红山水库坝前垂向与坝下水温预测分析

孙晓丽

(新疆博衍水利水电环境科技有限公司，乌鲁木齐 830000)

红山水库位于新疆塔城地区沙湾县城西南方向、金沟河中游河段出山口处，拦河坝位于金沟河出山口下游已建金沟河渠首上游约1.3 km处，距沙湾县城约25 km，其工程任务为灌溉、防洪、工业供水并兼顾发电。水库为堤坝式开发，采用黏土心墙坝挡水，最大坝高74.3 m，总库容5 506×104m3，装机容量8 MW。红山水库建成后，可为金沟河流域下游灌区，包括元兴宫、142团31连、大泉乡、金沟河乡、沙湾县城、县良种场、143团一营和二营及144团灌区供水。

水库建成后，原天然状态下的水温结构形式将发生改变，且随着水深的增加，水体温度将逐渐降低[1]。为更好地评价坝下低温水对下游农田灌溉的影响，本文采用荷兰Delft水力研究所开发的Sobek软件及河道一维水温模型[2-3]进行红山水库水温预测，为分析红山水库低温水影响提供科学依据。

1 水库水温结构

水温结构类型的判定，采用国内外通用的α指标判别法[4-5]。

α=多年平均年径流量(m3)/总库容(m3)

判别标准为：当α<10，水库为稳定分层型；当10≤α≤20，水库为过渡型；当α>20，水库为混合型。

红山水库坝址断面多年平均径流量为3.536×108m3，水库总库容为5 506×104m3，计算α值为6.42。根据α指标判别法，红山水库水温结构为稳定分层型。

2 水库坝前垂向水温预测及影响分析

2.1 模型简介

采用荷兰Delft水力研究所开发的Sobek软件中专门用于水库水温模拟的垂向二维模型与热平衡方程来进行红山水库坝前水温预测。

2.1.1 垂向二维方程

控制方程包括有横向Y方向(宽度方向)积分的连续方程、动量方程和传输方程。

式中：c为温度；W为宽度，m；u和w分别为水平方向和垂向流速，m/s；q0为单宽流量，m3/(s·m)；ρ0为密度，kg/m3；p为压力，N/m2；τxz为水平剪切力，N/m2；τB为河床剪切力，N/m2；P为湿周，m；νTx和νTz为水平及垂直方向的湍流扩散,m2/s；Sc为源项。

2.1.2 热平衡方程

在热平衡计算中，需要对纬度、经度、时区、光衰减、反射系数、蒸发系数等参数进行设定。其中，光衰减系数由Beer定律确定，其形式为：

式中：Isun为太阳辐射；β为Beer定律系数；(D-z)为计算深度至水体表面的距离；α为吸收系数。

反射系数由下式决定：

式中：n为日照时数；Nd为日长。

蒸发系数由下式决定：

qe=LCe(A2+B2W2)(QW-Qa)

式中：L为蒸发潜热；Ce为湿度系数；W2为水面以上两米处的风速；QW为水表面处蒸汽密度。

2.1.3 参数取值及预测工况

经水温模型率定计算得出的水温模型热平衡参数数值见表1。预测工况为P=50%和P=75%两种来水保证率。

2.2 预测结果

2.2.1 坝前水温预测

P=50%和P=75%来水保证率下红山水库坝前水温逐月分布情况见图1和图2。

由图1和图2可以看出，两种来水保证率下，红山水库坝前水体水温分层均具有明显的季节性特性，且逐月水温分布规律相近。5-8月份水库出现较为明显的水温分层现象，11月份-次年4月份存在逆温现象，9-10月份基本不存在水温分层现象。

表1 热平衡参数率定数值

图1 红山水库逐月坝前垂向水温(P=50%)

图2 红山水库逐月坝前垂向水温(P=75%)

2.2.2 水库下泄水温预测

P=50%来水频率下红山水库下泄水温过程与工程建设前水温过程对比见表2和图3(a)；P=75%来水频率下红山水库下泄水温过程与工程建设前水温过程对比见表3和图3(b)。

表2 P=50%红山水库平水年来水与下泄水温对比 /℃

表3 P=75%红山水库枯水年来水与下泄水温对比 /℃

图3 红山水库下泄水温过程与建库前水温对比图

由表2和图3(a)预测结果可以看出，P=50%来水保证率下，2-7月份水库下泄水温均低于建库前天然水温，最大温差为-1.6℃，出现在5月份；8月份-次年1月份水库下泄水温均高于建库前天然水温，最大温升为1.2℃，出现在10月份。

由表3和图3(b)预测结果可以看出，P=75%来水保证率下，2-7月份水库下泄水温均低于建库前天然水温，最大温差为2.0℃，出现在5月份；8月份-次年1月份水库下泄水温均高于建库前天然水温，最大温升为1.2℃，出现在10月份。

