烏魯瓦提水利樞紐工程不同運行方式下水溫模擬研究

羅 興

(新疆維吾爾自治區烏魯瓦提水利樞紐管理局, 新疆和田 848000)

0 引 言

在防洪發電、水產養殖、旅游灌溉等方面水利工程具有顯著的效益，對于保障區域經濟發展和水資源供應等反面具有重要意義。然而，河流的水文水動力、水質等要素將受到蓄水蓄水勢的影響而發生改變，河流的原有的平衡遭到破壞，并對下游及庫水水生態產生不利影響。水溫分層現象在較強調節性水庫中較為明顯，水體環境在不同深度時存在明顯差異，并對庫區水質和水生生物結構產生影響；另外，為滿足發電要求水庫大壩通常將單層泄水口設置在較低的位置，從而導致夏季下泄水文在水溫分層的條件下小于天然水文，而魚類的正常繁殖和農作物的生長又受到低水溫的影響，從而使得區域生物多樣性的喪失以及農漁業的減產[1]。因此，為維持河流水生物種多樣性和生態系統健康，通常需要對河流水生態受水庫運行方式的影響做定量分析，其中水溫對河流生態及整個系統的影響最為顯著，水生物種的生長、繁殖與水庫水溫變化密切相關[2]。針對水庫水溫國內外許多學者開展了模擬研究，并取得了豐碩的成果，例如東北勘測設計院提出了一種基于大量實際觀測資料的中小型水庫月水溫估計方法，該方法具有較高的準確性但所需數據量較大；李懷恩等[3]對水庫水文垂直分布問題利用冪函數模型進行模擬分析，結果發現該模型能夠準確的描述溫躍層特征，但其適用范圍受到一定的限制。綜上分析，這些研究大多側重于模擬計算水庫水溫，考慮水庫水溫受水利樞紐不同運行方式的影響研究較少。鑒于此，以烏魯瓦提水庫工程為案例，對不同運行方式下水庫水溫變化利用水熱耦合數學模型模擬研究，以期為河流水生態治理和水溫模擬計算提供科學依據。

1 水熱平衡耦合模型

模擬計算水庫水溫的理論依據為水庫水量與熱量平衡，其數學方程為：

I(t)Δt-O(t)Δt=ΔS(t)

(1)

式中：O(t)、I(t)為t時刻的水庫出庫和入庫流量，m3/s；Δt、ΔS(t)為模型運算時間步長和t時刻的水庫蓄水變量，m3。根據水庫水量平衡運算結果求解水庫熱量，表達式如下：

TI(t)I(t)Δt-TO(t)O(t)Δt=ΔE(t)

(2)

式中：TI(t)、TO(t)為t時刻入庫水溫和出庫水溫平均值，℃；ΔE(t)為t時刻水庫的水體熱通量，m3·℃，采用下式計算確定：

(3)

式中：T(S)為不同蓄水量情況下水庫水體的平均溫度，℃；S(t)、S(t-Δt)為水庫不同時刻的蓄水變量，m3。

在水庫水溫不存在分層的情況下，可認為各層水溫的平均值相等，則利用下述計算式確定水庫熱通量，即：

ΔE(t)=S(t)TR(t)-S(t-Δt)TR(t-Δt)

(4)

式中：TR(t)、TR(t-Δt)——為水庫t、t-Δt時刻的平均水溫℃。

采用以上公式(2)、(3)推求水庫熱量方程，并對出庫水體平均溫度利用以上運算結果求解，其數學公式為：

TR(t)=

(5)

TO(t)=TR(t-Δt)

(6)

其中，水庫水體積熱、出入庫水量與出庫溫度之間存在密切關聯，選取1d作為運算時間尺度。

2 水溫模擬研究

2.1 烏魯瓦提水庫概況

烏魯瓦提水庫壩址以上控制面積19983km2，控制全河徑流量97%，是一座集生態保護、防洪發電、農業灌溉等功能于一體的大(2)型工程。該水利樞紐包括水電站廠房、升壓變電站、開關樓、沖沙洞、發電引水洞、泄洪排沙洞、溢洪道、大壩等建筑結構，水庫裝機容量60MW，年發電量1.97億kW·h，總庫容3.336億m3。工程投入運行后改善和擴大灌溉面積75 793 hm2，設計和校核洪水位為1962.65、1963.29m，正常蓄水位1962.00m，通過水庫調節每年平均向塔里木河供水10.57億m3。烏魯瓦提水庫工程的地質條件以礫巖、粉砂巖、石膏巖、砂頁巖、砂礫巖、碳系灰巖、粉砂巖及砂礫為主，該區域屬于內陸干旱區，一面瀕臨沙漠、三面高山環抱，地表干燥剝蝕和物理風化強烈，而高山河道凍冰剝蝕風化、冰磧物豐富且地勢陡峭，加之森林缺少和植被稀缺，地表和河道沙源豐富，高山段河流洪水期水量集中且流速較大，水流具有較強的攜沙能力，同時中低山地帶的暴雨和融雪也將大量泥沙沖入河道，以上各因素作用使得河流含沙量大[4-6]。

烏魯瓦提水庫工程顯著提升了下游河段的防洪能力和周邊地區的農業發展水平，有利于減輕洪水災害和維護和田河下游綠色廊道生態環境，對保障該地區的可持續發展和水資源合理發揮著重要的作用[7-8]。

