武玉濤，任華堂，何 潔，夏建新

(中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京 100081)

水庫(kù)庫(kù)首水溫分層流物理模型試驗(yàn)分析

(中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京 100081)

大型水庫(kù)由于水溫分層現(xiàn)象易對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一系列不利影響，但由于水深較大現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量困難，水溫分層的實(shí)測(cè)資料極少，對(duì)其研究尚不夠深入。通過(guò)物理模型試驗(yàn)?zāi)M并測(cè)量了春末夏初水庫(kù)庫(kù)首水溫分層的形成和演化過(guò)程，分析了流量和出水口位置對(duì)水溫在垂向和水平分布的影響。結(jié)果表明：①由于分層流流動(dòng)的特點(diǎn)和水動(dòng)力條件的差異，水溫垂向結(jié)構(gòu)在溫度分層的演化過(guò)程中表現(xiàn)為多種形式。②垂向溫差取決于上下游位置、入庫(kù)流量和水庫(kù)出水口的高度。通常在垂直方向上，上游溫差要比下游大。隨著進(jìn)水口流量的增加和出口位置高度的提高，垂向溫差也隨之加大。③水平方向上的水溫分布與水深、進(jìn)水口流量和出水口高度有著密切聯(lián)系。在水庫(kù)的表面和中部位置，上游水溫要高于下游水溫。然而在特定條件下，如進(jìn)水口流量較大且出口位置在表面時(shí)，上游水溫要低于下游水溫。④水流的出口溫度受進(jìn)水口流量和出水口位置的影響。較低的出水口位置會(huì)導(dǎo)致出水溫度較低，在初始時(shí)段尤為明顯。

水溫； 溫度分層； 物理模型； 大型水庫(kù)

隨著現(xiàn)代水利技術(shù)的發(fā)展和水資源的開(kāi)發(fā)利用，我國(guó)已成為世界上大型水庫(kù)擁有量最多的國(guó)家。與小型水庫(kù)不同，大型水庫(kù)由于水深和庫(kù)容較大，極易形成水溫垂向分層現(xiàn)象，對(duì)庫(kù)區(qū)及下游生態(tài)環(huán)境帶來(lái)系列不利影響。由于氣象條件和水動(dòng)力條件綜合作用，水溫分層現(xiàn)象在春末夏初尤為明顯。在氣象方面，春夏兩季水庫(kù)表層水體溫度快速升高，密度隨之降低，抑制水體的垂向混合，導(dǎo)致溫度分層現(xiàn)象；在秋冬季節(jié)，由于熱量的損失使得表層水體密度增大，水體垂向混合作用加劇，溫度分層現(xiàn)象減弱。在水動(dòng)力方面，春夏季節(jié)，與庫(kù)內(nèi)水體相比，上游來(lái)水溫度較高、密度較小，會(huì)浮于水庫(kù)上層導(dǎo)致分層；在秋冬季節(jié)，由于來(lái)水溫度較低，會(huì)進(jìn)入水庫(kù)底層水體和表層高溫水體之間，水體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到較大的摩擦阻力，引起劇烈的垂向混合，進(jìn)一步降低溫度分層出現(xiàn)幾率。由于氣象條件不可控，通過(guò)改變?nèi)∷谖恢没蛄髁康人畡?dòng)力條件是防止或減弱春末夏初水溫分層的主要措施。研究不同水動(dòng)力條件對(duì)于水庫(kù)溫度分布特性的影響，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前預(yù)測(cè)大型水庫(kù)溫度的主要方法有經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)學(xué)模型兩種方法。在數(shù)學(xué)模型研究方面，朱伯芳[1]和張大發(fā)[2]提出了用經(jīng)驗(yàn)類比法來(lái)預(yù)測(cè)水庫(kù)水溫，然而由于在經(jīng)驗(yàn)公式中難以全面考慮各種影響因素，預(yù)測(cè)精度不高。為了彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)類比法的不足，Orlob等[3-6]開(kāi)發(fā)了一系列垂向一維模型，劉肖等[7-11]提出用二維模型預(yù)測(cè)垂向和縱向水溫分布，丁正鋒等[12-15]建立了三維水庫(kù)水溫模型來(lái)模擬大型水庫(kù)的水溫分層現(xiàn)象。目前數(shù)學(xué)模型面臨的最大困難是計(jì)算所需資料要求極高，而大型水庫(kù)水深較大不易測(cè)量難以滿足其模型驗(yàn)證和參數(shù)率定的要求，極大地影響了模型的應(yīng)用。

