前坪水庫高水頭分層取水水溫分布研究

倫冠海，皇甫澤華，尚俊偉，王東棟，歷從實

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽合肥230001；2.河南省前坪水庫建設(shè)管理局，河南鄭州450003）

修建高水頭大型水庫給社會帶來巨大社會和經(jīng)濟效益的同時產(chǎn)生了很多其他問題，如影響水庫泄水水溫[1]，而水溫對農(nóng)業(yè)灌溉和河流水生態(tài)環(huán)境影響很大[2-4]，這已經(jīng)成為水利水電工程規(guī)劃和建設(shè)中水生態(tài)環(huán)境保護的重點關(guān)注內(nèi)容之一[5-7]。分析研究高水頭水庫的水溫垂向分布規(guī)律及分層取水對放水溫度的影響，科學(xué)預(yù)測和評價水庫放水溫度，可以為水庫的設(shè)計與調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)[8-11]。

目前經(jīng)驗方法和數(shù)學(xué)模型方法常用來指導(dǎo)高水頭水庫分層取水設(shè)計，并已進行了較多的工程實際運用，隨著商業(yè)計算軟件越來越成熟，數(shù)值模擬已能較準確地分析水庫不同取水高程下的放水溫度。本文通過庫區(qū)內(nèi)水文氣象站提供的水文氣象資料，采用DELFT3D FLOW軟件（由荷蘭德爾夫特水力研究院開發(fā)）模擬水庫流場和水溫場，研究不同典型年、不同取水口對下泄水溫的影響[12-13]。

1 模型設(shè)計

水庫中水的溫度垂直結(jié)構(gòu)分為分層型、混合型和過渡型三種類型[14-16]。影響水庫水溫垂直結(jié)構(gòu)分布的因素主要有水庫幾何特征、水文和水力因素、地質(zhì)地貌特征、氣象因素和地理位置等。

通常采用α—β法（庫水交換次數(shù)法）判斷水庫水溫的垂直分層情況。

當(dāng) α＜10時，為分層型；當(dāng)10＜α＜20時，為過渡型；α＞20時，為混合型。對于分層型水庫，β＞1的洪水，為臨時性混合型；β＜0.5的洪水，水庫穩(wěn)定分層；0.5＜β＜1的洪水影響介于前兩者之間。

前坪水庫壩址處多年平均徑流量為3.321億m3，5 a一遇3 d洪量為0.957億m3，10 a一遇3 d洪量為1.709億m3，20 a一遇3 d洪量為2.570億 m3，50 a一遇3 d洪量為3.809億 m3，計算得到α=0.57＜10、β5=0.16＜0.5、β10=0.29＜0.5、β20=0.44＜0.5、β50=0.65＞0.5，由此可判定該水庫水溫結(jié)構(gòu)為分層型。從水庫表面到水深15 m為溫度變化層，該層水溫受空氣溫度的影響很大；水深15～40 m為溫躍層，水溫隨水深劇烈變化；水深40 m以下為滯溫層，垂直溫度變化較小。且從50 a一遇洪水開始對分層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

采用DELFT3D FLOW軟件進行模擬計算，DELFT3D FLOW集成了二維和三維水流、水質(zhì)（DELWAQ）、水溫、泥沙（SED）和演變（MOR）等計算程序，軟件中水動力計算程序包含了風(fēng)和波的影響，并且可模擬水溫、鹽度等要素。主要水動力學(xué)方程如下：

式中：ξ、η、ω為曲線坐標；ζ為水位；d為水深；σ為應(yīng)力；為ξ方向上的坐標變換系數(shù)；為η方向上的坐標變換系數(shù)；u為ξ方向上流速；v為η方向上流速；w為ω方向上流速；νv為縱向黏滯系數(shù)；ρ0為水的密度；Pξ為ξ方向靜水壓力；Pη為η方向靜水壓力；f為科氏力系數(shù)；Fξ為ξ方向的紊動矩通量；Fη為η方向的紊動矩通量；Mξ為ξ方向的能量變化量；Mη為η方向的能量變化量。

