乌鲁瓦提水利枢纽工程不同运行方式下水温模拟研究

罗 兴

(新疆维吾尔自治区乌鲁瓦提水利枢纽管理局, 新疆和田 848000)

0 引 言

在防洪发电、水产养殖、旅游灌溉等方面水利工程具有显著的效益，对于保障区域经济发展和水资源供应等反面具有重要意义。然而，河流的水文水动力、水质等要素将受到蓄水蓄水势的影响而发生改变，河流的原有的平衡遭到破坏，并对下游及库水水生态产生不利影响。水温分层现象在较强调节性水库中较为明显，水体环境在不同深度时存在明显差异，并对库区水质和水生生物结构产生影响；另外，为满足发电要求水库大坝通常将单层泄水口设置在较低的位置，从而导致夏季下泄水文在水温分层的条件下小于天然水文，而鱼类的正常繁殖和农作物的生长又受到低水温的影响，从而使得区域生物多样性的丧失以及农渔业的减产[1]。因此，为维持河流水生物种多样性和生态系统健康，通常需要对河流水生态受水库运行方式的影响做定量分析，其中水温对河流生态及整个系统的影响最为显著，水生物种的生长、繁殖与水库水温变化密切相关[2]。针对水库水温国内外许多学者开展了模拟研究，并取得了丰硕的成果，例如东北勘测设计院提出了一种基于大量实际观测资料的中小型水库月水温估计方法，该方法具有较高的准确性但所需数据量较大；李怀恩等[3]对水库水文垂直分布问题利用幂函数模型进行模拟分析，结果发现该模型能够准确的描述温跃层特征，但其适用范围受到一定的限制。综上分析，这些研究大多侧重于模拟计算水库水温，考虑水库水温受水利枢纽不同运行方式的影响研究较少。鉴于此，以乌鲁瓦提水库工程为案例，对不同运行方式下水库水温变化利用水热耦合数学模型模拟研究，以期为河流水生态治理和水温模拟计算提供科学依据。

1 水热平衡耦合模型

模拟计算水库水温的理论依据为水库水量与热量平衡，其数学方程为：

I(t)Δt-O(t)Δt=ΔS(t)

(1)

式中：O(t)、I(t)为t时刻的水库出库和入库流量，m3/s；Δt、ΔS(t)为模型运算时间步长和t时刻的水库蓄水变量，m3。根据水库水量平衡运算结果求解水库热量，表达式如下：

TI(t)I(t)Δt-TO(t)O(t)Δt=ΔE(t)

(2)

式中：TI(t)、TO(t)为t时刻入库水温和出库水温平均值，℃；ΔE(t)为t时刻水库的水体热通量，m3·℃，采用下式计算确定：

(3)

式中：T(S)为不同蓄水量情况下水库水体的平均温度，℃；S(t)、S(t-Δt)为水库不同时刻的蓄水变量，m3。

在水库水温不存在分层的情况下，可认为各层水温的平均值相等，则利用下述计算式确定水库热通量，即：

ΔE(t)=S(t)TR(t)-S(t-Δt)TR(t-Δt)

(4)

式中：TR(t)、TR(t-Δt)——为水库t、t-Δt时刻的平均水温℃。

采用以上公式(2)、(3)推求水库热量方程，并对出库水体平均温度利用以上运算结果求解，其数学公式为：

TR(t)=

(5)

TO(t)=TR(t-Δt)

(6)

其中，水库水体积热、出入库水量与出库温度之间存在密切关联，选取1d作为运算时间尺度。

2 水温模拟研究

2.1 乌鲁瓦提水库概况

乌鲁瓦提水库坝址以上控制面积19983km2，控制全河径流量97%，是一座集生态保护、防洪发电、农业灌溉等功能于一体的大(2)型工程。该水利枢纽包括水电站厂房、升压变电站、开关楼、冲沙洞、发电引水洞、泄洪排沙洞、溢洪道、大坝等建筑结构，水库装机容量60MW，年发电量1.97亿kW·h，总库容3.336亿m3。工程投入运行后改善和扩大灌溉面积75 793 hm2，设计和校核洪水位为1962.65、1963.29m，正常蓄水位1962.00m，通过水库调节每年平均向塔里木河供水10.57亿m3。乌鲁瓦提水库工程的地质条件以砾岩、粉砂岩、石膏岩、砂页岩、砂砾岩、碳系灰岩、粉砂岩及砂砾为主，该区域属于内陆干旱区，一面濒临沙漠、三面高山环抱，地表干燥剥蚀和物理风化强烈，而高山河道冻冰剥蚀风化、冰碛物丰富且地势陡峭，加之森林缺少和植被稀缺，地表和河道沙源丰富，高山段河流洪水期水量集中且流速较大，水流具有较强的携沙能力，同时中低山地带的暴雨和融雪也将大量泥沙冲入河道，以上各因素作用使得河流含沙量大[4-6]。

乌鲁瓦提水库工程显著提升了下游河段的防洪能力和周边地区的农业发展水平，有利于减轻洪水灾害和维护和田河下游绿色廊道生态环境，对保障该地区的可持续发展和水资源合理发挥着重要的作用[7-8]。

