西南某水電站分層取水措施效果預(yù)測(cè)

徐天寶，謝強(qiáng)富，吳松

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明　650051)

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西南某水電站分層取水措施效果預(yù)測(cè)

徐天寶，謝強(qiáng)富，吳松

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明650051)

采用MIKE3構(gòu)建西南某水電站的三維數(shù)學(xué)模型，研究水電站庫(kù)區(qū)水溫分層結(jié)構(gòu)，分析下泄低溫水的影響。在此基礎(chǔ)上，研究三層疊梁門方案和六層疊梁門方案對(duì)下泄低溫水的改善作用。計(jì)算結(jié)果表明，分層取水措施能夠改善該水電站下泄低溫水的影響。

水溫；分層取水；MIKE3

興建水利水電工程對(duì)開發(fā)利用水資源、推動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有極大作用，但在工程建設(shè)過程中，也會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成一定影響。其中，工程運(yùn)行將對(duì)下游河流的水溫產(chǎn)生一定影響，可能造成春季河流水溫下降，秋冬兩季河流水溫升高。魚類繁殖期主要在3—6月，水溫變化可能導(dǎo)致原有長(zhǎng)期形成的自然環(huán)境條件與魚類繁殖的耦合關(guān)系被打亂，進(jìn)而影響魚類繁殖。[1]因此，在進(jìn)行大型水利水電工程建設(shè)時(shí)，需要研究大型水利水電工程運(yùn)行對(duì)庫(kù)區(qū)水溫和下游河道水溫的影響，并采取相應(yīng)的改善低溫水下泄措施。

1　項(xiàng)目概況

西南某水電站正常蓄水位至死水位之間有30 m落差，水庫(kù)回水長(zhǎng)約85 km，正常蓄水位對(duì)應(yīng)庫(kù)容15億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容8億m3，庫(kù)容系數(shù)0.029，具有季調(diào)節(jié)能力。水電站為堤壩式開發(fā)，發(fā)電進(jìn)水口位于壩身，其底板高程位于正常蓄水位以下60 m。采用庫(kù)水交換次數(shù)法(α-β指數(shù)法)來判斷該水庫(kù)水溫分層情況。水庫(kù)年均徑流量280億m3，計(jì)算得到α為19，10<α<20，該水庫(kù)水溫分布為過渡型。

2　MIKE3模型簡(jiǎn)介

MIKE序列軟件是由丹麥開發(fā)的商用軟件，包含MIKE11(一維)、MIKE21(二維)和MIKE3(三維)等多個(gè)模塊。其中，MIKE3可模擬具有自由表面的三維流動(dòng)系統(tǒng)，包括對(duì)流彌散、水質(zhì)、重金屬、富營(yíng)養(yǎng)化和沉積作用過程模塊，主要解決包括潮汐交換及水流、分層流、海洋流循環(huán)，熱與鹽的再循環(huán)，富營(yíng)養(yǎng)化，重金屬，粘性沉積物的腐蝕、傳輸和沉降，預(yù)報(bào)，海洋冰山模擬等與水力學(xué)相關(guān)的現(xiàn)象。[2]本研究采用MIKE3構(gòu)建水庫(kù)三維模型進(jìn)行水溫模擬預(yù)測(cè)。

2.1基本方程

三維水動(dòng)力學(xué)水溫模型的基本方程組為：

式中，ρ為水的密度；t為時(shí)間；cs為水的狀態(tài)系數(shù)；Ωij為柯氏張量；ui為xi方向的速度分量；p為壓力；νT為湍動(dòng)粘性系數(shù)；gi為重力矢量；δ為克羅奈克函數(shù)(當(dāng)i=j時(shí)，δij=1；當(dāng)i≠j時(shí)，δij=0)；SS為源匯項(xiàng)；T為溫度；k為湍動(dòng)能；DT為溫度擴(kuò)散系數(shù)；QH為熱交換反應(yīng)式[3]。

2.2熱交換反應(yīng)方程

熱交換反應(yīng)方程的實(shí)質(zhì)是描述熱量在水體中的傳播、交換過程。水體中影響水溫的因素主要包括水體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量對(duì)流、熱量擴(kuò)散和太陽(yáng)、大氣與水體的熱量交換。水體熱量交換的方式包括輻射、傳導(dǎo)、蒸發(fā)和外部入流。在MIKE3軟件系統(tǒng)中，熱交換過程主要通過太陽(yáng)短波輻射、大氣和水面長(zhǎng)波輻射、水體蒸發(fā)和散熱等方式，其反應(yīng)方程式為：