物理模型是模擬自然現(xiàn)象最為直觀的方法，可避免現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)因時(shí)空布置和人員設(shè)備調(diào)配等因素的限制，是工程實(shí)際中應(yīng)用最廣的研究手段，而且可為經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證和參數(shù)率定提供有效的數(shù)據(jù)支持。華祖林[16]和王鰲然[17]采用物理模型研究溫度分層流，但研究主要集中于溫度垂向分布對(duì)水力參數(shù)的影響以及取水口位置和下泄溫度之間的關(guān)系。目前，對(duì)于溫度分層的形成和演化過(guò)程的物理模型模擬尚未見(jiàn)報(bào)道。

根據(jù)春末夏初水庫(kù)庫(kù)首(即水庫(kù)內(nèi)靠近大壩水流較為平緩的區(qū)域)水溫分層流動(dòng)特性，建立水槽水溫分層流動(dòng)的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，觀測(cè)水溫分層條件下溫度沿程變化和垂向結(jié)構(gòu)變化，分析測(cè)量斷面、取水口高程和進(jìn)水流量對(duì)水溫垂向結(jié)構(gòu)和下泄水溫的影響，為制訂水庫(kù)調(diào)度措施提供參考。

1 試驗(yàn)方案與過(guò)程

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與主要測(cè)量設(shè)備

由于大型水庫(kù)庫(kù)首段流速較小，縱向水深變化較小，物理模型將其概化為順直試驗(yàn)水槽，上游進(jìn)口設(shè)置為表層進(jìn)水，模擬春夏之交水庫(kù)的上游高溫來(lái)水，下游設(shè)置不同出水口，模擬不同的水流下泄方式。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system

圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，包括水槽、裝有加熱器的水箱、泵等裝置。為了更好地觀測(cè)，試驗(yàn)水槽采用透明有機(jī)玻璃制成，設(shè)計(jì)尺寸：水槽寬0.5 m，高0.6 m，總長(zhǎng)4 m，剖面及平面如圖2所示。在下游末端設(shè)計(jì)了2個(gè)直徑3 cm的取水口，分別位于底部以上3.5和33.5 cm處。進(jìn)水口位于上游，高程與水庫(kù)水體水位一致。通過(guò)調(diào)節(jié)圖1中上下游閥門可對(duì)流量進(jìn)行控制。

溫度測(cè)量采用廈門宇電自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的AI-5600型手持式高精度數(shù)字溫度計(jì)逐點(diǎn)測(cè)量，溫度計(jì)最高分辨率為0.001 ℃，測(cè)量精度為±0.06 ℃，探頭直徑為2 mm，測(cè)量過(guò)程中忽略探頭對(duì)于流場(chǎng)的擾動(dòng)影響。

圖2 大型水庫(kù)庫(kù)首試驗(yàn)水槽Fig.2 Experimental flume for a large reservoir

1.2 試驗(yàn)工況及過(guò)程

1.2.1 試驗(yàn)工況 為了研究不同進(jìn)水流量和多種取水方式下溫度的沿程變化和垂向結(jié)構(gòu)變化，結(jié)合試驗(yàn)條件，確定了4種試驗(yàn)工況，具體如表1所示。

表1 物理模型試驗(yàn)工況Tab.1 Working conditions for physical model tests

1.2.2 測(cè)量方法 為了測(cè)量水溫在沿程和垂向分布上的變化，分別在水槽中距離上游進(jìn)水口50 cm和下游出水口50 cm處設(shè)置了兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在每個(gè)檢測(cè)斷面上垂向設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于水槽底部以上5，10，20，30和35 cm處。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)均分布在水槽中心線的剖面上，距離水槽兩側(cè)25 cm。密度弗勞德數(shù)Fr的定義為：

(1)

