肖海斌，陳 豪，2，王海龍，陸 穎，王海燕，熊合勇

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明650214；2.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098；3.云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院，云南昆明650091)

?

糯扎渡水電站水庫壩前垂向水溫預測與實測數(shù)據(jù)對比分析

肖海斌1，陳 豪1，2，王海龍1，陸 穎3，王海燕1，熊合勇1

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明650214；2.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098；3.云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院，云南昆明650091)

糯扎渡水電站水庫總庫容237.03億m3，蓄水后形成瀾滄江流域最大水庫，使上下游水體水溫較天然河道發(fā)生改變。根據(jù)環(huán)評批復要求，糯扎渡水電在建設期通過電站進水口分層取水研究，預測了水庫水溫結構和分布，在電站投運后開展了水庫垂向水溫的持續(xù)監(jiān)測，驗證了水庫水溫數(shù)值預測結果。對比分析了水庫壩前垂向水溫預測與實測數(shù)據(jù)，為進一步修訂和完善電站進水口分層取水疊梁門運行調度方式奠定了基礎。

水溫結構；預測數(shù)據(jù)；實測數(shù)據(jù)；糯扎渡水電站

0 引 言

糯扎渡水電站位于云南省思茅市與臨滄市交界處，是瀾滄江中下游水電梯級“兩庫八級”開發(fā)中的第5級，上接大朝山水電站，下接景洪水電站。電站以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運、旅游和漁業(yè)等綜合效益，是國家“西電東送”的骨干電源工程。電站樞紐主要水工建筑物由最大壩高261.5 m的礫質粘土直心墻堆石壩，地下引水發(fā)電系統(tǒng)，左岸開敞式溢洪道和左、右岸泄洪洞組成。電站裝機9臺，總容量5 850 MW，年發(fā)電量239.12億kW·h，于2014年7月全部建成投產(chǎn)。水庫正常蓄水位812 m，死水位765 m，總庫容237.03億m3，調節(jié)庫容113.35億m3，具有多年調節(jié)能力，分別于2013年10月和2014年9月兩次蓄至正常蓄水位。

鑒于糯扎渡水庫蓄水后將形成最大深度達210 m的瀾滄江流域最大水庫，上下游水體水溫將較天然河道發(fā)生改變，2005年完成的電站環(huán)評報告中開展的水庫及下泄水溫初步預測研究表明，水庫建成后庫水溫將出現(xiàn)穩(wěn)定分層現(xiàn)象，即水庫表層水溫將高于原河道天然水溫，水庫下層水溫又將低于天然水溫，采用常規(guī)的電站單層取水進水塔方案將下泄低溫水，改變天然河道的水溫分布，對下游水生態(tài)產(chǎn)生影響，推薦糯扎渡水電站采取分層取水措施[1]。原國家環(huán)?？偩衷诤罄m(xù)的環(huán)評批復中同意環(huán)評報告提出的相關研究結論，要求在設計階段進一步開展工作，提出具體的分層取水運行方式。

因此，糯扎渡水電站在招標及施工圖設計階段開展了電站進水口分層取水研究，在采用數(shù)值模型預測分析糯扎渡水庫水溫結構和下泄水溫的基礎上，確定了電站進水塔分層取水的結構形式及其初擬運行方式；在蓄水運行階段開展了電站分層取水運行管理規(guī)程研究和瀾滄江中下游水溫持續(xù)監(jiān)測工作，通過水庫成庫后壩前垂向水溫的持續(xù)監(jiān)測，驗證水庫水溫數(shù)值預測結果，并綜合電站投運后的發(fā)電、防洪及航運供水等多目標運行模式要求，進一步修訂進水口分層取水疊梁門運行方式。

1 糯扎渡水庫壩前垂向水溫結構預測分析

1.1 水庫水溫結構初步判別

首先采用參數(shù)α-β、Norton密度佛汝德數(shù)、水庫寬深比三種方法初步判別糯扎渡水庫水溫結構型式。

1.1.1 判別計算過程

(1)參數(shù)α-β判別法。利用水庫水文參數(shù)α(α=多年平均徑流量/水庫總庫容)和β(β=一次洪水量/水庫總庫容)進行判別計算，當α<10，則水庫水溫為分層型；當10<α<20，則水庫水溫為不穩(wěn)定分層型；當α>20，則水庫水溫為混合型。對于分層型的水庫，如果遇到β>1 的洪水，將出現(xiàn)臨時混合現(xiàn)象；但如果β<0.5時，洪水對水庫水溫的分布結構沒有影響。

