锦屏一级水温计算报告-2010.doc

复杂环境下坝高300m以上混凝土双曲拱坝温度实时控制及快速施工技术研究 锦屏一级水库水温分布数值模拟 水温预测研究报告 中国水利水电第七工程局有限公司 SINOHYDRO BUREAU 7 CO.， LTD. 武汉大学水利水电学院 COLLEGE OF WATER RESOURCES HYDROPOWER WUHAN UNIVERSITY 二○一○年六月 目 录 1 水库水温预测研究现状 1 2 立面二维水库水温模型 3 2.1 基本方程 3 2.2 边界条件 5 2.3 水流水温模型的离散求解 7 3 模型验证 10 3.1 Johnson水库密度流实验 10 3.1.1 实验模型介绍 10 3.1.2 计算条件及结果分析 11 3.2 二维密度异重流潜入过程数值模拟 13 3.2.1 开闸式湍动异重流实验验证 13 3.2.2 平底水槽异重流模拟 14 3.2.3 斜坡异重流模拟 19 3.3 漫湾水库水温分布数值模拟 20 3.3.1 漫湾水库概况 20 3.3.2 计算网格 22 3.3.3 边界条件及模型参数 22 3.3.4 验证结果分析 24 4 锦屏一级水库水温分布预测 26 4.1 锦屏一级水库概况 26 4.2 水库水温计算条件 29 4.2.1 小金河支流库区处理 29 4.2.2 水文气象条件 29 4.2.3 电站进水口叠梁门取水方式 31 4.3 水温预测结果 32 5 结论 39 参考文献 40 水库水温预测研究现状 水库水体流动性较差，水气交界面的能量交换无法充分传递到库表以下更深的区域。随着时间的积累，易形成温度在垂向的稳定分层现象。温度分层会带来其他水质要素(如溶解氧、有机物等)的重新分布，对水环境产生重大影响。同时，由于水库取水高程的相对固定和水库调度的要求，会导致水库下泄水温与天然河道水库具有一定温差，这对下游水生生物的生存环境会产生一定影响。此外，在进行大坝坝体温度控制时也有必要考虑库区的水温分布对坝体温度产生的影响。鉴于此，对于规划中的大型深水库，准确预测其温度分层情况对于保障该工程的安全和环境效益都具有重要意义。 国内外学者在水库水温方面做了诸多研究。张大发等[1]通过分析已建水库的水温分布情况得出预测水库水温分布的垂向一维经验公式方法，该成果被写入相关规范，为水库水温预测提供了技术支持。但由于该经验方法形成之初缺乏高坝大库的相关资料，所以并不适用于今天越来越多的大型深水库(坝前正常水深超过100m)的研究。经验公式方法是从客观现象的统计规律出发，而不揭示客观机理，因而具有较大的局限性。随着数值模拟技术的发展以及温差异重流等问题的深入研究，邓云[2]、蒋红[3]等建立了宽度平均的立面二维水库水温数学模型，并应用于二滩等大型深水库的水温分析研究。任华堂等[4]在研究三峡水库水温问题时建立了三维数值模型，但由于三维模型对地形资料等的严格要求，故并不适应于大坝建设前期的水库水温预测研究。国外学者也多用数值模拟方法研究水库水温分布以及分层取水方式。Gaillard,J. [5]研究了水库不同出水口位置对水库水温分布和下泄水流温度的影响，并对不同水库滞水时间对出流水温的影响进行了分析。Bo-ping Han等[6]通过改变数学模型计算参数，研究了不同入库出库流量、消光系数、出口高程以及水库滞水时间对水库温度分层结构的影响，研究结果表明：较高的入流水温是该水库温度结构的主要控制因素，同时水库滞水时间对温度分层的影响主要表现在对温跃层深度的改变上。Bonnet,M.P.等[7]应用一维传热方程研究了湖泊型水库中排水口位置对水库水温温跃层位置的影响。Johnson,B.M.等[8]通过对水库水温结构的研究发现，与水库运行方式相比，自然变化的水文气象条件在控制该水库温度结构时发挥更大的作用。 本文从控制流体运动的Navier-Stokes方程出发，建立考虑浮力作用的宽度平均立面二维紊流模型。对Johnson水库温差密度流实验和陈国谦密度异重流实验的数值模拟再现，对澜沧江漫湾水库库区2004年2月份水温的计算验证本文模型的可靠性。锦屏一级水电站在国内首次采用叠梁门取水装置，对应不同水库水位条件下，选取不同高程位置取水，以保证取得表层较高温度水体，从而取得较高环境效益。将该模型应用到在建的雅砻江锦屏一级大型深水库，结合电站进水口叠梁门取水运行方式，预测电站运行期的库区水温分布，为水库分层取水设计、大坝温度控制、水生生物保护等提供依据和参考。 立面二维水库水温模型 基本方程 研究水库水温问题的基本方程包括连续性方程、动量方程和能量方程。将Navier-Stokes方程沿宽度方向积分，得到宽度平均的立面二维模型控制方程，具有下列形式。 水动力学方程组： 紊流模型： 关于湍流运动的数