基于下游生境水温需求的水库分层取水调度研究

2022-07-01叶舟，龚梦园

人民长江 2022年6期

叶舟，龚梦园

(浙江海洋大学海洋工程装备学院，浙江舟山 316022)

0 引言

大型水库蓄水后与天然河道相比，库区表面积大，水流平缓且不易混合，在太阳辐射及热传递的作用下，导致水库出现垂向季节性水温分层现象[1-2]。在传统设计上，电站发电进水口必须位于水库死水位以下一定的深度，使得引水发电下泄水来自水库深层，对于稳定分层型水库，会产生下泄低温水，使得下游鱼类代谢减缓，产卵受到影响，降低物种多样性，甚至造成库区下游生态失衡[3]。近年来随着中国对生态文明建设的重视，对于水库库区及周边生态环境改善的研究逐渐得到国内外许多学者的关注[4-10]。陈求稳等[11]梳理了水库运行下水生态效应、底栖动物生境和鱼类生境的影响，水生态环境保护工程与非工程措施等方面的研究进展。苗雨池[12]对辽宁省大型水库分层取水方式下的下泄水温进行了分析，认为相比于传统单层取水方式，分层取水可缩短低温水体恢复距离。常晓敏等[13]以汾河二库为研究对象，发现气温与库面水温之间存在良好的线性相关关系，全年整体库面水温最大值出现时间与气温最大值出现时间一致，可用来解决实测水温数据缺失问题。黄廷林等[14]建立了黑河金盆水库水温模型，研究发现气温、太阳短波辐射及入库流量与水体热分层的稳定性呈正相关关系，而入库流量则与其呈负相关关系。赵高磊等[15]研究表明河流梯级开发带来的水温累积影响存在极限，梯级开发使水温分层现象弱化，但库区水温分层结构不会消失。许尤等[16]分析了澜沧江水温的沿程变化，发现澜沧江干流的全河段水温与纬度、高程呈明显的线性负相关关系。高少泽等[17]在入库水温与气温相关性分析的基础上，研究坝前水温变化与天然河道水温、气温变化的相关性，结果表明坝前水温的年内变化滞后于气温。这些成果大都从下泄水温、水质、水量等角度进行分析，通过分层取水改变下泄水温，而对于如何改善下游生境水温的研究较少。为此，本文针对下游主要水生生物生存繁殖水温需求，利用水库现有实测数据，建立水温数学模型并进行率定验证，分析水库蓄水后对下泄水温产生的影响；然后，利用分层取水的调度方式，改善下游河道水温，以达到目标水生生物水温需求。研究成果对于水库生态调度具有重要参考价值。

1 研究区域概况

滩坑水库位于浙江省青田县境内的瓯江小溪中游河段，是一座担负电力系统调峰、调频、调相及事故备用任务，同时兼顾防洪及其他综合利用效益的大型水库，坝址以上集雨面积3 330 km2。枢纽主要建筑物由拦河坝、溢洪道、泄洪洞、引水系统、发电厂房等组成。总库容41.9亿m3，坝顶长度507.0 m，坝顶宽度12.0 m。瓯江小溪流域主要水生生物种类有国家一级保护动物鼋，国家二级保护动物大鲵、花鳗鲡，土著鱼类香鱼、黄颡鱼等。根据库容比、佛汝德数判别法及宽深比法对滩坑水库水温分类进行判定[18]，判定依据如表1所列。结果表明：该水库水温为稳定分层型，可能存在下泄低温水现象并对下游水生生物的生存、繁殖等造成影响。为此，滩坑水库采用叠梁门结构实现分层取水以改善下泄水温。现有叠梁门槽置于进水口前缘，设有3个岸塔式进水口，并排布置。进水塔长16.2 m，宽77 m，高76 m，塔内布置叠梁门、门库及拦污栅，顶部布置叠梁门及拦污栅启闭设备。每个进水口各2孔，共布置有6孔叠梁门，每孔叠梁门沿垂向由8节组成，如图1所示。

表1 水库水温结构判别结果Tab.1 Discriminant results of reservoir water temperature structure

图1 分层取水叠梁门控制方案示意Fig.1 Schematic diagram of stoplog gate in the water level selection intake

