新疆乌斯通沟水库工程水温预测分析

卜跃先，安贞煜，刘 启，殷 园

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

1 工程概况

新疆乌斯通沟水库位于托克逊县伊拉湖乡西南侧乌斯通沟下游河段，坝址位于出山口以上1.4 km，距县城55 km，距伊拉湖乡40 km，枢纽工程地理坐标：东经87°58′27.29″，北纬42°40′36.56″。乌斯通沟水库工程的开发任务为农业灌溉和工业供水，水库控制灌溉面积2.58 万亩，水库工业供水对象为伊拉湖工业园区及阿拉沟流域一般工业供水，年供水量约750 万m3。水库正常蓄水位905.0 m，相应库容为1 337 万m3（淤沙后1 028 万m3），水库调节库容为1 022 万m3（淤沙后989万m3）。枢纽建筑物由沥青混凝土心墙砂砾石坝、左岸灌溉放水洞、右岸溢洪洞、导流冲砂兼放空洞组成。水库总库容1 440 万m3，拦河坝坝高73.0 m。

2 水温预测模型原理

本次水库水温模拟计算采用丹麦水科所研发的MIKE 系列软件中的MIKE3 模型，并用其中的水动力模块（HD）和对流扩散模块（AD）来进行模拟计算。MIKE3 模型的数学基础是雷诺平均化的N-S 方程，它包括了紊流影响以及密度变化，同时包含了盐度及温度平衡方程。

水流动量方程：

温度对流扩散方程：

浓度对流扩散方程：

k 方程：

ε 方程：

其中：ρ 为水的密度，Cs为水中声的传播速度，ui为xi方向的速度分量，Ωi为克氏张量，p 为压力，gi为重力矢量，vT为紊动动能的耗散率，C 与T 分别指盐度和温度，DT与Ds分别指相关温度与盐度的扩散系数，t指时间，SS 指各自的源汇项（每个方程的均不相同），C1ε，C2ε，C3ε，σK，σZ，σT为特征值，β 为特征向量扩张系数，φ 为浮力标量。

3 模型构建

3.1 参数率定

在水动力模块参数率定时，通过类比阿拉沟水库选取相关水动力模块参数，参数主要包括：干水深0.005 m，漫滩水深0.50 m，湿水深0.10 m；水平紊动粘性采用Smagorinsky 公式，公式常数0.28 m2/s；垂直紊动粘性采用对数分布公式，紊动常数1.80e-6～0.40 m2/s；河床阻力采用给定粗糙高度0.01 m。

表1 为水库表面与大气的热量交换热量经验常数值。

表1 水库表面与大气的热量交换热量经验常数值

3.2 计算工况

针对乌斯通沟水库工程现有资料，选择水库P=15%、P=50%、P=85%代表年进行计算。各代表年均模拟计算时长为1 年；时间步长取30 s。本次模拟的计算范围是乌斯通沟坝址至上游约2 km 处，其平面三角网格489 个，垂向网格划分为6 层。见图1。

3.3 初始条件

模型初始流场和初始水位采用热启动，通过提前计算一个月，得到初始水位和初始流场，尽可能降低初始条件对模型计算结果的影响。

3.4 源汇项

库区源汇项为一处工业取水口，取水流量为0.24 m3/s。

3.5 边界条件

流量：本工程上边界根据流域水文资料，按照不同频率代表年来水条件，给定随时间序列变化的流量值，下边界根据来水用水情况，自由出流。水温：本项目采用阿拉沟站实测水温资料，选取典型年P=15%（1975年）、P=50%（2008 年）、P=85%（P=85%）实测水温作为来水水温。气温：大气气温采用阿拉沟水文站实测多年平均气温。

