水库下泄低温水影响研究

水库下泄低温水影响研究刘玉璐，郭惠英，金津丽，母冬青河海大学水利水电工程学院，南京(210098)E-mail:[e-mail]摘要：随着人类对生态环境问题的日益关注，水库的建成对下游河道水温的影响成为目前很多学者致力于研究的问题。本文通过对近年诸学者对水库下泄低温水影响的研究进行分析，总结了两种研究水库下泄低温水影响的主要方法，并对其中数学模型法几个主要方面进行说明；对前人就此问题研究主要结论归纳，并对研究工作中的不足提出建议。关键词：低温水，数学模型，纵向离散系数，模型验证，时空尺度中图分类号：TV6971.引言从农业灌溉方面说起，灌溉水库从深孔取水，导致部分水稻减产的问题，具有相当的普遍性。美国加里福尼亚州，1964年修了萨斯塔水库，水稻生长季节内水田水温下降，结果5%的水稻贪青而影响收获。日本二战后为了恢复国民经济，开发能源，在河川上兴建了一些水电站，造成水库下游的水温下降，使两岸农业受到影响，引起水温纠纷。我国水稻产区在水稻生长期内本来普遍存在两头低温冷害的问题，灌溉水库的冷水下泄很自然地加重了这种冷害的程度。从鱼类生存条件来说，一般地讲，各种鱼类对水温有一个自己适应的范围，需要较充足的氧气等。由于水库内的水温表层高于底层，从水库的深孔泄流，对下游的鱼类生长十分不利。据江西省柘林水电站下游的渔民反映，自从水库蓄水发电后（中层放水），从坝脚到涂家埠50km河道内鱼业减产40%左右。建库前，该河道每年清明到立夏之间就可见到鱼苗浮游；建库后，由于水冷等原因，要到端午节前后才能见到鱼苗，而且数量只有以前的一半。新安江水库建库后，下游河道由于水温低，鲥鱼产量大大减少，从坝下至芦茨埠62km厂的河段内，鲥鱼濒于绝迹，30km内捕不到鲢、鳙等家鱼。从水量损失方面来说，水库采用深孔放水时，浮在库表层的温水不能得到有效利用，不断积蓄下来的热能，不仅不能继续提高库温，反而加剧了库面蒸发，使水库宝贵的水量遭到了损失。据古田溪水库观测，库温每增加1℃，全年蒸发量增加80mm。设纬度相近的江西水库，其表面温度比整个水库平均温度高4℃，则每亩水面全年要多损失水量220m3。一个普通的小（一）型水库，全年平均表面积以1km2计，则将多蒸发水量33万m3，所减少的供水量相当于一个中等小（二）型水库的水量，水库水量的损失，也就直接影响着灌溉和发电。[1~9.13]这些问题都归于一个因素，那就是水温，水温是重要的水环境和水生态因子，在天然河流中水体温差相对较小，水体紊流掺混作用较强，单位水体自由表面大，温度随着气温变化。由于许多高坝大库的建成，特别是一些调节性能好的深水水库，水库内水深大、流速缓，夏季会出现明显的温度分层现象，导致深孔和电厂尾水的出流水温较低，极大地改变天然河道的水温分布。一方面，水温与其它水质要素有着密切的联系，如生化耗氧和复氧过程都与水温有关，低温水中的各种成分与常温水有着很大的区别，所以，无论是低温水与常温水的温度差异本身，还是其中各种成分含量的不同，都会对对此敏感的下游农作物和某些鱼类产生不利影响；另一方面，例如工业中水冷却技术却视低温水为很好的资源，合理利用将给企业带来经济效益。[10.32.37]因此，为了实现趋利避害，研究水库下泄低温水对下游造成水质与生态变化的影响已经成为一项重要课题。研究方法国内外许多学者对水库下泄低温水研究方法进行了大量研究，力求寻找一种简单而又精确度较高的方式。目前对水库下泄低温水的研究主要包括经验法和数学模型法。经验法具有简单实用的优点，在过去的工程中广泛采用，但是精度较差。数学模型法在理论上比较严密，具有一定的普遍性，精度也较高，随着计算机硬件和软件的飞速发展，该方法已成为水库下泄低温水研究的主要手段。2.1经验法早期研究表明，径流式水电站（水库）下泄水流对下游河道水温无影响，但季、年或多年调节水库下泄水流则对下游河道水温有很大影响，下泄水温较入库河道水温升温期降低,降温期升高[25.33]。