新疆烏斯通溝水庫(kù)工程水溫預(yù)測(cè)分析

卜躍先，安貞煜，劉 啟，殷 園

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 工程概況

新疆烏斯通溝水庫(kù)位于托克遜縣伊拉湖鄉(xiāng)西南側(cè)烏斯通溝下游河段，壩址位于出山口以上1.4 km，距縣城55 km，距伊拉湖鄉(xiāng)40 km，樞紐工程地理坐標(biāo)：東經(jīng)87°58′27.29″，北緯42°40′36.56″。烏斯通溝水庫(kù)工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)供水，水庫(kù)控制灌溉面積2.58 萬(wàn)畝，水庫(kù)工業(yè)供水對(duì)象為伊拉湖工業(yè)園區(qū)及阿拉溝流域一般工業(yè)供水，年供水量約750 萬(wàn)m3。水庫(kù)正常蓄水位905.0 m，相應(yīng)庫(kù)容為1 337 萬(wàn)m3（淤沙后1 028 萬(wàn)m3），水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容為1 022 萬(wàn)m3（淤沙后989萬(wàn)m3）。樞紐建筑物由瀝青混凝土心墻砂礫石壩、左岸灌溉放水洞、右岸溢洪洞、導(dǎo)流沖砂兼放空洞組成。水庫(kù)總庫(kù)容1 440 萬(wàn)m3，攔河壩壩高73.0 m。

2 水溫預(yù)測(cè)模型原理

本次水庫(kù)水溫模擬計(jì)算采用丹麥水科所研發(fā)的MIKE 系列軟件中的MIKE3 模型，并用其中的水動(dòng)力模塊（HD）和對(duì)流擴(kuò)散模塊（AD）來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算。MIKE3 模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是雷諾平均化的N-S 方程，它包括了紊流影響以及密度變化，同時(shí)包含了鹽度及溫度平衡方程。

水流動(dòng)量方程：

溫度對(duì)流擴(kuò)散方程：

濃度對(duì)流擴(kuò)散方程：

k 方程：

ε 方程：

其中：ρ 為水的密度，Cs為水中聲的傳播速度，ui為xi方向的速度分量，Ωi為克氏張量，p 為壓力，gi為重力矢量，vT為紊動(dòng)動(dòng)能的耗散率，C 與T 分別指鹽度和溫度，DT與Ds分別指相關(guān)溫度與鹽度的擴(kuò)散系數(shù)，t指時(shí)間，SS 指各自的源匯項(xiàng)（每個(gè)方程的均不相同），C1ε，C2ε，C3ε，σK，σZ，σT為特征值，β 為特征向量擴(kuò)張系數(shù)，φ 為浮力標(biāo)量。

3 模型構(gòu)建

3.1 參數(shù)率定

在水動(dòng)力模塊參數(shù)率定時(shí)，通過(guò)類比阿拉溝水庫(kù)選取相關(guān)水動(dòng)力模塊參數(shù)，參數(shù)主要包括：干水深0.005 m，漫灘水深0.50 m，濕水深0.10 m；水平紊動(dòng)粘性采用Smagorinsky 公式，公式常數(shù)0.28 m2/s；垂直紊動(dòng)粘性采用對(duì)數(shù)分布公式，紊動(dòng)常數(shù)1.80e-6～0.40 m2/s；河床阻力采用給定粗糙高度0.01 m。

表1 為水庫(kù)表面與大氣的熱量交換熱量經(jīng)驗(yàn)常數(shù)值。

表1 水庫(kù)表面與大氣的熱量交換熱量經(jīng)驗(yàn)常數(shù)值

3.2 計(jì)算工況

針對(duì)烏斯通溝水庫(kù)工程現(xiàn)有資料，選擇水庫(kù)P=15%、P=50%、P=85%代表年進(jìn)行計(jì)算。各代表年均模擬計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為1 年；時(shí)間步長(zhǎng)取30 s。本次模擬的計(jì)算范圍是烏斯通溝壩址至上游約2 km 處，其平面三角網(wǎng)格489 個(gè)，垂向網(wǎng)格劃分為6 層。見(jiàn)圖1。

3.3 初始條件

模型初始流場(chǎng)和初始水位采用熱啟動(dòng)，通過(guò)提前計(jì)算一個(gè)月，得到初始水位和初始流場(chǎng)，盡可能降低初始條件對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響。

3.4 源匯項(xiàng)

庫(kù)區(qū)源匯項(xiàng)為一處工業(yè)取水口，取水流量為0.24 m3/s。

3.5 邊界條件

流量：本工程上邊界根據(jù)流域水文資料，按照不同頻率代表年來(lái)水條件，給定隨時(shí)間序列變化的流量值，下邊界根據(jù)來(lái)水用水情況，自由出流。水溫：本項(xiàng)目采用阿拉溝站實(shí)測(cè)水溫資料，選取典型年P(guān)=15%（1975年）、P=50%（2008 年）、P=85%（P=85%）實(shí)測(cè)水溫作為來(lái)水水溫。氣溫：大氣氣溫采用阿拉溝水文站實(shí)測(cè)多年平均氣溫。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格

