紫坪铺水库水温变化规律

吴宇雷，梁瑞峰，李嘉，李永，李克锋

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都　610065)



紫坪铺水库水温变化规律

吴宇雷，梁瑞峰，李嘉，李永，李克锋

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065)

水库水温对于生态系统具有决定性的影响。对紫坪铺水库库尾天然河道、坝下进行逐时连续观测，分降温期和升温期对紫坪铺水库进行两次全库区观测，结合数值模拟对观测结果进行了分析。紫坪铺电站调节导致下泄水温呈现冬季高温和春季低温现象，下泄水温变幅远低于入库水温变幅。数值模拟较好地计算了库尾水温无分层结构到坝前分层结构的发展过程，模拟出在入流、出流和水气界面热交换影响下垂向温跃层的形成和发展。水库淤积和发电进水口附近的三维流场效应导致枯期计算水温系统性偏低于实测水温。

水库水温；原型观测；数值模拟；水库淤积

大型水库的建设将对库区及坝下水生环境带来不可避免的影响。水温作为一项重要水质要素，对于水生生物乃至整个生态系统都具有决定性的影响。水库水温研究一般采用理论研究、室内实验和野外观测3种方式。英国和前苏联在20世纪30年代就开始对水库水温进行理论研究及实地监测。美国在水温数学模型的建立和应用方面一直处于前沿水平[1-4]。日本在水库低温水灌溉对水稻产量的影响及水库分层取水方面进行了很多研究。我国从20世纪50年代中期开始进行水库水温观测，近年来在野外观测及数学模型方面均取得了一批有价值的研究成果，先后对澜沧江、二滩水库、龙羊峡水库等进行了水温变化规律的系统监测[5-8]。这些观测对于认识水库调节带来的水温影响无疑具有不可替代的作用。但一方面，这些观测或受限于历史条件和仪器水平，或只监测部分影响因素，不能充分地反映水温变化的主要影响因素；另一方面，受原型观测水库的规模限制，所得到的水温规律适用性有限。如目前广泛用于判断水库水温结构的α-β法[9]，是由日本学者在20世纪80年代中期总结其国内已建水库特性得到，但其观测水库最大库容仅4×108m3。现有观测已表明，该方法在判断大型水库甚至中小型水库水温结构方面存在明显偏差。

综上可知，随着国内大型水利水电工程的开发，对水库调节水温影响规律的认识仍有待深化。本文拟通过对岷江上游紫坪铺水库的来流水温、坝下水温、水库调度、同步气象等实测资料进行分析，结合与数值模拟结果的对比，研究具有一定调节能力的水库对水温影响的主要途径及幅度。

1　紫坪铺水库水温原型观测

2009年11月6日、2010年7月6日对紫坪铺水库全库区进行了水温观测，分别作为数学模型计算的初值和库区验证值；并于2009年10月20日至2010年7月15日期间对水库库尾和下泄水温进行了逐时连续观测，作为数学模型计算的水温来流条件和下泄水温验证值。

1.1工程特性

紫坪铺水利枢纽工程位于四川省成都市西北部岷江上游，是一座以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪等综合效益的水利工程。紫坪铺水库总库容为11.12×108m3，调节库容7.74×108m3，具有不完全年调节能力，正常蓄水位877 m，死水位817 m。

电站发电、泄洪等泄流孔口垂向位置在水温分层情况下将影响下泄低温水的水温变化幅度。紫坪铺电站的发电引水口底板高程(800 m)与泄洪洞高程相同，冲砂放空洞低于电站进水口30 m。观测期内泄洪及冲砂洞均有使用。

1.2水库调度

紫坪铺水库大坝上游12 km处有支流寿溪河汇入，寿溪河多年平均流量与岷江干流紫坪铺水文站多年平均流量相比低于5%，可认为全部来流均为干流流量，不考虑寿溪河来流对紫坪铺水温的影响。

收集到观测期间水库的逐日入出库流量、电站发电引用和泄洪流量，其中泄洪主要发生在6—7月。水库在观测期间均未蓄至正常蓄水位877 m，在2009年11—12月以相对高水位运行，从2010年1月中旬进入供水期水位迅速降低，至5月初接近死水位，5月中旬进入汛期后水位再度迅速抬升。

