水庫(kù)分層取水水溫模型相似關(guān)系與試驗(yàn)方法

近年來(lái)，隨著對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，水電站進(jìn)水口分層取水方式正逐漸被采用。我國(guó)目前擬采用分層取水方式的工程均處于研究和在建階段。目前缺乏分層取水方式下泄水溫效果的研究，尤其試驗(yàn)研究是一空白。.本項(xiàng)目針對(duì)水溫成層型水庫(kù)進(jìn)水口分層取水下泄水溫進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討水庫(kù)分層取水水溫模型的相似理論和試驗(yàn)方法。水電站進(jìn)水口取水將改變附近庫(kù)內(nèi)水溫分布，目前的模型相似理論沒(méi)有考慮流場(chǎng)變化對(duì)分層結(jié)構(gòu)的影響，不能直接應(yīng)用于水庫(kù)水溫分層取水試驗(yàn)，本研究將針對(duì)水庫(kù)水溫分層以及分層取水的特點(diǎn)，探討水溫模型試驗(yàn)的相似條件，提出模型與原型的水溫相似關(guān)系。以往分層流動(dòng)試驗(yàn)，通常以鹽淡水為介質(zhì)形成兩層密度分布，很難模擬實(shí)際的水庫(kù)水溫分布規(guī)律，本研究將直接模擬水溫，形成多層水溫分層，直接測(cè)量進(jìn)水口的下泄水溫。

由于大型水庫(kù)水溫分層現(xiàn)象引起的低溫水效應(yīng)已對(duì)我們的生態(tài)環(huán)境及生活環(huán)境造成了較大的影響，因此展開(kāi)對(duì)大型水庫(kù)低溫水效應(yīng)減緩措施研究勢(shì)在必行。對(duì)低溫水的減緩措施主要從預(yù)測(cè)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫、工程設(shè)施提高水庫(kù)下泄水溫、農(nóng)業(yè)技術(shù)減緩低溫水效應(yīng)、合理利用水庫(kù)洪水調(diào)度運(yùn)行減緩低溫水下泄等方面進(jìn)行。

水庫(kù)垂直水溫分布及下泄水溫預(yù)測(cè)：水庫(kù)的運(yùn)用水溫和水電站發(fā)電泄水水溫，均與水庫(kù)的水溫結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。對(duì)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫的預(yù)測(cè)計(jì)算是建立生態(tài)型水電工程的重要前提。只有正確預(yù)測(cè)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)和下泄水溫才能對(duì)水電設(shè)施進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，確定合理的運(yùn)行調(diào)度方案，使其對(duì)生態(tài)的影響達(dá)到最小。水庫(kù)垂向水溫預(yù)測(cè)方法一般分為兩大類(lèi)：一是經(jīng)驗(yàn)公式法。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料的分析，總結(jié)出水溫垂向變化的形式(指數(shù)函數(shù)形式或多項(xiàng)式)，即經(jīng)驗(yàn)公式。由于該法很難考慮入庫(kù)、出庫(kù)水流，以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的地區(qū)適用性，所以其應(yīng)用受到很大限制。二是數(shù)學(xué)模型法，應(yīng)用較廣泛的是垂向一維擴(kuò)散模型。該模型考慮了入庫(kù)、出庫(kù)水流及垂向擴(kuò)散對(duì)水溫的影響，并在理論上認(rèn)為垂向水溫連續(xù)分布。在實(shí)際計(jì)算中，由于其解析解的獲得頗為困難，一般采用數(shù)值方法求解，即其結(jié)果仍是呈離散的階梯狀分布。

經(jīng)驗(yàn)法：20世紀(jì)70年代以來(lái)，為解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，國(guó)內(nèi)提出了許多經(jīng)驗(yàn)性水溫估算方法。這些方法都是在綜合分析國(guó)內(nèi)外水庫(kù)實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上提出的，具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)。其中水利部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院張大發(fā)提出的方法編入水文計(jì)算規(guī)范，水科院朱伯芳提出的方法編入混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范。1993年中南勘測(cè)設(shè)計(jì)院《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》編制組和水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所，在朱伯芳提出的方法基礎(chǔ)上，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并按最小二乘原理擬合得出了一套計(jì)算公式(即水庫(kù)水溫的統(tǒng)計(jì)分析公式)。2100433B

