長河壩水電站水庫水溫預(yù)測研究

何月萍，杜海衛(wèi)，戴松晨，欒 麗

(1.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.南京曉莊學(xué)院，江蘇 南京 211171)

1 前 言

長河壩水電站位于甘孜州康定縣境內(nèi)，系大渡河干流梯級(jí)開發(fā)的第十級(jí)電站。工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，無其它綜合利用要求；電站為堤壩式開發(fā)，采用礫石土心墻堆石壩擋水，最大壩高240.00m，裝機(jī)2 600MW，多年平均發(fā)電量108.3億kW·h。電站進(jìn)水口為岸塔式，進(jìn)水口底板高程1 628.00m。

長河壩水電站正常蓄水位為1 690m，正常運(yùn)用死水位為1 680m，極限死水位為1 650m。水庫運(yùn)行方式為全年按日、周調(diào)節(jié)運(yùn)行，即水位通常在正常蓄水位1 690m和死水位1 680m之間變動(dòng)；當(dāng)遭遇特別枯水年時(shí)，或?yàn)闈M足電網(wǎng)用電需求，水庫死水位可降至1 650m，按季調(diào)節(jié)運(yùn)行，發(fā)揮長河壩水庫水量調(diào)節(jié)作用。

長河壩水庫形成后，因水庫對水量的調(diào)蓄以及水體熱量存儲(chǔ)條件的變化，將對長河壩庫區(qū)及其下游的水溫分布造成影響。根據(jù)大渡河干流水電規(guī)劃，雙江口水電站為上游控制性工程，對雙江口以下大渡河干流水溫影響較大。因此本文對長河壩水電站運(yùn)行及與雙江口水電站聯(lián)合運(yùn)行對水溫的影響進(jìn)行預(yù)測研究。

2 水庫水溫結(jié)構(gòu)

長河壩水庫為峽谷型，電站進(jìn)行日調(diào)節(jié)。庫容相對較小，正常蓄水位以下庫容10.4億m3，多年平均徑流量264.6億m3，年庫水替換次數(shù)25.4次，壩前水深213m。采用Norton密度佛汝德數(shù)判別法對長河壩水庫各月水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷：

式中Fd——密度佛汝德數(shù)；

L——水庫長度，m；

H——水庫平均水深，m；

V——水庫庫容，m3；

Q——入庫流量，m3/s；

g——重力加速度，m/s2；

G——標(biāo)準(zhǔn)化的垂向密度梯度，10-6(1/m)。

當(dāng)Fd<0.1時(shí)為穩(wěn)定分層型；0.11.0時(shí)為完全混合型。經(jīng)計(jì)算，長河壩水庫中水年各月Fd值見表1。

表1 長河壩水電站中水年佛汝德數(shù)計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，水庫水溫結(jié)構(gòu)在12～4月屬于穩(wěn)定分層型，5～11月為弱分層或混合型。

3 水溫預(yù)測模型

長河壩水庫水溫結(jié)構(gòu)為季節(jié)分層型，采用垂向一維水溫模型模擬。由于垂向一維水溫模型只研究垂向上水溫的變化情況，可用z來表示高程(以向下為正)。從高程z處取一厚度無限小的水平單元水層，進(jìn)行熱量平衡分析?？紤]入流、出流、垂向移流、擴(kuò)散等引起的熱輸移及水體內(nèi)部吸收的太陽輻射，由熱量平衡原理建立控制方程：

式中T——t時(shí)刻高程z處的水溫；

ρ、Cp——分別為水體的密度和比熱；

A——高程z處的水平面積；

Qz——垂向流量；

D、E——分別為熱的分子擴(kuò)散系數(shù)和紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；

ρi、Ti——分別表示入流水的密度和溫度；

qi、q0——分別為單位高度上的入庫流量和出庫流量；

φz——高程z處的太陽輻射熱通量。

對上式進(jìn)行簡化，通過分析，ρ和Cp可近似按常數(shù)處理，且有ρi=ρ0，不考慮D和E的空間變化與時(shí)間變化，以Dz表示二者的綜合作用，再聯(lián)立連續(xù)方程式：

