楊智，葉清華，王成，水艷，李麗華，苗欣慧

(1.淮河水資源保護科學(xué)研究所，安徽蚌埠　233001； 2.荷蘭三角洲研究院，荷蘭代夫特　2600 MH)

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基于Delft3D的水庫水溫模擬技術(shù)方法
——以觀景口水庫為例

楊智1，葉清華2，王成1，水艷1，李麗華1，苗欣慧1

(1.淮河水資源保護科學(xué)研究所，安徽蚌埠233001； 2.荷蘭三角洲研究院，荷蘭代夫特2600 MH)

摘要：觀景口水庫位于重慶市巴南區(qū)西部長江南岸一級支流五布河上，水庫建成后將會對庫區(qū)水溫和下游河道的水溫產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響整個水生生態(tài)系統(tǒng)。采用Delft3D軟件對庫區(qū)水溫進(jìn)行模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，觀景口水庫壩前水溫年內(nèi)垂向分布為分層型。水深0～20 m為變溫層，20～35 m為溫躍層，35 m以下為恒溫層。通過采取疊梁門分層取水后，根據(jù)豐、平、枯水年的預(yù)測結(jié)果，在五布河流域主要灌溉期5—8月平均下泄水溫較單層取水分別升高5.74℃、6.79℃、9.60℃。因此，采用分層取水可以有效減緩低溫水下泄對下游的不利影響。

關(guān)鍵詞：水溫；三維；預(yù)測；研究

水庫建設(shè)通常會呈現(xiàn)壩前水溫垂向分層現(xiàn)象。國內(nèi)外有較多研究表明，水溫的變化會影響魚類的生長、產(chǎn)卵、繁殖和分布[1-2]，改變河道的生物群落[3]，影響河道的水生生態(tài)系統(tǒng)[4-5]；低溫水灌溉也會對農(nóng)作物的生長期、產(chǎn)量等造成影響[6]。因此，在水庫建設(shè)環(huán)境影響評價過程中開展水庫水溫分層結(jié)構(gòu)研究，針對下泄低溫水采取分層取水等措施，對改善下游河道生態(tài)環(huán)境有重大意義。

目前，國內(nèi)外的水庫水溫研究主要集中在水溫實際觀測與模型、大壩水溫影響、水溫環(huán)境影響、水溫調(diào)控措施等方面。國外對水庫水溫研究經(jīng)歷了水溫觀測、影響因素及壩工溫度場計算、水溫數(shù)學(xué)模型及分層取水設(shè)計3個發(fā)展階段。我國的水庫水溫研究以工程設(shè)計和管理需要為目的，重點集中于水庫水溫的實際觀測與模擬計算方法。20世紀(jì)70年代根據(jù)水庫的實際水溫觀測數(shù)據(jù)總結(jié)了很多水庫水溫經(jīng)驗估算公式；80年代后，不斷吸收引進(jìn)國外水溫數(shù)學(xué)模型的先進(jìn)成果和經(jīng)驗，并開展了減緩低溫水對環(huán)境不利影響的工程措施研究。其中具有代表性的幾種經(jīng)驗公式為：東北勘測設(shè)計院張大發(fā)方法[7]、水利水電科學(xué)研究院朱伯芳方法[8]和統(tǒng)計分析方法[9]等。

擬建的觀景口水庫將改變水庫水體水溫，同時不可避免地會對下游河道水溫產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響整個水生生態(tài)系統(tǒng)。因此，預(yù)測水庫建成后的水溫分布情況并根據(jù)預(yù)測結(jié)果采取相應(yīng)措施，對保護下游生態(tài)系統(tǒng)具有重要的實際意義。

1研究區(qū)域和工程概況

1.1研究區(qū)域

觀景口水庫選定壩址位于五布河干流的重慶東泉鎮(zhèn)雙勝場，壩址以上流域面積439 km2、主河道長59.0 km。五布河流域位于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，根據(jù)巴南氣象站統(tǒng)計，1971—2010年多年平均氣溫18.3℃，極端最高氣溫為42.3℃，極端最低氣溫為-1.8℃，多年平均日照數(shù)1 134 h，多年平均相對濕度81%，多年平均水面蒸發(fā)量702 mm(E601)。流域多年平均降水量1 104 mm，但年內(nèi)分配不均，汛期5—9月占全年的67.0%，最大年降水量1 487 mm，最小年降水量892 mm。五布河屬山溪小河，集雨面積小、河長短、比降大，具有山溪河流陡漲陡落的特點。

1.2工程概況

觀景口水庫是一座大(二)型水庫，興利庫容1.19億m3，總庫容1.52億m3。根據(jù)工程任務(wù)確定的水庫特征水位為：正常蓄水位281 m，汛限水位281 m，死水位254 m，水庫多年平均水位為276.18 m。

輸水建筑物采用岸塔式進(jìn)水口，擬建疊梁門式分層取水結(jié)構(gòu)，布置在樞紐的左岸岸坡，距壩頭約400 m。輸水工程設(shè)計輸水流量4.76 m3/s，加大輸水流量5.76 m3/s。