2.2 模型验证

根据2008-2018年乌鲁瓦提水库库区实测水温数据验证模型入库、出库水温，结果见图1和表1。

表1 乌鲁瓦提水库出库、入库水温模拟精度

图1 出库、入库实测水温相关图

根据表1可知，乌鲁瓦提水库实测与模拟出库水温误差控制在10%以内，且水库实测与模拟出库水温绝对误差为1.0-2.3℃范围；乌鲁瓦提水库实测与模拟入库水温误差也控制在10%以内，且水库实测与模拟入库水温绝对误差为0.8-2.2℃范围。综上分析，对于水库入库、出库水温的模拟水热耦合数学模型表现出精度、准确度较高，模拟准确度较高能够反映出水库水温真实情况。结合图1可知，水温实测值与模拟值之间的相关度较高，相关系数为0.65-0.68范围，二者存在高度相关性。因此，在水库水温预测方面水热耦合数学模型的实用性良好，能够用于水库水温受水利枢纽不同运行方式的影响研究。

2.3 初期运行下水文模拟分析

对丰水年、枯水年两种情况下，水库初期运行方式的旬入库和旬出库水温利用验证后的水热耦合数学模型预测分析，结果见图2。

图2 水库初期运行前后旬水温变化特征

从图2(a)可知，乌鲁瓦提水库初期运行的丰水年入库最高和最低水温为25.7℃、8.5℃，而出库最高和最低水温为25.1、12.0℃，同时水库水温在调蓄节水方式下能够下降0.6℃。从图2(b)可知，从2月中旬至8月中旬水库入库水温呈不断增大趋势，自8月下旬至次年3月呈下降趋势；从3月中旬到8月中旬的水库出库水温呈波动上升趋势，8月下旬以后呈下降趋势。由此表明，水库调蓄在初期运行情况下能够在一定程度上延迟温度的上升，但其影响程度较低。水库入库水温在7月上旬至3月中旬高于出库水文，水库出库、入库水温在9月下旬到7月中旬比较接近。水库温差在丰水年的变化区间为-5.4-4.8℃，水库负向温度最大变化值发生在5月中旬，即第14个旬数。

从图2(b)可知，初期运行方式下乌鲁瓦提水库枯水年入库、出库最高水温为27.6℃、26.4℃，其变化幅度为1.2℃，水库入库水文在初期调蓄方式在有所下降。从2月中旬至9月上旬枯水年温度在初期运行方式下不断上升，自9月中旬以后水温开始慢慢下降，初期运行方式能够将水库升温天数推迟40天，且能够延迟枯水年水库降温10d。出库、入库水温在6月中旬至3月中旬不断减小，至8月底较为接近。出入库温差处于-4.0-5.1℃之间，其中水库水温正向、负向变化最大值发生于12月中旬和5月上旬。

2.4 正常运行下水文模拟分析

结合水库出入库水温在初期运行方式下的变化分析结果，对水库正常运行方式下的水温采用水热耦合数学模型模拟，结果见图3。

图3 水库正常运行前后旬水温变化特征

从图3(a)可知，乌鲁瓦提水库正常运行期的丰水年入库最高和最低水温为25.2℃、8.8℃，而出库最高和最低水温为24.8、13.4℃，同时发现水库水温在调蓄节水方式下能够下降0.4℃。从图3(b)可知，从2月中旬至8月中旬水库入库水温呈不断上升趋势，自8月下旬至次年3月呈波动下降趋势；从3月中旬到7月中旬的水库出库水温呈波动上升趋势，8月下旬以后呈下降趋势。由此表明，水库调蓄在初期运行情况下能够在一定程度上延迟温度的上升，但其影响程度较低。水库入库水温在7月上旬至3月中旬高于出库水文，水库出库、入库水温在9月下旬到7月中旬比较接近。水库温差在丰水年的变化区间为-6.0-6.8℃，水库负向温度、正向温度最大变化值发生在5月中旬和1月中旬。

从图3(b)可知，正常运行方式下乌鲁瓦提水库枯水年入库、出库最高水温为27.2℃、26.1℃，其变化幅度为1.1℃，水库入库水温在初期调蓄方式在有所下降。从2月中旬至9月上旬枯水年温度在正常运行方式下不断上升，自9月中旬以后水温开始慢慢下降，正常运行方式能够将水库升温天数推迟40d，且能够延迟枯水年水库降温10d。出库、入库水温在6月中旬—3月中旬不断减小，至8月底较为接近。正常运行方式下出入库温差处于-4.8-6.2℃之间，其中水库水温正向、负向变化最大值发生于12月中旬和5月上旬。

3 结 论

对乌鲁瓦提水库水文利用水热耦合数学模型模拟预测，并对水库水温受水利枢纽运行方式的影响做定量的分析，主要结论如下：

1) 对于水库入库、出库水温的模拟计算水热耦合数学模型表现出较高的精度、准确度，模拟准确度较高能够反映出水库水温真实情况。水温实测值与模拟值之间的相关系数为0.65-0.68范围，二者存在高度相关性，在水库水温预测方面水热耦合数学模型的实用性良好，能够用于水库水温受水利枢纽不同运行方式的影响研究。

2) 水库水温受运行方式的影响较为显著，丰水年运行初期入库温差小于正常运行期的温差，即(-5.4-4.8℃)<(-6.0-6.8℃)。水库蓄水条件能够将水库升温天数推迟40天，且能够延迟枯水年水库降温10天，水库降温时间在丰水年未发生较大改变。