洪水过程对水库水温分布影响研究

2018-12-14段育慧徐子令

陕西水利 2018年6期

段育慧，徐子令，陈鸥

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安 223005）

水温是水库水环境的重要研究内容，在水库的规划设计和运用管理中起着重要作用，它是水质因素的一个重要变量，其他水质指标往往与水温有关，同时水温的变化对库区及下游河段的水生生物、农田灌溉和生活用水及水工坝体温度应力分析、施工温控设计、继电机组冷却等也有重要影响[3]。因此研究水库水温的变化规律，对于工程的环境保护和工程的运行有着重要的意义[4]。

1 数值模型

1.1 模型的基本控制方程

本文采用Realizable k-ε紊流模型[5]对水库水温结构进行数值模拟研究，获得不同洪水对象下洪水过程对水温结构的影响。

1.2 定解条件

（1）初始条件。根据实测资料计算出数学模型初始时刻的温度场和动力场。

（2）边界条件。①开边界条件。采用流量边界Q=FQ(t)，FQ(t)由实测资料确定，假定水流与开边界垂直正交，且垂向分布是均匀的。在入口处，水流流入方向垂直于开边界，切向速度为0m/s。②闭边界条件。在水-陆交界面设置闭边界，又称自然边界。法向采用不渗透条件，切向采用不滑动条件。③垂向边界条件。其中：

式中：τbξ，τbη为底部剪切应力在 ε,η 方向上的分量（kg/m·s2）。

式中：u，v分别为纵向、横向流速（m/s）；z为高程（m）；ρ0为密度(kg/m3)；ρa为空气密度 (kg/m3)；U10为高于自由表面10m处的风速(m/s)；τs为风应力；θ为风力形成的角度；Cd为风的拖曳系数，无量纲。

（3）求解方法。

数值方法基于有限差分法，利用正交曲线网格对空间进行离散。采用ADI算法（交替方向隐式差分方法）对模型进行求解，ADI算法运算精确、效率高、稳定性好，能够保证需要的计算精度。

2 应用与分析

2.1 三维数值模型的建立

模型选取涵盖了从库尾入流处到坝址位置的长度，沿水流方向约10 km，水温模型的建立是根据水库实测地形资料，构造出计算区域的网格如图1、图2。网格尺寸在主流方向上为100 m，水平方向上为20 m～100 m，在水深方向上为2 m～10 m，库区水流出水口在正常蓄水位下约40 m～50 m。

该龙头水库为年调节型水库，死水位3486 m，正常蓄水位3516 m，正常蓄水位以下库容1.53亿m3，调节库容0.93亿m3，坝址高程为3411 m，壅水105 m，厂房尾水水位3333 m，利用落差183 m，电站为混合式电站。

该水库建成后正常蓄水位以下水深105 m，死水位以下水深75 m。作为年调节型水库，库区水体温度会产生分层现象，且水温结构受太阳辐射、水库规模、运行方式、水文气候等条件的影响。本文选择该水库来进行数值模型研究。

图1 水库平面网格图

图2 水库中心剖面计算网格图

2.2 洪水对象设计

在研究洪水过程对水温的影响时，用同频率放大法设计六种洪水对象——Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6（分别对应p=50%、p=10%、p=4%、p=2%、p=0.5%、p=0.1%），洪峰流量分别为135 m3/s、215 m3/s、259 m3/s、291 m3/s、354 m3/s、427 m3/s，洪水历时三日（7月2日到7月4日），洪峰出现在第三日，即7月4日。考虑到要分析洪水过程对水温的后续影响，非洪水期各洪水对象下每日的入流量是相同的，出流量也相同。为了便于分析对比，将无洪水时的流量资料Q也列举出来。

为了对洪水过程有更直观的了解，下面给出各洪水对象下7月1日到7月7日入流流量过程线，如图3所示，上游来流水温见表1。

表1 水库库尾入流水温值（℃）

图3 流量过程线

3 计算结果分析

根据以往经验，入流对坝前水温结构影响最大，且坝前垂向水温分布与出水口处下泄水温密切相关。本文研究不同洪水对象下典型代表日的坝前垂向水温分布。7月2日至7月4日是洪水期，所以选取这三天作为代表日；研究洪水过后坝前水温结构恢复情况，选取7月5日至7月7日作为典型代表日；对比不同频率洪水对水温的影响强度和影响时间，选取7月15日和7月31日作为典型代表日，具体如图4所示，图中相对高程0 m对应水库的正常蓄水位为3516 m。