长河坝水电站水库水温预测研究
2012-12-19何月萍杜海卫戴松晨
何月萍，杜海卫，戴松晨，栾 丽
(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072；2.南京晓庄学院，江苏 南京 211171)
1 前 言
长河坝水电站位于甘孜州康定县境内，系大渡河干流梯级开发的第十级电站。工程的开发任务为发电，无其它综合利用要求；电站为堤坝式开发，采用砾石土心墙堆石坝挡水，最大坝高240.00m，装机2 600MW，多年平均发电量108.3亿kW·h。电站进水口为岸塔式，进水口底板高程1 628.00m。
长河坝水电站正常蓄水位为1 690m，正常运用死水位为1 680m，极限死水位为1 650m。水库运行方式为全年按日、周调节运行，即水位通常在正常蓄水位1 690m和死水位1 680m之间变动；当遭遇特别枯水年时，或为满足电网用电需求，水库死水位可降至1 650m，按季调节运行，发挥长河坝水库水量调节作用。
长河坝水库形成后，因水库对水量的调蓄以及水体热量存储条件的变化，将对长河坝库区及其下游的水温分布造成影响。根据大渡河干流水电规划，双江口水电站为上游控制性工程，对双江口以下大渡河干流水温影响较大。因此本文对长河坝水电站运行及与双江口水电站联合运行对水温的影响进行预测研究。
2 水库水温结构
长河坝水库为峡谷型，电站进行日调节。库容相对较小，正常蓄水位以下库容10.4亿m3，多年平均径流量264.6亿m3，年库水替换次数25.4次，坝前水深213m。采用Norton密度佛汝德数判别法对长河坝水库各月水温结构进行判断：
式中Fd——密度佛汝德数；
L——水库长度，m；
H——水库平均水深，m；
V——水库库容，m3；
Q——入库流量，m3/s；
g——重力加速度，m/s2；
G——标准化的垂向密度梯度，10-6(1/m)。
当Fd<0.1时为稳定分层型；0.1
表1 长河坝水电站中水年佛汝德数计算
根据计算结果可知，水库水温结构在12～4月属于稳定分层型，5～11月为弱分层或混合型。
3 水温预测模型
长河坝水库水温结构为季节分层型，采用垂向一维水温模型模拟。由于垂向一维水温模型只研究垂向上水温的变化情况，可用z来表示高程(以向下为正)。从高程z处取一厚度无限小的水平单元水层，进行热量平衡分析。考虑入流、出流、垂向移流、扩散等引起的热输移及水体内部吸收的太阳辐射，由热量平衡原理建立控制方程：
式中T——t时刻高程z处的水温；
ρ、Cp——分别为水体的密度和比热；
A——高程z处的水平面积；
Qz——垂向流量；
D、E——分别为热的分子扩散系数和紊动扩散系数；
ρi、Ti——分别表示入流水的密度和温度；
qi、q0——分别为单位高度上的入库流量和出库流量；
φz——高程z处的太阳辐射热通量。
对上式进行简化，通过分析，ρ和Cp可近似按常数处理，且有ρi=ρ0，不考虑D和E的空间变化与时间变化，以Dz表示二者的综合作用，再联立连续方程式：
假设初始时刻2月全库同温且等于入库水温，初始条件可表示为：
库底和水面的边界条件分别为：
式中zb——库底高程；
zs——水面高程；
φn——水体净吸收的热通量。
4 模型验证
选取二滩水库水温实测资料对水库水温预测模型进行了验证。中国水电顾问集团成都勘测设计研究院分别于2000年1月14日、4月15日及7月25日对二滩库区进行了水温测量。二滩坝址下游设有小得石水文站，收集其同期水温过程。
二滩水库长约136km，平均水面宽约400m，坝前最大水深约190m，最大库容达44.78亿m3。坝体底部高程为1 010m，水库正常蓄水位为1 200m。电厂的进水口高9m，底部高程为1 128m。枯季下泄流量均用于发电，汛期多余弃水则经泄洪洞、中孔或表孔泄至下游河道。
本次研究采用垂向一维水库水温模型预测了二滩2000年1月14日～2000年7月25日的坝前垂向水温分布及下泄水温过程，并与实测值进行了比较。图1比较了2000年3月20日、4月20日和5月30日的坝前垂向水温分布。从中可见，计算值与实测值总体吻合得较好，尤其是在1 120m高程以上的中上层范围内，表层水温和斜温层梯度均模拟得较好，说明垂向一维模型能较好地模拟山区深水库的水温分层。底部低温层模拟结果水温偏低，主要是由于在模型的入流经验公式中，忽略了冬季低温水在潜入库底前沿纵向的增温过程，以至于过低估算出潜入库底的水温。
