基于下泄水溫改善的英那河水庫分層取水方案研究

苗立業

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003)

1 工程概況

英那河水庫位于遼寧省大連莊河市境內英那河干流中游，建成于1974年，大壩最大壩高44.5m，總庫容6053萬m3，水庫的主要功能是防洪和農業灌溉[1]。由于大連市經濟社會迅猛發展，水資源需求量快速增加，因此2000年對英那河水庫實施了擴建，擴建后的英那河水庫大壩加高了15.84m，大壩高程增加至83.48m，總庫容達到2.87億m3[2]。擴建后的水庫除承擔農業灌溉功能之外，主要功能轉變為與轉角樓水庫聯合調度，為大連市供水[3]。在英那河水庫擴建工程完成后，水庫的各項功能得到大幅增強，同時水體積和面積的增大也會造成水流遲緩、更新時間變長，進而使庫區水體的垂向分布特征發生變化，產生水溫分層現象。在冬春季節，水庫水體溫度分布比較均勻，而春末至夏季這段時間水庫的水溫分層現象比較明顯。顯然，由于水庫的水溫分層且取水口位置較低，下泄的低溫水會對下游的河道生態和農業灌溉造成明顯的不利影響[4]。因此，水庫擴建完成之后，在大壩原高程68m處加一直徑2m的引水管，引水后進入壓力箱，然后分2支，通過渠道和河道供水，以改善下泄水溫。但是，運行實踐顯示，上述措施的改善效果并不理想，亟待進行工程改進。

2 基于水溫改善的分層取水方案設計

目前，水庫分層取水的主要方式有2種，一是疊梁門分層取水，二是孔口分層取水[5]。鑒于英那河水庫大壩加高之后壩前水深較大，采用疊梁門分層取水方案的施工量較大，因此研究中采用孔口分層取水方案。為了滿足下游河道魚類的生存需求以及灌溉水溫要求，結合水庫水體垂向水溫分布特征，確定英那河水庫下泄水溫目標[6]：6月下旬的下泄水溫目標為12.0℃，7月下旬的下泄水溫目標為16.3℃。

在保證取水口一定淹沒深度的前提下，對取水口的層高進行優化并實施取水口的組合開啟策略，對改善下泄低溫水具有重要作用[7]。顯然，取水口的層高越小，越有利于獲得水庫上層的高溫水，但是會造成層數增加，工程量和操作難度將會大幅增加。因此，研究中結合層數、層高以及淹沒深度設置相應的改善方案，具體的方案設計見表1。

表1 分層取水方案設計

3 水庫水溫模型

3.1 模型構建與網格劃分

隨著水電工程日益向大型化發展，工程建設中的水溫問題日漸凸顯出來，而數值模擬作為水體水溫分層結構研究的重要手段，也得到了廣泛應用。但是傳統的一維和二維水溫模型忽略了橫向的溫度變化和水動力學特征，并影響到模型的模擬效果，而三維水溫模型則可以有效解決上述問題。因此，本次研究中基于MIKE3軟件建立充分考慮水下地形、流場、密度以及氣象等諸多條件的英那河水庫三維水溫模型[8]。

利用衛星遙感數據繪制庫區水面以上等高線地形圖。鑒于水面以下的地形資料無法直接獲取，研究以河底中心線比降為主要控制條件構建庫區水面以下的等高線地形圖，然后利用庫容曲線進行校核，降低地形庫容誤差。模型的計算范圍為水庫大壩至庫尾，對模型進行尺寸為40m×15m×5m的六面體網格單元劃分，最終獲得90980個計算單元，72864個計算節點。

3.2 邊界條件

模型的模擬時段選擇有原型水溫資料的2005年，初始庫水位選擇模擬起始時間的實際水位，將庫區1月的實測水溫分布作為模型的初始溫度場，將靜止場作為模型的初始流場[9]。根據就近選取的原則選取王家屯和小甸子2個氣象站的資料作為研究區氣象邊界的初始條件。其中，模型的氣象參數主要包括氣溫、相對濕度、風速、降水和蒸發等5個參數。對獲取的氣象資料根據水庫高程進行內插修正[10]。模型的入流邊界為開放邊界條件設置，采用沙河口水文站的同期資料獲得干流入流量，將該水文站的水溫資料加上沿程增溫值作為水庫的入流水溫。將水庫的實際泄流量與調水量之和作為水庫的出口流量。將水庫的支流匯入邊界設置為源匯。將水庫的大壩設置為固定邊界條件。

4 計算結果與方案確定

4.1 月均下泄水溫模擬計算分析

對原方案和不同分層取水方案12個月的下泄水溫進行模擬，結果見表2。由表2中的結果可知，在3種不同的取水方案條件下，全年下泄水溫最低值出現的時間基本相同，均為2—3月，且下泄水溫均為2.4℃，沒有明顯變化。究其原因，主要是2和3月3種取水方案的取水口高度相同。在方案一和方案二條件下，下泄水溫的最高值出現的時間由原方案的9月變為8月，最高下泄水溫分別為18.1和18.3℃，同時全年下泄水溫的變化幅度也有所增大，分別由原方案的13.5℃升高到15.7和15.8℃?？傊?，方案一和方案二與優化前的原方案相比，下泄水溫改善效果十分明顯，相對而言，方案二比方案一更具有優勢。

表2 不同方案水庫下泄水溫月均值計算結果

圖1 不同方案下泄水溫變化曲線

根據計算結果繪制出如圖1所示的3種不同方案下的下泄水溫變化曲線。由圖1可知，3種方案下1—6月的下泄水溫相同，究其原因主要是1—3月的水庫庫區水體屬于均勻混合狀態，2—6月的取水口位置相同；7月方案一和方案二的下泄水溫有一定提高，分別升高了0.3和0.7℃；8月方案一和方案二的下泄水溫有顯著提高，分別升高了2.3和2.4℃；9月下泄水溫提升幅度有所減小，分別升高0.4和0.3℃；在10—12月，3種方案的取水口均位于垂向溫差較小的均混水層，因此下泄水溫的溫差較小，一般在0.2℃以內。

4.2 分層取水方案的確定

為了進一步確定最優分層取水方案，研究中提取6、7和8月的下泄水溫計算結果，對每旬水溫值進行比較，結果見表3。由表3中的計算結果可知，方案一和方案二均可以達到6月的低溫水改善目標；7月下旬方案一和方案二相比，方案二的下泄水溫為16.1℃，更接近下泄低溫水改善目標。因此，在工程設計匯總中建議選擇方案二作為英那河水庫下泄低溫水改善工程的設計方案。

表3 不同方案水庫下泄水溫旬均值計算結果

5 結語

隨著水利工程規模的不斷擴大，大型水庫的環境影響問題日漸突出。本次研究以遼寧省英那河水庫為例，利用數值模擬的方法對基于下泄水溫改善的分層取水方案展開研究，并提出了最佳分層取水方案。文章的研究結論對未來大型水庫建設和運行過程中的下泄低溫水的影響及相關防范措施研究具有重要的借鑒價值。此外，由于模擬計算研究需要進行巨量計算，因此研究中僅開展了局部敏感性分析，而忽略了參數間的相互作用，今后的研究中需要在這方面進行深入研究和探討，以便得到更為精準的模擬結果。