式中：ρc采用初始時(shí)刻水槽內(nèi)水體密度；ρh為進(jìn)水口注入的高溫水密度；u0為水槽橫截面的平均流速；D為水槽內(nèi)水深。

1.2.3 試驗(yàn)過(guò)程 模型試驗(yàn)過(guò)程如下：在水槽中注入24.5 ℃的自來(lái)水至35cm水深，然后從水槽進(jìn)水口注入36 ℃熱水，同時(shí)根據(jù)工況設(shè)定的參數(shù)，調(diào)節(jié)進(jìn)水口和取水口閥門，使二者流量保持一致，控制水槽水深為35cm。在試驗(yàn)過(guò)程中，記錄各種工況下監(jiān)測(cè)斷面不同深度的水溫變化，直至水槽內(nèi)水溫混合均勻?yàn)橹?。每種工況重復(fù)5遍，然后對(duì)5次相同試驗(yàn)的數(shù)據(jù)取平均值，以減小水流隨機(jī)性所產(chǎn)生的誤差。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)4種工況的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，探究在不同流量和取水口高度條件下，水庫(kù)沿程和垂向水溫分布的變化規(guī)律。為了分析溫度分層對(duì)于垂向紊動(dòng)擴(kuò)散強(qiáng)度的影響，計(jì)算了不同工況下的里查德森數(shù)，計(jì)算公式為

(2)

2.1 溫度垂向結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化

工況1條件下，上游監(jiān)測(cè)斷面的結(jié)果顯示(見(jiàn)圖3(a))，試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，垂向溫度分布明顯可分為兩層，分別為上部的變溫層和底部的均溫層。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到第60s時(shí)，來(lái)流溫度對(duì)水槽內(nèi)溫度分布的影響主要表現(xiàn)在水深15cm范圍內(nèi)。第120s時(shí)，影響范圍擴(kuò)大到水深25cm，且在變溫層中間部分即水深515cm段出現(xiàn)了明顯的混合層，該層溫度相對(duì)均勻，熱量混合最為劇烈，第180s時(shí)該混合層的垂向溫度更加均勻，此時(shí)變溫層的影響范圍達(dá)到30cm水深。第360s時(shí)，均溫層逐漸消失被變溫層所取代。

下游監(jiān)測(cè)斷面的結(jié)果顯示(見(jiàn)圖3(b))，前60s與上游斷面分布相似，僅在表層存在變溫層。第120s時(shí)，由于水槽末端固壁的阻礙作用，改變了表層熱水的流動(dòng)方向，在水深05cm處出現(xiàn)了混合層，并在其下方形成了兩段溫度梯度不同的變溫層。隨后混合層開(kāi)始向下移動(dòng)，第180s時(shí)，出現(xiàn)在水深1525cm段，并形成了三段溫度梯度不同的變溫層，這主要是受到出水口垂向混合作用的影響。從第300s開(kāi)始，水溫隨著水深的增加而降低，溫度的垂向分布結(jié)構(gòu)不再隨時(shí)間而改變。在這種工況下，研究時(shí)段內(nèi)水槽內(nèi)的理查德森數(shù)Ri介于82.8563.0，溫度分層對(duì)垂向擴(kuò)散的抑制作用較強(qiáng)。

圖3 工況1條件下水溫垂向分布隨時(shí)間的變化Fig.3 Vertical temperature distribution at different times of working condition 1

如圖4所示，與工況1相比，由于流量較大，工況2中上下游監(jiān)測(cè)斷面受來(lái)流溫度影響更加明顯，變溫層范圍在試驗(yàn)開(kāi)始階段就達(dá)到了25 cm水深。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，在中間段出現(xiàn)混合層，出現(xiàn)位置與工況1大致相同，但工況2的混合層沒(méi)有工況1明顯。由于工況2出水流量增大，中間段的混合層對(duì)下游的影響變得顯著，在300 s時(shí)，混合層的影響水深范圍為525 cm。在這種工況下，研究時(shí)段內(nèi)水槽內(nèi)的理查德森數(shù)Ri介于14.395.0，溫度分層對(duì)垂向擴(kuò)散的抑制作用弱于工況1。

圖4 工況2條件下水溫垂向分布隨時(shí)間的變化Fig.4 Vertical temperature distribution at different times of working condition 2

