的影響，計算結果見圖6。

由圖6分析知：洪水量越大，洪水對水溫的分層結構影響越小，即庫表與各深度的溫差越大。當一次洪水量相同時，歷時越長，洪水對水溫的分層結構影響越小，即庫表與各深度的溫差越大。

根據(jù)模型計算結果，得到3 d洪量、5 d洪量、7 d洪量情況

圖6 不同洪量下水庫庫表與各深度(5、20、40、80 m)水體溫度的差值

下水庫水體在不同β值下庫表與各深度水體的溫差值，結果見表4。

表4 不同洪量、不同β值下水庫庫表與各深度的溫差值 ℃

從表4知：在3 d洪量條件下，當β=0.15時，庫表與庫底的溫差為4.50 ℃；當β=1.9時庫表與庫底的溫差為0.60 ℃；當β從0.15～1.95變化時，庫表與庫底溫差為3.90 ℃。

在5 d洪量條件下，當β=0.15時，庫表與庫底的溫差為5.21 ℃；當β=1.95時，庫表與庫底的溫差為0.57 ℃；當β從0.15～1.95變化時，庫表與庫底溫差為4.64 ℃。

在7 d洪量條件下，當β=0.15時，庫表與庫底的溫差為6.32 ℃，當β=1.95時，庫表與庫底的溫差為0.81 ℃。當β從0.15～1.95變化時，溫差為5.51 ℃。

分析可知：當一次洪水量相同且歷時相同時，β值越大，水庫混合程度越好，即庫表與庫底的溫差越小；當一次洪水量相同且β值相同時，歷時越長，庫表與各深度的溫差越大。

3 結 語

本文選取梯級水電站中的其中一個水庫為研究對象，通過建立EFDC三維水溫模型，采用2013年實測水溫數(shù)據(jù)對模型進行率定，用2014年實測水溫數(shù)據(jù)進行驗證，模擬并分析了全年典型月份洪家渡水庫水溫分層結構特征，在此基礎上進一步探討了不同洪量下對庫區(qū)水溫分層結構的影響，研究表明。

(1)EFDC水溫模型由于充分考慮了熱交換、出入庫流量、風向、風速、降雨、氣溫等因素，模擬值與實測值吻合度較高，說明EFDC模型結構合理、模擬結果可靠，可廣泛應用于深水型水庫水溫預測中；

(2)洪家渡水庫水溫結構為明顯分層型，在7-10月分層較為明顯，上下層水體溫差可達10 ℃，12-4月份上下層水溫相差不大；

(3)一次洪水量相同且歷時相同時，β值(一次洪水量與水庫庫容的比值)越大，水庫混合程度越好，即庫表與庫底的溫差越小；當一次洪水量相同且β值相同時，歷時越長，庫表與各深度的溫差越大。

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