就丹江口水库来说，有研究表明，在观察期内，2月份与天然水温没有太大区别；3～8月为降温期，即下泄水温比天然水温要低，其中6月份为水温变化的昀大月份，低温水影响范围约500km；9～12月以及1月为升温期，其中9月份为过渡期，12月份差别昀显著。而对于山口岩水库，在坝址至半山水汇入口6km长的河段水温回升较慢，年平均水温温升率为0.414℃/km,在坝址下游10km断面,由于受袁河支流半山水汇入影响,各月平均水温与建库前天然水温相差不超过0.3℃[14,15]。以上结论都是利用经验法所得出，所谓经验法，就是利用科学研究或者工程经验中提出的经验公式，来研究水库下泄低温水的影响。以丹江口水库为例，根据实测资料，以附近天然河道的水温为主要因子，研究者建立了河道主要断面的水温预测公式，分为指数方程和线性方程两种，分别预测当月与下月黄家港和碾盘山的水温：aiibCT=baCTii+=+1其中Ci为当月白河水温，Ti为预测站当月水温，Ti+1为预测站下月水温，a、b为回归系数。具体系数请参见文献[16]。[16.29]此类型公式是国内外早期利用经验法粗略预测水库下泄低温水对下游河道水温影响所采纳的公式的类似形式，而相对于实际情况来说，上述经验公式没有考虑包括河道支流以及城市及大工业企业排水支流汇入对其影响。日本农林省农地局建议的公式为：10θρ∆=HvDcx其中：x(m)为影响长度，c(J/kg·k)为水的比热，ρ(kg/m3)为水的密度，v(m/s)为x区间水的平均流速，D(m)为x区间的河道平均水深，△θ1()℃为水库下泄水流水温与天然河道水温之差值，上式适用于无其它水源及支流的来水影响长度，当有支流来水影响或者其它的不能忽略的水源汇入时，则用下式计算：()200θρ∆+=BHvDcx()θθα−=∞0H()θθβ−=tB0其中：α、β为比例系数，θ∞()℃为平衡水温，θ()℃为主流水温，θt()℃为支流和其它来水的温度，△θ2()℃为水库下泄水流水温与天然河道水温差[17.18.19]。有学者利用此公式对山口岩水库下泄低温水对下游河道水温的沿程变化的影响进行了研究，取868.41=αJ/(m2·K·s)、8.4186~4.2093=βJ/(m2·K·s)；从研究结果分析，在坝址至半山水汇入口6km长的河段，水温回升较慢，年平均水温温升率为0.414/km℃，水稻生育期(3~10月份)水温温升率为1.1/km℃。在坝址下游10km断面(老联陂)，由于受袁河支流半山水汇入的影响，各月平均水温与建库前天然水温相差不超过0.3℃[20]。近几年国内外对水库修建后对生态环境影响的关注程度越来越高，有学者研究后提出，无论是否考虑了支流汇入，绝大部分经验公式多采用蓄水前后同一断面的水温差值表征，计算简单，但没有考虑到不同时间和不同区域气温等自然因素引发的水温变化，很难准确反映水库蓄水影响水温的真实情况。因此基于龙羊峡水库水温类型和水温铅直分布规律分析，引入气温与水温相关关系的修正因子，对水库下泄低温水的影响进行了更深入的研究[21]。通过对给出的数据分析，笔者认为净影响与普通意义上的影响有一定的差别，而工程中考虑此种因素的可能性不是很大，所以说此结论对于科研中的参考价值远大于对工程中的参考价值。2.2数学模型法总而言之，经验公式还是有自己的局限性。在计算机技术迅猛发展的今天，计算机数据处理速度不断提高，使利用计算机对进行这类问题进行模拟成为可能，数学模型这种研究方法以其不可替代的优势迅速为科研工作者们所接受。至于各类数学模型中统一的部分，国内各期刊中类似文献很多，本文不再阐述，请参考其他文献[22.26]。本章着重介绍水库下泄低温水研究数学模型的四个方面：热交换方程、纵向离散系数、模型验证与时空尺度。2.2.1数学模型热交换方程对于水库下泄低温水影响研究的数学模型主要是以一维和二维的为主。