基于Delft3D的水库水温模拟技术方法——以观景口水库为例

杨智，叶清华，王成，水艳，李丽华，苗欣慧

(1.淮河水资源保护科学研究所，安徽蚌埠　233001； 2.荷兰三角洲研究院，荷兰代夫特　2600 MH)



基于Delft3D的水库水温模拟技术方法
——以观景口水库为例

杨智1，叶清华2，王成1，水艳1，李丽华1，苗欣慧1

(1.淮河水资源保护科学研究所，安徽蚌埠233001； 2.荷兰三角洲研究院，荷兰代夫特2600 MH)

摘要：观景口水库位于重庆市巴南区西部长江南岸一级支流五布河上，水库建成后将会对库区水温和下游河道的水温产生影响，进而影响整个水生生态系统。采用Delft3D软件对库区水温进行模拟，根据数值模拟结果，观景口水库坝前水温年内垂向分布为分层型。水深0～20 m为变温层，20～35 m为温跃层，35 m以下为恒温层。通过采取叠梁门分层取水后，根据丰、平、枯水年的预测结果，在五布河流域主要灌溉期5—8月平均下泄水温较单层取水分别升高5.74℃、6.79℃、9.60℃。因此，采用分层取水可以有效减缓低温水下泄对下游的不利影响。

关键词：水温；三维；预测；研究

水库建设通常会呈现坝前水温垂向分层现象。国内外有较多研究表明，水温的变化会影响鱼类的生长、产卵、繁殖和分布[1-2]，改变河道的生物群落[3]，影响河道的水生生态系统[4-5]；低温水灌溉也会对农作物的生长期、产量等造成影响[6]。因此，在水库建设环境影响评价过程中开展水库水温分层结构研究，针对下泄低温水采取分层取水等措施，对改善下游河道生态环境有重大意义。

目前，国内外的水库水温研究主要集中在水温实际观测与模型、大坝水温影响、水温环境影响、水温调控措施等方面。国外对水库水温研究经历了水温观测、影响因素及坝工温度场计算、水温数学模型及分层取水设计3个发展阶段。我国的水库水温研究以工程设计和管理需要为目的，重点集中于水库水温的实际观测与模拟计算方法。20世纪70年代根据水库的实际水温观测数据总结了很多水库水温经验估算公式；80年代后，不断吸收引进国外水温数学模型的先进成果和经验，并开展了减缓低温水对环境不利影响的工程措施研究。其中具有代表性的几种经验公式为：东北勘测设计院张大发方法[7]、水利水电科学研究院朱伯芳方法[8]和统计分析方法[9]等。

拟建的观景口水库将改变水库水体水温，同时不可避免地会对下游河道水温产生影响，进而影响整个水生生态系统。因此，预测水库建成后的水温分布情况并根据预测结果采取相应措施，对保护下游生态系统具有重要的实际意义。

1研究区域和工程概况

1.1研究区域

观景口水库选定坝址位于五布河干流的重庆东泉镇双胜场，坝址以上流域面积439 km2、主河道长59.0 km。五布河流域位于亚热带湿润季风气候区，根据巴南气象站统计，1971—2010年多年平均气温18.3℃，极端最高气温为42.3℃，极端最低气温为-1.8℃，多年平均日照数1 134 h，多年平均相对湿度81%，多年平均水面蒸发量702 mm(E601)。流域多年平均降水量1 104 mm，但年内分配不均，汛期5—9月占全年的67.0%，最大年降水量1 487 mm，最小年降水量892 mm。五布河属山溪小河，集雨面积小、河长短、比降大，具有山溪河流陡涨陡落的特点。

1.2工程概况

观景口水库是一座大(二)型水库，兴利库容1.19亿m3，总库容1.52亿m3。根据工程任务确定的水库特征水位为：正常蓄水位281 m，汛限水位281 m，死水位254 m，水库多年平均水位为276.18 m。

输水建筑物采用岸塔式进水口，拟建叠梁门式分层取水结构，布置在枢纽的左岸岸坡，距坝头约400 m。输水工程设计输水流量4.76 m3/s，加大输水流量5.76 m3/s。

2水库水温研究方法

2.1经验公式法

水库水温分层状况与水深、水库运行方式和水体交换的频繁程度、径流总量及洪水规模紧密相关。水库水温结构判别采用《水利水电工程水文计算规范》和《水利水电建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南(试行)》中的α-β法判别公式，有两个判别指标：α=多年平均径流量/总库容；β=一次洪水量/总库容。当α≤10为分层型；10<α<20为分层型或混合型；α≥20为混合型。当β≤5为稳定分层型；0.5<β<1为稳定型或临时混合型；β≥1.0为临时混合型。

