徐天寶，謝強富，吳松

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，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

徐天寶，謝強富，吳松

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明650051)

采用MIKE3構(gòu)建西南某水電站的三維數(shù)學模型，研究水電站庫區(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下泄低溫水的改善作用。計算結(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開發(fā)利用水資源、推動社會和經(jīng)濟發(fā)展具有極大作用，但在工程建設(shè)過程中，也會對自然環(huán)境造成一定影響。其中，工程運行將對下游河流的水溫產(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，進而影響魚類繁殖。[1]因此，在進行大型水利水電工程建設(shè)時，需要研究大型水利水電工程運行對庫區(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，水庫回水長約85 km，正常蓄水位對應(yīng)庫容15億m3，調(diào)節(jié)庫容8億m3，庫容系數(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。采用庫水交換次數(shù)法(α-β指數(shù)法)來判斷該水庫水溫分層情況。水庫年均徑流量280億m3，計算得到α為19，10<α<20，該水庫水溫分布為過渡型。

2　MIKE3模型簡介

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)等多個模塊。其中，MIKE3可模擬具有自由表面的三維流動系統(tǒng)，包括對流彌散、水質(zhì)、重金屬、富營養(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)，富營養(yǎng)化，重金屬，粘性沉積物的腐蝕、傳輸和沉降，預(yù)報，海洋冰山模擬等與水力學相關(guān)的現(xiàn)象。[2]本研究采用MIKE3構(gòu)建水庫三維模型進行水溫模擬預(yù)測。

2.1基本方程

三維水動力學水溫模型的基本方程組為：

式中，ρ為水的密度；t為時間；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為湍動粘性系數(shù)；gi為重力矢量；δ為克羅奈克函數(shù)(當i=j時，δij=1；當i≠j時，δij=0)；SS為源匯項；T為溫度；k為湍動能；DT為溫度擴散系數(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動產(chǎn)生的熱量對流、熱量擴散和太陽、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短波輻射、大氣和水面長波輻射、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為太陽短波輻射；qsr為水面反射的太陽短波輻射；qsu為水體散發(fā)的短波輻射；ql為水面吸收的大氣長波輻射；qlr為水面反射的長波輻射；qlu為水體散發(fā)的長波輻射；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　水電站庫區(qū)水溫模型建立

3.1地形條件

模型計算參數(shù)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行計算，根據(jù)實測地形進行概化處理，網(wǎng)格大小為200×10×10 m(縱向×橫向×垂向)，參加計算的網(wǎng)格總數(shù)為7 857個，計算時間步長采用30 s。

3.2邊界條件

(1)水文

工程所在流域徑流補給方式以降雨為主，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)測的實測水溫結(jié)果，利用沿程增溫率推算庫尾水溫，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輻射、日照時數(shù)、氣溫、云量、風速、濕度。采用電站樞紐工程區(qū)專用氣象站的監(jiān)測結(jié)果作為氣象條件。

4　水溫預(yù)測

針對表1中所列9種工況進行模擬計算。

4.1庫區(qū)水溫預(yù)測

分析研究在不設(shè)疊梁門的情況下，3個典型年庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)，預(yù)測結(jié)果如圖1所示。典型豐水年，在2—7月，庫區(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模型計算工況

圖1　庫區(qū)水溫分布預(yù)測結(jié)果Fig.1　The prediction of vertical water temperature distribution of the reservoir

4.2壩下水溫預(yù)測

分析研究水電站運行前后，在不設(shè)置分層取水措施的情況下，3個典型年下泄水溫的變化，預(yù)測結(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)測結(jié)果，出現(xiàn)下泄低溫水情況的時段主要在2—7月，因此分層取水的改善效果分析主要針對這幾個月進行。疊梁門運行調(diào)度原則為：在保證工程安全運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)置對下泄水溫有明顯改善作用。例如，在預(yù)測條件下，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間維持在高水位運行，取水水位均較高，六層疊梁門運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較多月份在低水位運行，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

本文采用MIKE3構(gòu)建西南某水電站的三維數(shù)學模型，預(yù)測庫區(qū)垂向水溫分布和發(fā)電進水口低溫水下泄情況。預(yù)測結(jié)果表明，水庫在部分季節(jié)發(fā)生了水溫分層現(xiàn)象，受水庫調(diào)度運行影響明顯。在3個典型年中，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?。辉诓煌湫湍陾l件下，不同分層取水方案對下泄低溫水的改善作用不一致，在進行分層取水方案設(shè)計時，應(yīng)針對多種方案綜合比選。

綜上分析，對于該水電站，由于水庫僅具有季調(diào)節(jié)能力，庫水交換次數(shù)較多，不會形成穩(wěn)定的水溫分層結(jié)構(gòu)，但在部分月份仍會形成水溫分層。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)加強庫區(qū)和壩下水溫監(jiān)測，適時調(diào)整分層取水運行。

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

[2]馬騰, 劉文洪, 宋策, 等. 基于MIKE3的水庫水溫結(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. 水庫低溫水的生態(tài)影響及工程對策研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 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，高級工程師，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境保護，E-mail：xutianbao00@163.com

10.14068/j.ceia.2016.03.013

X143；TV697.1

A

2095-6444(2016)03-0049-04