如圖5所示，與工況1和2相比，工況3在試驗(yàn)前60 s，表層溫度變化較為強(qiáng)烈，變溫層的溫度梯度較大。第240 s時(shí)，上游監(jiān)測(cè)斷面出現(xiàn)混合層，且在其上下方各有一個(gè)變溫層，之后混合層逐漸消失，被變溫層所取代。下游監(jiān)測(cè)斷面在試驗(yàn)開(kāi)始階段溫度分布結(jié)構(gòu)與上游監(jiān)測(cè)斷面相似，但300 s后垂向溫度分布變得更加復(fù)雜，如第420 s時(shí)，斷面交替出現(xiàn)兩個(gè)混合層和變溫層。在這種工況下，研究時(shí)段內(nèi)水槽內(nèi)的理查德森數(shù)Ri介于353.1914.1，溫度分層對(duì)垂向擴(kuò)散的抑制作用非常強(qiáng)。

圖5 工況3條件下水溫垂向分布隨時(shí)間的變化Fig.5 Vertical temperature distribution at different times of working condition 3

如圖6所示，與工況3相比，工況4的溫度分層現(xiàn)象更為明顯。上游監(jiān)測(cè)斷面，第30 s時(shí)，在05 cm水深處出現(xiàn)了混合層，第60 s時(shí)，熱水到達(dá)下游出口，混合層消失。第60 s以后，溫度垂向分布由三段變溫層組成，其中位于表層和水槽底部的兩個(gè)變溫層溫度梯度較大，中間段的溫度梯度較小。下游監(jiān)測(cè)斷面，在前60 s時(shí)，015 cm水深處為變溫層，其下方為均溫層。第120 s時(shí)，在05 cm水深處出現(xiàn)了混合層，由于受到來(lái)流溫度的顯著影響，混合層消失，水溫隨著水深的增加而降低，溫度的垂向分布結(jié)構(gòu)不再隨時(shí)間而改變。在這種工況下，研究時(shí)段內(nèi)水槽內(nèi)的理查德森數(shù)Ri介于28.9106.3，溫度分層對(duì)垂向擴(kuò)散的抑制作用強(qiáng)于工況2，但弱于其他3種工況。

圖6 工況4條件下水溫垂向分布隨時(shí)間的變化Fig.6 Vertical temperature distribution at different times of working condition 4

2.2 垂向溫差隨時(shí)間的變化

從圖7可知，上游斷面的分層現(xiàn)象比下游斷面更為明顯，這是沿程不斷進(jìn)行的垂向混合運(yùn)動(dòng)造成的。由于試驗(yàn)開(kāi)始階段進(jìn)入的熱水較少，分層現(xiàn)象并不明顯，隨著熱水不斷注入，分層現(xiàn)象也愈發(fā)明顯。隨著溫度較低的水體不斷排出水槽，分層現(xiàn)象逐漸消失。

水槽上游的熱水流量對(duì)于溫度分層具有明顯影響。在同一取水口條件下，比較工況3和工況4可以發(fā)現(xiàn)，上游監(jiān)測(cè)斷面最大垂向溫差從2.87 ℃升高至4.15 ℃，隨著流量的增加水槽內(nèi)溫度分層也更加強(qiáng)烈。

取水口的高度同樣會(huì)影響水槽內(nèi)溫度分布。在同一進(jìn)水流量條件下，比較工況2和工況4可以發(fā)現(xiàn)，上游監(jiān)測(cè)斷面最大垂向溫差從3.56 ℃升高至4.15 ℃，取水口位置較高時(shí)，溫度分層現(xiàn)象更為明顯。

因此，通過(guò)加大進(jìn)水流量和降低取水口的高度，可以有效抑制水庫(kù)中溫度分層現(xiàn)象的產(chǎn)生。通過(guò)科學(xué)的水庫(kù)調(diào)度方式可以削弱水溫分層對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響。

圖7 垂向溫差隨時(shí)間變化的比較Fig.7 Changes of vertical temperature with time

2.3 上下游溫差隨時(shí)間的變化

圖8為不同水深條件下，上下游監(jiān)測(cè)斷面溫差監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)隨時(shí)間的變化。下面分別按表層、中間層和底層對(duì)4種工況的溫度變化進(jìn)行分析。

圖8 不同深度上下游斷面溫差隨時(shí)間的變化Fig.8 Time series changes of temperature difference between upper and lower sections

2.3.1 上下游表層溫差變化 比較工況1和2可知，同一水深下，上游斷面溫度總是高于下游斷面，這是因?yàn)闊崴偸窍冉?jīng)過(guò)上游斷面，且上游斷面垂向的混合程度也不如下游斷面均勻。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)工況2的溫差大于工況1，這是因?yàn)楣r2的流量更大。

