流域梯級開發(fā)方案對水庫水溫的影響

流域梯級開發(fā)方案對水庫水溫的影響

1水文變化分析低溫下水是水庫建設(shè)中受影響的重要環(huán)境問題之一。自20世紀(jì)30年代以來，我們在國內(nèi)外對水庫水溫進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)理論、計算方法和水溫影響的減少措施進(jìn)行了科學(xué)研究和工程實踐。流域水電梯級開發(fā)能充分利用流域的水能資源,但同時會帶來較大的水溫累積影響問題。國內(nèi)外在流域梯級開發(fā)水溫影響研究已有一定成果,Bartholow等聯(lián)合應(yīng)用MODSIM和HEC-5Q模型對比分析了Klamath河上部分梯級水庫拆除后的日均水溫變化情況以及對大馬哈魚的影響。Kre?imir基于實測水文和水溫等數(shù)據(jù)來研究Karst河的多個大壩開發(fā)和取水的長期影響,采用Mann-Kendall檢驗方法對1959年以來的長期水溫變化進(jìn)行了分析。Mihailova等利用2008—2012年監(jiān)測數(shù)據(jù),分析了Iskar河上兩座小型梯級水庫建設(shè)引起的溫度、氮、磷等物理化學(xué)參數(shù)的變化。劉蘭芬等采用數(shù)學(xué)模型方法分析瀾滄江中下游梯級電站建設(shè)的水溫累積影響,定量分析了梯級電站的水溫累積影響和群體效應(yīng),研究結(jié)果表明5個梯級比3個梯級影響大。鄧云等采用數(shù)學(xué)模型對比分析了雅礱江二灘水庫單獨(dú)運(yùn)行、與上游錦屏一級聯(lián)合運(yùn)行時的下泄水溫變化,聯(lián)合運(yùn)行時的二灘水庫下泄水溫與天然水溫的最大差值較單獨(dú)運(yùn)行時降低了2.3℃。黃峰等采用實測水溫數(shù)據(jù)定量分析烏江中上游已開發(fā)的4座梯級電站的水溫的時間和空間累積效應(yīng),隨著梯級電站個數(shù)的增加,下泄水溫年內(nèi)過程趨于均化,與天然水溫的延遲越加明顯,不同水庫對水溫累積具有正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)。現(xiàn)有研究成果表明,流域梯級開發(fā)的水溫累積影響是比較顯著的,低溫水帶來的對水生生物的不利影響更趨于嚴(yán)重,而目前對于梯級電站水溫影響減緩措施和對策的研究相對較少。如何減緩流域梯級開發(fā)的水溫影響是流域梯級開發(fā)規(guī)劃和建設(shè)中必須考慮的重要問題,通過梯級布置方案的優(yōu)化調(diào)整是減緩流域梯級開發(fā)水溫影響的重要途徑。本文以新疆開都河中游水電規(guī)劃為例,對比分析不同規(guī)劃方案的水溫累積效應(yīng),通過單庫規(guī)模、梯級電站布置個數(shù)、電站開發(fā)時序等的調(diào)整變化來定量分析水庫水溫結(jié)構(gòu)和下泄水溫的變化,探討梯級電站建設(shè)水溫累積影響的主要控制因素,為流域水電梯級開發(fā)的水溫影響減緩對策提供依據(jù)和參考。2學(xué)習(xí)方法2.1全河洪水源頭內(nèi)的自然需水開都河中游下段開都河發(fā)源于新疆天山山脈依連哈比爾尕山南麓薩爾明山,由西北流向東南,最終注入博斯騰湖,流域總面積2.26萬km2,多年平均徑流量34.88億m3,流域示意圖見圖1。開都河中游河段從駱駝脖子至大山口水電站,長144km,天然落差1038km,水能資源理論蘊(yùn)藏量約為1010MW,占全河水能理論蘊(yùn)藏量的71%?