(2) Norton密度佛汝德數(shù)判別法。利用Norton密度佛汝德數(shù)判別公式進行計算，即

Fd=(LQ/HV)(gG)-1/2

(1)

式中，F(xiàn)d為密度佛汝德數(shù)；L、H、V分別為水庫長度、平均水深和庫容；Q為入庫流量；g為重力加速度；G為標準化的垂向密度梯度(量級為10-3，1/m)。當Fd<0.1時，水庫水溫為穩(wěn)定分層型；當0.11.0時，水庫水溫為完全混合型。計算得到Fd=0.055 <0.1，水庫水溫為分層型。

(3)水庫寬深比判別法。采用水庫寬深比判別方法R=B/H計算，式中，B為水庫水面平均寬度；H為水庫平均水深。當H>15 m、R>30時，水庫水溫為混合型；當R<30時，水庫為分層型。

1.1.2 判別結果

三種判別法均得到一致的結果，糯扎渡水庫水溫結構為穩(wěn)定分層型，見表1。

表1 糯扎渡水電站水庫水溫類型初步判斷

判別方法選用參數(shù)判別值判別結果α-β判別法α/β23/065典型分層型密度佛汝德數(shù)法Fd00027典型分層型水庫寬深比法R201典型分層型

1.2 水庫水溫預測模型參數(shù)率定及計算過程

為保證研究工作銜接延續(xù)性，在充分利用2004年電站建設環(huán)境影響評價和2005年瀾滄江中下游梯級電站建設環(huán)境影響研究與評價期間的一維和垂向二維模型計算成果，保證研究工作銜接延續(xù)性的基礎上，采用丹麥MIKE3三維水動力學水溫模型對糯扎渡水庫豐、平、枯三個典型年進行數(shù)值模擬，并使用美國EFDC三維水動力學水溫模型對典型平水年進行校驗，確保成果的可靠性。

MIKE3三維水動力學水溫模型是由基本方程、湍流方程、熱交換反應方程構建的復雜方程組。限于篇幅文中僅列出了MIKE3基本方程組，具體為：

(2)

(3)

(4)

式中，t為時間；ρ為水的密度；cs為水的狀態(tài)系數(shù)；ui為xi方向的速度分量；Ωij為柯氏張量；p為壓力；gi為重力矢量；νT為湍動粘性系數(shù)；δ為克羅奈克函數(shù)(當i=j時δij=1；當i≠j時δij=0)；k為湍動能；T為溫度；DT為溫度擴散系數(shù)；Cp為等壓比熱；QH為熱交換反應式；SS為源匯項。

研究工作開展時，因缺乏瀾滄江梯級水庫的穩(wěn)定水溫實測數(shù)據(jù)，因此庫水溫預測計算中，利用了雅礱江二灘水電站2006年5月和7月的水溫實測數(shù)據(jù)，重點對MIKE3模型中包括Smagorinsky混合紊流模型水平方向系數(shù)，湍流k-ε方程中的通用常數(shù)，基于水流渦粘系數(shù)描述的熱擴散系數(shù)D的比例系數(shù)k，太陽輻射云量影響公式中的系數(shù)a2和b2，蒸發(fā)散熱計算公式中的a1和b1以及太陽輻射熱水下傳播計算公式中的λ和β等水動力學參數(shù)和熱量交換參數(shù)進行了率定試算，并驗證確定。從MIKE3和EFDC兩種模型軟件水溫計算率定驗證結果可知，模型計算與實測結果符合較好，模型概化和控制條件基本符合實際情況，參數(shù)取值適當，用于糯扎渡水電站水溫計算可以獲得較高精度。水溫模型計算過程詳見圖1。

圖1 水溫計算過程

1.3 水庫水溫預測計算范圍及邊界條件確定

糯扎渡電站庫區(qū)回水長度220 km，壩前最大水深210 m。為保證預測工作的準確性，采用了庫區(qū)實測地形資料，并考慮主要支流的影響。計算范圍縱向選取壩址至上游170 km的庫區(qū)，橫向選取水庫正常蓄水位左右岸淹沒線，垂向選取全水深。MIKE3模型計算采用尺寸150 m×200 m×9 m(縱×橫×垂)的三維矩形網(wǎng)格，垂向網(wǎng)格共分23層，時間步長240 s。運用EFDC模型僅進行糯扎渡全庫區(qū)模擬，其模型范圍選取、模型概化方法和計算條件均與MIKE3模型相同。

