糯扎渡水电站水库坝前垂向水温预测与实测数据对比分析
2016-12-20肖海斌王海龙王海燕熊合勇
肖海斌，陈 豪，2，王海龙，陆 颖，王海燕，熊合勇
(1.华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明650214；2.河海大学水利水电学院，江苏南京210098；3.云南大学国际河流与生态安全研究院，云南昆明650091)
糯扎渡水电站水库坝前垂向水温预测与实测数据对比分析
肖海斌1，陈 豪1，2，王海龙1，陆 颖3，王海燕1，熊合勇1
(1.华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明650214；2.河海大学水利水电学院，江苏南京210098；3.云南大学国际河流与生态安全研究院，云南昆明650091)
糯扎渡水电站水库总库容237.03亿m3，蓄水后形成澜沧江流域最大水库，使上下游水体水温较天然河道发生改变。根据环评批复要求，糯扎渡水电在建设期通过电站进水口分层取水研究，预测了水库水温结构和分布，在电站投运后开展了水库垂向水温的持续监测，验证了水库水温数值预测结果。对比分析了水库坝前垂向水温预测与实测数据，为进一步修订和完善电站进水口分层取水叠梁门运行调度方式奠定了基础。
水温结构；预测数据；实测数据；糯扎渡水电站
0 引 言
糯扎渡水电站位于云南省思茅市与临沧市交界处，是澜沧江中下游水电梯级“两库八级”开发中的第5级，上接大朝山水电站，下接景洪水电站。电站以发电为主，兼顾防洪、航运、旅游和渔业等综合效益，是国家“西电东送”的骨干电源工程。电站枢纽主要水工建筑物由最大坝高261.5 m的砾质粘土直心墙堆石坝，地下引水发电系统，左岸开敞式溢洪道和左、右岸泄洪洞组成。电站装机9台，总容量5 850 MW，年发电量239.12亿kW·h，于2014年7月全部建成投产。水库正常蓄水位812 m，死水位765 m，总库容237.03亿m3，调节库容113.35亿m3，具有多年调节能力，分别于2013年10月和2014年9月两次蓄至正常蓄水位。
鉴于糯扎渡水库蓄水后将形成最大深度达210 m的澜沧江流域最大水库，上下游水体水温将较天然河道发生改变，2005年完成的电站环评报告中开展的水库及下泄水温初步预测研究表明，水库建成后库水温将出现稳定分层现象，即水库表层水温将高于原河道天然水温，水库下层水温又将低于天然水温，采用常规的电站单层取水进水塔方案将下泄低温水，改变天然河道的水温分布，对下游水生态产生影响，推荐糯扎渡水电站采取分层取水措施[1]。原国家环保总局在后续的环评批复中同意环评报告提出的相关研究结论，要求在设计阶段进一步开展工作，提出具体的分层取水运行方式。
因此，糯扎渡水电站在招标及施工图设计阶段开展了电站进水口分层取水研究，在采用数值模型预测分析糯扎渡水库水温结构和下泄水温的基础上，确定了电站进水塔分层取水的结构形式及其初拟运行方式；在蓄水运行阶段开展了电站分层取水运行管理规程研究和澜沧江中下游水温持续监测工作，通过水库成库后坝前垂向水温的持续监测，验证水库水温数值预测结果，并综合电站投运后的发电、防洪及航运供水等多目标运行模式要求，进一步修订进水口分层取水叠梁门运行方式。
1 糯扎渡水库坝前垂向水温结构预测分析
1.1 水库水温结构初步判别
首先采用参数α-β、Norton密度佛汝德数、水库宽深比三种方法初步判别糯扎渡水库水温结构型式。
1.1.1 判别计算过程
(1)参数α-β判别法。利用水库水文参数α(α=多年平均径流量/水库总库容)和β(β=一次洪水量/水库总库容)进行判别计算，当α<10，则水库水温为分层型；当10<α<20，则水库水温为不稳定分层型；当α>20，则水库水温为混合型。对于分层型的水库，如果遇到β>1 的洪水，将出现临时混合现象；但如果β<0.5时，洪水对水库水温的分布结构没有影响。
