前坪水库高水头分层取水水温分布研究

伦冠海，皇甫泽华，尚俊伟，王东栋，历从实

（1.中水淮河规划设计研究有限公司，安徽合肥230001；2.河南省前坪水库建设管理局，河南郑州450003）

修建高水头大型水库给社会带来巨大社会和经济效益的同时产生了很多其他问题，如影响水库泄水水温[1]，而水温对农业灌溉和河流水生态环境影响很大[2-4]，这已经成为水利水电工程规划和建设中水生态环境保护的重点关注内容之一[5-7]。分析研究高水头水库的水温垂向分布规律及分层取水对放水温度的影响，科学预测和评价水库放水温度，可以为水库的设计与调控提供科学依据[8-11]。

目前经验方法和数学模型方法常用来指导高水头水库分层取水设计，并已进行了较多的工程实际运用，随着商业计算软件越来越成熟，数值模拟已能较准确地分析水库不同取水高程下的放水温度。本文通过库区内水文气象站提供的水文气象资料，采用DELFT3D FLOW软件（由荷兰德尔夫特水力研究院开发）模拟水库流场和水温场，研究不同典型年、不同取水口对下泄水温的影响[12-13]。

1 模型设计

水库中水的温度垂直结构分为分层型、混合型和过渡型三种类型[14-16]。影响水库水温垂直结构分布的因素主要有水库几何特征、水文和水力因素、地质地貌特征、气象因素和地理位置等。

通常采用α—β法（库水交换次数法）判断水库水温的垂直分层情况。

当 α＜10时，为分层型；当10＜α＜20时，为过渡型；α＞20时，为混合型。对于分层型水库，β＞1的洪水，为临时性混合型；β＜0.5的洪水，水库稳定分层；0.5＜β＜1的洪水影响介于前两者之间。

前坪水库坝址处多年平均径流量为3.321亿m3，5 a一遇3 d洪量为0.957亿m3，10 a一遇3 d洪量为1.709亿m3，20 a一遇3 d洪量为2.570亿 m3，50 a一遇3 d洪量为3.809亿 m3，计算得到α=0.57＜10、β5=0.16＜0.5、β10=0.29＜0.5、β20=0.44＜0.5、β50=0.65＞0.5，由此可判定该水库水温结构为分层型。从水库表面到水深15 m为温度变化层，该层水温受空气温度的影响很大；水深15～40 m为温跃层，水温随水深剧烈变化；水深40 m以下为滞温层，垂直温度变化较小。且从50 a一遇洪水开始对分层结构产生影响。

采用DELFT3D FLOW软件进行模拟计算，DELFT3D FLOW集成了二维和三维水流、水质（DELWAQ）、水温、泥沙（SED）和演变（MOR）等计算程序，软件中水动力计算程序包含了风和波的影响，并且可模拟水温、盐度等要素。主要水动力学方程如下：

式中：ξ、η、ω为曲线坐标；ζ为水位；d为水深；σ为应力；为ξ方向上的坐标变换系数；为η方向上的坐标变换系数；u为ξ方向上流速；v为η方向上流速；w为ω方向上流速；νv为纵向黏滞系数；ρ0为水的密度；Pξ为ξ方向静水压力；Pη为η方向静水压力；f为科氏力系数；Fξ为ξ方向的紊动矩通量；Fη为η方向的紊动矩通量；Mξ为ξ方向的能量变化量；Mη为η方向的能量变化量。

DELFT3D FLOW提供了5种大气热交换通量计算模式，根据收集到的资料，确定用Ocean温度模块进行计算，该模块需要提供经纬度、相对湿度、空气温度和云盖度，蒸发热量、对流传导热量、潜热、有效长短波辐射量、垂向热量交换等均在计算范围中。边界条件由陆边界（无通量）和水边界（水位或流量）组成。本次模拟采用上游流量边界和下游（坝前取水）流量边界。工程、资料及研究目的等也是计算考虑的因素。计算区域为水库淹没区域。

采用Rgfgrid程序生成正交曲线网格。根据需要确定网格的疏密，该工程主要部位及工程邻近区域网格加密排列，非主要部位布置相对稀疏。总网格数为129×13个，见图1。网格确定后，使用中国科学院空间地理数据库查找库区30 m×30 m分辨率的DEM。用Arcgis处理后输入Rgfgrid，利用Qickin通过平均高程法确定每个网格的高程。

图1 水库计算网格示意

根据方案调算结果，考虑到该水库为多年调节水库，分别选择丰水年、平水年、枯水年、特枯水年的水文调算结果作为模型输入参数，同时依照库容曲线确定丰、平、枯、特枯水年计算时对应的年初蓄水水位，初始水温设为5.2℃。

各典型年出库流量见表1，出库流量为坝址处调节计算结果。根据库区范围内水温监测资料，采用水文站统计的1999—2010年河道月平均水温资料进行分析，见表2。采用的周边气象站多年平均气象资料作为DELFT3D FLOW中Ocean模块的背景资料，见表3。