QH=qio+qss+qp-qc+qs-qsr-qsu+ql-qlr-qlu+qg+qsed-qv

式中，qio為出入流帶入、帶出的熱量；qss為源、匯項(xiàng)帶入、帶出的熱量；qp為降雨帶入的熱量；qc為水面?zhèn)鲗?dǎo)散熱；qs為太陽(yáng)短波輻射；qsr為水面反射的太陽(yáng)短波輻射；qsu為水體散發(fā)的短波輻射；ql為水面吸收的大氣長(zhǎng)波輻射；qlr為水面反射的長(zhǎng)波輻射；qlu為水體散發(fā)的長(zhǎng)波輻射；qg為水體與岸壁交換熱量；qsed水體與泥沙交換熱量；qv為蒸發(fā)散熱。MIKE3忽略了水體與河床、泥沙的熱量交換，即qg=qsed=0。外部入流產(chǎn)生的熱量由流量和水溫決定[3]。

3　水電站庫(kù)區(qū)水溫模型建立

3.1地形條件

模型計(jì)算參數(shù)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)實(shí)測(cè)地形進(jìn)行概化處理，網(wǎng)格大小為200×10×10 m(縱向×橫向×垂向)，參加計(jì)算的網(wǎng)格總數(shù)為7 857個(gè)，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)采用30 s。

3.2邊界條件

(1)水文

工程所在流域徑流補(bǔ)給方式以降雨為主，洪水由暴雨形成，主要發(fā)生在6—10月，主汛期為6—7月。采用電站壩址多年平均流量作為上游邊界水流條件，采用電站各典型水文年調(diào)節(jié)過程作為下游邊界條件。

(2)水溫

采用壩址處水文站監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)水溫結(jié)果，利用沿程增溫率推算庫(kù)尾水溫，作為上游邊界水溫條件。

(3)氣象

影響水溫的氣象資料主要包括太陽(yáng)輻射、日照時(shí)數(shù)、氣溫、云量、風(fēng)速、濕度。采用電站樞紐工程區(qū)專用氣象站的監(jiān)測(cè)結(jié)果作為氣象條件。

4　水溫預(yù)測(cè)

針對(duì)表1中所列9種工況進(jìn)行模擬計(jì)算。

4.1庫(kù)區(qū)水溫預(yù)測(cè)

分析研究在不設(shè)疊梁門的情況下，3個(gè)典型年庫(kù)區(qū)水溫結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1所示。典型豐水年，在2—7月，庫(kù)區(qū)水溫有分層現(xiàn)象，其余月份分層不明顯；典型平水年，在2—9月，庫(kù)區(qū)水溫有分層現(xiàn)象，其余月份分層不明顯；典型枯水年，在2—10月，庫(kù)區(qū)水溫有分層現(xiàn)象，其余月份分層不明顯。

表1　MIKE3模型計(jì)算工況

圖1　庫(kù)區(qū)水溫分布預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.1　The prediction of vertical water temperature distribution of the reservoir

4.2壩下水溫預(yù)測(cè)

分析研究水電站運(yùn)行前后，在不設(shè)置分層取水措施的情況下，3個(gè)典型年下泄水溫的變化，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示。典型豐水年，壩下泄水溫在2—7月較天然情況降低0.5～2.1℃，其中3月和4月水溫降幅較大；典型平水年，壩下泄水溫在2—7月較天然情況降低0.3～1.7℃，其中3月和4月水溫降幅較大；典型枯水年，壩下泄水溫在2—7月較天然情況降低0.1～1.6℃，其中3月份水溫降幅較大。

圖2　典型年下泄水溫預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.2　The prediction of discharge water temperature in a typical year

5　分層取水改善效果分析

分析研究不設(shè)置疊梁門、設(shè)置三層疊梁門和六層疊梁門3種情形下，典型豐水年、平水年、枯水年下泄水溫的變化情況，計(jì)算結(jié)果如表2所示。根據(jù)典型豐、平、枯水年壩下水溫預(yù)測(cè)結(jié)果，出現(xiàn)下泄低溫水情況的時(shí)段主要在2—7月，因此分層取水的改善效果分析主要針對(duì)這幾個(gè)月進(jìn)行。疊梁門運(yùn)行調(diào)度原則為：在保證工程安全運(yùn)行所需淹沒水深的情況下，盡量取表層水。

