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.中水淮河規劃設計研究有限公司，安徽合肥230001；2.河南省前坪水庫建設管理局，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濟效益的同時產生了很多其他問題，如影響水庫泄水水溫[1]，而水溫對農業灌溉和河流水生態環境影響很大[2-4]，這已經成為水利水電工程規劃和建設中水生態環境保護的重點關注內容之一[5-7]。分析研究高水頭水庫的水溫垂向分布規律及分層取水對放水溫度的影響，科學預測和評價水庫放水溫度，可以為水庫的設計與調控提供科學依據[8-11]。

目前經驗方法和數學模型方法常用來指導高水頭水庫分層取水設計，并已進行了較多的工程實際運用，隨著商業計算軟件越來越成熟，數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。本文通過庫區內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）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 模型設計

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

通常采用α—β法（庫水交換次數法）判斷水庫水溫的垂直分層情況。

當 α＜10時，為分層型；當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構為分層型。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構產生影響。

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（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和波的影響，并且可模擬水溫、鹽度等要素。主要水動力學方程如下：

式中：ξ、η、ω為曲線坐標；ζ為水位；d為水深；σ為應力；為ξ方向上的坐標變換系數；為η方向上的坐標變換系數；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；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；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，該模塊需要提供經緯度、相對濕度、空氣溫度和云蓋度，蒸發熱量、對流傳導熱量、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。計算區域為水庫淹沒區域。

采用Rgfgrid程序生成正交曲線網格。根據需要確定網格的疏密，該工程主要部位及工程鄰近區域網格加密排列，非主要部位布置相對稀疏。總網格數為129×13個，見圖1。網格確定后，使用中國科學院空間地理數據庫查找庫區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格的高程。

圖1 水庫計算網格示意

根據方案調算結果，考慮到該水庫為多年調節水庫，分別選擇豐水年、平水年、枯水年、特枯水年的水文調算結果作為模型輸入參數，同時依照庫容曲線確定豐、平、枯、特枯水年計算時對應的年初蓄水水位，初始水溫設為5.2℃。

各典型年出庫流量見表1，出庫流量為壩址處調節計算結果。根據庫區范圍內水溫監測資料，采用水文站統計的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 出庫流量調節結果 m3/s

根據建立的模型，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、庫區單層和分層取水情況下水庫壩前水溫。

經過比選，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，在出流設置中根據不同典型年的水位情況在保證安全水深的條件下設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計

2 模擬結果

2.1 水溫模擬結果

分層與單層取水水溫模擬結果對比見圖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

通過調查水庫灌區數據資料和分析當地統計年鑒可知，灌區內作物主要有小麥、玉米、棉花、煙草、花生、油菜、綠豆、油菜籽和芝麻等。根據《農業用水灌溉水質標準》，農業灌溉最高水溫為35℃，對最低水溫沒有要求。根據我國農業灌溉經驗，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果對比

灌溉主要用水季節為2—10月，單層取水相應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，可能會影響農作物生長。分層取水各典型年相應的取水水溫除了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 成果應用

結合前坪水庫輸水洞進水塔的分層取水設計，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，城市及工業供水量為6 300萬m3/a，生態基流量為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、導流洞，最大壩高90.3 m。其中輸水隧洞擔負著農業灌溉、工業和城市供水、生態排水、引水發電4項任務。根據水庫規劃：農業灌溉設計流量為25.7 m3/s（最大流量30.4 m3/s），城市供水流量為2.0 m3/s，生態放水流量為1.1 m3/s（其中 4—7月為 2.1 m3/s），合計設計流量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，后設清污機及攔污柵，采用4層取水，下游設事故閘門。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 語

根據模擬計算的結果，前坪水庫壩前水溫年內垂直分布為分層型。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-水溫耦合數值模型預測，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，下泄水溫對農作物灌溉的影響較小。