紅山水庫壩前垂向與壩下水溫預測分析

孫曉麗

(新疆博衍水利水電環(huán)境科技有限公司，烏魯木齊 830000)

紅山水庫位于新疆塔城地區(qū)沙灣縣城西南方向、金溝河中游河段出山口處，攔河壩位于金溝河出山口下游已建金溝河渠首上游約1.3 km處，距沙灣縣城約25 km，其工程任務為灌溉、防洪、工業(yè)供水并兼顧發(fā)電。水庫為堤壩式開發(fā)，采用黏土心墻壩擋水，最大壩高74.3 m，總庫容5 506×104m3，裝機容量8 MW。紅山水庫建成后，可為金溝河流域下游灌區(qū)，包括元興宮、142團31連、大泉鄉(xiāng)、金溝河鄉(xiāng)、沙灣縣城、縣良種場、143團一營和二營及144團灌區(qū)供水。

水庫建成后，原天然狀態(tài)下的水溫結構形式將發(fā)生改變，且隨著水深的增加，水體溫度將逐漸降低[1]。為更好地評價壩下低溫水對下游農(nóng)田灌溉的影響，本文采用荷蘭Delft水力研究所開發(fā)的Sobek軟件及河道一維水溫模型[2-3]進行紅山水庫水溫預測，為分析紅山水庫低溫水影響提供科學依據(jù)。

1 水庫水溫結構

水溫結構類型的判定，采用國內(nèi)外通用的α指標判別法[4-5]。

α=多年平均年徑流量(m3)/總庫容(m3)

判別標準為：當α<10，水庫為穩(wěn)定分層型；當10≤α≤20，水庫為過渡型；當α>20，水庫為混合型。

紅山水庫壩址斷面多年平均徑流量為3.536×108m3，水庫總庫容為5 506×104m3，計算α值為6.42。根據(jù)α指標判別法，紅山水庫水溫結構為穩(wěn)定分層型。

2 水庫壩前垂向水溫預測及影響分析

2.1 模型簡介

采用荷蘭Delft水力研究所開發(fā)的Sobek軟件中專門用于水庫水溫模擬的垂向二維模型與熱平衡方程來進行紅山水庫壩前水溫預測。

2.1.1 垂向二維方程

控制方程包括有橫向Y方向(寬度方向)積分的連續(xù)方程、動量方程和傳輸方程。

式中：c為溫度；W為寬度，m；u和w分別為水平方向和垂向流速，m/s；q0為單寬流量，m3/(s·m)；ρ0為密度，kg/m3；p為壓力，N/m2；τxz為水平剪切力，N/m2；τB為河床剪切力，N/m2；P為濕周，m；νTx和νTz為水平及垂直方向的湍流擴散,m2/s；Sc為源項。

2.1.2 熱平衡方程

在熱平衡計算中，需要對緯度、經(jīng)度、時區(qū)、光衰減、反射系數(shù)、蒸發(fā)系數(shù)等參數(shù)進行設定。其中，光衰減系數(shù)由Beer定律確定，其形式為：

式中：Isun為太陽輻射；β為Beer定律系數(shù)；(D-z)為計算深度至水體表面的距離；α為吸收系數(shù)。

反射系數(shù)由下式?jīng)Q定：

式中：n為日照時數(shù)；Nd為日長。

蒸發(fā)系數(shù)由下式?jīng)Q定：

qe=LCe(A2+B2W2)(QW-Qa)

式中：L為蒸發(fā)潛熱；Ce為濕度系數(shù)；W2為水面以上兩米處的風速；QW為水表面處蒸汽密度。

2.1.3 參數(shù)取值及預測工況

經(jīng)水溫模型率定計算得出的水溫模型熱平衡參數(shù)數(shù)值見表1。預測工況為P=50%和P=75%兩種來水保證率。

2.2 預測結果

2.2.1 壩前水溫預測

P=50%和P=75%來水保證率下紅山水庫壩前水溫逐月分布情況見圖1和圖2。

由圖1和圖2可以看出，兩種來水保證率下，紅山水庫壩前水體水溫分層均具有明顯的季節(jié)性特性，且逐月水溫分布規(guī)律相近。5-8月份水庫出現(xiàn)較為明顯的水溫分層現(xiàn)象，11月份-次年4月份存在逆溫現(xiàn)象，9-10月份基本不存在水溫分層現(xiàn)象。

表1 熱平衡參數(shù)率定數(shù)值

圖1 紅山水庫逐月壩前垂向水溫(P=50%)

圖2 紅山水庫逐月壩前垂向水溫(P=75%)

2.2.2 水庫下泄水溫預測

P=50%來水頻率下紅山水庫下泄水溫過程與工程建設前水溫過程對比見表2和圖3(a)；P=75%來水頻率下紅山水庫下泄水溫過程與工程建設前水溫過程對比見表3和圖3(b)。

表2 P=50%紅山水庫平水年來水與下泄水溫對比 /℃

表3 P=75%紅山水庫枯水年來水與下泄水溫對比 /℃

圖3 紅山水庫下泄水溫過程與建庫前水溫對比圖

由表2和圖3(a)預測結果可以看出，P=50%來水保證率下，2-7月份水庫下泄水溫均低于建庫前天然水溫，最大溫差為-1.6℃，出現(xiàn)在5月份；8月份-次年1月份水庫下泄水溫均高于建庫前天然水溫，最大溫升為1.2℃，出現(xiàn)在10月份。

由表3和圖3(b)預測結果可以看出，P=75%來水保證率下，2-7月份水庫下泄水溫均低于建庫前天然水溫，最大溫差為2.0℃，出現(xiàn)在5月份；8月份-次年1月份水庫下泄水溫均高于建庫前天然水溫，最大溫升為1.2℃，出現(xiàn)在10月份。