，F(xiàn)狀開都河中游下段河段已建成察汗烏蘇、大山口兩座水電站,柳樹溝水電站在建。研究河段為開都河中游上段阿仁薩很托亥水電站至察汗烏蘇水電站段,總長77.7km,規(guī)劃方案分別為“一庫三級”和“一庫四級”,兩個規(guī)劃方案梯級水電站參數(shù)差異統(tǒng)計見表1?！耙粠烊墶狈桨覆贾冒⑷仕_很托亥-霍爾古吐-滾哈布奇勒三級電站,“一庫四級”方案布置阿仁薩很托亥-哈爾嘎廷郭勒-霍爾古吐-滾哈布奇勒四級電站。兩規(guī)劃方案都充分利用了河段的總落差736m,各級電站發(fā)電水頭首尾相連,除阿仁薩很托亥水庫具有不完全多年調(diào)節(jié)能力外,其他水庫沒有調(diào)節(jié)能力。兩方案除滾哈布奇勒外其他水電站的壩址和廠房位置都發(fā)生了變化,“一庫三級”方案的三級水庫以高壩、大庫為主,“一庫四級”方案的四級水庫規(guī)模要小些,“一庫三級”方案的電站總裝機(jī)容量和發(fā)電量比“一庫四級”略大。2.2水庫、察汗烏蘇水庫水溫分布和下泄水溫過程的定量研究方法主要有原體觀測法、經(jīng)驗公式法、數(shù)學(xué)模型法等,基于物理機(jī)理的水庫水溫數(shù)學(xué)模型已成為主流方法,其中丹麥DHI公司開發(fā)的三維模型MIKE3在水庫水溫模擬方面具有較好的精度和穩(wěn)定性。MIKE3的水動力學(xué)控制方程為三維時均雷諾方程,水溫控制方程為熱量平衡方程;紊流模型有多種模式可選,通常采用水平向Smagorinsky模型和垂向k-ε模型混合模式;水體與外界熱交換過程忽略了水體與河床、泥沙的熱量交換,主要考慮水氣界面的熱交換過程,包括太陽的短波輻射、大氣和水面的長波輻射、傳導(dǎo)和蒸發(fā)等。本研究建立了中游各規(guī)劃水庫和察汗烏蘇水庫的水溫模型,模擬范圍為水庫回水范圍,剖分的計算網(wǎng)格尺寸在水平向為50~100m,垂向為6~10m,電站出水口一般為1個網(wǎng)格。模型參數(shù)通過合理移用其他已建水庫水溫模型的率定參數(shù)成果,見表2。開都河各規(guī)劃水庫水溫模型參數(shù)主要是移用察汗烏蘇水庫水溫模型的率定參數(shù)成果,同時結(jié)合新疆特克斯河恰甫其海和四川雅礱江二灘水庫的水溫模型參數(shù)進(jìn)行合理性分析,保證開都河規(guī)劃水庫的水溫模型參數(shù)在合理范圍之內(nèi)。冬季1、2月份水庫封冰期,冰蓋的存在阻隔了冰下水體與外界的熱交換,模型處理為水庫與外界間無熱量交換。3結(jié)果與討論3.1水庫水溫分布開都河中游已建的察汗烏蘇和大山口水庫在2011年6月分別進(jìn)行了水溫原體觀測,壩前斷面垂向水溫分布見圖2和圖3。察汗烏蘇水庫水溫垂向分層,6月份庫表以下40m厚度水層為均溫狀態(tài),溫度為13.2℃;水深40~50m為厚度為10m的溫躍層,表、底層垂向溫差9℃;溫躍層以下庫底滯溫層水溫4.2℃左右。大山口水庫水溫垂向不分層,6月份表層水溫13.6℃,水深25m處水溫為11.9℃,垂向水溫變幅僅1.7℃。根據(jù)α法判別法以及水溫模型模擬成果等綜合分析確定,開都河中游上段規(guī)劃的阿仁薩很托亥、哈爾嘎廷郭勒、滾哈布齊勒水庫為溫度分層型,霍爾古吐水庫在“一庫三級”方案中為溫度分層型,而在“一庫四級”方案中為溫度混合型。以典型平水年的水庫水溫模型預(yù)測結(jié)果為例,“一庫四級”規(guī)劃方案的阿仁薩很托亥、察汗烏蘇水庫的壩前斷面垂向水溫分布見圖4和圖5。