DELFT3D FLOW提供了5種大氣熱交換通量計算模式，根據(jù)收集到的資料，確定用Ocean溫度模塊進行計算，該模塊需要提供經(jīng)緯度、相對濕度、空氣溫度和云蓋度，蒸發(fā)熱量、對流傳導(dǎo)熱量、潛熱、有效長短波輻射量、垂向熱量交換等均在計算范圍中。邊界條件由陸邊界（無通量）和水邊界（水位或流量）組成。本次模擬采用上游流量邊界和下游（壩前取水）流量邊界。工程、資料及研究目的等也是計算考慮的因素。計算區(qū)域為水庫淹沒區(qū)域。

采用Rgfgrid程序生成正交曲線網(wǎng)格。根據(jù)需要確定網(wǎng)格的疏密，該工程主要部位及工程鄰近區(qū)域網(wǎng)格加密排列，非主要部位布置相對稀疏。總網(wǎng)格數(shù)為129×13個，見圖1。網(wǎng)格確定后，使用中國科學(xué)院空間地理數(shù)據(jù)庫查找?guī)靺^(qū)30 m×30 m分辨率的DEM。用Arcgis處理后輸入Rgfgrid，利用Qickin通過平均高程法確定每個網(wǎng)格的高程。

圖1 水庫計算網(wǎng)格示意

根據(jù)方案調(diào)算結(jié)果，考慮到該水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，分別選擇豐水年、平水年、枯水年、特枯水年的水文調(diào)算結(jié)果作為模型輸入?yún)?shù)，同時依照庫容曲線確定豐、平、枯、特枯水年計算時對應(yīng)的年初蓄水水位，初始水溫設(shè)為5.2℃。

各典型年出庫流量見表1，出庫流量為壩址處調(diào)節(jié)計算結(jié)果。根據(jù)庫區(qū)范圍內(nèi)水溫監(jiān)測資料，采用水文站統(tǒng)計的1999—2010年河道月平均水溫資料進行分析，見表2。采用的周邊氣象站多年平均氣象資料作為DELFT3D FLOW中Ocean模塊的背景資料，見表3。

表1 出庫流量調(diào)節(jié)結(jié)果 m3/s

根據(jù)建立的模型，模擬水庫中水溫的垂直分布，利用DELFT3D FLOW中的z-layer模型將水庫垂向分為22層。上游采用豐、平、枯、特枯年份來水水溫和河道天然水溫輸入，下游采用出流水溫。分別模擬豐、平、枯、特枯年份上游來水、庫區(qū)單層和分層取水情況下水庫壩前水溫。

經(jīng)過比選，該工程采用4層取水方案，門頂最小淹沒深度為1.5 m。其中取水塔下部洞口底板高程為361 m，中間兩個取水洞口底板高程為372、382 m，最上層取水洞口底板高程為392 m。為準確模擬分層取水方案，在出流設(shè)置中根據(jù)不同典型年的水位情況在保證安全水深的條件下設(shè)置壩址處分層出流方案。單層取水口底板高程為361 m。

表2 河道水溫資料℃

表3 多年平均氣象資料統(tǒng)計

2 模擬結(jié)果

2.1 水溫模擬結(jié)果

分層與單層取水水溫模擬結(jié)果對比見圖2。分層取水方案下，豐、平、枯、特枯4個典型年大部分時段分層取水水溫比單層取水水溫高。豐水年4—7月分層取水水溫高于單層取水水溫，增高幅度為2.38～8.81℃，在其他月份，分層取水水溫低于單層取水水溫，減小幅度為0.42～3.83℃；平水年4—9月分層取水水溫高于單層取水水溫，增高幅度為1.08～5.20℃，在其他月份，分層取水水溫低于單層取水水溫，降低幅度為1.84～2.93℃；枯水年4—8月分層取水水溫高于單層取水水溫，增高幅度為0.69～8.73℃，在其他月份，分層取水水溫低于單層取水水溫，降低幅度為0.30～7.14℃；特枯水年4—11月分層取水水溫高于單層取水水溫，增高幅度為2.95～8.76℃，在其他月份，分層取水水溫低于單層取水水溫，降低幅度為0.03～0.18℃。