初始階段，熱水還未到達(dá)下游導(dǎo)致上下游表層溫差較大。工況1的表層溫差隨時(shí)間的增加而減小，增大進(jìn)水口流量后，工況2的表層溫差變化更為復(fù)雜，在第180 s時(shí)出現(xiàn)了極小值。這是因?yàn)闊崴⑷胨郾韺雍?，向下游移?dòng)，下游溫度也隨之升高，表層溫度處于減小過(guò)程。當(dāng)上層水體流動(dòng)至水槽末端時(shí)，受到固壁的影響，水溫在垂向的混合加劇，表層熱量傳遞到深處，下游監(jiān)測(cè)斷面表層溫度降低，上下游表層溫差再次處于上升過(guò)程。

比較工況3和4可知，當(dāng)下游取水口位于水槽表層時(shí)，上游斷面溫度總是高于下游斷面，表層溫差隨時(shí)間變化幅度不大，但隨著進(jìn)水口流量的增加，溫差會(huì)相應(yīng)增加。

2.3.2 中間層溫差變化 比較工況1和2可知，中間層上游斷面溫度高于下游斷面，工況2由于流量較大，溫差也較大。初始階段溫差較大，隨后開(kāi)始減小，達(dá)到極小值點(diǎn)后再次升高，這一現(xiàn)象與熱水在水槽中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程密不可分。初始時(shí)段，熱水注入水槽時(shí)，上游斷面快速升溫，其影響還未波及下游，因此上下游會(huì)產(chǎn)生較大溫差。隨著熱水移動(dòng)到下游，以及底部取水口的作用，溫度在垂向上的混合加劇，使下游中間段溫度升高，上下游溫差開(kāi)始減小并達(dá)到極小值。此外，當(dāng)下游垂向混合劇烈時(shí)，將會(huì)對(duì)整個(gè)斷面的溫度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致中間層升溫速度較慢，因此在溫差達(dá)到極小值后再次緩慢增加。

工況3和4的中間層溫差隨時(shí)間的變化規(guī)律與工況1和2大體相同，只是在試驗(yàn)初始階段，溫差存在上升過(guò)程，這是取水口高度不同所致。工況1和2的取水口位于水槽底部，溫度垂向混合劇烈，而工況3和4的取水口位于水槽表層，導(dǎo)致在開(kāi)始階段熱水僅在表層水平方向移動(dòng)，上下游中間層受熱水影響較小，升溫速度相對(duì)較慢，因此，試驗(yàn)開(kāi)始階段溫度差會(huì)呈上升趨勢(shì)。

2.3.3 底層溫差變化 與工況2的溫差變化趨勢(shì)不同，熱水到達(dá)下游底部之前，工況1底層溫差均保持在較高值。由于工況2出現(xiàn)了明顯的溫度分層，導(dǎo)致試驗(yàn)初始階段水槽底部的水溫較低，隨著上游斷面底部水體從取水口排出，底部水溫不斷升高，導(dǎo)致溫差增大。

圖9 第360 s時(shí)的溫度場(chǎng)[18](單位：℃)Fig.9 Temperature field at 360th s[18] (unit: ℃)

圖10 出水溫度隨時(shí)間變化Fig.10 Time series of outlet temperature

工況3和4底部溫差分別小于工況1和2，且出現(xiàn)負(fù)值，表明上游底部水溫低于下游底部水溫。由于該工況條件下取水口位于水槽表層，水溫分層現(xiàn)象明顯，從而抑制了溫度在垂向上的混合。由于溫度分層現(xiàn)象在上游表現(xiàn)得更為明顯，導(dǎo)致上游底部水溫相比于下游上升速度較慢，上下游溫差出現(xiàn)負(fù)值，這與文獻(xiàn)[18]中數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果一致(見(jiàn)圖9)。

2.4 下游出水溫度

從圖10可知，取水口高度與進(jìn)水口流量均會(huì)對(duì)出水溫度產(chǎn)生影響。分別比較工況1，3和2，4，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水流量相同時(shí)，取水口位置越高出水溫度越高，最大出水溫差可達(dá)3.5 ℃。分別比較工況1，2和3，4，發(fā)現(xiàn)取水口位置相同時(shí)，進(jìn)水流量越大出水溫度越高，最大出水溫差可達(dá)3 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)改變?nèi)∷诟叨扰c進(jìn)水口流量可以有效控制水庫(kù)的出水溫度，對(duì)保護(hù)水庫(kù)下游水環(huán)境具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié) 語(yǔ)