假設(shè)初始時(shí)刻2月全庫同溫且等于入庫水溫，初始條件可表示為：

庫底和水面的邊界條件分別為：

式中zb——庫底高程；

zs——水面高程；

φn——水體凈吸收的熱通量。

4 模型驗(yàn)證

選取二灘水庫水溫實(shí)測資料對水庫水溫預(yù)測模型進(jìn)行了驗(yàn)證。中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院分別于2000年1月14日、4月15日及7月25日對二灘庫區(qū)進(jìn)行了水溫測量。二灘壩址下游設(shè)有小得石水文站，收集其同期水溫過程。

二灘水庫長約136km，平均水面寬約400m，壩前最大水深約190m，最大庫容達(dá)44.78億m3。壩體底部高程為1 010m，水庫正常蓄水位為1 200m。電廠的進(jìn)水口高9m，底部高程為1 128m?？菁鞠滦沽髁烤糜诎l(fā)電，汛期多余棄水則經(jīng)泄洪洞、中孔或表孔泄至下游河道。

本次研究采用垂向一維水庫水溫模型預(yù)測了二灘2000年1月14日～2000年7月25日的壩前垂向水溫分布及下泄水溫過程，并與實(shí)測值進(jìn)行了比較。圖1比較了2000年3月20日、4月20日和5月30日的壩前垂向水溫分布。從中可見，計(jì)算值與實(shí)測值總體吻合得較好，尤其是在1 120m高程以上的中上層范圍內(nèi)，表層水溫和斜溫層梯度均模擬得較好，說明垂向一維模型能較好地模擬山區(qū)深水庫的水溫分層。底部低溫層模擬結(jié)果水溫偏低，主要是由于在模型的入流經(jīng)驗(yàn)公式中，忽略了冬季低溫水在潛入庫底前沿縱向的增溫過程，以至于過低估算出潛入庫底的水溫。

圖2比較了垂向一維水庫水溫模型預(yù)測的下泄水溫過程和小得石水文站實(shí)測的水溫過程，計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合。

驗(yàn)證結(jié)果顯示，垂向一維模型能較好地模擬出大型深水庫的水溫分層及下泄水溫過程。模型中垂向擴(kuò)散系數(shù)對水溫分層結(jié)構(gòu)具有一定的影響，驗(yàn)證中取1×10-5m2/s時(shí)可得到較好的模擬效果；太陽輻射的表面吸收系數(shù)和穿透水體的衰減系數(shù)與水體的色度和濁度相關(guān)，主要對表面10m內(nèi)水溫有一定的影響，經(jīng)率定分別取0.65和0.5。

圖1 壩前垂向水溫實(shí)測值與計(jì)算值比較

圖2 二灘下泄水溫過程與小得石實(shí)測水溫的比較

5 水溫預(yù)測工況

根據(jù)大渡河干流水電規(guī)劃，雙江口水電站為上游控制性工程，對流域水溫影響較大，故選擇長河壩水電站單獨(dú)運(yùn)行及與雙江口聯(lián)合運(yùn)行兩種工況進(jìn)行水溫預(yù)測。水溫預(yù)測采用的水溫、多年平均流量及氣象條件見表2～4。

表2 大渡河干流多年平均逐月水溫統(tǒng)計(jì) ℃

表3 長河壩水電站豐、平、枯各代表年逐月平均及多年平均流量 m3/s

表4 長河壩水電站氣象條件

6 水溫預(yù)測結(jié)果

6.1 長河壩單獨(dú)運(yùn)行工況

采用垂向一維水溫模型模擬，逐月水溫預(yù)測結(jié)果見表5。

預(yù)測結(jié)果表明，水庫表層水溫在2月降到最低，8月份達(dá)到最高，年內(nèi)變幅達(dá)13.3℃。電站下泄水溫在2～9月低于天然水溫0.2～2.1℃，在10月～次年1月高于天然水溫0.1～1.1℃；水庫的熱量儲(chǔ)蓄作用使全年各月的最大溫差從12.6℃降至11.8℃。