2.2 模型驗證

根據2008-2018年烏魯瓦提水庫庫區實測水溫數據驗證模型入庫、出庫水溫，結果見圖1和表1。

表1 烏魯瓦提水庫出庫、入庫水溫模擬精度

圖1 出庫、入庫實測水溫相關圖

根據表1可知，烏魯瓦提水庫實測與模擬出庫水溫誤差控制在10%以內，且水庫實測與模擬出庫水溫絕對誤差為1.0-2.3℃范圍；烏魯瓦提水庫實測與模擬入庫水溫誤差也控制在10%以內，且水庫實測與模擬入庫水溫絕對誤差為0.8-2.2℃范圍。綜上分析，對于水庫入庫、出庫水溫的模擬水熱耦合數學模型表現出精度、準確度較高，模擬準確度較高能夠反映出水庫水溫真實情況。結合圖1可知，水溫實測值與模擬值之間的相關度較高，相關系數為0.65-0.68范圍，二者存在高度相關性。因此，在水庫水溫預測方面水熱耦合數學模型的實用性良好，能夠用于水庫水溫受水利樞紐不同運行方式的影響研究。

2.3 初期運行下水文模擬分析

對豐水年、枯水年兩種情況下，水庫初期運行方式的旬入庫和旬出庫水溫利用驗證后的水熱耦合數學模型預測分析，結果見圖2。

圖2 水庫初期運行前后旬水溫變化特征

從圖2(a)可知，烏魯瓦提水庫初期運行的豐水年入庫最高和最低水溫為25.7℃、8.5℃，而出庫最高和最低水溫為25.1、12.0℃，同時水庫水溫在調蓄節水方式下能夠下降0.6℃。從圖2(b)可知，從2月中旬至8月中旬水庫入庫水溫呈不斷增大趨勢，自8月下旬至次年3月呈下降趨勢；從3月中旬到8月中旬的水庫出庫水溫呈波動上升趨勢，8月下旬以后呈下降趨勢。由此表明，水庫調蓄在初期運行情況下能夠在一定程度上延遲溫度的上升，但其影響程度較低。水庫入庫水溫在7月上旬至3月中旬高于出庫水文，水庫出庫、入庫水溫在9月下旬到7月中旬比較接近。水庫溫差在豐水年的變化區間為-5.4-4.8℃，水庫負向溫度最大變化值發生在5月中旬，即第14個旬數。

從圖2(b)可知，初期運行方式下烏魯瓦提水庫枯水年入庫、出庫最高水溫為27.6℃、26.4℃，其變化幅度為1.2℃，水庫入庫水文在初期調蓄方式在有所下降。從2月中旬至9月上旬枯水年溫度在初期運行方式下不斷上升，自9月中旬以后水溫開始慢慢下降，初期運行方式能夠將水庫升溫天數推遲40天，且能夠延遲枯水年水庫降溫10d。出庫、入庫水溫在6月中旬至3月中旬不斷減小，至8月底較為接近。出入庫溫差處于-4.0-5.1℃之間，其中水庫水溫正向、負向變化最大值發生于12月中旬和5月上旬。

2.4 正常運行下水文模擬分析

結合水庫出入庫水溫在初期運行方式下的變化分析結果，對水庫正常運行方式下的水溫采用水熱耦合數學模型模擬，結果見圖3。

圖3 水庫正常運行前后旬水溫變化特征

從圖3(a)可知，烏魯瓦提水庫正常運行期的豐水年入庫最高和最低水溫為25.2℃、8.8℃，而出庫最高和最低水溫為24.8、13.4℃，同時發現水庫水溫在調蓄節水方式下能夠下降0.4℃。從圖3(b)可知，從2月中旬至8月中旬水庫入庫水溫呈不斷上升趨勢，自8月下旬至次年3月呈波動下降趨勢；從3月中旬到7月中旬的水庫出庫水溫呈波動上升趨勢，8月下旬以后呈下降趨勢。由此表明，水庫調蓄在初期運行情況下能夠在一定程度上延遲溫度的上升，但其影響程度較低。水庫入庫水溫在7月上旬至3月中旬高于出庫水文，水庫出庫、入庫水溫在9月下旬到7月中旬比較接近。水庫溫差在豐水年的變化區間為-6.0-6.8℃，水庫負向溫度、正向溫度最大變化值發生在5月中旬和1月中旬。

從圖3(b)可知，正常運行方式下烏魯瓦提水庫枯水年入庫、出庫最高水溫為27.2℃、26.1℃，其變化幅度為1.1℃，水庫入庫水溫在初期調蓄方式在有所下降。從2月中旬至9月上旬枯水年溫度在正常運行方式下不斷上升，自9月中旬以后水溫開始慢慢下降，正常運行方式能夠將水庫升溫天數推遲40d，且能夠延遲枯水年水庫降溫10d。出庫、入庫水溫在6月中旬—3月中旬不斷減小，至8月底較為接近。正常運行方式下出入庫溫差處于-4.8-6.2℃之間，其中水庫水溫正向、負向變化最大值發生于12月中旬和5月上旬。

3 結 論

對烏魯瓦提水庫水文利用水熱耦合數學模型模擬預測，并對水庫水溫受水利樞紐運行方式的影響做定量的分析，主要結論如下：

1) 對于水庫入庫、出庫水溫的模擬計算水熱耦合數學模型表現出較高的精度、準確度，模擬準確度較高能夠反映出水庫水溫真實情況。水溫實測值與模擬值之間的相關系數為0.65-0.68范圍，二者存在高度相關性，在水庫水溫預測方面水熱耦合數學模型的實用性良好，能夠用于水庫水溫受水利樞紐不同運行方式的影響研究。

2) 水庫水溫受運行方式的影響較為顯著，豐水年運行初期入庫溫差小于正常運行期的溫差，即(-5.4-4.8℃)<(-6.0-6.8℃)。水庫蓄水條件能夠將水庫升溫天數推遲40天，且能夠延遲枯水年水庫降溫10天，水庫降溫時間在豐水年未發生較大改變。