水庫(kù)的合理設(shè)計(jì)和科學(xué)運(yùn)作是減少水溫分層負(fù)面作用的有效方式。通過(guò)物理模型試驗(yàn)，模擬研究了春末夏初庫(kù)首段上游來(lái)水條件和下游取水條件對(duì)水溫分布的影響，結(jié)論如下：①隨著上游來(lái)水進(jìn)入庫(kù)區(qū)，庫(kù)首水溫垂向結(jié)構(gòu)可出現(xiàn)多種不同形式。初始階段，垂向水溫由變溫層和均溫層兩層組成。隨著時(shí)間的增加，水溫垂向結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，可能出現(xiàn)3個(gè)溫度梯度不同的變溫層，也有可能在兩個(gè)變溫層中間出現(xiàn)混合層。②溫度分層強(qiáng)度取決于水動(dòng)力條件。上游溫度分層現(xiàn)象比下游更為明顯，這是由水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的垂向混合作用所致。入口熱水流量增大，取水口位置較高，都會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)水溫分層強(qiáng)度增加。③同一深度水溫的沿流分布具有明顯規(guī)律性。當(dāng)取水口位于底部時(shí)，同一深度的上游水溫高于下游。當(dāng)取水口位于表層時(shí)，由于上游出現(xiàn)明顯的溫度分層，導(dǎo)致上游底部水溫低于下游。④出水溫度很大程度受到進(jìn)水流量和取水口高度的影響。入口熱水流量增大，取水口位置升高，均會(huì)引起出水溫度升高，試驗(yàn)工況下最大溫差可達(dá)3.5 ℃。

由于水動(dòng)力條件與邊界條件對(duì)于溫度分層流特性具有重要影響，本次試驗(yàn)工況尚不夠全面，今后還需開(kāi)展關(guān)于底坡和糙率等條件對(duì)于水溫分層流動(dòng)特性影響的物理試驗(yàn)。

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Experimental studies on water temperature stratified flow in front region of reservoirs

WU Yutao, REN Huatang, HE Jie, XIA Jianxin

(CollegeofLifeandEnvironmentalScience,MinzuUniversityofChina,Beijing100081,China)

The large reservoirs are prone to cause some ecological and environmental problems due to water temperature stratification. However, the water depth in the reservoirs is very difficult to measure and little on-site observed data concerning the stratified reservoir flow are available, which is thus difficult to disclose its mechanism thoroughly. An experimental testing system is developed to simulate the formation and development of the water temperature stratification in late spring and early summer. And analysis of the influences of the discharge and outlet position on the vertical and longitudinal distributions of the water temperature has been carried out. The research results show that: ①due to the characteristics of the stratified flow and the differences between hydrodynamic conditions, the vertical structures of the water temperature show various forms in the evolution of the temperature stratification; ② the vertical temperature difference depends on the lower or upper locations, reservoir inflow and outlet elevation. Usually in the vertical direction, the upstream temperature difference is larger than that of the downstream. The vertical temperature difference increases with the increase in the discharge of the intake and the outlet elevation; ③ the longitudinal distribution of the water temperature is closely related to the water depth, discharge and outlet elevation. At the surface and mid-depth in reservoir water, the upstream temperature is higher than that of the downstream. At the bottom water stratification, the downstream temperature is higher than that of the upstream in a certain period when the outlet is located over the surface and the discharge is larger; ④ the water temperature of the oulet is affected by the discharge of the intake and the outlet elevation. A lower outlet location may result in lower outflow temperature, especially in the beginning period.

water temperature; temperature stratification; physical model; large reservoir

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.02.009

2016-03-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51479218)

武玉濤(1991—)，男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事環(huán)境水力學(xué)研究。E-mail: yutaowu2010@163.com 通信作者：任華堂(E-mail: renhuatang@muc.edu.cn)

TV697.2

A

1009-640X(2017)02-0067-08

武玉濤， 任華堂， 何潔, 等. 水庫(kù)庫(kù)首水溫分層流物理模型試驗(yàn)分析[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2017(2): 67-74. (WU Yutao, REN Huatang, HE Jie, et al. Experimental studies on water temperature stratified flow in front region of reservoirs[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(2): 67-74. (in Chinese))