汾河水库水温分布结构分析

范术芳

（山西省水利建设开发中心 山西太原030002）

0 引言

汾河水库作为山西最大的一座综合利用的大型水库，承担着下游河段农田灌溉、生物养殖的任务，自2003年作为引黄入晋工程的调蓄水库，成为太原市的主要供水水源。为确保供水水质，许多学者对汾河水库水质[1，2]进行了大量的研究，而水温预测作为水利水电工程环境影响评价的主要内容之一，其变化对库区及下游河段的水质有重要的影响[3]，因此科学地预测水库的水温分布结构，采取相应的温控措施，具有重大的工程意义。目前，国内外对水库水温预测方面做了大量的研究，而且数学模型的应用日趋成熟，一维和二维模型的应用虽然非常广泛，但是其局限性也是明显的。水体的紊动特性决定了水温模拟是三维问题，采用三维模型计算水库水温分布更为符合实际。Qinggai Wang[4]利用MIKE11模型对待建水库的水温结构进行预测研究。Shun-wen JI等[5]应用统计模型预测水库水温分布。A.A.Apukhtin[6]采用三维模型计算Beloyarskoe水库的最大水温。张士杰，彭文启[7]应用MIKE3软件对二滩水库水温结构及其影响因素进行了研究。李 林，周孝德，宋 策[8]应用三维水温模型预测有支流影响下的水库水温。

汾河水库自运行以来，对水温预测的研究较少，而且水库由于泥沙淤积，导致坝前引水口处形成了淤积漏斗，势必对水库水温分布和下泄水温产生重大影响。因此，本文通过对汾河水库水温进行实测和数值模拟两种方法对水库水温的分布结构进行分析。

1 水库的分类

水库由于库水密度分布所形成的重力作用与库内水流所形成的混合作用的程度不同，垂向分层强弱的差异是很大的，一般分为三种类型：分层型、过渡型、混合型。判别水库水温结构形式的方法有多种，目前普遍使用的是α－β法和密度佛汝得数法。本文中采用α－β法对汾河水库的水库类型进行判别，当α＜10 时，为分层型；10＜α＜20 时，为过渡型；α＞20 时，为混合型。

汾河水库的多年平均入库径流量为3.6712亿m3，总库容为7.21亿m3，但由于汾河上游来流含沙量大，截至目前库容已淤积一半以上，水库库容为3.5329亿m3。经计算（见公式1）可判断汾河水库为分层型水库。

2 水库水温监测

为准确分析汾河水库水温的分布状况，本文对水库不同时段的水温结构进行了实际监测[9]。考虑到分层型水库夏冬两季水温分层明显，而春秋两季处于翻滚、过度状态，选取具有代表性的1月，4月和7月进行监测。监测断面设置为坝前的5个断面，每个断面上设置左中右三条垂线施测，监测断面图见图1。

图1 汾河水库库区监测断面示意图

1号断面是坝前的最深断面，对下泄水温的影响最为显著，分析此断面的水温分布结构对整个库区的水温分布预测起着至关重要的作用。图2为水库1月、4月、7月坝前1号断面垂向水温分布图。

图2 垂向水温分布图

由图2可知，1月份水库表层结冰，水库水温出现分层现象，水下1m为温跃层，温跃层以下水温迅速增加，水库处于恒温状态；4月份随气温上升，水库水温的分层状态被打破，水温处于一个完全混合状态，水库水温从库表到库底基本呈等温分布，水温沿垂向变化不大；7月份受气温的影响，库表水温达到24℃以上，库表水温与库底水温的温差较大，呈现分层现象。

3 水库水温预测

3.1 数学模型

MIKE3是一种三维数学模型，其数学基础是雷诺平均化的N-S方程，包含水流连续性方程、水流动量方程、温度对流扩散方程k-ε方程，求解方法采用交替方向隐式迭代法。该模型需要的边界条件包括地形边界；热交换边界；水库入库流量、入库水温；水库出库流量；河底阻力边界；风速及方向。

