西南某水电站分层取水措施效果预测

2016-09-05 05:02:58徐天宝谢强富吴松
环境影响评价 2016年3期
关键词:库区水温典型

徐天宝,谢强富,吴松

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南昆明 650051)



西南某水电站分层取水措施效果预测

徐天宝,谢强富,吴松

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南昆明650051)

采用MIKE3构建西南某水电站的三维数学模型,研究水电站库区水温分层结构,分析下泄低温水的影响。在此基础上,研究三层叠梁门方案和六层叠梁门方案对下泄低温水的改善作用。计算结果表明,分层取水措施能够改善该水电站下泄低温水的影响。

水温;分层取水;MIKE3

兴建水利水电工程对开发利用水资源、推动社会和经济发展具有极大作用,但在工程建设过程中,也会对自然环境造成一定影响。其中,工程运行将对下游河流的水温产生一定影响,可能造成春季河流水温下降,秋冬两季河流水温升高。鱼类繁殖期主要在3—6月,水温变化可能导致原有长期形成的自然环境条件与鱼类繁殖的耦合关系被打乱,进而影响鱼类繁殖。[1]因此,在进行大型水利水电工程建设时,需要研究大型水利水电工程运行对库区水温和下游河道水温的影响,并采取相应的改善低温水下泄措施。

1 项目概况

西南某水电站正常蓄水位至死水位之间有30 m落差,水库回水长约85 km,正常蓄水位对应库容15亿m3,调节库容8亿m3,库容系数0.029,具有季调节能力。水电站为堤坝式开发,发电进水口位于坝身,其底板高程位于正常蓄水位以下60 m。采用库水交换次数法(α-β指数法)来判断该水库水温分层情况。水库年均径流量280亿m3,计算得到α为19,10<α<20,该水库水温分布为过渡型。

2 MIKE3模型简介

MIKE序列软件是由丹麦开发的商用软件,包含MIKE11(一维)、MIKE21(二维)和MIKE3(三维)等多个模块。其中,MIKE3可模拟具有自由表面的三维流动系统,包括对流弥散、水质、重金属、富营养化和沉积作用过程模块,主要解决包括潮汐交换及水流、分层流、海洋流循环,热与盐的再循环,富营养化,重金属,粘性沉积物的腐蚀、传输和沉降,预报,海洋冰山模拟等与水力学相关的现象。[2]本研究采用MIKE3构建水库三维模型进行水温模拟预测。

2.1基本方程

三维水动力学水温模型的基本方程组为:

式中,ρ为水的密度;t为时间;cs为水的状态系数;Ωij为柯氏张量;ui为xi方向的速度分量;p为压力;νT为湍动粘性系数;gi为重力矢量;δ为克罗奈克函数(当i=j时,δij=1;当i≠j时,δij=0);SS为源汇项;T为温度;k为湍动能;DT为温度扩散系数;QH为热交换反应式[3]。

2.2热交换反应方程

热交换反应方程的实质是描述热量在水体中的传播、交换过程。水体中影响水温的因素主要包括水体运动产生的热量对流、热量扩散和太阳、大气与水体的热量交换。水体热量交换的方式包括辐射、传导、蒸发和外部入流。在MIKE3软件系统中,热交换过程主要通过太阳短波辐射、大气和水面长波辐射、水体蒸发和散热等方式,其反应方程式为:

QH=qio+qss+qp-qc+qs-qsr-qsu+ql-qlr-qlu+qg+qsed-qv

式中,qio为出入流带入、带出的热量;qss为源、汇项带入、带出的热量;qp为降雨带入的热量;qc为水面传导散热;qs为太阳短波辐射;qsr为水面反射的太阳短波辐射;qsu为水体散发的短波辐射;ql为水面吸收的大气长波辐射;qlr为水面反射的长波辐射;qlu为水体散发的长波辐射;qg为水体与岸壁交换热量;qsed水体与泥沙交换热量;qv为蒸发散热。MIKE3忽略了水体与河床、泥沙的热量交换,即qg=qsed=0。外部入流产生的热量由流量和水温决定[3]。

3 水电站库区水温模型建立

3.1地形条件

模型计算参数采用结构化网格进行计算,根据实测地形进行概化处理,网格大小为200×10×10 m(纵向×横向×垂向),参加计算的网格总数为7 857个,计算时间步长采用30 s。

3.2边界条件

(1)水文

工程所在流域径流补给方式以降雨为主,洪水由暴雨形成,主要发生在6—10月,主汛期为6—7月。采用电站坝址多年平均流量作为上游边界水流条件,采用电站各典型水文年调节过程作为下游边界条件。

(2)水温

采用坝址处水文站监测的实测水温结果,利用沿程增温率推算库尾水温,作为上游边界水温条件。

(3)气象

影响水温的气象资料主要包括太阳辐射、日照时数、气温、云量、风速、湿度。采用电站枢纽工程区专用气象站的监测结果作为气象条件。

4 水温预测

针对表1中所列9种工况进行模拟计算。

4.1库区水温预测

分析研究在不设叠梁门的情况下,3个典型年库区水温结构,预测结果如图1所示。典型丰水年,在2—7月,库区水温有分层现象,其余月份分层不明显;典型平水年,在2—9月,库区水温有分层现象,其余月份分层不明显;典型枯水年,在2—10月,库区水温有分层现象,其余月份分层不明显。