1.3气象、入库水温与坝下水温

库区气象条件采用距离坝址8.7 km的都江堰气象站作为参证站。入库水温为紫坪铺库尾映秀电站下泄水温的连续监测值，出库水温为紫坪铺坝下的水温连续监测值。

1.4库区水温

2009年11月6日、2010年7月6日测量的全库区水温分布见图1、图2，图中散点为水温测点，等值线根据散点测值插值得到。

图1　2009年11月6日紫坪铺库区实测温度分布Fig.1　Observed water temperature distribution of Zipingpu Reservoir on Nov. 6th, 2009

图2　2010年7月6日紫坪铺库区实测温度分布Fig.2　Observed water temperature distribition of Zipingpu reservoir on Jul. 6th, 2010

2009年11月6日(冬季)的测量中，由于来流水温低于库区水温，来流沿库底向坝前爬行，坝前除表层外大都同温，库区仅在表层10 m内受气象条件影响存在温差。而在2010年7月6日(夏季)的测量中，来流水温在16℃左右，水流进入库区14 km左右后脱离库底，在流动层上缘(即表层)、下缘(770 m高程附近)分别形成温跃层，水库的分层现象较为明显。发电引水和泄洪孔口均高于底部的温跃层，下泄低温水现象不明显。

2　紫坪铺水库水温模拟分析

为进一步分析实测水温，采用宽度平均的立面二维水库水温数学模型对紫坪铺水库的水温变化进行模拟，模拟结果见图3至图5。

图3　紫坪铺库区2010年7月6日模拟值与实测水温分布比较Fig.3　Comparison of simulated and observed water temperature distribition of Zipingpu reservoir on Jul. 6th, 2010

图4　紫坪铺库区2010年7月6日模拟与实测的垂线水温比较Fig.4　Comparison of simulated and observed vertical temperature profiles of Zipingpu reservoir on Jul. 6th, 2010

图5　2009年11月6日至2010年7月15日紫坪铺下泄水温比较Fig.5　Comparison of discharged and observed water temperature of Zipingpu during Nov. 6th, 2009 to Jul. 15th, 2010

2.1数学模型与计算条件

宽度平均的立面二维水库水温数学模型采用k-ε双方程紊流模型，考虑了出入流水文过程、来流水温过程、水汽界面热交换，库底采用绝热边界。

模型气象、水温、水文等边界条件均采用实测的逐日值，出流根据电站调度的实际流量分别从发电引水孔口、冲砂放空洞、泄洪排沙洞下泄。

热通量计算采用的太阳辐射表面吸收系数β和太阳辐射在水体中的衰减系数η，分别取值0.65和0.5。

以2009年11月6日测量的全库区水温分布作为计算初始水温(图1)。根据库尾入流水温进行多年循环计算流场的初值，待稳定收敛后以11月6日的流场分布作为初始流场。

2.2模拟结果与相关分析

(1)库区水温

图3比较了2010年7月6日模拟与实测的库区内水温分布，颜色代表温度值，相同位置处实测点与模拟等温线颜色越趋一致，表明模拟值与实测值吻合得越好。

与实测值相比，模拟也得到了库区的双温跃层现象，库区大部分模拟值与实测值吻合较好。但模拟得到的表层水温要高于实测值，应是模型未考虑风掺混引起的表层温度均化和山体遮蔽部分辐射所致。坝前库底模拟得到了7℃的低温，而实测的最低值为8.4℃，但从实测的8.4℃附近变化趋势分析，在靠近库底的位置有可能存在更低水温。

模拟水温分层强度总体要大于实测值，如模拟得到的16℃水温等值线位于发电孔口下方，而非实测的上方(图2)。该偏差可能由地形精度引起。模拟采用“5·12”地震前的地形测量数据，地震淤积带来的库容损失使水库调节性能下降，分层强度降低。库区两次测量的所有垂线均未探至深泓线，也从侧面反映了淤积影响。