根據(jù)水溫結(jié)構(gòu)，水庫(kù)可分為分層型和混合型兩類(lèi)水庫(kù)。在夏季，分層型水庫(kù)的水溫可分為，庫(kù)面溫水層(溫變層)，水庫(kù)大多數(shù)增暖和冷卻都在溫水層進(jìn)行；溫水層以下是溫度變化較迅速的斜溫層(溫躍層)；斜溫層以下是熱量難以交換的冷水層(滯溫層)。庫(kù)面溫水層和庫(kù)下冷水層的溫度差可超過(guò)15℃ ～ 20℃ 。夏季水溫分層后，形成穩(wěn)定的斜溫層。水溫在水平方向上保持不變，僅垂直方向變化。而且由于水溫引起的垂直方向的密度梯度，上下很難產(chǎn)生滲混，往往形成入流和出流的水平層流。而在秋季以后，表層水溫度降低，密度增加，庫(kù)面水下沉，產(chǎn)生對(duì)流現(xiàn)象，進(jìn)入對(duì)流期。這樣入流和出流的流動(dòng)，再加上上庫(kù)來(lái)水的均勻滲混，使庫(kù)水溫達(dá)到了均勻分布。冬季則可能形成表面冰蓋，而冰蓋下面是4℃的水，形成冬季逆溫分層。春季來(lái)臨，湖泊上層熱量的輸入大于支出，使表面溫度升高，接近4℃時(shí)，會(huì)發(fā)生上下水層之間的水量交換，如遇有強(qiáng)風(fēng)，則全深度的水達(dá)到均勻的密度分布，水庫(kù)水溫達(dá)到了均勻的分布。隨著夏季的來(lái)臨，水庫(kù)表面溫度升高，由于外力影響，熱量向較深層傳遞在表面形成暖而輕的水層，冷而重的水分布在庫(kù)底。如果混合不能充分補(bǔ)償這種溫度和密度的垂直分布，則形成夏季水庫(kù)水溫分層結(jié)構(gòu)。這種分層型水庫(kù)多在規(guī)模較大，并且水流較慢的大型水庫(kù)出現(xiàn)?；旌闲退畮?kù)，一般在庫(kù)內(nèi)水流湍急，交換迅速的中、小型水庫(kù)出現(xiàn)。一年四季，這類(lèi)水庫(kù)的水溫垂向分布大致相同 。

分層型水庫(kù)的水溫分層，對(duì)水體環(huán)境溶解氧的含量有重大影響。水庫(kù)表面的溫水層可通過(guò)水面與大氣交換，保持較高的溶氧水平，如有植物的光合作用，溶解氧量往往達(dá)到過(guò)飽和。在此狀態(tài)下，如果水庫(kù)氮、磷含量較高，就會(huì)使水體中的浮游生物及水生植物大量繁殖，出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化和水質(zhì)惡化現(xiàn)象。而水庫(kù)庫(kù)底冷水層，由于紊動(dòng)擴(kuò)散很低，氧的補(bǔ)充非常小，加上庫(kù)面水生浮游生物死亡后沉于庫(kù)底，其分解要消耗庫(kù)底的溶解氧，并產(chǎn)生大量的硫化氫。所以庫(kù)底常常是缺氧狀態(tài)，成了厭氧微生物的活動(dòng)環(huán)境。因此，水庫(kù)水溫的分層不僅對(duì)水質(zhì)有一定影響，而且也會(huì)影響水中生物結(jié)構(gòu)的變化。

在夏季，分層型水庫(kù)形成穩(wěn)定的正溫分層，在水庫(kù)中敷設(shè)的水電設(shè)施為了滿(mǎn)足發(fā)電量要求通常將取水口設(shè)置在水庫(kù)的冷水層(滯溫層)，因此通過(guò)水電站下泄到下游的水流溫度均低于原河道當(dāng)月平均水溫，形成低溫水。低溫水的下泄對(duì)下游農(nóng)業(yè)和漁業(yè)將產(chǎn)生較大的影響。例如黃梅縣灌溉試驗(yàn)站對(duì)其灌溉水溫近3年的試驗(yàn)觀測(cè)表明，適溫水塘水灌溉早稻比低溫水庫(kù)底層水灌溉，禾苗提前3d齊穗，千粒重多2g，畝產(chǎn)高32。55kg。特別是水稻生長(zhǎng)前期，用低溫水灌溉會(huì)使稻苗遲發(fā)，成熟推遲，不僅影響早稻產(chǎn)量，且推遲了晚稻，使晚稻易受“寒露風(fēng)”危害，造成秕谷多，甚至發(fā)生不結(jié)谷的“翹稻頭”，致使早晚稻都減產(chǎn)。水溫也是影響?hù)~(yú)類(lèi)洄游的基本外因之一。魚(yú)類(lèi)洄游到岸邊和河口段的時(shí)期，多種魚(yú)類(lèi)都要求一定的水溫。例如鯉魚(yú)在水溫低于8℃或超過(guò)30℃便停止取食，當(dāng)水溫低于18℃則不能繁殖。根據(jù)尼基伏洛夫的資料，伏爾加鯉魚(yú)從產(chǎn)卵到幼魚(yú)孵出，當(dāng)水溫13℃時(shí)需要268h，而在水溫26℃時(shí)只要76 h。因此，低溫水的下泄將使魚(yú)類(lèi)繁殖、生長(zhǎng)及捕食受到嚴(yán)重影響。世界上許多大型水庫(kù)在魚(yú)類(lèi)洄游產(chǎn)卵期泄放的水溫明顯低于同期天然河道水流的水溫，致使這些河流的魚(yú)種數(shù)量銳減或?yàn)l于絕跡的例子不少。