(2) Norton密度佛汝德数判别法。利用Norton密度佛汝德数判别公式进行计算，即
Fd=(LQ/HV)(gG)-1/2
(1)
式中，Fd为密度佛汝德数；L、H、V分别为水库长度、平均水深和库容；Q为入库流量；g为重力加速度；G为标准化的垂向密度梯度(量级为10-3，1/m)。当Fd<0.1时，水库水温为稳定分层型；当0.1
(3)水库宽深比判别法。采用水库宽深比判别方法R=B/H计算，式中，B为水库水面平均宽度；H为水库平均水深。当H>15 m、R>30时，水库水温为混合型；当R<30时，水库为分层型。
1.1.2 判别结果
三种判别法均得到一致的结果，糯扎渡水库水温结构为稳定分层型，见表1。
表1 糯扎渡水电站水库水温类型初步判断
判别方法选用参数判别值判别结果α-β判别法α/β23/065典型分层型密度佛汝德数法Fd00027典型分层型水库宽深比法R201典型分层型
1.2 水库水温预测模型参数率定及计算过程
为保证研究工作衔接延续性，在充分利用2004年电站建设环境影响评价和2005年澜沧江中下游梯级电站建设环境影响研究与评价期间的一维和垂向二维模型计算成果，保证研究工作衔接延续性的基础上，采用丹麦MIKE3三维水动力学水温模型对糯扎渡水库丰、平、枯三个典型年进行数值模拟，并使用美国EFDC三维水动力学水温模型对典型平水年进行校验，确保成果的可靠性。
MIKE3三维水动力学水温模型是由基本方程、湍流方程、热交换反应方程构建的复杂方程组。限于篇幅文中仅列出了MIKE3基本方程组，具体为：
(2)
(3)
(4)
式中，t为时间；ρ为水的密度；cs为水的状态系数；ui为xi方向的速度分量；Ωij为柯氏张量；p为压力；gi为重力矢量；νT为湍动粘性系数；δ为克罗奈克函数(当i=j时δij=1；当i≠j时δij=0)；k为湍动能；T为温度；DT为温度扩散系数；Cp为等压比热；QH为热交换反应式；SS为源汇项。
研究工作开展时，因缺乏澜沧江梯级水库的稳定水温实测数据，因此库水温预测计算中，利用了雅砻江二滩水电站2006年5月和7月的水温实测数据，重点对MIKE3模型中包括Smagorinsky混合紊流模型水平方向系数，湍流k-ε方程中的通用常数，基于水流涡粘系数描述的热扩散系数D的比例系数k，太阳辐射云量影响公式中的系数a2和b2，蒸发散热计算公式中的a1和b1以及太阳辐射热水下传播计算公式中的λ和β等水动力学参数和热量交换参数进行了率定试算，并验证确定。从MIKE3和EFDC两种模型软件水温计算率定验证结果可知，模型计算与实测结果符合较好，模型概化和控制条件基本符合实际情况，参数取值适当，用于糯扎渡水电站水温计算可以获得较高精度。水温模型计算过程详见图1。
图1 水温计算过程
1.3 水库水温预测计算范围及边界条件确定
糯扎渡电站库区回水长度220 km，坝前最大水深210 m。为保证预测工作的准确性，采用了库区实测地形资料，并考虑主要支流的影响。计算范围纵向选取坝址至上游170 km的库区，横向选取水库正常蓄水位左右岸淹没线，垂向选取全水深。MIKE3模型计算采用尺寸150 m×200 m×9 m(纵×横×垂)的三维矩形网格，垂向网格共分23层，时间步长240 s。运用EFDC模型仅进行糯扎渡全库区模拟，其模型范围选取、模型概化方法和计算条件均与MIKE3模型相同。
糯扎渡水库水位边界条件根据各典型水文年梯级电站联合调度资料，设计出月平均运行水位，进行插值，由一维模型计算提供的典型丰水年19900601～19910531，典型平水年19760601～19770531和典型枯水年19940601～19950531水库水位边界数据。上游水温边界条件，采用糯扎渡水库库尾，大朝山电站多年平均下泄水温为入库来水水温条件，见图2。气温、湿度边界条件均采用糯扎渡库区实测多年平均数据。糯扎渡水电站在上游有小湾龙头水库的情况下，糯扎渡水库常年维持在较高水位运行，只有遇到来水特枯年份或系统特殊运行要求时，水库才消落到死水位765 m运行。