图4提取模拟值的垂线数据，并与实测数据进行单线对比。

距库尾14.3 km处的实测和模拟水温表层均出现温跃层，实测表层水温比模拟水温低3.7℃。表层温跃层之下的水温模拟值与实测值较为接近，比实测值高约0.2℃。

距库尾18.2 km处的实测与模拟水温仍存在温跃层，实测表层水温比模拟值低1.2℃，与距库尾14.3 km处垂向水温相比已较为接近。主要由于随着水流向大坝前行，水面逐渐开阔，两侧山体对水面气象条件的影响逐渐减弱。

距库尾21.5 km和23.6 km处的表层之下的实测与模拟水温较为接近。实测的表层水温已比模拟水温高，一方面是由于坝前水面开阔山体影响减弱，另一方面则是因为实测水温所测的是一条垂线，而模拟值是一个宽度平均的数值，实测水温垂线不能充分反映河宽方向的表层水温变化。

(2)下泄水温

图5比较了水库出流模拟水温和坝址下游实测水温过程。模拟下泄水温过程与坝下水温过程总体吻合，2009年11月6日至2010年4月5日模拟水温略偏低，最多低1.2℃，2010年5月9日至7月15日的实测水温与模拟水温较为接近。其中，2009年12月至2010年3月底模拟水温比实测水温系统性偏低，可能由三维效应引起。在升温期由于温跃层逐渐形成，进水口附近三维流场效应导致上层温度较高的水被吸入进水口，造成实测下泄水温偏高。而目前二维水温模型尚不能模拟出进水口局部的三维效应，因此应进一步研究通过局部参数优化改善模型对取水口附近流场的模拟。与此同时，水库淤积导致调节性能降低，对枯水期小流量影响较大，来流水体可在较短时间内流到坝前，弱化了由于水体延迟出库带来的低温水现象。

3　结论

通过对岷江紫坪铺水库水温的原型观测，对河流水温和库区、坝下水温变化规律进行分析，采用数值模拟对库区及下泄水温进行对比研究。结果表明：

(1)水库调节带来下泄水温冬季高温和春季低温现象。11月至次年2月下泄水温平均比入库水温高1.7℃，3—4月下泄水温平均比入库水温低0.8℃。

(2)库区在冬季分层现象不明显，仅在表层存在一定温差；库区在升温期存在明显分层现象，存在双温跃层现象。

(3)数值模拟较好地计算了库尾无分层结构到坝前分层结构的发展过程，模拟出在入流、出流和水汽界面热交换影响下温跃层的形成和发展。

(4)库区实测水温的分层强度要弱于模拟结果，应是由于水库淤积带来的调节性能降低所致。

(5)进水口附近三维流场效应和水库淤积将引起枯水期水温模拟值比实测系统性偏低。

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Study on Water Temperature Change of Zipingpu Reservoir

WU Yu-lei, LIANG Rui-feng, LI Jia, LI Yong, LI Ke-feng

(State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng., Sichuan Univ., Chengdu 610065, China)

Water temperature in reservoirs has significant impact on ecosystem. In order to study the water temperature change of Minjiang River, a series of water temperature observations and researches of Zipingpu Reservoir were conducted, which included continuous observations in the natural river upstream and downstream of the dam. Meanwhile, observations in the reservoir were carried out in the temperature rising period and decreasing period, respectively. Combined with numerical simulation, the prototype observation data was analyzed. The regulation of Zipingpu power station led to the phenomenon that the discharge water temperature was high in winter and low in spring. In addition, the discharge water temperature variation is much lower than the storage temperature changes. The development process of water temperature stratification from low intensity in the reservoir tail to high intensity in front of the dam was well predicted by numerical simulation, as well as the formation and development of vertical thermocline that were affected by inflow and outflow of the reservoir and heat exchange at air-water interfaces. However, due to reservoir sedimentation and three-dimensional effect of flow field near the reservoir outlet, computed values of temperature in dry season were lower than the observed data.

reservoir water temperature; prototype observation;numerical simulation; reservoir sedimentation

2016-02-27

国家自然科学基金(51279114；51379136；51479127)

吴宇雷(1991—)，男，四川乐山人，硕士研究生，主要研究方向为环境水力学，E-mail：308047873@qq.com

梁瑞峰(1974—)，男，河南南阳人，副教授，博士，主要研究方向为环境水力学，E-mail：liangruifeng@scu.edu.cn

10.14068/j.ceia.2016.03.007

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0024-05