長河壩水電站水庫水溫預測研究
2012-12-19 03:40:34何月萍杜海衛戴松晨
水電站設計 2012年4期
何月萍，杜海衛，戴松晨，欒 麗
(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072；2.南京曉莊學院，江蘇 南京 211171)
1 前 言
長河壩水電站位于甘孜州康定縣境內，系大渡河干流梯級開發的第十級電站。工程的開發任務為發電，無其它綜合利用要求；電站為堤壩式開發，采用礫石土心墻堆石壩擋水，最大壩高240.00m，裝機2 600MW，多年平均發電量108.3億kW·h。電站進水口為岸塔式，進水口底板高程1 628.00m。
長河壩水電站正常蓄水位為1 690m，正常運用死水位為1 680m，極限死水位為1 650m。水庫運行方式為全年按日、周調節運行，即水位通常在正常蓄水位1 690m和死水位1 680m之間變動；當遭遇特別枯水年時，或為滿足電網用電需求，水庫死水位可降至1 650m，按季調節運行，發揮長河壩水庫水量調節作用。
長河壩水庫形成后，因水庫對水量的調蓄以及水體熱量存儲條件的變化，將對長河壩庫區及其下游的水溫分布造成影響。根據大渡河干流水電規劃，雙江口水電站為上游控制性工程，對雙江口以下大渡河干流水溫影響較大。因此本文對長河壩水電站運行及與雙江口水電站聯合運行對水溫的影響進行預測研究。
2 水庫水溫結構
長河壩水庫為峽谷型，電站進行日調節。庫容相對較小，正常蓄水位以下庫容10.4億m3，多年平均徑流量264.6億m3，年庫水替換次數25.4次，壩前水深213m。采用Norton密度佛汝德數判別法對長河壩水庫各月水溫結構進行判斷：
式中Fd——密度佛汝德數；
L——水庫長度，m；
H——水庫平均水深，m；
V——水庫庫容，m3；
Q——入庫流量，m3/s；
g——重力加速度，m/s2；
G——標準化的垂向密度梯度，10-6(1/m)。
當Fd<0.1時為穩定分層型；0.1
表1 長河壩水電站中水年佛汝德數計算
根據計算結果可知，水庫水溫結構在12～4月屬于穩定分層型，5～11月為弱分層或混合型。
3 水溫預測模型
長河壩水庫水溫結構為季節分層型，采用垂向一維水溫模型模擬。由于垂向一維水溫模型只研究垂向上水溫的變化情況，可用z來表示高程(以向下為正)。從高程z處取一厚度無限小的水平單元水層，進行熱量平衡分析。考慮入流、出流、垂向移流、擴散等引起的熱輸移及水體內部吸收的太陽輻射，由熱量平衡原理建立控制方程：
式中T——t時刻高程z處的水溫；
ρ、Cp——分別為水體的密度和比熱；
A——高程z處的水平面積；
Qz——垂向流量；
D、E——分別為熱的分子擴散系數和紊動擴散系數；
ρi、Ti——分別表示入流水的密度和溫度；
qi、q0——分別為單位高度上的入庫流量和出庫流量；
φz——高程z處的太陽輻射熱通量。
對上式進行簡化，通過分析，ρ和Cp可近似按常數處理，且有ρi=ρ0，不考慮D和E的空間變化與時間變化，以Dz表示二者的綜合作用，再聯立連續方程式：
假設初始時刻2月全庫同溫且等于入庫水溫，初始條件可表示為：
庫底和水面的邊界條件分別為：
式中zb——庫底高程；
zs——水面高程；
φn——水體凈吸收的熱通量。
4 模型驗證
選取二灘水庫水溫實測資料對水庫水溫預測模型進行了驗證。中國水電顧問集團成都勘測設計研究院分別于2000年1月14日、4月15日及7月25日對二灘庫區進行了水溫測量。二灘壩址下游設有小得石水文站，收集其同期水溫過程。
二灘水庫長約136km，平均水面寬約400m，壩前最大水深約190m，最大庫容達44.78億m3。壩體底部高程為1 010m，水庫正常蓄水位為1 200m。電廠的進水口高9m，底部高程為1 128m。枯季下泄流量均用于發電，汛期多余棄水則經泄洪洞、中孔或表孔泄至下游河道。
本次研究采用垂向一維水庫水溫模型預測了二灘2000年1月14日～2000年7月25日的壩前垂向水溫分布及下泄水溫過程，并與實測值進行了比較。圖1比較了2000年3月20日、4月20日和5月30日的壩前垂向水溫分布。從中可見，計算值與實測值總體吻合得較好，尤其是在1 120m高程以上的中上層范圍內，表層水溫和斜溫層梯度均模擬得較好，說明垂向一維模型能較好地模擬山區深水庫的水溫分層。底部低溫層模擬結果水溫偏低，主要是由于在模型的入流經驗公式中，忽略了冬季低溫水在潛入庫底前沿縱向的增溫過程，以至于過低估算出潛入庫底的水溫。