糯扎渡水庫水位邊界條件根據(jù)各典型水文年梯級電站聯(lián)合調度資料，設計出月平均運行水位，進行插值，由一維模型計算提供的典型豐水年19900601～19910531，典型平水年19760601～19770531和典型枯水年19940601～19950531水庫水位邊界數(shù)據(jù)。上游水溫邊界條件，采用糯扎渡水庫庫尾，大朝山電站多年平均下泄水溫為入庫來水水溫條件，見圖2。氣溫、濕度邊界條件均采用糯扎渡庫區(qū)實測多年平均數(shù)據(jù)。糯扎渡水電站在上游有小灣龍頭水庫的情況下，糯扎渡水庫常年維持在較高水位運行，只有遇到來水特枯年份或系統(tǒng)特殊運行要求時，水庫才消落到死水位765 m運行。

圖2 大朝山電站多年平均下泄水溫

1.4 壩前垂向水溫結構預測分析

根據(jù)使用MIKE3模型預測與EFDC模型復核的成果，糯扎渡水庫正常蓄水后幾乎全年都處于水溫分層狀態(tài)，水庫水溫結構分為表、中、底層，表層為水面至10 m層水溫，中層為水深50 m層水溫，底層為水深100 m和150 m水溫。春夏季3月～7月基本分為兩層，秋冬季8月～翌年2月基本分為三層。從圖3庫區(qū)水溫分布可看出，靠近水庫底層的水溫相對穩(wěn)定，而年內各月水庫水溫較高區(qū)域都分布在水庫表層，縱向分布在近壩約70 km范圍內，即水庫總長度約1/3，采用疊梁門取水方式，使壩前表層水體流動，導致庫區(qū)高溫區(qū)保持在壩前的區(qū)域。

在糯扎渡水庫正常蓄水情況下，水庫壩前2.5 km范圍內水溫分布穩(wěn)定，且直接控制了發(fā)電下泄水溫，因此選取水庫壩前2.5 km斷面基本可以代表壩前水溫垂向分布特征，由圖4可知，典型豐水年運行情況下，3月～7月壩前庫水溫結構分兩層，上層水溫從低逐漸升高，層厚逐漸變厚；8月～11月水溫結構分三層，降雨使表層水溫比6月～7月略低，水體熱傳導使中層水溫仍逐漸升高；12月～翌年2月，庫水溫結構逐漸由三層恢復為兩層，上層水溫逐漸降低，層厚變薄；而水深100 m以下的下層水，水溫年際變化很小，至150 m以下深度水溫全年基本保持在14.7 ℃左右。由于典型豐水年和平水年的運行調度水位過程規(guī)律基本相似，運行流量過程量級相似，典型平水年垂向水溫結構、各月份的水溫分層現(xiàn)象，與典型豐水年基本一致，變化規(guī)律相同，只是表層、上層水溫略高于典型豐水年，而100 m以下水溫略低于典型豐水年，保持在14.4 ℃左右。典型枯水年各月垂向水溫結構均分為兩層。3月～10月上層水溫從低逐漸升高，上層水厚度由薄變厚；11月～翌年2月，上層水溫逐漸降低，層厚變?。欢?0 m以下水溫年內變化很小，至110 m水深以下水溫全年保持在14.3 ℃左右。

綜上所述，糯扎渡主要庫區(qū)水體各月水溫分層明顯，上下水溫變化梯度較大的水層平均在水深60～70 m的位置，上層水溫年內變化很大，100 m

圖3 典型平水年4、6、8月庫區(qū)水溫分布(單位：℃)

圖4 壩前2.5 km斷面典型豐、平、枯水年垂向水溫分布

水深以下水溫全年基本不變。

2 糯扎渡水庫水溫實測對比分析

2.1 水庫壩前垂向水溫監(jiān)測儀器布設與監(jiān)測情況

根據(jù)前期研究成果，糯扎渡水庫壩前大梯度水溫變幅區(qū)分布在水深70 m以上水層。而糯扎渡電站進水塔高度85.5 m，因此為驗證水庫水溫數(shù)值預測結果，指導電站進水口疊梁門運行，分別在大壩壩前左岸邊坡和電站進水口右側邊坡各布置了1組鏈式溫度計水溫測線，其中大壩壩前左岸邊坡水溫測線設有47支溫度計，762～ 812 m高程每隔2 m布置1支溫度計，共26支；711～762 m高程每隔3 m布置1支溫度計，共17支；611～711 m高程每隔25 m布置1支溫度計，共4支；電站進水口右側邊坡35支溫度計，762～812 m高程每隔2 m布置1支溫度計，共26支；在735～762 m高程每隔3 m布置1支溫度計，共9支。每日8時、20時定時自動測量水溫，并實時將數(shù)據(jù)傳輸至電站工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)存儲。

