兩種常用經(jīng)驗公式法計算水庫水溫效果比較研究

顏劍波，楚凱鋒，張德見，李　璜

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙　410014)

兩種常用經(jīng)驗公式法計算水庫水溫效果比較研究

顏劍波，楚凱鋒，張德見，李璜

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙410014)

大中型水電水利工程建設(shè)引起的低溫水下泄問題是主要的生態(tài)問題之一。目前水庫水溫計算有經(jīng)驗公式法和數(shù)學(xué)模型法兩大類。指數(shù)函數(shù)法和余弦函數(shù)法是目前水庫水溫計算兩種常用的經(jīng)驗公式方法，也是現(xiàn)有規(guī)范推薦的方法。選取了我國11個不同類型的代表性水庫，利用實測資料分析研究了兩種方法在計算水庫水溫精度的差異。通過比較研究，筆者建議在有較好的類比水庫資料時采用指數(shù)函數(shù)法，否則建議采用余弦函數(shù)法。

水庫水溫計算；經(jīng)驗公式法；指數(shù)函數(shù)法；余弦函數(shù)法

1　前　言

水電水利工程特別是大中型水電水利工程建成后，水庫在沿水深方向上呈現(xiàn)出有規(guī)律的水溫分層，大致表現(xiàn)為：冬季庫區(qū)趨于等溫分布，下泄水溫較天然情況高；春、夏季庫表水溫高，庫底水溫低，下泄水溫較天然情況低。下泄低溫水可對魚類造成突出的不利影響。水溫變冷，水體的溶氧量和水化學(xué)成分將發(fā)生變化，影響魚類和餌料生物的衍生，致使魚類區(qū)系組成發(fā)生變化。下泄低溫水將使魚類產(chǎn)卵季節(jié)推遲、影響魚卵孵化甚至造成不產(chǎn)卵。下泄低溫水還會降低魚類新陳代謝的能力，使魚生長緩慢。水溫低、餌料生物生長緩慢，將直接影響魚類的生長、育肥和越冬。低溫水會對農(nóng)作物產(chǎn)生“冷害”影響，造成減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)。原國家環(huán)境保護總局2005年12月在北京召開了水電水利建設(shè)項目水環(huán)境與水生生態(tài)保護技術(shù)政策研討會，會議形成的“關(guān)于印發(fā)水電水利建設(shè)項目水環(huán)境與水生生態(tài)保護技術(shù)政策研討會會議紀(jì)要的函”(環(huán)辦函〔2006〕11號)提出關(guān)于水庫水溫的計算主要有：東勘院計算方法(本文中稱指數(shù)函數(shù)法)、中國水科院方法(本文中稱余弦函數(shù)法)等經(jīng)驗法，以及垂向一維模型、立面二維模型和三維模型等數(shù)學(xué)模擬法。

總體上，水庫水溫計算的方法有兩大類：經(jīng)驗公式法和數(shù)值模型法[1，2]。經(jīng)驗公式法是基于統(tǒng)計學(xué)理論建立的方法。數(shù)學(xué)模型法是基于水庫的熱量平衡機理建立的方法。理論上，數(shù)值模型法計算精度較高，但對基礎(chǔ)資料及計算參數(shù)率定要求較高[3]。在水電水利工程設(shè)計實踐工作中，經(jīng)驗公式法仍然是水庫水溫計算的主要方法，其中應(yīng)用較多的是指數(shù)函數(shù)法和余弦函數(shù)法?，F(xiàn)行水庫水溫計算相關(guān)規(guī)范中，《水電水利工程水文計算規(guī)范》(DL/T5431-2009)[4]、《水利水電工程水文計算規(guī)范》(SL278-2002)[5]推薦指數(shù)函數(shù)法，《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》(SL282-2003)[6]推薦余弦函數(shù)法。為了比較這兩種經(jīng)驗公式法計算結(jié)果的差異，筆者選取了不同調(diào)節(jié)類型、不同水溫結(jié)構(gòu)的水庫實測資料進行研究。

2　指數(shù)函數(shù)法簡介

指數(shù)函數(shù)法計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

y——水深，m；

m——月份。

3　余弦函數(shù)法簡介

余弦函數(shù)法計算公式如下：

(4)

y——水深，m；

τ——時間，月；

τ0——氣溫年周期變化過程的初始相位，月。緯度高于30°地區(qū)，取τ0=6.5月；緯度低于或等于30°地區(qū)，取τ0=6.7月;

ω——溫度變化的圓頻率，ω=2π/12=0.524。

4　案例分析

4.1代表性工程

考慮指數(shù)函數(shù)法、余弦函數(shù)法建立時樣本資料的特征，本文選擇我國北緯30°左右11個不同類型的代表水庫進行研究，包括不同調(diào)節(jié)性能、不同水溫結(jié)構(gòu)的電站水庫，見表1。