图2 大朝山电站多年平均下泄水温
1.4 坝前垂向水温结构预测分析
根据使用MIKE3模型预测与EFDC模型复核的成果，糯扎渡水库正常蓄水后几乎全年都处于水温分层状态，水库水温结构分为表、中、底层，表层为水面至10 m层水温，中层为水深50 m层水温，底层为水深100 m和150 m水温。春夏季3月～7月基本分为两层，秋冬季8月～翌年2月基本分为三层。从图3库区水温分布可看出，靠近水库底层的水温相对稳定，而年内各月水库水温较高区域都分布在水库表层，纵向分布在近坝约70 km范围内，即水库总长度约1/3，采用叠梁门取水方式，使坝前表层水体流动，导致库区高温区保持在坝前的区域。
在糯扎渡水库正常蓄水情况下，水库坝前2.5 km范围内水温分布稳定，且直接控制了发电下泄水温，因此选取水库坝前2.5 km断面基本可以代表坝前水温垂向分布特征，由图4可知，典型丰水年运行情况下，3月～7月坝前库水温结构分两层，上层水温从低逐渐升高，层厚逐渐变厚；8月～11月水温结构分三层，降雨使表层水温比6月～7月略低，水体热传导使中层水温仍逐渐升高；12月～翌年2月，库水温结构逐渐由三层恢复为两层，上层水温逐渐降低，层厚变薄；而水深100 m以下的下层水，水温年际变化很小，至150 m以下深度水温全年基本保持在14.7 ℃左右。由于典型丰水年和平水年的运行调度水位过程规律基本相似，运行流量过程量级相似，典型平水年垂向水温结构、各月份的水温分层现象，与典型丰水年基本一致，变化规律相同，只是表层、上层水温略高于典型丰水年，而100 m以下水温略低于典型丰水年，保持在14.4 ℃左右。典型枯水年各月垂向水温结构均分为两层。3月～10月上层水温从低逐渐升高，上层水厚度由薄变厚；11月～翌年2月，上层水温逐渐降低，层厚变薄；而水深80 m以下水温年内变化很小，至110 m水深以下水温全年保持在14.3 ℃左右。
综上所述，糯扎渡主要库区水体各月水温分层明显，上下水温变化梯度较大的水层平均在水深60～70 m的位置，上层水温年内变化很大，100 m
图3 典型平水年4、6、8月库区水温分布(单位：℃)
图4 坝前2.5 km断面典型丰、平、枯水年垂向水温分布
水深以下水温全年基本不变。
2 糯扎渡水库水温实测对比分析
2.1 水库坝前垂向水温监测仪器布设与监测情况
根据前期研究成果，糯扎渡水库坝前大梯度水温变幅区分布在水深70 m以上水层。而糯扎渡电站进水塔高度85.5 m，因此为验证水库水温数值预测结果，指导电站进水口叠梁门运行，分别在大坝坝前左岸边坡和电站进水口右侧边坡各布置了1组链式温度计水温测线，其中大坝坝前左岸边坡水温测线设有47支温度计，762～ 812 m高程每隔2 m布置1支温度计，共26支；711～762 m高程每隔3 m布置1支温度计，共17支；611～711 m高程每隔25 m布置1支温度计，共4支；电站进水口右侧边坡35支温度计，762～812 m高程每隔2 m布置1支温度计，共26支；在735～762 m高程每隔3 m布置1支温度计，共9支。每日8时、20时定时自动测量水温，并实时将数据传输至电站工程安全监测自动化系统存储。
2014年8月，在糯扎渡水库首次达到正常蓄水位10个月后，水库垂向水温分布基本稳定情况下，启动了水库坝前垂向水温的持续监测，至2015年7月取得了一个完整水文年的坝前垂向水温实测数据，具备了对水温结构预测成果进行对比与验证的资料基础。
2.2 水库水温实测数据统计