冬季11月—次年3月大量0℃的水沿水庫下層進(jìn)入庫區(qū),引起庫底水溫低于4℃;而春季庫表水溫快速升高,而入庫水流沿庫上層行進(jìn),導(dǎo)致庫表和庫底水溫有較大差異并跨越4℃線。阿仁薩很托亥、察汗烏蘇水庫的垂向水溫分布存在較大差異。阿仁薩很托亥庫底水溫年較差小,水溫在2~4℃變化;察汗烏蘇庫底水溫年較差大,水溫在1~6℃變化。年內(nèi)6—9月阿仁薩很托亥垂向水溫分布為單溫躍層結(jié)構(gòu),察汗烏蘇水庫為雙溫躍層結(jié)構(gòu)。3.2不同規(guī)劃方案的垂向溫度對比開都河中游上段“一庫三級”和“一庫四級”兩規(guī)劃方案的水庫個數(shù)、位置、規(guī)模等存在差別,以阿仁薩很托亥和滾哈布齊勒水庫為例,“一庫三級”方案的阿仁薩很托亥水庫的庫容、壩高、回水長度等比“一庫四級”方案的要大,滾哈布齊勒水庫的庫容、壩高、正常蓄水位、回水長度等比“一庫四級”方案的要小,圖6和圖7分別為不同規(guī)劃方案的阿仁薩很托亥、滾哈布齊勒水庫6月份垂向水溫對比圖。阿仁薩很托亥和滾哈布齊勒水庫規(guī)模增大時,對水溫調(diào)節(jié)能力大,升溫期水庫中上部水體升溫速度慢,進(jìn)而引起水庫下泄低溫水與天然水溫的差值更大。阿仁薩很托亥水庫規(guī)模增大后,下泄低溫水與天然水溫的最大降幅由5.3℃變?yōu)?.7℃,滾哈布齊勒水庫規(guī)模增大后,下泄低溫水與天然水溫的最大降幅由1.1℃變?yōu)?.3℃?？梢?單個水庫的庫容、壩高、正常蓄水位等增加,水庫規(guī)模變大,對水溫的調(diào)節(jié)能力增強(qiáng),低溫水下泄時段水庫中上部水體升溫變慢,下泄水溫與天然水溫的降幅變大,水庫低溫水下泄的影響增強(qiáng)。3.3水庫低溫水水質(zhì)對比開都河中游上段“一庫三級”和“一庫四級”規(guī)劃方案下,最下級水庫滾哈布齊勒下泄水溫與天然水溫的差值年內(nèi)過程對比見圖8。水庫低溫水下泄出現(xiàn)的3—8月期間,開都河水電四級開發(fā)引起的最下級水庫滾哈布齊勒下泄低溫水與天然水溫的最大差值為-4.8℃,三級開發(fā)滾哈布齊勒下泄低溫水的最大降幅為-4.6℃,梯級電站布置數(shù)目多的流域梯級開發(fā)方案引起的低溫水累積效應(yīng)大。隨著梯級電站的級數(shù)增加,水庫下泄低溫水和高溫水都存在累積效應(yīng)。3.4水庫水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫變化以“一庫四級”規(guī)劃方案為例,分析開都河中游阿仁薩很托亥-哈爾嘎廷郭勒-霍爾古吐-滾哈布奇勒-察汗烏蘇(已建)5級梯級電站在不同開發(fā)時序條件下的水庫水溫結(jié)構(gòu)和下泄水溫變化。3.4.1阿仁薩很托酉水庫水文結(jié)構(gòu)圖9—12為滾哈布奇勒水庫在上游無水庫、上游建有哈爾嘎廷郭勒-霍爾古吐兩座水庫、上游建有阿仁薩很托亥-哈爾嘎廷郭勒-霍爾古吐3座水庫情況下年內(nèi)四季壩前垂向水溫分布圖。開都河中游控制性工程阿仁薩很托亥水庫壩高163.8m,相比其他水庫壩高最大,庫容14.5億m3,是其他水庫的7~10倍,阿仁薩很托亥下泄水溫與天然水溫的差異較大,下泄低溫水與天然水溫的最大溫差為5.3℃。阿仁薩很托亥水庫的修建與否對滾哈布奇勒水庫水溫結(jié)構(gòu)的影響較大,主要是中上層水體溫度變化明顯。