從紅山水庫各工況的下泄水溫與來水水溫對比中可以看出，水庫下泄水溫在春夏兩季低于水庫上游來水水溫；在秋冬兩季則高于上游來水水溫。從對比圖中可以看出，兩條水溫曲線基本呈現(xiàn)一種“錯峰”的狀態(tài)。這主要是因為水庫蓄水后，庫區(qū)內(nèi)水體體積增加，熱容量加大，上游來水對水庫泄水口水溫的影響需要一定的時間。

3 水庫壩下水溫預測及影響分析

3.1 模型簡介

采用縱向河道一維水溫模型對紅山水庫壩址下游河道水溫情況進行預測，縱向一維河道水溫模型包括河流水動力學方程及一維溫度對流擴散方程。

3.1.1 河流水動力學方程

河流水動力學特性采用一維非恒定流基本方程組——圣維南方程組，由質(zhì)量與動量守恒方程組成：

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：t為時間坐標，s；x為空間坐標，m；Q為流量，m3/s；Z為水位，m；u為斷面平均流速，m/s；n為糙率；A為過水斷面面積，m2；B為主流斷面寬度，m；Bω為水面寬度(包括主流寬度及起調(diào)蓄作用的附加寬度)，m；R為水力半徑，m；q為旁側入流流量，m3/s。

3.1.2 一維溫度對流擴散方程

一維溫度對流擴散方程如下：

式中：DL為縱向彌散系數(shù),m2/s；ρ為水的密度,kg/m3；Cp為水的比熱,J/(kg·℃)；B為河面寬度,m；S為水體與大氣之間的熱交換通量,W/m2。方程中?(QT)/?x為移流產(chǎn)生的熱變化率；?(ADL?T/?x)/?x為離散產(chǎn)生的熱變化率；BS/ρCP為表面熱交換率；其它符號意義同前。

3.1.3 參數(shù)選擇及預測斷面

根據(jù)北方河流及氣候的特點，參考其它研究成果，確定主要的模擬參數(shù)，見表4。預測斷面為壩址下游的金溝河渠首斷面以及下游距金溝河渠首最近灌區(qū)——元興宮灌區(qū)引水口及其所對應的河道斷面。

表4 水溫模擬中有關參數(shù)取值

3.2 預測結果

3.2.1 金溝河渠首斷面水溫預測

金溝河渠首距紅山水庫壩址約1.3 km，工程建設后，金溝河渠首斷面水溫的預測結果見表5。

表5 工程建成后金溝河渠首斷面水溫預測結果共計表 /℃

由表5預測結果可以看出，在P=50%和P=75%來水保證率下，紅山水庫下泄水經(jīng)河道沿程恢復，至金溝河渠首斷面水溫在灌溉季節(jié)的4-9月份均有所升高。P=50%來水頻率下，水體升溫在0.1℃～0.4℃，其中7月份水溫升高最快，可以達到0.4℃；P=75%來水頻率下，水體升溫在0.2℃～0.5℃，其中7月份水溫升高最快，可以達到0.5℃。

3.2.2 金溝河渠首下游河段水溫預測

元興宮灌區(qū)引水口為金溝河渠首下游渠道上第一個灌區(qū)引水口，距金溝河渠首約6.61 km，紅山水庫建成后，元興宮灌區(qū)引水口斷面及其對應河道斷面水溫預測結果見表6和圖4。

表6 工程建成后金溝河渠首下游斷面水溫預測結果共計表 /℃

圖4 工程建成后金溝河渠首下游斷面水溫恢復過程

由表6預測結果可以看出，金溝河渠首下泄水體流進渠道后水體水溫有所上升，但與同距離河道相比水溫上升較慢。在P=50%來水頻率下，灌溉季節(jié)4-9月份從金溝河渠首下泄水體水溫經(jīng)6.61 km渠道沿程恢復，水體升溫在0.3℃～0.9℃，最大升溫0.9℃(7月份)；在P=75%來水頻率下，灌溉季節(jié)4-9月份從金溝河渠首下泄水體水溫經(jīng)6.61 km渠道沿程恢復，水體升溫在0.3℃～0.8℃，最大升溫0.8℃(7月份)。

金溝河渠首下游6.61 km河道水體水溫在4-9月份有所升高，10月份-次年3月份有所降低。在P=50%來水頻率下，河道水體升溫在0.6℃～1.7℃，最大升溫1.7℃(7月份)，降溫在-1.3℃～-0.3℃，最大溫差為-1.3℃(12月份)；在P=75%來水頻率下，河道水體升溫在0.6℃～1.6℃，最大升溫1.6℃(7月份)，降溫在-1.3℃～-0.3℃，最大溫差為-1.3℃(12月份)。

經(jīng)預測，在P=50%來水頻率下，金溝河渠首下泄水體水溫可經(jīng)20.1 km河道沿程恢復至天然水溫，可經(jīng)40.3 km渠道沿程恢復至天然水溫；在P=75%來水頻率下，金溝河渠首下泄水體水溫可經(jīng)39.3 km河道沿程恢復至天然水溫，可經(jīng)19.7 km渠道沿程恢復至天然水溫。

4 結 語

紅山水庫建成后，因水庫對水量的調(diào)蓄以及水體熱量存儲條件的變化，將對紅山水庫壩前及壩下水溫分布造成影響。本文通過建立數(shù)學模型，對紅山水庫壩前垂向水溫及下游河道水溫變化進行模擬預測，為分析紅山水庫下泄低溫水對下游農(nóng)業(yè)灌溉的影響提供科學依據(jù)。