2水庫水溫研究方法

2.1經(jīng)驗公式法

水庫水溫分層狀況與水深、水庫運行方式和水體交換的頻繁程度、徑流總量及洪水規(guī)模緊密相關(guān)。水庫水溫結(jié)構(gòu)判別采用《水利水電工程水文計算規(guī)范》和《水利水電建設(shè)項目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評價技術(shù)指南(試行)》中的α-β法判別公式，有兩個判別指標(biāo)：α=多年平均徑流量/總庫容；β=一次洪水量/總庫容。當(dāng)α≤10為分層型；10<α<20為分層型或混合型；α≥20為混合型。當(dāng)β≤5為穩(wěn)定分層型；0.5<β<1為穩(wěn)定型或臨時混合型；β≥1.0為臨時混合型。

觀景口水庫總庫容1.52億m3，水庫壩址處多年年均天然徑流量為2.34億m3，100年一遇三日洪量為7 650萬m3。經(jīng)計算，α=1.539，β100=0.503。對照α、β判別指標(biāo)，水庫水溫呈分層型；在遭遇100年一遇洪水時，水庫水溫可能為穩(wěn)定分層狀態(tài)，也可能出現(xiàn)臨時混合型水溫。

2.2Delft3D數(shù)值模擬法

采用荷蘭三角洲研究院(Deltares)開發(fā)的Delft3D Flow軟件包，計算范圍的確定考慮工程、資料及研究目的等因素。計算區(qū)域東西長約6 km，南北寬約12 km。利用中科院空間地理數(shù)據(jù)庫查找到的水庫區(qū)域30 m×30 m分辨率的DEM。用Arcgis處理后輸入Rgfgrid，采用Rgfgrid 程序生成正交曲線網(wǎng)格。網(wǎng)格的疏密根據(jù)需要確定，主要位置及工程鄰近區(qū)域網(wǎng)格布置較密，非主要位置相對較疏。最小網(wǎng)格間距約15 m，最大網(wǎng)格間距約300 m。最大網(wǎng)格數(shù)為164×8 個。網(wǎng)格確定后，利用Delft3D中的Qickin模塊通過平均高程法確定每個網(wǎng)格中的地形高程。入流為上游蘆溝和五步兩個支流，出流設(shè)計方案布置在壩前左岸。經(jīng)試算調(diào)整后，曼寧糙率系數(shù)取值0.018。橫向粘滯度和擴散系數(shù)分別采用推薦值1 m2/s和10 m2/s?？v向黏滯度和擴散系數(shù)由Delft3D根據(jù)傳輸方程的能量項自動計算。主要水動力學(xué)方程如下：

傳輸方程：

根據(jù)觀景口水庫可研方案中的水文調(diào)算結(jié)果，依照庫容曲線確定豐、平、枯水年年初蓄水水位。初始水溫根據(jù)重慶開縣鯉魚塘水庫1月水溫觀測結(jié)果設(shè)為10℃。入庫流量按上游蘆溝和五布兩個支流面積比例將壩址處流量調(diào)節(jié)結(jié)果(豐、平、枯3個年型)分配給兩個支流作為入庫流量。用巴南氣象站觀測到的系列平均氣溫作為Delft3D中熱交換模型的背景氣溫。根據(jù)資料收集情況，確定用外部溫度模式進(jìn)行計算，該模塊只需要提供氣溫和水面面積數(shù)據(jù)。

根據(jù)建立的模型模擬壩前水溫垂向分布，用Delft3D中的z-layer模式將水庫垂向分為19層。假定工程未設(shè)表層取水設(shè)施，設(shè)為“單層取水方案”，在出流設(shè)置中設(shè)壩址處出水從246 m高程出流。工程實際擬采用4 m×8層的疊梁門分層取水方案，門頂最小淹沒深度為3 m，取水庫表層水，設(shè)為“分層取水方案”，取水水溫根據(jù)疊梁門的工程運行和模擬水位變化，通過在Delft3D中的operation設(shè)為根據(jù)水位變化分別設(shè)在不同層取水。

由于五步河上下游均無歷史水溫觀測資料，因此在水溫預(yù)測模擬過程中收集了重慶開縣鯉魚塘水庫的歷史水溫觀測資料。鯉魚塘水庫工程地處長江支流小江的二級支流桃溪河的上游，建成于2008年，水庫樞紐距開縣縣城47 km，距重慶市城區(qū)約350 km，壩址以上流域面積235.8 km2，多年平均年徑流量1.66億m3，多年平均流量5.28 m3/s，水庫正常蓄水位450 m，總庫容1.024億m3，屬于多年調(diào)節(jié)水庫。用鯉魚塘水庫庫表水溫觀測結(jié)果對觀景口水庫壩前庫表水溫進(jìn)行驗證，結(jié)果如圖1所示。預(yù)測結(jié)果和實測水溫較為接近，表明水溫預(yù)測參數(shù)選取合理。