根据2014年和2015年上半年澜沧江流域中下游来水总体偏少，小湾断面来水基本与多年平均持平，景洪断面来水经还原上游水库调节运行影响后，较多年平均偏少一至两成，位于小湾和景洪的区间的糯扎渡水库来水总体属于为平偏枯年份。因此，选用水库典型平水年运行情况下的水温预测值与坝前实测水温数据进行对比分析。
经初步比对，坝前两条水温测线在同等水位条件下对应深度测点的同时刻测值较为接近，因此选择布点较多，完好率较高的大坝坝前左岸边坡水温测线监测数据与坝前预测值进行比对。实测水温数据统计方法：①统计位于当月平均库水位水面以下测点，水面以上测点测值不进行统计，测点对应的库水深数据采用全月每日8时水位测值的算数平均值与测点布设高程的差值进行统计；②为满足以月均水温为形式的水库水温预测值成果对比，采用单测点全月日均水温的算数平均值，即首先统计出同一测点的单日平均水温，再根据各测点全月数据采集情况，统计单测点月平均水温；③针对测点个别测次的异常数据进行粗差剔除和函数修正；④采用内插法对因仪器异常造成的个别测次数据丢失进行补值；⑤完全损坏或失效测点不列入水温数据统计范围。
2.3 水库坝前水温预测与实测数据对比分析
典型平水年坝前各月预测水温结果与完整平水年实测水温月平均水温数据对比，水库坝前实际水位线以下100 m深度范围内的逐月预测和实测垂向水温结构分布与变化趋势近乎一致，但实测月均水温值总体高于预测水温值，见图5。
8月～11月具体如下：8月，水深5 m范围内的表层实测与预测水温基本吻合，6～60 m水深实测与预测水温差值逐渐扩大至2.23～3.74 ℃，至70 m水深实测与预测水温差值开始逐步缩小至2 ℃以下；9月，从表层至水深40m范围内实测水温高于预测水温1.2～2.4℃，40～90m水深实测与预测水温差值逐渐扩大至3.19～4.35 ℃，至90 m水深实测与预测水温差值缩小至2 ℃；10月，从表层至水深10 m范围内实测高于预测水温1.75～2.5 ℃，10～45 m水深实测与预测水温差值始终低于1 ℃，50～90 m水深实测与预测水温差值逐渐扩大至1.51～3.91 ℃，至100 m水深实测与预测水温差值开始逐步缩小至2 ℃以内；11月，从表层至水深15 m范围内实测高于预测水温1.87～2.77 ℃，15～60 m水深实测与预测水温差值始终低于1 ℃，60～100 m水深实测与预测水温差值保持在2℃以内。
12月～翌年2月具体如下：12月，从表层至水深40 m范围内实测水温高于预测水温1.15～2.07 ℃，40～90 m水深实测与预测水温数值基本相等；1月，从表层至水深50 m范围内实测水温高于预测水温1～1.7 ℃，50～90 m水深实测与预测水温数值较为接近，差值在1 ℃以内；2月，从表层至水深60 m范围内实测水温高于预测水温1.7～2.29 ℃，60～90 m水深实测与预测水温差值逐渐减小至0.89～1.56 ℃。
3月～7月具体如下：3月，表层至水深20m范围内实测水温与预测水温达到4℃左右的差值，20～50 m水深实测与预测水温差值保持在2.5 ℃；50～90 m水深实测与预测水温差值逐渐减小至0.99～1.79 ℃；4月，表层至水深10 m范围内实测水温与预测水温达到4 ℃左右的差值，10～50 m水深实测与预测水温差值保持在2.5 ℃；50～90 m水深实测与预测水温差值逐渐减小至0.83～1.74 ℃；5月，因数据库服务器故障导致数据丢失；6月，表层至水深20 m范围内实测水温低于预测水温2～3 ℃，20～70 m水深实测高于预测水温1.46～2.48 ℃； 7月，表层至水深15 m范围内实测水温高于预测水温1～2 ℃，20～50 m水深实测与预测水温差值扩大至2～6 ℃，50 m以下水深实测开始逐渐接近预测水温，差值在0.5以下。
3 结 语