6.2 雙江口聯(lián)合運(yùn)行工況

6.2.1 雙江口下泄水溫及長河壩入庫水溫

由于雙江口電站對水溫過程的影響較大，擬采取分層取水措施。根據(jù)與錦屏一級(jí)的分層取水措施效應(yīng)的類比，可在單取水口下泄水溫過程的基礎(chǔ)上，初步估計(jì)出雙江口分層取水措施下的下泄水溫過程。根據(jù)大渡河規(guī)劃報(bào)告的成果，在經(jīng)過下爾呷、巴拉、達(dá)維、卜寺溝電站調(diào)節(jié)后，雙江口電站的入庫水溫過程、下泄水溫過程見表6。采用天然河道平均增溫率計(jì)算從雙江口壩址至長河壩庫尾的增溫過程，得到長河壩的入庫水溫(見表7)。

表5 長河壩水庫水溫預(yù)測結(jié)果 ℃

表6 雙江口水庫下泄水溫過程 ℃

表7 長河壩入庫水溫過程 ℃

6.2.2 聯(lián)合運(yùn)行后長河壩水溫結(jié)構(gòu)

采用垂向一維水溫模型分別考慮雙江口單取水口及分層取水結(jié)構(gòu)工況下，預(yù)測結(jié)果顯示雙江口不同取水口方案對長河壩垂向水溫分布影響較小，長河壩水溫分層結(jié)構(gòu)、垂向溫差、水溫分布范圍與單獨(dú)運(yùn)行工況均基本相同，沒有明顯差異。

6.2.3 預(yù)測結(jié)果

雙江口單取水口方案，長河壩逐月水溫分布詳見表8。

雙江口分層取水口方案，長河壩逐月水溫分布詳見表9。

表8 雙江口單取水口方案下長河壩逐月水溫 ℃

表9 雙江口分層取水方案與單取水口方案下長河壩逐月下泄水溫、入庫水溫比較 ℃

由上述結(jié)果可見，在雙江口單取水口方案下，長河壩下泄水溫過程與入庫水溫過程同步，逐月溫差在0.3～-0.4℃之間，在9月～次年3月下泄水溫較入庫水溫偏高，4～8月較入庫水溫偏低，但長河壩對水溫過程的影響較單獨(dú)運(yùn)行工況弱。

雙江口單取水口和分層取水的不同結(jié)構(gòu)工況對其下泄水溫過程將產(chǎn)生一定的影響，主要表現(xiàn)在3、4月份可能有一定程度的升溫，但由于沒有具體的分層取水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其下泄水溫過程是類比錦屏一級(jí)的分層取水效應(yīng)得到的。從長河壩的下泄水溫過程的預(yù)測結(jié)果來看，雙江口不同取水結(jié)構(gòu)導(dǎo)致長河壩入庫水溫過程變化，而長河壩下泄水溫過程仍然是與其入庫水溫過程同步變化，雙江口分層取水時(shí)長河壩下泄水溫與入庫水溫月均溫差在0.3～-0.2℃之間，影響依然較弱。

總體來說，在與雙江口聯(lián)合運(yùn)行工況下長河壩對水溫過程的影響較弱，雙江口取水結(jié)構(gòu)對長河壩的入庫水溫過程有所影響，長河壩下泄水溫將會(huì)同步變化。

另外根據(jù)《四川省大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整水溫影響研究》的研究結(jié)果，大渡河干流穿越不同的氣候區(qū)，年內(nèi)氣溫變幅很大，特別是在上游河段，冬季氣溫將降到0℃以下，并持續(xù)多月；氣溫的變化直接影響到水溫的變化，梯級(jí)水庫修建前規(guī)劃河段水溫從上游往下游逐漸遞增，其年內(nèi)變化規(guī)律與氣溫一致，只是變幅減小，達(dá)到極值的時(shí)間滯后。梯級(jí)水庫建成后其水體的蓄熱作用完全改變了河道水溫的分布規(guī)律，使得水體達(dá)到極值的時(shí)間更為滯后，與天然河道水溫相比，總體規(guī)律是夏季水溫降低，冬季水溫升高，河段水溫年內(nèi)變幅減小。

對大渡河干流規(guī)劃河段而言，“龍頭”控制性大型水庫下爾呷是影響整個(gè)河段水溫分布的關(guān)鍵，對下游水溫具有調(diào)節(jié)作用。另外，上游控制性水庫雙江口水庫對水溫影響也較大，其他調(diào)節(jié)性能較低的水庫對水溫影響均較小。長河壩電站在與上游梯級(jí)聯(lián)合運(yùn)行的工況下，對水溫貢獻(xiàn)較小即給長河壩電站帶來的水溫變幅較小。