圖2比較了垂向一維水庫水溫模型預測的下泄水溫過程和小得石水文站實測的水溫過程，計算值與實測值基本吻合。
驗證結果顯示，垂向一維模型能較好地模擬出大型深水庫的水溫分層及下泄水溫過程。模型中垂向擴散系數對水溫分層結構具有一定的影響，驗證中取1×10-5m2/s時可得到較好的模擬效果；太陽輻射的表面吸收系數和穿透水體的衰減系數與水體的色度和濁度相關，主要對表面10m內水溫有一定的影響，經率定分別取0.65和0.5。
圖1 壩前垂向水溫實測值與計算值比較
圖2 二灘下泄水溫過程與小得石實測水溫的比較
5 水溫預測工況
根據大渡河干流水電規劃，雙江口水電站為上游控制性工程，對流域水溫影響較大，故選擇長河壩水電站單獨運行及與雙江口聯合運行兩種工況進行水溫預測。水溫預測采用的水溫、多年平均流量及氣象條件見表2～4。
表2 大渡河干流多年平均逐月水溫統計 ℃
表3 長河壩水電站豐、平、枯各代表年逐月平均及多年平均流量 m3/s
表4 長河壩水電站氣象條件
6 水溫預測結果
6.1 長河壩單獨運行工況
采用垂向一維水溫模型模擬，逐月水溫預測結果見表5。
預測結果表明，水庫表層水溫在2月降到最低，8月份達到最高，年內變幅達13.3℃。電站下泄水溫在2～9月低于天然水溫0.2～2.1℃，在10月～次年1月高于天然水溫0.1～1.1℃；水庫的熱量儲蓄作用使全年各月的最大溫差從12.6℃降至11.8℃。
6.2 雙江口聯合運行工況
6.2.1 雙江口下泄水溫及長河壩入庫水溫
由于雙江口電站對水溫過程的影響較大，擬采取分層取水措施。根據與錦屏一級的分層取水措施效應的類比，可在單取水口下泄水溫過程的基礎上，初步估計出雙江口分層取水措施下的下泄水溫過程。根據大渡河規劃報告的成果，在經過下爾呷、巴拉、達維、卜寺溝電站調節后，雙江口電站的入庫水溫過程、下泄水溫過程見表6。采用天然河道平均增溫率計算從雙江口壩址至長河壩庫尾的增溫過程，得到長河壩的入庫水溫(見表7)。
表5 長河壩水庫水溫預測結果 ℃
表6 雙江口水庫下泄水溫過程 ℃
表7 長河壩入庫水溫過程 ℃
6.2.2 聯合運行后長河壩水溫結構
采用垂向一維水溫模型分別考慮雙江口單取水口及分層取水結構工況下，預測結果顯示雙江口不同取水口方案對長河壩垂向水溫分布影響較小，長河壩水溫分層結構、垂向溫差、水溫分布范圍與單獨運行工況均基本相同，沒有明顯差異。
6.2.3 預測結果
雙江口單取水口方案，長河壩逐月水溫分布詳見表8。
雙江口分層取水口方案，長河壩逐月水溫分布詳見表9。
表8 雙江口單取水口方案下長河壩逐月水溫 ℃
表9 雙江口分層取水方案與單取水口方案下長河壩逐月下泄水溫、入庫水溫比較 ℃
由上述結果可見，在雙江口單取水口方案下，長河壩下泄水溫過程與入庫水溫過程同步，逐月溫差在0.3～-0.4℃之間，在9月～次年3月下泄水溫較入庫水溫偏高，4～8月較入庫水溫偏低，但長河壩對水溫過程的影響較單獨運行工況弱。
雙江口單取水口和分層取水的不同結構工況對其下泄水溫過程將產生一定的影響，主要表現在3、4月份可能有一定程度的升溫，但由于沒有具體的分層取水結構設計，其下泄水溫過程是類比錦屏一級的分層取水效應得到的。從長河壩的下泄水溫過程的預測結果來看，雙江口不同取水結構導致長河壩入庫水溫過程變化，而長河壩下泄水溫過程仍然是與其入庫水溫過程同步變化，雙江口分層取水時長河壩下泄水溫與入庫水溫月均溫差在0.3～-0.2℃之間，影響依然較弱。
總體來說，在與雙江口聯合運行工況下長河壩對水溫過程的影響較弱，雙江口取水結構對長河壩的入庫水溫過程有所影響，長河壩下泄水溫將會同步變化。
另外根據《四川省大渡河干流水電規劃調整水溫影響研究》的研究結果，大渡河干流穿越不同的氣候區，年內氣溫變幅很大，特別是在上游河段，冬季氣溫將降到0℃以下，并持續多月；氣溫的變化直接影響到水溫的變化，梯級水庫修建前規劃河段水溫從上游往下游逐漸遞增，其年內變化規律與氣溫一致，只是變幅減小，達到極值的時間滯后。梯級水庫建成后其水體的蓄熱作用完全改變了河道水溫的分布規律，使得水體達到極值的時間更為滯后，與天然河道水溫相比，總體規律是夏季水溫降低，冬季水溫升高，河段水溫年內變幅減小。
對大渡河干流規劃河段而言，“龍頭”控制性大型水庫下爾呷是影響整個河段水溫分布的關鍵，對下游水溫具有調節作用。另外，上游控制性水庫雙江口水庫對水溫影響也較大，其他調節性能較低的水庫對水溫影響均較小。長河壩電站在與上游梯級聯合運行的工況下，對水溫貢獻較小即給長河壩電站帶來的水溫變幅較小。