表1 出库流量调节结果 m3/s

根据建立的模型，模拟水库中水温的垂直分布，利用DELFT3D FLOW中的z-layer模型将水库垂向分为22层。上游采用丰、平、枯、特枯年份来水水温和河道天然水温输入，下游采用出流水温。分别模拟丰、平、枯、特枯年份上游来水、库区单层和分层取水情况下水库坝前水温。

经过比选，该工程采用4层取水方案，门顶最小淹没深度为1.5 m。其中取水塔下部洞口底板高程为361 m，中间两个取水洞口底板高程为372、382 m，最上层取水洞口底板高程为392 m。为准确模拟分层取水方案，在出流设置中根据不同典型年的水位情况在保证安全水深的条件下设置坝址处分层出流方案。单层取水口底板高程为361 m。

表2 河道水温资料℃

表3 多年平均气象资料统计

2 模拟结果

2.1 水温模拟结果

分层与单层取水水温模拟结果对比见图2。分层取水方案下，丰、平、枯、特枯4个典型年大部分时段分层取水水温比单层取水水温高。丰水年4—7月分层取水水温高于单层取水水温，增高幅度为2.38～8.81℃，在其他月份，分层取水水温低于单层取水水温，减小幅度为0.42～3.83℃；平水年4—9月分层取水水温高于单层取水水温，增高幅度为1.08～5.20℃，在其他月份，分层取水水温低于单层取水水温，降低幅度为1.84～2.93℃；枯水年4—8月分层取水水温高于单层取水水温，增高幅度为0.69～8.73℃，在其他月份，分层取水水温低于单层取水水温，降低幅度为0.30～7.14℃；特枯水年4—11月分层取水水温高于单层取水水温，增高幅度为2.95～8.76℃，在其他月份，分层取水水温低于单层取水水温，降低幅度为0.03～0.18℃。

2.2 水库低温水对下游灌溉的影响分析

通过调查水库灌区数据资料和分析当地统计年鉴可知，灌区内作物主要有小麦、玉米、棉花、烟草、花生、油菜、绿豆、油菜籽和芝麻等。根据《农业用水灌溉水质标准》，农业灌溉最高水温为35℃，对最低水温没有要求。根据我国农业灌溉经验，作物生长期水温一般要求不低于12℃，作物的适宜灌溉水温一般在20℃以上，夏季作物的适宜灌溉水温为25℃以上。

图2 分层与单层取水水温模拟结果对比

灌溉主要用水季节为2—10月，单层取水相应的水温较天然河道水温低，如直接利用从水库引取的低温水进行灌溉，可能会影响农作物生长。分层取水各典型年相应的取水水温除了2—4月偏低外，其余时段均能满足灌溉水温要求，且对河道中生物的影响较小[17-19]。

3 成果应用

结合前坪水库输水洞进水塔的分层取水设计，研究不同典型年工况下分层取水对水温的影响。前坪水库总库容为5.84亿m3，防洪库容为2.10亿m3，兴利库容为2.61亿m3，死库容为0.58亿m3，城市及工业供水量为6 300万m3/a，生态基流量为4 428万m3/a，灌溉面积3.39万hm2；正常蓄水位403.00 m，死水位369.00 m，汛期限制水位400.50 m，设计洪水位418.36 m。水库工程主要建筑物有黏土心墙砂砾石主坝、混凝土副坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞、电站、导流洞，最大坝高90.3 m。其中输水隧洞担负着农业灌溉、工业和城市供水、生态排水、引水发电4项任务。根据水库规划：农业灌溉设计流量为25.7 m3/s（最大流量30.4 m3/s），城市供水流量为2.0 m3/s，生态放水流量为1.1 m3/s（其中 4—7月为 2.1 m3/s），合计设计流量29.8 m3/s，最大引水流量为34.5 m3/s。

输水洞进水塔进口采用半径1 m的圆弧曲线，后设清污机及拦污栅，采用4层取水，下游设事故闸门。水库500 a一遇防洪高水位为417.2 m，死水位为369.0 m。取水塔下部洞口底板高程为361.0 m，中间2个取水洞口底板高程为372.0、382.0 m，最上层取水洞口底板高程为392.0 m，见图3。

图3 进水塔纵剖面（单位：m）

4 结 语

根据模拟计算的结果，前坪水库坝前水温年内垂直分布为分层型。从水库表面到水深15 m为温度变化层，该层水温受空气温度的影响很大；水深15～40 m为温跃层，水温随水深剧烈变化；水深40 m以下为滞温层，垂直温度变化较小。

在垂向分层取水方案下，进行了DELFT3D FLOW三维水动力-水温耦合数值模型预测，丰水年、平水年、枯水年、特枯水年4个典型年分层取水和天然河流水温较为接近，大部分时段有增温情况出现，下泄水温对农作物灌溉的影响较小。