新疆烏斯通溝水庫工程水溫預測分析

卜躍先，安貞煜，劉 啟，殷 園

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007）

1 工程概況

新疆烏斯通溝水庫位于托克遜縣伊拉湖鄉西南側烏斯通溝下游河段，壩址位于出山口以上1.4 km，距縣城55 km，距伊拉湖鄉40 km，樞紐工程地理坐標：東經87°58′27.29″，北緯42°40′36.56″。烏斯通溝水庫工程的開發任務為農業灌溉和工業供水，水庫控制灌溉面積2.58 萬畝，水庫工業供水對象為伊拉湖工業園區及阿拉溝流域一般工業供水，年供水量約750 萬m3。水庫正常蓄水位905.0 m，相應庫容為1 337 萬m3（淤沙后1 028 萬m3），水庫調節庫容為1 022 萬m3（淤沙后989萬m3）。樞紐建筑物由瀝青混凝土心墻砂礫石壩、左岸灌溉放水洞、右岸溢洪洞、導流沖砂兼放空洞組成。水庫總庫容1 440 萬m3，攔河壩壩高73.0 m。

2 水溫預測模型原理

本次水庫水溫模擬計算采用丹麥水科所研發的MIKE 系列軟件中的MIKE3 模型，并用其中的水動力模塊（HD）和對流擴散模塊（AD）來進行模擬計算。MIKE3 模型的數學基礎是雷諾平均化的N-S 方程，它包括了紊流影響以及密度變化，同時包含了鹽度及溫度平衡方程。

水流動量方程：

溫度對流擴散方程：

濃度對流擴散方程：

k 方程：

ε 方程：

其中：ρ 為水的密度，Cs為水中聲的傳播速度，ui為xi方向的速度分量，Ωi為克氏張量，p 為壓力，gi為重力矢量，vT為紊動動能的耗散率，C 與T 分別指鹽度和溫度，DT與Ds分別指相關溫度與鹽度的擴散系數，t指時間，SS 指各自的源匯項（每個方程的均不相同），C1ε，C2ε，C3ε，σK，σZ，σT為特征值，β 為特征向量擴張系數，φ 為浮力標量。

3 模型構建

3.1 參數率定

在水動力模塊參數率定時，通過類比阿拉溝水庫選取相關水動力模塊參數，參數主要包括：干水深0.005 m，漫灘水深0.50 m，濕水深0.10 m；水平紊動粘性采用Smagorinsky 公式，公式常數0.28 m2/s；垂直紊動粘性采用對數分布公式，紊動常數1.80e-6～0.40 m2/s；河床阻力采用給定粗糙高度0.01 m。

表1 為水庫表面與大氣的熱量交換熱量經驗常數值。

表1 水庫表面與大氣的熱量交換熱量經驗常數值

3.2 計算工況

針對烏斯通溝水庫工程現有資料，選擇水庫P=15%、P=50%、P=85%代表年進行計算。各代表年均模擬計算時長為1 年；時間步長取30 s。本次模擬的計算范圍是烏斯通溝壩址至上游約2 km 處，其平面三角網格489 個，垂向網格劃分為6 層。見圖1。

3.3 初始條件

模型初始流場和初始水位采用熱啟動，通過提前計算一個月，得到初始水位和初始流場，盡可能降低初始條件對模型計算結果的影響。

3.4 源匯項

庫區源匯項為一處工業取水口，取水流量為0.24 m3/s。

3.5 邊界條件

流量：本工程上邊界根據流域水文資料，按照不同頻率代表年來水條件，給定隨時間序列變化的流量值，下邊界根據來水用水情況，自由出流。水溫：本項目采用阿拉溝站實測水溫資料，選取典型年P=15%（1975年）、P=50%（2008 年）、P=85%（P=85%）實測水溫作為來水水溫。氣溫：大氣氣溫采用阿拉溝水文站實測多年平均氣溫。

