庫水溫分布計算與分析

田 野，任涵璐，陳星宇，徐成

(1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.海河水利委員會科技咨詢中心，天津 300170；3.溧陽市水利局，江蘇 溧陽 213300；4.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410000)

1 研究背景

水庫的庫水溫是混凝土重力壩及拱壩重要的溫度邊界條件，也是混凝土大壩在施工過程中溫度應(yīng)力分析和混凝土拱壩運(yùn)行期溫控荷載計算的一個重要影響因素[1- 2]。在混凝土大壩運(yùn)行期間，水庫的庫水溫將直接影響穩(wěn)定及準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場的分布，特別是對于壩基強(qiáng)約束區(qū)域，水庫的庫底水溫度將直接影響大壩的基礎(chǔ)溫差和溫控計算標(biāo)準(zhǔn)，從而影響混凝土大壩的溫控防裂設(shè)計[3- 5]。

目前我國水利工程設(shè)計中預(yù)測大壩庫水溫度分布的方法主要有：經(jīng)驗公式和類比方法。

(1)經(jīng)驗公式法 。經(jīng)驗公式法是基于大量水庫水溫實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，總結(jié)出估算水庫垂直向庫水溫分布的經(jīng)驗公式。我們國家估算水庫垂直向水溫分布的經(jīng)驗公式種類繁多，其中應(yīng)用較為廣泛的是東勘院方法(收錄于《水利水電工程水文計算規(guī)范》)和朱伯芳方法(收錄于《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》)。經(jīng)驗公式法具有簡單實用和參數(shù)少的優(yōu)點，但是該方法是基于實測的水溫數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析，并沒有考慮庫水溫分布形成的熱力學(xué)特性，同時統(tǒng)計的水庫樣本空間有限，不能真實地反映所有水庫的垂直向水溫分布規(guī)律，所以經(jīng)驗公式法具有一定的局限性。朱伯芳方法[6]是水利工程中計算庫水溫廣為應(yīng)用的經(jīng)驗公式法，該法是在多年統(tǒng)計分析實測庫水溫的基礎(chǔ)上，總結(jié)出的一套較為完善的估算水庫水溫度年內(nèi)變化、年均溫度、年變幅以及相位差的庫水溫計算公式。

(2)類比方法。類比方法是類比建庫條件相似及地理位置相近的已建水庫，通過分析整理已建水庫的多年實測水庫水溫資料，來預(yù)測新建水庫水溫分布情況。但是，水庫水溫分布情況受水文氣象條件、水庫成庫形狀以及水庫運(yùn)行條件等因素影響較大，所以滿足上述條件且達(dá)到相對可類比的2座水庫較為難找。

2 基本資料

2.1 SK水庫水溫實測資料

2.1.1SK水庫水簡介

SK水庫位于新疆布爾津地區(qū)與QBT水庫氣溫和水溫條件近似，SK水庫多年平均徑流量為44.19億m3，多年平均流量為140m3/s，總庫容為2.22億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。壩頂高程649.00m，最大壩高94.00m，正常蓄水位646.00m，死水位620.00m。圖1為SK水庫上游立視圖。

SK水庫大壩在典型壩段(6#、9#、13#壩段)上游面布置37支溫度計(差阻式傳感器)監(jiān)測庫水溫。埋設(shè)方法是：混凝土澆筑前，在距離上游模板6cm位置固定豎直方向的鋼筋，將溫度計用土工布扎帶與鋼筋捆綁在一起，混凝土澆筑過程中在溫度計附近1m范圍內(nèi)人工搗實。37支溫度計布置情況見表1。

表1 溫度計布置情況

表2 氣溫資料 單位：℃

2.1.3水庫溫度分析

整理6#、9#、13#壩段2015年1—12月的水溫與水深的關(guān)系曲線，如圖1所示。由圖1分析可知，9#壩段與6#和13#壩段的實測數(shù)據(jù)偏差較大， 9#壩段實測數(shù)據(jù)在620～640m(死水位620m，正常蓄水位646m)之間出現(xiàn)較大正(負(fù))溫度，且在該段的溫度是氣溫不是水溫(水溫應(yīng)大于0℃)；13#壩段實測數(shù)據(jù)均在620m(死水位)以下，且與9#壩段實測數(shù)據(jù)吻合較好，因此選擇6#壩段實測數(shù)據(jù)作為公式率定參數(shù)的依據(jù)。圖2—3分別為6#壩段1—12月水溫與水深關(guān)系曲線圖和6#壩段水溫與時間關(guān)系曲線圖。