4 預(yù)測(cè)結(jié)果

4.1 庫(kù)區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

MIKE3 模擬不同水平年烏斯通溝水庫(kù)壩前各月平均垂向水溫分布見(jiàn)圖2。

圖2 豐水年烏斯通溝水庫(kù)水溫垂向分布預(yù)測(cè)圖

由圖2 可知，豐水年（P=15%）時(shí)，壩前表層水體受入流流量、入流水溫和氣溫的影響，溫度變化趨勢(shì)跟天然來(lái)水水溫基本一致，冬季1 月～2 月水溫最低，基本為1～2℃，3～8 月為升溫期，入流水溫和氣溫大幅度升高，表層水溫升溫較快，8 月達(dá)到最高值16.08℃，9 月～12 月水溫逐步下降。底層水溫受天然來(lái)水和氣溫影響相對(duì)較小，溫度變化比表層水溫滯后，使得庫(kù)區(qū)水溫有一定的分層現(xiàn)象，其中4 月～6 月分層較明顯，溫差大于2℃，7月～12 月深層垂向水溫分布趨于均勻，垂向?qū)α髟龃螅怪睖囟忍荻戎饾u減小，全庫(kù)水溫逐漸接近，水庫(kù)水溫分層現(xiàn)象減弱，1 月～2 月庫(kù)底水溫出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。

平水年烏斯通溝水庫(kù)水溫垂向分布預(yù)測(cè)見(jiàn)圖3。

平水年（P=50%）時(shí)，變化趨勢(shì)和豐水年基本一致，冬季1 月～2 月水溫最低，基本為1～2℃左右，3～8 月為升溫期，表層水溫升溫較快，9 月～12 月水溫逐步下降。底層水溫受天然來(lái)水和氣溫影響相對(duì)較小，溫度變化比表層水溫滯后，使得庫(kù)區(qū)水溫有一定的分層現(xiàn)象，其中4 月～6 月分層較明顯，最大溫差2.3℃，7 月～12 月深層垂向水溫分布趨于均勻，垂向?qū)α髟龃螅怪睖囟忍荻戎饾u減小，全庫(kù)水溫逐漸接近，水庫(kù)水溫分層現(xiàn)象減弱，1月～2 月庫(kù)底水溫出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。

枯水年烏斯通溝水庫(kù)水溫垂向分布預(yù)測(cè)見(jiàn)圖4。

圖3 平水年烏斯通溝水庫(kù)水溫垂向分布預(yù)測(cè)圖

枯水年（P=85%）時(shí)，庫(kù)區(qū)水位變化稍大，庫(kù)區(qū)水溫的變化趨勢(shì)和豐、平水年大致相同，表層水溫最高值為8 月的15.45℃，最低值為2 月的1.93℃。表底最大溫差出現(xiàn)在7 月的2.10℃。

4.2 壩址下泄水溫預(yù)測(cè)結(jié)果

本工程通過(guò)灌溉放水洞向下游河道補(bǔ)水，灌溉放水洞設(shè)計(jì)流量2.5 m3/s，洞長(zhǎng)為305.9 m，進(jìn)口底板高程為873 m。根據(jù)灌溉洞取水高程及庫(kù)區(qū)水溫預(yù)測(cè)結(jié)果，烏斯通溝水庫(kù)平均下泄水溫值詳見(jiàn)表2。

圖4 枯水年烏斯通溝水庫(kù)水溫垂向分布預(yù)測(cè)圖

表2 工程建庫(kù)后灌溉洞進(jìn)口平均水溫與現(xiàn)狀水溫比較 ℃

從表2 可以知道：豐水年（P=15%），天然水溫和下泄水溫的溫差在-2.5～7.1℃，其中低溫水影響主要在4～6 月，最大溫差為4 月的2.5℃；平水年（P=50%），天然水溫和下泄水溫的溫差在-2.35～7.8℃，其中低溫水影響主要在4～7 月，最大溫差為6 月的2.35℃；枯水年（P=85%），天然水溫和下泄水溫的溫差在-2.5～8.3℃，其中低溫水影響主要在4 月～7 月，最大溫差為5 月的2.5℃。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）不同水平年烏斯通溝水庫(kù)壩前水溫分布隨季節(jié)變化而變化，有一定的分層現(xiàn)象。3 月～5 月，由于氣溫和太陽(yáng)輻射的迅速升高，表層水溫增長(zhǎng)迅速，水庫(kù)水溫隨水深增加而降低，且隨著表層水溫的逐步上升，庫(kù)表和庫(kù)底水溫溫差逐漸增大。6 月～7 月，氣溫和太陽(yáng)輻射維持在全年最高水平，庫(kù)區(qū)表、底層水溫逐漸達(dá)到全年最高，此時(shí)表底溫差也達(dá)到全年最大值，此后垂直溫度梯度逐漸減小。11 月～次年2 月，隨著氣溫和上游來(lái)水水溫的降低，庫(kù)區(qū)水溫整體下降，底層水溫出現(xiàn)一定逆溫現(xiàn)象。根據(jù)已經(jīng)建成的上一梯級(jí)阿拉溝水庫(kù)水溫的監(jiān)測(cè)情況，烏斯通溝水庫(kù)庫(kù)區(qū)水溫預(yù)測(cè)結(jié)果基本上合理。

2）通過(guò)灌溉放水洞下泄的水體存在一定的低溫水現(xiàn)象，影響主要在4 月～7 月，最大溫差為枯水年（P=85%）5 月的2.5℃，此時(shí)正值農(nóng)作物春灌時(shí)期，會(huì)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的影響，特別是可能造成喜溫作物生長(zhǎng)期延長(zhǎng)、作物產(chǎn)量下降，因此，工程設(shè)計(jì)時(shí)要考慮采取有效的防范措施。