圖1 計算網格

4 預測結果

4.1 庫區預測結果及分析

MIKE3 模擬不同水平年烏斯通溝水庫壩前各月平均垂向水溫分布見圖2。

圖2 豐水年烏斯通溝水庫水溫垂向分布預測圖

由圖2 可知，豐水年（P=15%）時，壩前表層水體受入流流量、入流水溫和氣溫的影響，溫度變化趨勢跟天然來水水溫基本一致，冬季1 月～2 月水溫最低，基本為1～2℃，3～8 月為升溫期，入流水溫和氣溫大幅度升高，表層水溫升溫較快，8 月達到最高值16.08℃，9 月～12 月水溫逐步下降。底層水溫受天然來水和氣溫影響相對較小，溫度變化比表層水溫滯后，使得庫區水溫有一定的分層現象，其中4 月～6 月分層較明顯，溫差大于2℃，7月～12 月深層垂向水溫分布趨于均勻，垂向對流增大，垂直溫度梯度逐漸減小，全庫水溫逐漸接近，水庫水溫分層現象減弱，1 月～2 月庫底水溫出現逆溫現象。

平水年烏斯通溝水庫水溫垂向分布預測見圖3。

平水年（P=50%）時，變化趨勢和豐水年基本一致，冬季1 月～2 月水溫最低，基本為1～2℃左右，3～8 月為升溫期，表層水溫升溫較快，9 月～12 月水溫逐步下降。底層水溫受天然來水和氣溫影響相對較小，溫度變化比表層水溫滯后，使得庫區水溫有一定的分層現象，其中4 月～6 月分層較明顯，最大溫差2.3℃，7 月～12 月深層垂向水溫分布趨于均勻，垂向對流增大，垂直溫度梯度逐漸減小，全庫水溫逐漸接近，水庫水溫分層現象減弱，1月～2 月庫底水溫出現逆溫現象。

枯水年烏斯通溝水庫水溫垂向分布預測見圖4。

圖3 平水年烏斯通溝水庫水溫垂向分布預測圖

枯水年（P=85%）時，庫區水位變化稍大，庫區水溫的變化趨勢和豐、平水年大致相同，表層水溫最高值為8 月的15.45℃，最低值為2 月的1.93℃。表底最大溫差出現在7 月的2.10℃。

4.2 壩址下泄水溫預測結果

本工程通過灌溉放水洞向下游河道補水，灌溉放水洞設計流量2.5 m3/s，洞長為305.9 m，進口底板高程為873 m。根據灌溉洞取水高程及庫區水溫預測結果，烏斯通溝水庫平均下泄水溫值詳見表2。

圖4 枯水年烏斯通溝水庫水溫垂向分布預測圖

表2 工程建庫后灌溉洞進口平均水溫與現狀水溫比較 ℃

從表2 可以知道：豐水年（P=15%），天然水溫和下泄水溫的溫差在-2.5～7.1℃，其中低溫水影響主要在4～6 月，最大溫差為4 月的2.5℃；平水年（P=50%），天然水溫和下泄水溫的溫差在-2.35～7.8℃，其中低溫水影響主要在4～7 月，最大溫差為6 月的2.35℃；枯水年（P=85%），天然水溫和下泄水溫的溫差在-2.5～8.3℃，其中低溫水影響主要在4 月～7 月，最大溫差為5 月的2.5℃。

5 結 語

1）不同水平年烏斯通溝水庫壩前水溫分布隨季節變化而變化，有一定的分層現象。3 月～5 月，由于氣溫和太陽輻射的迅速升高，表層水溫增長迅速，水庫水溫隨水深增加而降低，且隨著表層水溫的逐步上升，庫表和庫底水溫溫差逐漸增大。6 月～7 月，氣溫和太陽輻射維持在全年最高水平，庫區表、底層水溫逐漸達到全年最高，此時表底溫差也達到全年最大值，此后垂直溫度梯度逐漸減小。11 月～次年2 月，隨著氣溫和上游來水水溫的降低，庫區水溫整體下降，底層水溫出現一定逆溫現象。根據已經建成的上一梯級阿拉溝水庫水溫的監測情況，烏斯通溝水庫庫區水溫預測結果基本上合理。

2）通過灌溉放水洞下泄的水體存在一定的低溫水現象，影響主要在4 月～7 月，最大溫差為枯水年（P=85%）5 月的2.5℃，此時正值農作物春灌時期，會對農作物生長產生一定的影響，特別是可能造成喜溫作物生長期延長、作物產量下降，因此，工程設計時要考慮采取有效的防范措施。