2014年8月，在糯扎渡水庫首次達到正常蓄水位10個月后，水庫垂向水溫分布基本穩(wěn)定情況下，啟動了水庫壩前垂向水溫的持續(xù)監(jiān)測，至2015年7月取得了一個完整水文年的壩前垂向水溫實測數(shù)據(jù)，具備了對水溫結構預測成果進行對比與驗證的資料基礎。

2.2 水庫水溫實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)2014年和2015年上半年瀾滄江流域中下游來水總體偏少，小灣斷面來水基本與多年平均持平，景洪斷面來水經(jīng)還原上游水庫調節(jié)運行影響后，較多年平均偏少一至兩成，位于小灣和景洪的區(qū)間的糯扎渡水庫來水總體屬于為平偏枯年份。因此，選用水庫典型平水年運行情況下的水溫預測值與壩前實測水溫數(shù)據(jù)進行對比分析。

經(jīng)初步比對，壩前兩條水溫測線在同等水位條件下對應深度測點的同時刻測值較為接近，因此選擇布點較多，完好率較高的大壩壩前左岸邊坡水溫測線監(jiān)測數(shù)據(jù)與壩前預測值進行比對。實測水溫數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法：①統(tǒng)計位于當月平均庫水位水面以下測點，水面以上測點測值不進行統(tǒng)計，測點對應的庫水深數(shù)據(jù)采用全月每日8時水位測值的算數(shù)平均值與測點布設高程的差值進行統(tǒng)計；②為滿足以月均水溫為形式的水庫水溫預測值成果對比，采用單測點全月日均水溫的算數(shù)平均值，即首先統(tǒng)計出同一測點的單日平均水溫，再根據(jù)各測點全月數(shù)據(jù)采集情況，統(tǒng)計單測點月平均水溫；③針對測點個別測次的異常數(shù)據(jù)進行粗差剔除和函數(shù)修正；④采用內插法對因儀器異常造成的個別測次數(shù)據(jù)丟失進行補值；⑤完全損壞或失效測點不列入水溫數(shù)據(jù)統(tǒng)計范圍。

2.3 水庫壩前水溫預測與實測數(shù)據(jù)對比分析

典型平水年壩前各月預測水溫結果與完整平水年實測水溫月平均水溫數(shù)據(jù)對比，水庫壩前實際水位線以下100 m深度范圍內的逐月預測和實測垂向水溫結構分布與變化趨勢近乎一致，但實測月均水溫值總體高于預測水溫值，見圖5。

8月～11月具體如下：8月，水深5 m范圍內的表層實測與預測水溫基本吻合，6～60 m水深實測與預測水溫差值逐漸擴大至2.23～3.74 ℃，至70 m水深實測與預測水溫差值開始逐步縮小至2 ℃以下；9月，從表層至水深40m范圍內實測水溫高于預測水溫1.2～2.4℃，40～90m水深實測與預測水溫差值逐漸擴大至3.19～4.35 ℃，至90 m水深實測與預測水溫差值縮小至2 ℃；10月，從表層至水深10 m范圍內實測高于預測水溫1.75～2.5 ℃，10～45 m水深實測與預測水溫差值始終低于1 ℃，50～90 m水深實測與預測水溫差值逐漸擴大至1.51～3.91 ℃，至100 m水深實測與預測水溫差值開始逐步縮小至2 ℃以內；11月，從表層至水深15 m范圍內實測高于預測水溫1.87～2.77 ℃，15～60 m水深實測與預測水溫差值始終低于1 ℃，60～100 m水深實測與預測水溫差值保持在2℃以內。

12月～翌年2月具體如下：12月，從表層至水深40 m范圍內實測水溫高于預測水溫1.15～2.07 ℃，40～90 m水深實測與預測水溫數(shù)值基本相等；1月，從表層至水深50 m范圍內實測水溫高于預測水溫1～1.7 ℃，50～90 m水深實測與預測水溫數(shù)值較為接近，差值在1 ℃以內；2月，從表層至水深60 m范圍內實測水溫高于預測水溫1.7～2.29 ℃，60～90 m水深實測與預測水溫差值逐漸減小至0.89～1.56 ℃。