表1 MIKE3模型计算工况

图1 库区水温分布预测结果Fig.1 The prediction of vertical water temperature distribution of the reservoir

4.2坝下水温预测

分析研究水电站运行前后,在不设置分层取水措施的情况下,3个典型年下泄水温的变化,预测结果如图2所示。典型丰水年,坝下泄水温在2—7月较天然情况降低0.5~2.1℃,其中3月和4月水温降幅较大;典型平水年,坝下泄水温在2—7月较天然情况降低0.3~1.7℃,其中3月和4月水温降幅较大;典型枯水年,坝下泄水温在2—7月较天然情况降低0.1~1.6℃,其中3月份水温降幅较大。

图2 典型年下泄水温预测结果Fig.2 The prediction of discharge water temperature in a typical year

5 分层取水改善效果分析

分析研究不设置叠梁门、设置三层叠梁门和六层叠梁门3种情形下,典型丰水年、平水年、枯水年下泄水温的变化情况,计算结果如表2所示。根据典型丰、平、枯水年坝下水温预测结果,出现下泄低温水情况的时段主要在2—7月,因此分层取水的改善效果分析主要针对这几个月进行。叠梁门运行调度原则为:在保证工程安全运行所需淹没水深的情况下,尽量取表层水。

(1)典型丰水年

由表2可知,叠梁门设置对下泄水温有明显改善作用。例如,在预测条件下,3月不设叠梁门水温下降约2.1℃,设置叠梁门后水温下降约0.2℃。由于典型丰水年大部分时间维持在高水位运行,取水水位均较高,六层叠梁门运行之后的取水位与三层叠梁门一致,因而六层叠梁门在典型丰水年对下泄水温的改善作用与三层叠梁门一致。

(2)典型平水年

由表2可知,叠梁门设置对下泄水温有一定改善作用。例如,3月不设叠梁门水温下降约1.7℃,设置叠梁门后水温下降约0.3℃。在某些月份,相比三层叠梁门,六层叠梁门对下泄水温改善作用更大。

(3)典型枯水年

在典型枯水年由于水库较多月份在低水位运行,叠梁门仅在6月和7月启用,其余月份均不能满足最小淹没水深的要求。由表2可知,叠梁门设置对下泄水温改善作用有限。此外,相比三层叠梁门,六层叠梁门对下泄水温的改善作用同样有限。

表2 典型年不同方案下泄水温

6 结语

本文采用MIKE3构建西南某水电站的三维数学模型,预测库区垂向水温分布和发电进水口低温水下泄情况。预测结果表明,水库在部分季节发生了水温分层现象,受水库调度运行影响明显。在3个典型年中,3—7月均发生了水温分层现象;下泄水温较天然水温降低约0.1~2.1℃,主要发生在2—7月,丰水年下泄水温改变较大,枯水年下泄水温改变较小;在不同典型年条件下,不同分层取水方案对下泄低温水的改善作用不一致,在进行分层取水方案设计时,应针对多种方案综合比选。

综上分析,对于该水电站,由于水库仅具有季调节能力,库水交换次数较多,不会形成稳定的水温分层结构,但在部分月份仍会形成水温分层。分层取水措施能够改善该水电站下泄低温水影响。后期应加强库区和坝下水温监测,适时调整分层取水运行。

[1]陈秀铜, 李璐. 减少低温下泄水不利影响的水库取水方法研究[J]. 人民长江, 2010, 41(17): 65-68.

[2]马腾, 刘文洪, 宋策, 等. 基于MIKE3的水库水温结构模拟研究[J]. 电网与清洁能源, 2009, 25(2): 68-71.

[3]张士杰, 刘昌明, 谭红武, 等. 水库低温水的生态影响及工程对策研究[J]. 中国生态农业学报, 2011, 19(6): 1 412-1 416.

Effect Prediction of Stratified Intake Structure of Hydropower Station in Southwest China

XU Tian-bao, XIE Qiang-fu, WU Song

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, China)

By using MIKE3 software, a three-dimensional mathematical model of a hydropower station in Southwest China was built, and it was used to investigate stratified temperature of the reservoir water and analyze the impact of low-temperature discharge water. On this basis, we investigated the improvement on temperature change of discharge water by two different stratified intake structures, namely, the 3-layer stoplog and the 6-layer stoplog. The calculation results indicated that the stratified intake structure could reduce the impact of low-temperature discharge water.

water temperature; stratified intake structure; MIKE3

2016-02-27

徐天宝(1982—),男,云南腾冲人,高级工程师,硕士,主要从事生态环境保护,E-mail:xutianbao00@163.com

10.14068/j.ceia.2016.03.013

X143;TV697.1

A

2095-6444(2016)03-0049-04

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