2.2 水庫低溫水對下游灌溉的影響分析

通過調(diào)查水庫灌區(qū)數(shù)據(jù)資料和分析當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計年鑒可知，灌區(qū)內(nèi)作物主要有小麥、玉米、棉花、煙草、花生、油菜、綠豆、油菜籽和芝麻等。根據(jù)《農(nóng)業(yè)用水灌溉水質(zhì)標準》，農(nóng)業(yè)灌溉最高水溫為35℃，對最低水溫沒有要求。根據(jù)我國農(nóng)業(yè)灌溉經(jīng)驗，作物生長期水溫一般要求不低于12℃，作物的適宜灌溉水溫一般在20℃以上，夏季作物的適宜灌溉水溫為25℃以上。

圖2 分層與單層取水水溫模擬結(jié)果對比

灌溉主要用水季節(jié)為2—10月，單層取水相應(yīng)的水溫較天然河道水溫低，如直接利用從水庫引取的低溫水進行灌溉，可能會影響農(nóng)作物生長。分層取水各典型年相應(yīng)的取水水溫除了2—4月偏低外，其余時段均能滿足灌溉水溫要求，且對河道中生物的影響較小[17-19]。

3 成果應(yīng)用

結(jié)合前坪水庫輸水洞進水塔的分層取水設(shè)計，研究不同典型年工況下分層取水對水溫的影響。前坪水庫總庫容為5.84億m3，防洪庫容為2.10億m3，興利庫容為2.61億m3，死庫容為0.58億m3，城市及工業(yè)供水量為6 300萬m3/a，生態(tài)基流量為4 428萬m3/a，灌溉面積3.39萬hm2；正常蓄水位403.00 m，死水位369.00 m，汛期限制水位400.50 m，設(shè)計洪水位418.36 m。水庫工程主要建筑物有黏土心墻砂礫石主壩、混凝土副壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞、電站、導(dǎo)流洞，最大壩高90.3 m。其中輸水隧洞擔(dān)負著農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和城市供水、生態(tài)排水、引水發(fā)電4項任務(wù)。根據(jù)水庫規(guī)劃：農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)計流量為25.7 m3/s（最大流量30.4 m3/s），城市供水流量為2.0 m3/s，生態(tài)放水流量為1.1 m3/s（其中 4—7月為 2.1 m3/s），合計設(shè)計流量29.8 m3/s，最大引水流量為34.5 m3/s。

輸水洞進水塔進口采用半徑1 m的圓弧曲線，后設(shè)清污機及攔污柵，采用4層取水，下游設(shè)事故閘門。水庫500 a一遇防洪高水位為417.2 m，死水位為369.0 m。取水塔下部洞口底板高程為361.0 m，中間2個取水洞口底板高程為372.0、382.0 m，最上層取水洞口底板高程為392.0 m，見圖3。

圖3 進水塔縱剖面（單位：m）

4 結(jié) 語

根據(jù)模擬計算的結(jié)果，前坪水庫壩前水溫年內(nèi)垂直分布為分層型。從水庫表面到水深15 m為溫度變化層，該層水溫受空氣溫度的影響很大；水深15～40 m為溫躍層，水溫隨水深劇烈變化；水深40 m以下為滯溫層，垂直溫度變化較小。

在垂向分層取水方案下，進行了DELFT3D FLOW三維水動力-水溫耦合數(shù)值模型預(yù)測，豐水年、平水年、枯水年、特枯水年4個典型年分層取水和天然河流水溫較為接近，大部分時段有增溫情況出現(xiàn)，下泄水溫對農(nóng)作物灌溉的影響較小。