表1　研究選擇的代表性電站

4.2水溫計算結(jié)果比較分析

根據(jù)選擇的11個代表性水庫水溫實測資料，分別采用指數(shù)函數(shù)法、余弦函數(shù)法計算水庫壩前逐月水溫，計算值與與實測值誤差見表2。由表2可見，指數(shù)函數(shù)法計算水庫垂向水溫誤差基本在3℃以內(nèi)，余弦函數(shù)法計算水庫垂向水溫誤差基本在5℃以內(nèi)。不考慮選擇類比水庫的誤差，理論上指數(shù)函數(shù)法比余弦函數(shù)法有更好的計算精度。

此外，本文分析了兩種經(jīng)驗公式計算不同類型水庫水溫分布曲線的差異，見圖1～圖4。其中，圖1新安江水庫代表多年調(diào)節(jié)的分層型水庫，圖2鳳灘代表年調(diào)節(jié)的分層型水庫，柘溪水庫代表季調(diào)節(jié)的過渡型水庫，富春江代表日調(diào)節(jié)的混合型水庫。從水溫垂向分布曲線形態(tài)來看，指數(shù)函數(shù)法計算的水溫分布曲線更加接近實測水溫，這種形態(tài)差異是由指數(shù)函數(shù)、余弦函數(shù)不同的插值方法決定的。

表2　指數(shù)函數(shù)法和余弦函數(shù)法計算水庫水溫誤差比較表

備注：方案A表示指數(shù)函數(shù)法，方案B代表余弦函數(shù)法?！顢?shù)量越多代表與實測水溫分布擬合度越好。

圖1　新安江水庫Fig.1　Xin’anjiang Reservoir

圖2　鳳灘水庫Fig.2　Fengtan Reservoir

圖3　柘溪水庫Fig.3　Zhexi Reservoir

圖4　富春江水庫Fig.4　Fuchunjiang Reservoir

5　小　結(jié)

水溫是評價水環(huán)境和水生生態(tài)環(huán)境變化的一個重要影響因子。水溫的變化對水質(zhì)及水生生物、農(nóng)田灌溉和生活用水等將產(chǎn)生重大影響。水庫水溫計算方法有經(jīng)驗公式法和數(shù)學(xué)模型法兩大類。指數(shù)函數(shù)法、余弦函數(shù)法是現(xiàn)有水庫水溫經(jīng)驗公式計算兩種主要的計算方法，也是相關(guān)規(guī)范推薦的水溫計算方法。指數(shù)函數(shù)法的本質(zhì)是先求得庫表和庫底的各月多年平均水溫，然后采用指數(shù)函數(shù)在空間維度上進行插值。余弦函數(shù)法的本質(zhì)是先求得庫表至庫底任意深度的多年平均水溫和年變幅，然后采用余弦函數(shù)在時間維度上進行插值。通過選擇11個不同類型水庫的實測資料分析發(fā)現(xiàn)，不考慮類比水庫的誤差，理論上指數(shù)函數(shù)法比余弦函數(shù)法具有更好的計算精度，計算水溫分布曲線形態(tài)更加貼合實際。在應(yīng)用這兩種方法進行擬建水庫水溫預(yù)測時，如有較好的類比水庫(庫容、調(diào)節(jié)性能、地理位置等相似度高的水庫)，本文建議采用指數(shù)函數(shù)法，否則建議采用余弦函數(shù)法。

[1]薛聯(lián)芳.河流水溫數(shù)學(xué)模型的比較研究[J].水電站設(shè)計,1998,14(4)：1.

[2]張仙娥,周孝德,等.水庫水溫研究方法述評[J].水資源與水工程學(xué)報,2006,17(3):1-4.

[3]鞠石泉,蘇懷智,等.簡述水庫水溫預(yù)測計算方法[J].水電能源科學(xué),2004,22(3):74-77.

[4]DL/T5431-2009,水電水利工程水文計算規(guī)范[S].

[5]SL278-2002,水利水電工程水文計算規(guī)范[S].

[6]SL282-2003,混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范[S].

Comparative Study of the Water Temperature Calculation of Reservoirs with Two Common Empirical Formulas

YAN Jian-bo, CHU Kai-feng, ZHANG De-jian, LI Huang

(PowerchinaZhongNanEngineeringCorporationLimited，Changsha410014，China)

Low Temperature water discharging problems caused by the construction of large and medium scale hydropower and water conservancy project is one of the major ecological problems. Nowadays, there are two categories method to calculate the water temperature including experienced formula method and mathematical model. The most experienced two methods we had now is Exponential function Method and Cosine Function Method for calculating the water temperature, and they also are the most formal and recommended method. This research project selected 11 representative reservoirs in China, and used actual measuring data of these 11 reservoirs to analysis and research the precision of these two methods and different characteristics. According to our research, we found that we could use Exponential function Method if we have useful and integrated date and information of reservoir, otherwise, we suggest apply Cosine Function Method.

Prediction of water temperature in reservoirs; Empirical formula method; Exponential Function Method Method; Cosine Function Method

2015-06-11

顏劍波(1984-)，男，湖南邵陽人，2009年畢業(yè)于河海大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，工程師，研究方向環(huán)境影響評價與環(huán)境保護工程設(shè)計。

X524

A

1001-3644(2015)06-0117-06