从红山水库各工况的下泄水温与来水水温对比中可以看出，水库下泄水温在春夏两季低于水库上游来水水温；在秋冬两季则高于上游来水水温。从对比图中可以看出，两条水温曲线基本呈现一种“错峰”的状态。这主要是因为水库蓄水后，库区内水体体积增加，热容量加大，上游来水对水库泄水口水温的影响需要一定的时间。

3 水库坝下水温预测及影响分析

3.1 模型简介

采用纵向河道一维水温模型对红山水库坝址下游河道水温情况进行预测，纵向一维河道水温模型包括河流水动力学方程及一维温度对流扩散方程。

3.1.1 河流水动力学方程

河流水动力学特性采用一维非恒定流基本方程组——圣维南方程组，由质量与动量守恒方程组成：

连续方程：

动量方程：

式中：t为时间坐标，s；x为空间坐标，m；Q为流量，m3/s；Z为水位，m；u为断面平均流速，m/s；n为糙率；A为过水断面面积，m2；B为主流断面宽度，m；Bω为水面宽度(包括主流宽度及起调蓄作用的附加宽度)，m；R为水力半径，m；q为旁侧入流流量，m3/s。

3.1.2 一维温度对流扩散方程

一维温度对流扩散方程如下：

式中：DL为纵向弥散系数,m2/s；ρ为水的密度,kg/m3；Cp为水的比热,J/(kg·℃)；B为河面宽度,m；S为水体与大气之间的热交换通量,W/m2。方程中∂(QT)/∂x为移流产生的热变化率；∂(ADL∂T/∂x)/∂x为离散产生的热变化率；BS/ρCP为表面热交换率；其它符号意义同前。

3.1.3 参数选择及预测断面

根据北方河流及气候的特点，参考其它研究成果，确定主要的模拟参数，见表4。预测断面为坝址下游的金沟河渠首断面以及下游距金沟河渠首最近灌区——元兴宫灌区引水口及其所对应的河道断面。

表4 水温模拟中有关参数取值

3.2 预测结果

3.2.1 金沟河渠首断面水温预测

金沟河渠首距红山水库坝址约1.3 km，工程建设后，金沟河渠首断面水温的预测结果见表5。

表5 工程建成后金沟河渠首断面水温预测结果共计表 /℃

由表5预测结果可以看出，在P=50%和P=75%来水保证率下，红山水库下泄水经河道沿程恢复，至金沟河渠首断面水温在灌溉季节的4-9月份均有所升高。P=50%来水频率下，水体升温在0.1℃～0.4℃，其中7月份水温升高最快，可以达到0.4℃；P=75%来水频率下，水体升温在0.2℃～0.5℃，其中7月份水温升高最快，可以达到0.5℃。

3.2.2 金沟河渠首下游河段水温预测

元兴宫灌区引水口为金沟河渠首下游渠道上第一个灌区引水口，距金沟河渠首约6.61 km，红山水库建成后，元兴宫灌区引水口断面及其对应河道断面水温预测结果见表6和图4。

表6 工程建成后金沟河渠首下游断面水温预测结果共计表 /℃

图4 工程建成后金沟河渠首下游断面水温恢复过程

由表6预测结果可以看出，金沟河渠首下泄水体流进渠道后水体水温有所上升，但与同距离河道相比水温上升较慢。在P=50%来水频率下，灌溉季节4-9月份从金沟河渠首下泄水体水温经6.61 km渠道沿程恢复，水体升温在0.3℃～0.9℃，最大升温0.9℃(7月份)；在P=75%来水频率下，灌溉季节4-9月份从金沟河渠首下泄水体水温经6.61 km渠道沿程恢复，水体升温在0.3℃～0.8℃，最大升温0.8℃(7月份)。

金沟河渠首下游6.61 km河道水体水温在4-9月份有所升高，10月份-次年3月份有所降低。在P=50%来水频率下，河道水体升温在0.6℃～1.7℃，最大升温1.7℃(7月份)，降温在-1.3℃～-0.3℃，最大温差为-1.3℃(12月份)；在P=75%来水频率下，河道水体升温在0.6℃～1.6℃，最大升温1.6℃(7月份)，降温在-1.3℃～-0.3℃，最大温差为-1.3℃(12月份)。

经预测，在P=50%来水频率下，金沟河渠首下泄水体水温可经20.1 km河道沿程恢复至天然水温，可经40.3 km渠道沿程恢复至天然水温；在P=75%来水频率下，金沟河渠首下泄水体水温可经39.3 km河道沿程恢复至天然水温，可经19.7 km渠道沿程恢复至天然水温。

4 结 语

红山水库建成后，因水库对水量的调蓄以及水体热量存储条件的变化，将对红山水库坝前及坝下水温分布造成影响。本文通过建立数学模型，对红山水库坝前垂向水温及下游河道水温变化进行模拟预测，为分析红山水库下泄低温水对下游农业灌溉的影响提供科学依据。