2 研究方法

2.1 水温预测模型

本文拟对水库库区采用三维水温模型预测水温分布，对下游河道采用一维水温模型预测沿程水温。采用静水压假设，数值模拟中忽略垂向加速度影响；Boussinesq假定，即在密度变化较小的浮力流问题中，只在重力项中考虑密度的变化，水流连续方程忽略密度变化[19-20]。水动力学方程及水温方程如下。

水流连续性方程：

(1)

水流动量方程：

(2)

温度对流扩散方程：

(3)

式中：ρ为水的密度；cs为水的状态参数；ui为xi方向速度分量；p为压力；Ωij为张量；νt为垂向紊动黏性系数；δ为克罗内克函数；k为紊动动能；gi为重力矢量；t为时间；T为水温；σT为普朗特数；QH为热量交换量；Cp为水的比热。

采用纵向一维水温模型预测下游沿程水温。主要由一维非恒定流方程与一维温度对流扩散方程组成[21]。水库库底与坝址表面采用无滑移边界条件，库区水面以下地形数据以实测断面资料为基础进行插值，支流并入主库区，采用库容曲线校核，保证误差小于5%。

2.2 模型验证

模拟时段选取原型观测资料较为完善的年份2017年1月1日至12月31日，初始水位为2017年水库实际运行水位，初始流场按照静止状态给定，入库水温采用2017年初库尾实测水温。

三维水温模拟率定主要考虑3个方面：水动力学参数cs，调试取0.5；k-ε湍流模型经验参数Cμ=0.09，σk=1.00，σε=1.30，C1=1.44，C2=1.72；底摩擦率取其默认值0.05。下游一维水温模型参数得到四川省石棉、沙坪水文站的水文实测数据验证[21]。

采用建立的三维水温模型计算库区断面垂向各层水温，滩坑水库坝前埋设有垂向测温探头，进行长时间连续观测记录，可测得高程90～165 m之间的水温值。利用2017年实际监测水温对计算结果进行验证，5～8月份坝前垂向水温模拟值和实测值对比如图2所示，各月份代表水位水温验证结果如表2所列。

图2 水库坝前断面垂向水温验证结果Fig.2 Verification rosults of water temperature at reservoir vertical section

表2 各月份水库不同水位水温验证结果

由验证结果得到，建立的水温数学模型在库区各月份水温计算误差在0.1～1.3 ℃之间，可认为模型符合区域水温计算精度要求。由1～12月份断面垂向水温可得，滩坑水库水温分层呈现较为明显的季节变化趋势，水库年内的热分层结构一致，变化规律为“均混期-分层过渡期-稳定分层期-分层减弱期-均混期”。1～3月份水库垂向平均温差小于1.0 ℃，为均混期；4～6月随着气温的升高，表层水体吸收的太阳辐射热量增加，入库水温逐渐提高，导致水库开始形成分层，为分层过渡期；7～8月水库表层水温接近气温，底层水体热传递缓慢，水库垂向温差随水深的加大而提高，为稳定分层期；9～10月气温降低，入库水温也逐渐下降，导致表层水温下降，与库底水温温差减小，热分层结构开始退化，为分层减弱期；11～12月份水库垂向平均温差小于1.0 ℃，为均混期。

3 水库下泄水温预测

3.1 下泄水温与天然水温对比分析

研究结果表明：滩坑水库为稳定分层型水库，垂向上表现为稳定的水温分层，尤其在春夏季水库存在发电下泄低温水问题。水温作为水环境中最重要的影响因子之一，水库下泄低温水的影响是不可忽视的。根据滩坑水库水温模型计算结果，对比分析下泄水温与天然水温的温差，结果如表3所列。

表3 底层取水方式下水库下泄水温Tab.3 The discharge water temperature under the bottom water intake method

采用传统的底层取水方式，水库各月份下泄水温与天然水温的温差在-8.3～0.2 ℃之间，春夏季水库对河流水温影响大，下泄低温水最大差异可达8.3 ℃，对下游水环境及土著鱼类生境造成直接影响。传统底层取水方式下取水深度为进水口中心高程，一般在60 m左右，3～4月份垂向温差变化较小，下泄水温差异相对较小；5～8月份，由于外界气温升高，太阳辐射增强及上游来水水温升高，库区水体表层水温迅速升高，下层水体水温逐渐升高，但幅度很小，形成持续的温跃层，厚度在30 m左右，底层取水可导致持续下泄低温水。9～10月份为降温期，气温和入库水温下降，太阳辐射减弱，温跃层逐渐减弱，下泄水温温差保持在3.8 ℃以内。春夏季下泄低温水可影响大多数水生生物特别是鱼类产卵期，对其正常生长繁殖造成明显影响。