相比無阿仁薩很托亥電站情況下的垂向水溫分布,有阿仁薩很托亥電站情況下,春夏季升溫期滾哈布奇勒水庫中上層水溫明顯偏低,而秋冬季降溫期滾哈布奇勒水庫中下層水溫明顯偏高,這主要是由于阿仁薩很托亥水庫春夏季下泄低溫水、秋冬季下泄高溫水造成的。滾哈布奇勒上游的其他水庫對滾哈布奇勒水庫水溫結(jié)構(gòu)也存在一定影響,年內(nèi)春季和秋季的影響作用大。春季,庫表水溫在上游建有兩個水庫情況下比無水庫情況下的要低,庫底水溫比上無水庫情況下的要高,上游建有兩個水庫情況下滾哈布奇勒水庫春季庫表和庫底溫差變小。秋季,庫表水溫在上游建有兩個水庫情況下比無水庫情況下的要高,庫底水溫比無水庫情況下的要高。主要是由于上游的水庫春季下泄低溫水造成滾哈布奇勒水庫中上層水體降溫、秋季下泄高溫水造成哈布奇勒水庫中下層水體升溫。3.4.2有龍頭水庫情況兩種開發(fā)時序條件下各級水庫下泄低溫水與天然水溫的最大降幅統(tǒng)計見表3。兩種開發(fā)時序條件下,各級水庫下泄低溫水的年內(nèi)出現(xiàn)時段、相比天然水溫的降幅都存在明顯差異。龍頭水庫建成的情形下,各級水庫下泄低溫水出現(xiàn)時段為年內(nèi)3—8月;無龍頭水庫的狀態(tài)下,各級水庫下泄低溫水出現(xiàn)時段為年內(nèi)3—5月。有龍頭水庫的情況下各級水庫下泄低溫水相比天然水溫的降幅都要大于無龍頭水庫情形。開都河中游無龍頭水庫情況下,隨著梯級電站個數(shù)的增加,各級水庫下泄低溫水與天然水溫的溫差不斷加大,至察汗烏蘇水庫下泄低溫水與天然水溫的最大溫差為2.3℃,哈爾嘎廷郭勒、霍爾古吐、滾哈布奇勒、察汗烏蘇水庫對低溫水累積是正效應(yīng)作用。開都河中游有龍頭水庫的情況下,阿仁薩很托亥水庫下泄低溫水與天然水溫的溫差最大,為5.3℃,龍頭水庫以下隨著梯級電站個數(shù)的增加,各級水庫下泄低溫水與天然水溫的溫差呈不斷減小的過程,至察汗烏蘇水庫下泄低溫水與天然水溫的最大溫差為4.5℃,相比龍頭水庫阿仁薩很托亥低溫水的溫差恢復(fù)了0.8℃左右,哈爾嘎廷郭勒、霍爾古吐、滾哈布奇勒、察汗烏蘇水庫對低溫水累積是負(fù)效應(yīng)作用?？梢?控制性工程阿仁薩很托亥水庫對開都河水溫累積影響起著重要的控制作用,其下游各級水庫對流域水溫累積影響的效應(yīng)作用不同。4流域梯級開發(fā)逐步完善,各類k--要素配置不同流域的氣象、水文條件存在差別,流域梯級開發(fā)不同規(guī)劃方案的梯級電站布置、各級水庫規(guī)模、電站取水口位置等存在差異,單個水庫在流域梯級開發(fā)的不同時序狀態(tài)下的水溫結(jié)構(gòu)和低溫水累積效應(yīng)作用有所差異,流域梯級開發(fā)的水溫累積影響具有復(fù)雜性。本文以開都河中游上段“一庫三級”和“一庫四級”兩個梯級開發(fā)規(guī)劃方案為研究實例,研究結(jié)果表明,流域梯級開發(fā)的下泄低溫水累積效應(yīng)明顯,流域梯級水庫越多引起的低溫水累積影響越大。梯級水電站不同開發(fā)時序下各梯級水庫的水溫結(jié)構(gòu)和下泄水溫會發(fā)生變化,水庫規(guī)模大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的流域控制性工程例如龍頭水庫等,對整個流域的水溫累積影響起到?jīng)Q定性作用。在論證和制定流域梯級開發(fā)規(guī)劃方案時,合理優(yōu)化調(diào)整梯級電站布置個數(shù)、控制性水庫工程的規(guī)模和位置等,是減緩流域梯級開發(fā)水溫影響的重要措施。開都河中游阿仁薩很托亥-哈爾嘎廷郭勒-霍爾古吐-滾哈布奇勒-察汗烏蘇5級梯級水庫開發(fā)狀