2.2 氣溫資料

根據(jù)QBT水庫壩址所在地當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁丶s2.8℃；年內(nèi)氣溫以7、8月為最高，分別為20.0℃、18.3℃。壩區(qū)氣溫資料見表2。

3 計算過程

3.1 計算公式

跟據(jù)朱伯芳方法(《水利水電工程水文計算規(guī)范》)，并采用類比方法(SK水庫實測資料)進(jìn)行參數(shù)率定，其中QBT水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，多年月平均水溫、多年年平均水溫和多年平均水溫年變幅，按以下方法計算。

3.1.1多年月平均水溫

多年月平均水溫Tω(y，τ)是水深y和時間τ的函數(shù)，按下式進(jìn)行計算：

Tω(y，τ)=Tωm(y)+Aω(y)cosω[τ-τ0-ε(y)]

(1)

式中，y—水深，m；Tω(y，τ)—深度y處在時間τ的多年月平均水溫，℃；Tωm(y)—水深y處的多年年平均水溫，℃；Aω(y)—水深y處的多年水庫平均水溫的年變幅值，℃；ε(y)—水深y處的水溫滯后，即對于氣溫的相位差，月；y0—多年調(diào)節(jié)水庫的變化溫度層深，m，一般y0=50 ～ 60m，本工程取y0=60m。

(2)

3.1.2多年年平均水溫

有關(guān)昆蟲 GST的研究主要集中在對農(nóng)藥的抗性和代謝解毒機(jī)制方面，對食物源有毒物質(zhì)代謝機(jī)制方面的研究報道相對較少（李亞紅，2014）。本研究旨在克隆薇甘菊頸盲蝽GST基因，研究其在不同部位的表達(dá)差異，為進(jìn)一步解析微甘菊頸盲蝽與宿主植物相互作用機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

對于Hn≥y0的多年調(diào)節(jié)水庫，多年年平均水溫按下式計算：

(3)

式中，Hn—水庫壩前正常水深，m；y0—多年調(diào)節(jié)水庫的變化溫度層深，一般y0=50～60m，本工程取y0=60m。

圖1 2015年1—12月水溫與水深關(guān)系曲線

圖2 6#壩段1—12月水溫與水深關(guān)系曲線

圖3 6#壩段水溫與時間關(guān)系曲線

C1—依據(jù)上一節(jié)實測數(shù)據(jù)擬合參數(shù)，按下式計算：

C1=7.77+0.75Tam

(4)

式中，Tam—壩址多年年平均氣溫，℃。

3.1.3多年平均水溫年變幅Aω(y)

水庫多年平均水溫年變幅Aω(y)按下式計算：

(5)

式中，C2—依據(jù)上一節(jié)實測數(shù)據(jù)擬合參數(shù)，按下式計算：

C2=0.778Aa+2.94

(6)

(7)

式中，Aa—壩址多年平均氣溫年變幅，℃，按下式計算：

(8)

3.2 計算結(jié)果分析

根據(jù)上一節(jié)的計算公式，對QBT水庫12月份不同深度庫水溫進(jìn)行計算，結(jié)果見表3。圖4—5分別為QBT水庫1—12月水溫與水深關(guān)系曲線圖和QBT水庫水溫與時間關(guān)系曲線圖。從計算結(jié)果可以看出，計算得出QBT水庫水溫分布與SK水庫水溫分布趨勢上基本吻合的，雖然仍需進(jìn)一步論證，但已可用于QBT拱壩穩(wěn)定溫度場的計算。

圖4 QBT水庫1—12月水溫與水深關(guān)系曲線

圖5 QBT水庫水溫與時間關(guān)系曲線

表3 各月份不同庫水深度水庫水溫

4 結(jié)論

(1)SK水庫9#、6#和13#壩段的實測數(shù)據(jù)偏差較大，9#壩段實測數(shù)據(jù)在死水位到正常蓄水位之間出現(xiàn)較大正(負(fù))溫度，13#壩段實測數(shù)據(jù)均在死水位，不具有代表性，因此選取6#壩段實測數(shù)據(jù)作為公式率定參數(shù)的依據(jù)。

(2)采用類比方法+經(jīng)驗公式方法(朱伯芳方法)，以QBT水庫附近已運(yùn)行SK水庫水溫實測資料為依據(jù)，對朱伯芳方法的經(jīng)驗公式進(jìn)行參數(shù)率定。從計算結(jié)果可以看出，計算得出QBT水庫水溫分布與SK水庫水溫分布趨勢上基本吻合，可用于QBT水庫拱壩穩(wěn)定溫度場的計算。