控制方程为圣维南方程与纳维斯托克斯方程，两种方程在这里不再赘述。对于水库下泄低温水影响研究模型中的关键部分——能量输运方程源项中的热交换——加以说明。一般来说，绝大部分此类数学模型在经过各种因素比选后，只考虑水面热交换。水面热交换主要是各种辐射、反射、蒸发与热传导等。一般采用的公式为：celsaϕϕϕϕϕ−−+=其中aϕ（w/m2）为水面热交换，sϕ（w/m2）为净太阳短波辐射，lϕ（w/m2）为净长波辐射，aiϕ（w/m2）为大气长波辐射，arϕ（w/m2）为水面对长波的反射，bϕ（w/m2）为水体的长波辐射，eϕ（w/m2）为净蒸发，cϕ（w/m2）为热传导。也有研究者认为对于封冻河道和浅水河道，特别是水温昼夜变化较大的浅水河道,水体与底部土壤之间的热交换是一个很重要的因素,在计算中必须考虑。水体和河床的热交换rϕ（w/m2）是通过固体的热传导来确定的,可描述为：0=∂∂−=zbrrzTkϕ其中kr(cal/(m·s))为与河床有关的热传导系数；Tb（℃）为河床温度,可以通过求解下述非稳态热传导方程获得：221zTzTbbr∂∂=∂∂αα为与河床材料有关的扩散系数。在初始条件、边界条件一致的情况下，上式即可求解[23.31.33]。2.2.2数学模型纵向离散系数纵向离散系数DL是水温模型中的一个重要参数，其取值是否合理直接关系到水温影响研究的精度。DL是随空间而变化的，确定其分布十分困难,其理论研究进展缓慢。一般来说，DL应区分为渐近值、恒定值和瞬时值，但为了方便起见，一般天然河流中的DL都取不随时间变化的渐近值来代替随时间变化的实际值。目前，大都采用经验公式来确定天然河流的纵向离散系数DL，DL主要有以有几种表达形式：①经验公式一：*22011.0hubuDL=其中u（m/s）为断面平均流速，b（m）为河宽，h（m）为水深，u*（m/s）为摩阻流速，gRIu=*，g（m/s2）为重力加速度，R（m/s）为水利半径，I为水力坡降；②经验公式二（MCQuivey&Keefer）：bSQDL⋅=058.0其中Q（m3/s）为流量，S为水面坡降，b（m）为水面宽度；③经验公式三（Fischer&Jain）：yxLDbVaD22+=其中Vx（m/s）为平均流速，b（m）为水面宽度，Dy为横向扩散系数；④经验公式四：3*2RuQDLβ=其中5.1*18.0⎥⎦⎤⎢⎣⎡=xVuβ，u*（m/s）为摩阻流速，Vx（m/s）为平均流速，Q（m3/s）为流量，R（m/s）为水力半径。一般来说，根据不同研究水体得到的经验公式的差别是比较大的。在应用上述公式之前，针对不同待测水体对应的资料校验上述公式，使各个断面DL值变化不大，相对稳定，视为此水体水温预测较适合的公式，采用其计算此待测水体纵向离散系数[18.20.24]。2.2.3数学模型验证所有数学模型都有一个必需的部分，那就是模型的验证。从国内外学者所作研究中归纳起来，水库下泄低温水影响研究模型主要有两种验证方式，一种是已有某水库以及水库至下游某一区域内水温的实测数据，利用其验证将用于水库下泄低温水影响研究的数学模型；还有一种就是自身计算封闭验证，计算时长为一个水平年，计算初值与计算终值相同，两者变化趋势相似，且整体变化过程符合一般物理规律。对比两种模型验证方式，各有利弊。第一种验证方式——实测数据的验证方式需要有大量一手数据作为支撑，而且需要尽量保证将用于研究的水库与河道和用来验证的水库与河道地域情况相似和气候情况相似。所以在利用某个模型做研究前，需要事先调查研究水库及河道是否有与其地域情况和气候情况相似的水库河道，而往往此种相似条件难以达到，所以此种模型验证方式在这方面有相当的局限性。正因为如此，第二种验证方式——自身计算封闭验证在保证了计算初值与计算终值相同，两者变化趋势相似，且整体变化过程符合物理规律，即