图1 计算网格

4 预测结果

4.1 库区预测结果及分析

MIKE3 模拟不同水平年乌斯通沟水库坝前各月平均垂向水温分布见图2。

图2 丰水年乌斯通沟水库水温垂向分布预测图

由图2 可知，丰水年（P=15%）时，坝前表层水体受入流流量、入流水温和气温的影响，温度变化趋势跟天然来水水温基本一致，冬季1 月～2 月水温最低，基本为1～2℃，3～8 月为升温期，入流水温和气温大幅度升高，表层水温升温较快，8 月达到最高值16.08℃，9 月～12 月水温逐步下降。底层水温受天然来水和气温影响相对较小，温度变化比表层水温滞后，使得库区水温有一定的分层现象，其中4 月～6 月分层较明显，温差大于2℃，7月～12 月深层垂向水温分布趋于均匀，垂向对流增大，垂直温度梯度逐渐减小，全库水温逐渐接近，水库水温分层现象减弱，1 月～2 月库底水温出现逆温现象。

平水年乌斯通沟水库水温垂向分布预测见图3。

平水年（P=50%）时，变化趋势和丰水年基本一致，冬季1 月～2 月水温最低，基本为1～2℃左右，3～8 月为升温期，表层水温升温较快，9 月～12 月水温逐步下降。底层水温受天然来水和气温影响相对较小，温度变化比表层水温滞后，使得库区水温有一定的分层现象，其中4 月～6 月分层较明显，最大温差2.3℃，7 月～12 月深层垂向水温分布趋于均匀，垂向对流增大，垂直温度梯度逐渐减小，全库水温逐渐接近，水库水温分层现象减弱，1月～2 月库底水温出现逆温现象。

枯水年乌斯通沟水库水温垂向分布预测见图4。

图3 平水年乌斯通沟水库水温垂向分布预测图

枯水年（P=85%）时，库区水位变化稍大，库区水温的变化趋势和丰、平水年大致相同，表层水温最高值为8 月的15.45℃，最低值为2 月的1.93℃。表底最大温差出现在7 月的2.10℃。

4.2 坝址下泄水温预测结果

本工程通过灌溉放水洞向下游河道补水，灌溉放水洞设计流量2.5 m3/s，洞长为305.9 m，进口底板高程为873 m。根据灌溉洞取水高程及库区水温预测结果，乌斯通沟水库平均下泄水温值详见表2。

图4 枯水年乌斯通沟水库水温垂向分布预测图

表2 工程建库后灌溉洞进口平均水温与现状水温比较 ℃

从表2 可以知道：丰水年（P=15%），天然水温和下泄水温的温差在-2.5～7.1℃，其中低温水影响主要在4～6 月，最大温差为4 月的2.5℃；平水年（P=50%），天然水温和下泄水温的温差在-2.35～7.8℃，其中低温水影响主要在4～7 月，最大温差为6 月的2.35℃；枯水年（P=85%），天然水温和下泄水温的温差在-2.5～8.3℃，其中低温水影响主要在4 月～7 月，最大温差为5 月的2.5℃。

5 结 语

1）不同水平年乌斯通沟水库坝前水温分布随季节变化而变化，有一定的分层现象。3 月～5 月，由于气温和太阳辐射的迅速升高，表层水温增长迅速，水库水温随水深增加而降低，且随着表层水温的逐步上升，库表和库底水温温差逐渐增大。6 月～7 月，气温和太阳辐射维持在全年最高水平，库区表、底层水温逐渐达到全年最高，此时表底温差也达到全年最大值，此后垂直温度梯度逐渐减小。11 月～次年2 月，随着气温和上游来水水温的降低，库区水温整体下降，底层水温出现一定逆温现象。根据已经建成的上一梯级阿拉沟水库水温的监测情况，乌斯通沟水库库区水温预测结果基本上合理。

2）通过灌溉放水洞下泄的水体存在一定的低温水现象，影响主要在4 月～7 月，最大温差为枯水年（P=85%）5 月的2.5℃，此时正值农作物春灌时期，会对农作物生长产生一定的影响，特别是可能造成喜温作物生长期延长、作物产量下降，因此，工程设计时要考虑采取有效的防范措施。