图2比较了垂向一维水库水温模型预测的下泄水温过程和小得石水文站实测的水温过程，计算值与实测值基本吻合。
验证结果显示，垂向一维模型能较好地模拟出大型深水库的水温分层及下泄水温过程。模型中垂向扩散系数对水温分层结构具有一定的影响，验证中取1×10-5m2/s时可得到较好的模拟效果；太阳辐射的表面吸收系数和穿透水体的衰减系数与水体的色度和浊度相关，主要对表面10m内水温有一定的影响，经率定分别取0.65和0.5。
图1 坝前垂向水温实测值与计算值比较
图2 二滩下泄水温过程与小得石实测水温的比较
5 水温预测工况
根据大渡河干流水电规划，双江口水电站为上游控制性工程，对流域水温影响较大，故选择长河坝水电站单独运行及与双江口联合运行两种工况进行水温预测。水温预测采用的水温、多年平均流量及气象条件见表2～4。
表2 大渡河干流多年平均逐月水温统计 ℃
表3 长河坝水电站丰、平、枯各代表年逐月平均及多年平均流量 m3/s
表4 长河坝水电站气象条件
6 水温预测结果
6.1 长河坝单独运行工况
采用垂向一维水温模型模拟，逐月水温预测结果见表5。
预测结果表明，水库表层水温在2月降到最低，8月份达到最高，年内变幅达13.3℃。电站下泄水温在2～9月低于天然水温0.2～2.1℃，在10月～次年1月高于天然水温0.1～1.1℃；水库的热量储蓄作用使全年各月的最大温差从12.6℃降至11.8℃。
6.2 双江口联合运行工况
6.2.1 双江口下泄水温及长河坝入库水温
由于双江口电站对水温过程的影响较大，拟采取分层取水措施。根据与锦屏一级的分层取水措施效应的类比，可在单取水口下泄水温过程的基础上，初步估计出双江口分层取水措施下的下泄水温过程。根据大渡河规划报告的成果，在经过下尔呷、巴拉、达维、卜寺沟电站调节后，双江口电站的入库水温过程、下泄水温过程见表6。采用天然河道平均增温率计算从双江口坝址至长河坝库尾的增温过程，得到长河坝的入库水温(见表7)。
表5 长河坝水库水温预测结果 ℃
表6 双江口水库下泄水温过程 ℃
表7 长河坝入库水温过程 ℃
6.2.2 联合运行后长河坝水温结构
采用垂向一维水温模型分别考虑双江口单取水口及分层取水结构工况下，预测结果显示双江口不同取水口方案对长河坝垂向水温分布影响较小，长河坝水温分层结构、垂向温差、水温分布范围与单独运行工况均基本相同，没有明显差异。
6.2.3 预测结果
双江口单取水口方案，长河坝逐月水温分布详见表8。
双江口分层取水口方案，长河坝逐月水温分布详见表9。
表8 双江口单取水口方案下长河坝逐月水温 ℃
表9 双江口分层取水方案与单取水口方案下长河坝逐月下泄水温、入库水温比较 ℃
由上述结果可见，在双江口单取水口方案下，长河坝下泄水温过程与入库水温过程同步，逐月温差在0.3～-0.4℃之间，在9月～次年3月下泄水温较入库水温偏高，4～8月较入库水温偏低，但长河坝对水温过程的影响较单独运行工况弱。
双江口单取水口和分层取水的不同结构工况对其下泄水温过程将产生一定的影响，主要表现在3、4月份可能有一定程度的升温，但由于没有具体的分层取水结构设计，其下泄水温过程是类比锦屏一级的分层取水效应得到的。从长河坝的下泄水温过程的预测结果来看，双江口不同取水结构导致长河坝入库水温过程变化，而长河坝下泄水温过程仍然是与其入库水温过程同步变化，双江口分层取水时长河坝下泄水温与入库水温月均温差在0.3～-0.2℃之间，影响依然较弱。
总体来说，在与双江口联合运行工况下长河坝对水温过程的影响较弱，双江口取水结构对长河坝的入库水温过程有所影响，长河坝下泄水温将会同步变化。
另外根据《四川省大渡河干流水电规划调整水温影响研究》的研究结果，大渡河干流穿越不同的气候区，年内气温变幅很大，特别是在上游河段，冬季气温将降到0℃以下，并持续多月；气温的变化直接影响到水温的变化，梯级水库修建前规划河段水温从上游往下游逐渐递增，其年内变化规律与气温一致，只是变幅减小，达到极值的时间滞后。梯级水库建成后其水体的蓄热作用完全改变了河道水温的分布规律，使得水体达到极值的时间更为滞后，与天然河道水温相比，总体规律是夏季水温降低，冬季水温升高，河段水温年内变幅减小。
对大渡河干流规划河段而言，“龙头”控制性大型水库下尔呷是影响整个河段水温分布的关键，对下游水温具有调节作用。另外，上游控制性水库双江口水库对水温影响也较大，其他调节性能较低的水库对水温影响均较小。长河坝电站在与上游梯级联合运行的工况下，对水温贡献较小即给长河坝电站带来的水温变幅较小。