(1)通过对比分析，糯扎渡电站水库坝前实际水位线以下100 m深度范围内的逐月预测和实测垂向水温结构分布与变化趋势近乎一致，说明采用经率定验证后的MIKE3模型和EFDC模型的库水温预测研究方法切实可行。
(2)针对实测月均水温值总体高于预测水温值的情况，估计是因澜沧江流域缺乏水库水温实测数据，而采用了雅砻江二滩电站水库水温实测数据进行模型率定造成的偏差，以及上游小湾水库投运后，流域梯级电站联合调度运行的影响。
(3)鉴于水库水温监测数据对电站进水口分层取水设施有效运行的重要指导作用，在目前已出现的部分温度计因异常或损坏导致数据缺失，且温度计难以维修更换的情况下，建议在今后新建电站采用双垂向水温测线同部位冗余布置的方案，进一步提升水库水温监测工作的持续性和数据采集的可靠性。
(4)糯扎渡电站进水口叠梁门分层取水设施的建设和运行在澜沧江流域水电开发尚属首例，在国内也缺乏运行管理经验，因此唯有与之同步开展相应的水温监测工作，积累详实的水温监测数据，方能为评价分层取水设施运行效果，修正并完善其调运方式提供科学支撑，进而促进水电能源开发与水生生态环境和谐发展。
图5 水库预测与实测水温对比参考文献：
[1]张荣， 陈胜利， 等. 云南省澜沧江糯扎渡水电站环境影响报告书[R]. 昆明： 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司， 2005.
[2]赵丹， 等. 云南省澜沧江糯扎渡水电站进水口分层取水设计专题报告[R]. 昆明： 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司， 2007．
[3]徐天宝， 王伟营， 等. 澜沧江干流水电梯级开发环境影响及对策研究报告[R]. 昆明： 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司， 2012．
[4]陈胜利， 赵丹， 等. 澜沧江中下游梯级水电站群蓄能调度图及调度规则专题研究报告[R]. 昆明： 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司， 2007．
[5]张平， 张荣， 等. 澜沧江干流景洪以下河段防洪规划报告[R]. 昆明： 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司， 2004．
[6]字成波， 赵培双， 等. 糯扎渡电厂叠梁门调度管理制度[R]. 昆明： 华能澜沧江水电有限公司， 2014．
[7]黄永坚. 水库分层取水[M]. 北京： 水利电力出版社， 1986.
[8]MELLOR G L， YAMADA T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems[J]. Reviews of Geophysics and Space Physics， 1982， 20(4)： 851- 875．
[9]HAMRICK J M. User’s manual for the environmental fluid dynamics computer code[R]. Special Report 331， The College of William and Mary， Virginia Institute of Marine Science， 1996．
(责任编辑 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
国家科技支撑计划课题(2013BAB06B03)
肖海斌(1974—)，男，湖北武汉人，高级工程师，博士，主要从事水电开发科技研究与管理工作．
X524
A
0559- 9342(2016)09- 0087- 06
