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        影響水庫水體混合的主要因素

        2011-12-21 09:44:00陳惠清劉福波
        黑龍江水利科技 2011年5期

        陳惠清,劉福波

        (1.七臺河市水務(wù)局,黑龍江七臺河 154600;2.龍煤集團(tuán)七臺河分公司新鐵煤礦,黑龍江七臺河 154600)

        影響水庫水體混合的主要因素

        陳惠清1,劉福波2

        (1.七臺河市水務(wù)局,黑龍江七臺河 154600;2.龍煤集團(tuán)七臺河分公司新鐵煤礦,黑龍江七臺河 154600)

        氣候循環(huán)會引起水庫內(nèi)溫度分層現(xiàn)象,溫度分層導(dǎo)致的熱交換導(dǎo)致水庫混合過程,文章介紹了水庫水體混合的幾個因素。

        水庫;水體混合;風(fēng)力;熱交換;入流;出流

        由于氣候循環(huán)會引起水庫內(nèi)溫度分層的現(xiàn)象,水庫內(nèi)溫度結(jié)構(gòu)形成于年內(nèi)的變化過程就是熱交換而引起的混合過程。熱交換引起的混合主要在深度方向發(fā)展。水庫受風(fēng)力作用,河流加入水庫或水庫泄水都會促使水庫不僅沿深度方向,同時也沿水平方向發(fā)生混合。風(fēng)的作用尤其是強(qiáng)風(fēng)的作用所產(chǎn)生的混合(所謂“攪動”)尤為突出。如果水庫或湖泊尺寸很大,特別當(dāng)寬度很大時,地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的柯氏力也會對水庫內(nèi)水體運動產(chǎn)生影響?,F(xiàn)分別就主要影響因素簡述如下。

        1 風(fēng)力作用

        風(fēng)力作用首先施加于水面,給水面以拖曳力,使表層原來處于靜止的水體發(fā)生運動,表層運動后逐漸再把風(fēng)力的能量傳遞給水庫內(nèi)部,使水體內(nèi)部誘發(fā)紊動。弱風(fēng)的影響主要局限在表層,強(qiáng)風(fēng)的影響可直達(dá)庫底靜水層。水庫的表面溫水層內(nèi)之所以溫度分布較均勻,主要是由于風(fēng)力攪動加快了熱量交換和混合的緣故。

        風(fēng)給予水面的拖曳力大小,主要取決于風(fēng)的強(qiáng)度(即風(fēng)速)、大氣邊界層的穩(wěn)定性、吹程、波的發(fā)展及波能量在湖岸消散的情況等,起主導(dǎo)作用的是風(fēng)速。

        風(fēng)作用于單位面積水面的拖曳力τ可以用下式表達(dá):

        式中:u為水面以上10 m高處的風(fēng)速;ρA為空氣密度;CD為綜合其他影響因素的系數(shù)。

        許多研究表明,水庫尺寸對CD的影響很小,在湖面所取得的CD值和海面上所獲得的結(jié)果幾乎相同。

        2 表面熱交換

        水庫水體與外部的熱交換主要通過水面。水面熱交換包括太陽輻射熱,大氣輻射熱,水面?zhèn)鲗?dǎo)至空中的熱,水面蒸發(fā)所損失的熱,水面輻射所損失的熱,其關(guān)系如下式:

        式中:hn為水面與大氣熱交換獲得的熱量;hsn為從太陽輻射所獲得的凈熱量;ha為從大氣輻射所獲得的凈熱量;hws為從水面輻射兒損失的凈熱量;he為蒸發(fā)失去的熱量;hc為水傳導(dǎo)至空氣的熱量。

        3 外來入流

        河流進(jìn)入水庫后可能有3種方式向庫內(nèi)移動。當(dāng)入流水溫比庫面水溫高時,進(jìn)庫后演水庫表面流動,并保持在水庫的表層。若入流的水溫比庫底水溫低,則河水進(jìn)入水庫后沿庫底流動而后停留于底層。弱河流水溫介于二者之間,即低于表層水溫而高于庫底水溫,則入庫后首先沿庫底流動,當(dāng)流動到某一高程,庫水水溫與河水水溫溫度相同時,轉(zhuǎn)向水平方向流動。

        入庫水流將把它所持有的動能帶入水庫,所帶進(jìn)的動能為:

        式中:ρ1為進(jìn)入水庫前原河流密度;A為入庫前河流過水面積;u為過水?dāng)嗝嫔先我恻c流速。

        河流加入水庫也會增加(相對于水庫原有勢能)勢能。就以河流進(jìn)入庫面情況來說,所增加的水體重量與該部分體積形心距某一參考平面高度的乘積,則是增加的勢能值。若入流沉入庫底,是相同體積的另一部分水體升至原庫水位以上,從而使勢能增大。

        有外流加入水庫是,其中一部分能量將消耗于水體的混合,例如入流流速較高時,將發(fā)生明顯的紊動卷吸作用。

        4 出流

        水庫泄流將引起庫內(nèi)水體的流動。泄水孔平面位置或高程的不同將給庫內(nèi)不同位置的水體流向和流速有不同的影響。

        在水庫分層情況下,若泄水流量很小,浮力作用將抑制水體垂直方向流動,泄水僅僅來自與泄水孔高程相同的水平薄層。若泄水流量較大,被泄水層可能擴(kuò)大而穿過斜溫層。當(dāng)流量很大時,浮力影響將被沖破,流動形態(tài)和不分層水體情況類似。

        [1] 趙文謙.環(huán)境水力學(xué)[M].成都:四川大學(xué)出版社,2004.

        Q17

        B

        1007-7596(2011)05-0209-01

        2011-01-15

        陳惠清(1972-),女,山東陽谷人,工程師;劉福波(1965-),男,黑龍江勃利人,工程師。

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