3.2 参数率定

模拟计算以2008年4月底实测值起算，计算至2009年1月底，以7月份的模拟结果对比实测数据进行参数率定，对比结果见图3。

图3 7月份模拟值与实测值对比图

由图3可知，7月底水库水温的实测值和模拟值吻合较好，显示处水温结构处于一个弱分层的时期，但是模拟结果的水温值较实测数据要偏低，主要原因是实测结果代表的是某一时刻的数据，而模拟结果所采用的入流边界是月平均水温，反映的平均状态。通过对比分析，两者的误差范围均在±5%以内，计算精度能够达到要求，本文采用的数学模型具有适用性。

模拟所采用的计算参数取值见表1，其中涡黏系数，只需简单地指定每个区域的值即可，经验系数采用的是固定常数，其余参数通过试算在取值范围内进行确定。

表1 模型主要计算参数取值

本文是针对汾河水库P=50%频率年进行水温分布结构预测，模拟计算中湿度采用多年平均的月平均值55%，各月气温、入库流量、入库水温、出库流量和水位具体数据见表2。

表2 汾河水库（P=50%）各月气温、入库流量、入库水温、出库流量和水位

续表2

3.3 模拟结果

汾河水库（P=50%）各月的计算结果取每月各天的平均值，垂向水温分布图选用纵向沿程中心剖面给出，各月的水温分布情况如图4所示。

图4 汾河水库（P=50%）各月水温分布图

由图4可知，12月、1月、2月水库水温结构呈典型的分层状态，水库表层结冰，温跃层以下呈现一个恒温状态。从3月开始，随着气候转暖，水库开始进入升温期，水库表面开始化冰升温，原有的水温分层状态被打破，水温结构在垂向上开始逐渐混合，4月至6月，水库水温达到了完全混合。7月、8月，受气温高的影响，水库水温出现了上高下低的分层现象。9月、10月随气温降低，库区水密度变大下沉，库水翻滚，水库的弱分层现象开始消失，水温结构再次混合。11月分气温和来水水温明显下降，库表水温逐渐降低，而库底水温受气温影响较小，水温变幅相对较小，水温结构趋于分层状态。

4 结论

（1）本文利用现场观测方法对汾河水库1月、4月和7月的水温进行测量，为预测分析水库水温结构提供了基础数据。

（2）汾河水库的实测水温和数值模拟结果吻合较好，分布趋势一致，两种方法取得的数据结果误差范围在±5%以内，充分证明了数学模型的适用性，并利用实测水温率定了计算参数。

（3）数值模拟结果都表明，汾河水库是一个分层型水库，冬季和夏季水温分布呈典型地分层状态，春季和秋季处于季节交替的时期，水库水温处于明显的翻滚状态，在垂向上呈混合现象。

［1］Xiangpeng Kong，Shuhong Ye.The impact of water temperature on water quality indexes in north of Liaodong Bay ［J］.Marine Pollution Bulletin,2013（80）：245-249.

［2］盛 夏.汾河水库水质富营养化评价与预测研究［D］.山西：山西大学，2013.

［3］孟国霞.万家寨水库、汾河水库及上游干流水质分析评价［J］.山西水利科技，2004（3）：7-9.

［4］Qinggai Wang.Prediction of Water Temperature as Affected by a Pre Constructed Reservoir Project Based on MIKE11［J］.Clean Soil Air Water,2013,Vol.41(11)：1039-1043.

［5］ Shun-wen JI，Yue-ming ZHU，Sheng QIANG，Deng-feng ZENG.Forecast of water temperature in reservoir based on analytical solution［J］.Journal of Hydrodynamics,Ser.B,2008,Vol.20(4)：507-513.

［6］A.A.Apukhtin，M.K.Klevannaya，K.A.Klevannyi，E.V.Smirnova.Computation of maximum water temperature in the Beloyarskoe Reservoir［J］.Russian Meteorology and Hydrology，2013，Vol.38(12)：853-858.

［7］张士杰，彭文启.二滩水库水温结构及其影响因素研究［J］.水利学报，2009（10）：1254-1258.

［8］李 林，周孝德，宋 策.基于三维水温模型预测有支流影响下的水库水温［J］.水土保持通报，2012（2）：159-161.

［9］袁 琼.二滩拱坝实测库水温度分析研究［J］.水电站设计，2006,22（2）:27-33.