观景口水库总库容1.52亿m3，水库坝址处多年年均天然径流量为2.34亿m3，100年一遇三日洪量为7 650万m3。经计算，α=1.539，β100=0.503。对照α、β判别指标，水库水温呈分层型；在遭遇100年一遇洪水时，水库水温可能为稳定分层状态，也可能出现临时混合型水温。

2.2Delft3D数值模拟法

采用荷兰三角洲研究院(Deltares)开发的Delft3D Flow软件包，计算范围的确定考虑工程、资料及研究目的等因素。计算区域东西长约6 km，南北宽约12 km。利用中科院空间地理数据库查找到的水库区域30 m×30 m分辨率的DEM。用Arcgis处理后输入Rgfgrid，采用Rgfgrid 程序生成正交曲线网格。网格的疏密根据需要确定，主要位置及工程邻近区域网格布置较密，非主要位置相对较疏。最小网格间距约15 m，最大网格间距约300 m。最大网格数为164×8 个。网格确定后，利用Delft3D中的Qickin模块通过平均高程法确定每个网格中的地形高程。入流为上游芦沟和五步两个支流，出流设计方案布置在坝前左岸。经试算调整后，曼宁糙率系数取值0.018。横向粘滞度和扩散系数分别采用推荐值1 m2/s和10 m2/s。纵向黏滞度和扩散系数由Delft3D根据传输方程的能量项自动计算。主要水动力学方程如下：

传输方程：

根据观景口水库可研方案中的水文调算结果，依照库容曲线确定丰、平、枯水年年初蓄水水位。初始水温根据重庆开县鲤鱼塘水库1月水温观测结果设为10℃。入库流量按上游芦沟和五布两个支流面积比例将坝址处流量调节结果(丰、平、枯3个年型)分配给两个支流作为入库流量。用巴南气象站观测到的系列平均气温作为Delft3D中热交换模型的背景气温。根据资料收集情况，确定用外部温度模式进行计算，该模块只需要提供气温和水面面积数据。

根据建立的模型模拟坝前水温垂向分布，用Delft3D中的z-layer模式将水库垂向分为19层。假定工程未设表层取水设施，设为“单层取水方案”，在出流设置中设坝址处出水从246 m高程出流。工程实际拟采用4 m×8层的叠梁门分层取水方案，门顶最小淹没深度为3 m，取水库表层水，设为“分层取水方案”，取水水温根据叠梁门的工程运行和模拟水位变化，通过在Delft3D中的operation设为根据水位变化分别设在不同层取水。

由于五步河上下游均无历史水温观测资料，因此在水温预测模拟过程中收集了重庆开县鲤鱼塘水库的历史水温观测资料。鲤鱼塘水库工程地处长江支流小江的二级支流桃溪河的上游，建成于2008年，水库枢纽距开县县城47 km，距重庆市城区约350 km，坝址以上流域面积235.8 km2，多年平均年径流量1.66亿m3，多年平均流量5.28 m3/s，水库正常蓄水位450 m，总库容1.024亿m3，属于多年调节水库。用鲤鱼塘水库库表水温观测结果对观景口水库坝前库表水温进行验证，结果如图1所示。预测结果和实测水温较为接近，表明水温预测参数选取合理。

图1　观景口水库表层水温模拟和鲤鱼塘水库库表实测水温比较示意图Fig.1　The comparison of the simulated surface water temperature in Guanjingkou Reservoir and the measured surface water temperature in Liyutang Reservoir

3水温模拟结果分析

3.1分层取水模拟结果

根据数值模拟结果，观景口水库坝前水温年内垂向分布为分层型。其中水深0～20 m为变温层，20～35 m为温跃层，35 m以下为恒温层。坝前水库水温预测模拟结果见图2至图4。

图2　丰水年坝前水温垂向分布预测模拟结果Fig.2　The simulated temperature profile in front of the dam in a high flow year

图3　平水年坝前水温垂向分布预测模拟结果Fig.3　The simulated temperature profile in front of the dam in a normal flow year

图4　枯水年坝前水温垂向分布预测模拟结果Fig.4　The simulated temperature profile in front of the dam in a low flow year

3.2分层取水效果分析

拟建的取水口为表层取水，取水温度和模拟预测表层水温一致。未设置分层取水时，拟从高程246 m处取水。丰、平、枯年模拟预测的未分层取水处水温和分层取水处水温比较见图5。

图5　分层取水和单层取水水温预测模拟结果对比图Fig.5　The comparison of simulated water temperature discharged from stoplog gate and single gate