3月～7月具體如下：3月，表層至水深20m范圍內實測水溫與預測水溫達到4℃左右的差值，20～50 m水深實測與預測水溫差值保持在2.5 ℃；50～90 m水深實測與預測水溫差值逐漸減小至0.99～1.79 ℃；4月，表層至水深10 m范圍內實測水溫與預測水溫達到4 ℃左右的差值，10～50 m水深實測與預測水溫差值保持在2.5 ℃；50～90 m水深實測與預測水溫差值逐漸減小至0.83～1.74 ℃；5月，因數(shù)據(jù)庫服務器故障導致數(shù)據(jù)丟失；6月，表層至水深20 m范圍內實測水溫低于預測水溫2～3 ℃，20～70 m水深實測高于預測水溫1.46～2.48 ℃； 7月，表層至水深15 m范圍內實測水溫高于預測水溫1～2 ℃，20～50 m水深實測與預測水溫差值擴大至2～6 ℃，50 m以下水深實測開始逐漸接近預測水溫，差值在0.5以下。

3 結 語

(1)通過對比分析，糯扎渡電站水庫壩前實際水位線以下100 m深度范圍內的逐月預測和實測垂向水溫結構分布與變化趨勢近乎一致，說明采用經(jīng)率定驗證后的MIKE3模型和EFDC模型的庫水溫預測研究方法切實可行。

(2)針對實測月均水溫值總體高于預測水溫值的情況，估計是因瀾滄江流域缺乏水庫水溫實測數(shù)據(jù)，而采用了雅礱江二灘電站水庫水溫實測數(shù)據(jù)進行模型率定造成的偏差，以及上游小灣水庫投運后，流域梯級電站聯(lián)合調度運行的影響。

(3)鑒于水庫水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)對電站進水口分層取水設施有效運行的重要指導作用，在目前已出現(xiàn)的部分溫度計因異?；驌p壞導致數(shù)據(jù)缺失，且溫度計難以維修更換的情況下，建議在今后新建電站采用雙垂向水溫測線同部位冗余布置的方案，進一步提升水庫水溫監(jiān)測工作的持續(xù)性和數(shù)據(jù)采集的可靠性。

(4)糯扎渡電站進水口疊梁門分層取水設施的建設和運行在瀾滄江流域水電開發(fā)尚屬首例，在國內也缺乏運行管理經(jīng)驗，因此唯有與之同步開展相應的水溫監(jiān)測工作，積累詳實的水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，方能為評價分層取水設施運行效果，修正并完善其調運方式提供科學支撐，進而促進水電能源開發(fā)與水生生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展。

圖5 水庫預測與實測水溫對比參考文獻：

[1]張榮， 陳勝利， 等. 云南省瀾滄江糯扎渡水電站環(huán)境影響報告書[R]. 昆明： 中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司， 2005.

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(責任編輯 王 琪)

Comparative Analysis of Vertical Water Temperature between Forecast and Measurement Data in front of Dam of Nuozhadu Hydropower Station

XIAO Haibin1, CHEN Hao1,2, WANG Hailong1, LU Ying3, WANG Haiyan1, XIONG Heyong1

(1. Huaneng Lancang River Hydropower Co., Ltd., Kunming 650214, Yunnan, China; 2. College of Water Conservancy and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China; 3. Institute of International Rivers and Eco-security, Yunnan University, Kunming 650091, Yunnan, China)

The total reservoir capacity of Nuozhadu Hydropower Station is 23.703 billion m3. The impoundment of reservoir will form the largest reservoir in Lancang River Basin and make the water temperature change greatly than natural river. According to EIA approval, the structure and distribution of reservoir water temperature should be predicted by studying intake stratified water diversion in construction period of station, and the vertical water temperature after power station put into operation should be continuously monitored to verify the results of prediction. The forecast and measurement data of vertical water temperature are comparatively analyzed herein, which provide a basis to improve the operation of stoplog gate for stratified water diversion of station．

water temperature structure; forecast data; measurement data; Nuozhadu Hydropower Station

2015- 11- 18

國家科技支撐計劃課題(2013BAB06B03)

肖海斌(1974—)，男，湖北武漢人，高級工程師，博士，主要從事水電開發(fā)科技研究與管理工作．

X524

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0559- 9342(2016)09- 0087- 06