圖1　觀景口水庫表層水溫模擬和鯉魚塘水庫庫表實測水溫比較示意圖Fig.1　The comparison of the simulated surface water temperature in Guanjingkou Reservoir and the measured surface water temperature in Liyutang Reservoir

3水溫模擬結(jié)果分析

3.1分層取水模擬結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，觀景口水庫壩前水溫年內(nèi)垂向分布為分層型。其中水深0～20 m為變溫層，20～35 m為溫躍層，35 m以下為恒溫層。壩前水庫水溫預(yù)測模擬結(jié)果見圖2至圖4。

圖2　豐水年壩前水溫垂向分布預(yù)測模擬結(jié)果Fig.2　The simulated temperature profile in front of the dam in a high flow year

圖3　平水年壩前水溫垂向分布預(yù)測模擬結(jié)果Fig.3　The simulated temperature profile in front of the dam in a normal flow year

圖4　枯水年壩前水溫垂向分布預(yù)測模擬結(jié)果Fig.4　The simulated temperature profile in front of the dam in a low flow year

3.2分層取水效果分析

擬建的取水口為表層取水，取水溫度和模擬預(yù)測表層水溫一致。未設(shè)置分層取水時，擬從高程246 m處取水。豐、平、枯年模擬預(yù)測的未分層取水處水溫和分層取水處水溫比較見圖5。

圖5　分層取水和單層取水水溫預(yù)測模擬結(jié)果對比圖Fig.5　The comparison of simulated water temperature discharged from stoplog gate and single gate

根據(jù)模擬分析，工程擬采用疊梁門分層取水方案。根據(jù)豐、平、枯水年的預(yù)測結(jié)果，在五布河流域灌溉期5—8月平均下泄水溫較單層取水分別升高5.74℃、6.79℃、9.60℃。

4結(jié)論和建議

根據(jù)經(jīng)驗公式計算，觀景口水庫水溫結(jié)構(gòu)為分層型。按照Delft3D三維水動力—水溫耦合數(shù)值模型模擬結(jié)果，觀景口水庫未采取分層取水措施情況下，單層取水和天然河道水溫相比偏低。在豐、平、枯水年條件下，水庫單層取水方案下泄水溫月均最大值分別為25.59℃(8月)、24.43℃(9月)、24.47℃(9月)；月均最小值分別為9.69℃、9.71℃、9.48℃，均出現(xiàn)在2月；在五布河流域主要灌溉期5—8月，下泄水溫較河道天然水溫低，特別是枯水年，最大降幅約10℃。經(jīng)采取疊梁門方式分層取水后，根據(jù)豐、平、枯水年的預(yù)測結(jié)果，在五布河流域主要灌溉期5—8月平均下泄水溫較單層取水分別升高5.74℃、6.79℃、9.60℃。

因此，采用分層取水可以有效減緩低溫水下泄對水庫下游的不利影響。

本次模擬選擇的Delft3D的z-model模式根據(jù)高程固定分層，分別考慮到干濕變化，能夠考慮疊梁門的定高程情況。不足之處是由于條件所限，未能收集更多資料開展模擬。未來在開展長期水溫、水文和氣象觀測的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步提高和完善。

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收稿日期：2016-02-27

作者簡介：楊智(1974—)，男，安徽淮南人，教授級高級工程師，博士，主要研究方向為水環(huán)境模擬、環(huán)境影響評價，E-mail：smartd@hrc.gov.cn

DOI:10.14068/j.ceia.2016.04.013

中圖分類號：X820.3；TV697.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6444(2016)04-0047-04

Simulation Technology of Water Temperature with Delft3D—A Case Study of Guanjingkou Reservoir

YANG Zhi1, YE Qing-hua2, WANG Cheng1, SHUI Yan1, LI Li-hua1, MIAO Xin-hui1

(1.Institute of Huai River Water Resources Protection, Bengbu 233001, China; 2.Deltares, Delft 2600MH, Netherlands)

Abstract:The Guanjingkou Reservoir is located in Wubu River, which is the first tributary of Yangze River in Banan District of Chongqing city. The water temperature in the reservoir and downstream, and the aquatic ecosystem would be impacted by the construction of reservoir. This paper simulated the water temperature in Guanjingkou Reservoir by using the Delft3D model. According to the simulation results, the temperature profile in the reservoir was divided into three layers vertically: the upmost epilimnion layer was located within 20 meters depth from the surface, the thermocline layer was from 20 to 35 meters, and the constant temperature layer was below 35 meter. The temperature effects could be reduced by countermeasures of using stoplogs stratified intake structure. Based on the simulation results in the high, normal, and low flow years, the discharge water temperatures from the stoplogs were increased by 5.74℃、6.79℃、9.60℃ in the irrigation period from May to August, respectively, in comparison to the monolayer water intake. The negative impacts from the discharge water with lower temperature on the related ecosystem can be significantly mitigated.

Key words:water temperature; three dimension; prediction; study