3.2 沿程水温变化

下泄低温水受太阳辐射及空气热交换影响，沿程水温将逐渐升高并趋向天然水温。根据模型计算，对比滩坑水库坝址下游不同位置河道水温与天然水温，如图3所示。

图3 传统底层取水方式下沿程水温Fig.3 Water temperature along the river under the traditional bottom water intake method

相比于天然水温，水库下游不同位置3～10月份河道水温温差在1.5～16.5 ℃之间，最大降幅出现在7～8月，春季下泄平均水温推迟了27 d，直接影响了河道土著鱼类的生存繁殖，甚至导致库区河道生态系统失衡。根据预测结果，传统底层取水方式下，5～9月至5 km处，下泄水温在10.5～14.7 ℃，与天然河道水温相差10.8～16.5 ℃；10 km处温差仍在5.0 ℃以上；7.5 km处为国家一级保护动物鼋实验区，年平均水温仅15.0 ℃，远低于鼋栖息的适宜水温，实验区将不再适宜鼋的生存繁殖。

4 水库分层取水调度方案研究

4.1 河道水温需求

春夏季水库下泄低温水对其下游河道水生生物尤其是国家一级保护动物鼋将带来明显的不利影响。对于滩坑水库，由于小溪河段较长，区间支流水量不大，依赖自然恢复或人工恢复均难以实现，应考虑分层取水调度方案来解决下泄低温水问题。在滩坑水库下游7.5 km处设有青田鼋自然保护区，水电站建成后导致保护区河段水温下降，8月份水温在18.0 ℃以下，不利于鼋生存繁殖。大多数鱼类的产卵期在春夏季，其对水温较为敏感。为保障河道水生生物生存环境，根据滩坑水库下游主要水生生物产卵场分布划定水温需求，如表4所列。

表4 水生生物产卵期水温需求Tab.4 Water temperature demand of aquatic organisms during spawning period ℃

4.2 分层取水方案

滩坑水库采用叠梁门工程措施来实现分层取水，设有3个岸塔式进水口，并排布置，间距30 m。根据进水口初期发电需求及淹没深度，叠梁门设置高程范围95～135 m，可确保叠梁门顶的取水厚度在10 m以上。每个进水口分3层取水，即底层取水口底板高程为95 m，中层取水口底板高程为115 m，顶层取水口底板高程为135 m。顶部布置启闭机排架和启闭设备，根据取水深度要求可吊起叠梁门，共8节，每节5.0 m，进而实现可控制取水深度。例如，关闭顶层、底层取水口，启闭机吊起前2节叠梁门5 m，打开中层取水口即可取得水深115～130 m处的水体。依据河道目标鱼类水温需求，设计分层取水方案如表5所列。

表5 分层取水方案设计Tab.5 The stratified water intake method

4.3 下泄低温水改善效果分析

采用叠梁门分层取水方案，预测结果表明：4～9月下游5.0 km处取水水温上升为13.4～23.4 ℃，但仍与天然河道水温相差4.1～7.1 ℃，无法达到黄颡鱼产卵水温需求，模型预测5月底可达到需求；至7.5 km鼋自然保护区处夏季各月下泄水温在18.0 ℃以上，可使国家一级保护动物鼋产卵期恢复到6～8月份，基本满足鼋的活动周期和繁殖期水温需求；至10.0 km处9月份水温已经接近天然水温，适宜目标鱼类香鱼生存繁殖，如图4所示。

图4 分层取水方式下沿程水温Fig.4 Water temperature along the river under the stratified water intake method

根据预测结果，4～5月中旬无法满足目标鱼类黄颡鱼产卵水温需求，故需调整取水深度。计算结果表明春季取水深度不宜过小，因为采用分层取水后，春季下泄水量较大，水温较高，从而改变原库区的水温结构，受太阳辐射及热传递作用导致下泄水温偏低，甚至引起连锁反应，致使夏季下泄水温大大降低。对比分析不同取水深度下泄水温变化，分层取水方案下取水效果最佳。