库水温分布计算与分析

田 野，任涵璐，陈星宇，徐成

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.海河水利委员会科技咨询中心，天津 300170；3.溧阳市水利局，江苏 溧阳 213300；4.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410000)

1 研究背景

水库的库水温是混凝土重力坝及拱坝重要的温度边界条件，也是混凝土大坝在施工过程中温度应力分析和混凝土拱坝运行期温控荷载计算的一个重要影响因素[1- 2]。在混凝土大坝运行期间，水库的库水温将直接影响稳定及准稳定温度场的分布，特别是对于坝基强约束区域，水库的库底水温度将直接影响大坝的基础温差和温控计算标准，从而影响混凝土大坝的温控防裂设计[3- 5]。

目前我国水利工程设计中预测大坝库水温度分布的方法主要有：经验公式和类比方法。

(1)经验公式法 。经验公式法是基于大量水库水温实测数据的统计分析，总结出估算水库垂直向库水温分布的经验公式。我们国家估算水库垂直向水温分布的经验公式种类繁多，其中应用较为广泛的是东勘院方法(收录于《水利水电工程水文计算规范》)和朱伯芳方法(收录于《混凝土拱坝设计规范》)。经验公式法具有简单实用和参数少的优点，但是该方法是基于实测的水温数据进行数理统计分析，并没有考虑库水温分布形成的热力学特性，同时统计的水库样本空间有限，不能真实地反映所有水库的垂直向水温分布规律，所以经验公式法具有一定的局限性。朱伯芳方法[6]是水利工程中计算库水温广为应用的经验公式法，该法是在多年统计分析实测库水温的基础上，总结出的一套较为完善的估算水库水温度年内变化、年均温度、年变幅以及相位差的库水温计算公式。

(2)类比方法。类比方法是类比建库条件相似及地理位置相近的已建水库，通过分析整理已建水库的多年实测水库水温资料，来预测新建水库水温分布情况。但是，水库水温分布情况受水文气象条件、水库成库形状以及水库运行条件等因素影响较大，所以满足上述条件且达到相对可类比的2座水库较为难找。

2 基本资料

2.1 SK水库水温实测资料

2.1.1SK水库水简介

SK水库位于新疆布尔津地区与QBT水库气温和水温条件近似，SK水库多年平均径流量为44.19亿m3，多年平均流量为140m3/s，总库容为2.22亿m3，为不完全年调节水库。坝顶高程649.00m，最大坝高94.00m，正常蓄水位646.00m，死水位620.00m。图1为SK水库上游立视图。

SK水库大坝在典型坝段(6#、9#、13#坝段)上游面布置37支温度计(差阻式传感器)监测库水温。埋设方法是：混凝土浇筑前，在距离上游模板6cm位置固定竖直方向的钢筋，将温度计用土工布扎带与钢筋捆绑在一起，混凝土浇筑过程中在温度计附近1m范围内人工捣实。37支温度计布置情况见表1。

表1 温度计布置情况

表2 气温资料 单位：℃

2.1.3水库温度分析

整理6#、9#、13#坝段2015年1—12月的水温与水深的关系曲线，如图1所示。由图1分析可知，9#坝段与6#和13#坝段的实测数据偏差较大， 9#坝段实测数据在620～640m(死水位620m，正常蓄水位646m)之间出现较大正(负)温度，且在该段的温度是气温不是水温(水温应大于0℃)；13#坝段实测数据均在620m(死水位)以下，且与9#坝段实测数据吻合较好，因此选择6#坝段实测数据作为公式率定参数的依据。图2—3分别为6#坝段1—12月水温与水深关系曲线图和6#坝段水温与时间关系曲线图。

2.2 气温资料

根据QBT水库坝址所在地当地的气象资料，当地多年平均气温约2.8℃；年内气温以7、8月为最高，分别为20.0℃、18.3℃。坝区气温资料见表2。

3 计算过程

3.1 计算公式

跟据朱伯芳方法(《水利水电工程水文计算规范》)，并采用类比方法(SK水库实测资料)进行参数率定，其中QBT水库为多年调节水库，多年月平均水温、多年年平均水温和多年平均水温年变幅，按以下方法计算。

3.1.1多年月平均水温

多年月平均水温Tω(y，τ)是水深y和时间τ的函数，按下式进行计算：

Tω(y，τ)=Tωm(y)+Aω(y)cosω[τ-τ0-ε(y)]

(1)

式中，y—水深，m；Tω(y，τ)—深度y处在时间τ的多年月平均水温，℃；Tωm(y)—水深y处的多年年平均水温，℃；Aω(y)—水深y处的多年水库平均水温的年变幅值，℃；ε(y)—水深y处的水温滞后，即对于气温的相位差，月；y0—多年调节水库的变化温度层深，m，一般y0=50 ～ 60m，本工程取y0=60m。

(2)

3.1.2多年年平均水温

有关昆虫 GST的研究主要集中在对农药的抗性和代谢解毒机制方面，对食物源有毒物质代谢机制方面的研究报道相对较少（李亚红，2014）。本研究旨在克隆薇甘菊颈盲蝽GST基因，研究其在不同部位的表达差异，为进一步解析微甘菊颈盲蝽与宿主植物相互作用机理奠定基础。

对于Hn≥y0的多年调节水库，多年年平均水温按下式计算：

(3)

式中，Hn—水库坝前正常水深，m；y0—多年调节水库的变化温度层深，一般y0=50～60m，本工程取y0=60m。

图1 2015年1—12月水温与水深关系曲线

图2 6#坝段1—12月水温与水深关系曲线

图3 6#坝段水温与时间关系曲线

C1—依据上一节实测数据拟合参数，按下式计算：

C1=7.77+0.75Tam

(4)

式中，Tam—坝址多年年平均气温，℃。

3.1.3多年平均水温年变幅Aω(y)

水库多年平均水温年变幅Aω(y)按下式计算：

(5)

式中，C2—依据上一节实测数据拟合参数，按下式计算：

C2=0.778Aa+2.94

(6)

(7)

式中，Aa—坝址多年平均气温年变幅，℃，按下式计算：

(8)

3.2 计算结果分析

根据上一节的计算公式，对QBT水库12月份不同深度库水温进行计算，结果见表3。图4—5分别为QBT水库1—12月水温与水深关系曲线图和QBT水库水温与时间关系曲线图。从计算结果可以看出，计算得出QBT水库水温分布与SK水库水温分布趋势上基本吻合的，虽然仍需进一步论证，但已可用于QBT拱坝稳定温度场的计算。

图4 QBT水库1—12月水温与水深关系曲线

图5 QBT水库水温与时间关系曲线

表3 各月份不同库水深度水库水温

4 结论

(1)SK水库9#、6#和13#坝段的实测数据偏差较大，9#坝段实测数据在死水位到正常蓄水位之间出现较大正(负)温度，13#坝段实测数据均在死水位，不具有代表性，因此选取6#坝段实测数据作为公式率定参数的依据。

(2)采用类比方法+经验公式方法(朱伯芳方法)，以QBT水库附近已运行SK水库水温实测资料为依据，对朱伯芳方法的经验公式进行参数率定。从计算结果可以看出，计算得出QBT水库水温分布与SK水库水温分布趋势上基本吻合，可用于QBT水库拱坝稳定温度场的计算。