根据模拟分析，工程拟采用叠梁门分层取水方案。根据丰、平、枯水年的预测结果，在五布河流域灌溉期5—8月平均下泄水温较单层取水分别升高5.74℃、6.79℃、9.60℃。

4结论和建议

根据经验公式计算，观景口水库水温结构为分层型。按照Delft3D三维水动力—水温耦合数值模型模拟结果，观景口水库未采取分层取水措施情况下，单层取水和天然河道水温相比偏低。在丰、平、枯水年条件下，水库单层取水方案下泄水温月均最大值分别为25.59℃(8月)、24.43℃(9月)、24.47℃(9月)；月均最小值分别为9.69℃、9.71℃、9.48℃，均出现在2月；在五布河流域主要灌溉期5—8月，下泄水温较河道天然水温低，特别是枯水年，最大降幅约10℃。经采取叠梁门方式分层取水后，根据丰、平、枯水年的预测结果，在五布河流域主要灌溉期5—8月平均下泄水温较单层取水分别升高5.74℃、6.79℃、9.60℃。

因此，采用分层取水可以有效减缓低温水下泄对水库下游的不利影响。

本次模拟选择的Delft3D的z-model模式根据高程固定分层，分别考虑到干湿变化，能够考虑叠梁门的定高程情况。不足之处是由于条件所限，未能收集更多资料开展模拟。未来在开展长期水温、水文和气象观测的基础上可进一步提高和完善。

参考文献(References)：

[1]张陆良, 孙大东. 高坝大水库下泄水水温影响及减缓措施初探[J]. 水电站设计, 2009, 25(1):76- 78.

[2]Ferguson R G. The Preferred Temperature of Fish and their Midsummer Distribution in Temperate Lakes and Streams[J]. Journal of the Fisheries Research Board of Canada, 1958, 15(4): 607- 624.

[3]Jonsson N. Influence of water flow, water temperature and light on fish migration in rivers[J]. Nordic Journal of Freshwater Research, 1991.

[4]黄丽华, 程璜鑫. 观音堂库区水温变化对水生态环境影响的分析[J]. 湖南环境生物职业技术学院学报, 2004, 10(4): 316- 319.

[5]娄云, 杨智, 水艳. 安徽白莲崖水库库区水温结构及影响分析[J]. 治淮, 2011(12):101.

[6]鲍其钢, 乔光建. 水库水温分层对农业灌溉影响机理分析[J]. 南水北调与水利科技, 2011, 9(2): 69- 72.

[7]张大发. 水库水温分析及估算[J]. 水文, 1984(1): 19- 27.

[8]朱伯芳. 库水温度估算[J]. 水利学报, 1985(2): 12- 21.

[9]岳耀真, 赵在望. 水库坝前水温统计分析[J]. 水利水电技术, 1997(3): 2- 7.

收稿日期：2016-02-27

作者简介：杨智(1974—)，男，安徽淮南人，教授级高级工程师，博士，主要研究方向为水环境模拟、环境影响评价，E-mail：smartd@hrc.gov.cn

DOI:10.14068/j.ceia.2016.04.013

中图分类号：X820.3；TV697.2

文献标识码：A

文章编号：2095-6444(2016)04-0047-04

Simulation Technology of Water Temperature with Delft3D—A Case Study of Guanjingkou Reservoir

YANG Zhi1, YE Qing-hua2, WANG Cheng1, SHUI Yan1, LI Li-hua1, MIAO Xin-hui1

(1.Institute of Huai River Water Resources Protection, Bengbu 233001, China; 2.Deltares, Delft 2600MH, Netherlands)

Abstract:The Guanjingkou Reservoir is located in Wubu River, which is the first tributary of Yangze River in Banan District of Chongqing city. The water temperature in the reservoir and downstream, and the aquatic ecosystem would be impacted by the construction of reservoir. This paper simulated the water temperature in Guanjingkou Reservoir by using the Delft3D model. According to the simulation results, the temperature profile in the reservoir was divided into three layers vertically: the upmost epilimnion layer was located within 20 meters depth from the surface, the thermocline layer was from 20 to 35 meters, and the constant temperature layer was below 35 meter. The temperature effects could be reduced by countermeasures of using stoplogs stratified intake structure. Based on the simulation results in the high, normal, and low flow years, the discharge water temperatures from the stoplogs were increased by 5.74℃、6.79℃、9.60℃ in the irrigation period from May to August, respectively, in comparison to the monolayer water intake. The negative impacts from the discharge water with lower temperature on the related ecosystem can be significantly mitigated.

Key words:water temperature; three dimension; prediction; study