(1)典型豐水年

由表2可知，疊梁門設(shè)置對(duì)下泄水溫有明顯改善作用。例如，在預(yù)測(cè)條件下，3月不設(shè)疊梁門水溫下降約2.1℃，設(shè)置疊梁門后水溫下降約0.2℃。由于典型豐水年大部分時(shí)間維持在高水位運(yùn)行，取水水位均較高，六層疊梁門運(yùn)行之后的取水位與三層疊梁門一致，因而六層疊梁門在典型豐水年對(duì)下泄水溫的改善作用與三層疊梁門一致。

(2)典型平水年

由表2可知，疊梁門設(shè)置對(duì)下泄水溫有一定改善作用。例如，3月不設(shè)疊梁門水溫下降約1.7℃，設(shè)置疊梁門后水溫下降約0.3℃。在某些月份，相比三層疊梁門，六層疊梁門對(duì)下泄水溫改善作用更大。

(3)典型枯水年

在典型枯水年由于水庫(kù)較多月份在低水位運(yùn)行，疊梁門僅在6月和7月啟用，其余月份均不能滿足最小淹沒水深的要求。由表2可知，疊梁門設(shè)置對(duì)下泄水溫改善作用有限。此外，相比三層疊梁門，六層疊梁門對(duì)下泄水溫的改善作用同樣有限。

表2　典型年不同方案下泄水溫

6　結(jié)語(yǔ)

本文采用MIKE3構(gòu)建西南某水電站的三維數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)庫(kù)區(qū)垂向水溫分布和發(fā)電進(jìn)水口低溫水下泄情況。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，水庫(kù)在部分季節(jié)發(fā)生了水溫分層現(xiàn)象，受水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行影響明顯。在3個(gè)典型年中，3—7月均發(fā)生了水溫分層現(xiàn)象；下泄水溫較天然水溫降低約0.1～2.1℃，主要發(fā)生在2—7月，豐水年下泄水溫改變較大，枯水年下泄水溫改變較??；在不同典型年條件下，不同分層取水方案對(duì)下泄低溫水的改善作用不一致，在進(jìn)行分層取水方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)多種方案綜合比選。

綜上分析，對(duì)于該水電站，由于水庫(kù)僅具有季調(diào)節(jié)能力，庫(kù)水交換次數(shù)較多，不會(huì)形成穩(wěn)定的水溫分層結(jié)構(gòu)，但在部分月份仍會(huì)形成水溫分層。分層取水措施能夠改善該水電站下泄低溫水影響。后期應(yīng)加強(qiáng)庫(kù)區(qū)和壩下水溫監(jiān)測(cè)，適時(shí)調(diào)整分層取水運(yùn)行。

[1]陳秀銅, 李璐. 減少低溫下泄水不利影響的水庫(kù)取水方法研究[J]. 人民長(zhǎng)江, 2010, 41(17): 65-68.

[2]馬騰, 劉文洪, 宋策, 等. 基于MIKE3的水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)模擬研究[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2009, 25(2): 68-71.

[3]張士杰, 劉昌明, 譚紅武, 等. 水庫(kù)低溫水的生態(tài)影響及工程對(duì)策研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2011, 19(6): 1 412-1 416.

Effect Prediction of Stratified Intake Structure of Hydropower Station in Southwest China

XU Tian-bao, XIE Qiang-fu, WU Song

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, China)

By using MIKE3 software, a three-dimensional mathematical model of a hydropower station in Southwest China was built, and it was used to investigate stratified temperature of the reservoir water and analyze the impact of low-temperature discharge water. On this basis, we investigated the improvement on temperature change of discharge water by two different stratified intake structures, namely, the 3-layer stoplog and the 6-layer stoplog. The calculation results indicated that the stratified intake structure could reduce the impact of low-temperature discharge water.

water temperature; stratified intake structure; MIKE3

2016-02-27

徐天寶(1982—)，男，云南騰沖人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境保護(hù)，E-mail：xutianbao00@163.com

10.14068/j.ceia.2016.03.013

X143；TV697.1

A

2095-6444(2016)03-0049-04