一種大型水電站庫水溫度數值預測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利水電工程領域，尤其涉及一種大型水電站庫水溫度數值預測方 法。
【背景技術】
[0002] 水庫水溫是水電站混凝土大壩的一個重要的溫度邊界條件，是大壩溫度應力和溫 度控制的重要影響因素之一。上游水庫水溫將直接影響到大壩運行期穩(wěn)定（準穩(wěn)定）溫度 場的分布，特別是對于壩體基礎約束區(qū)，上游庫底水溫將直接影響到大壩的基礎溫差和溫 度控制標準，從而影響到混凝土壩的溫度控制設計。如何在水庫建成前，合理的預測水庫建 成后的水溫分布情況，是大壩設計的一個重要前提。
[0003] 大型水電站的水庫通過蓄水成庫后，水溫的變化是一個很復雜的現(xiàn)象，受多種因 素的控制，主要影響因素有四方面：水庫的形狀、庫區(qū)水文氣象條件、水庫運行情況及水庫 初始蓄水條件。現(xiàn)有相關技術中，針對水庫建成后上游壩前庫水溫度的預測方法，除了可以 部分考慮氣候及地域條件的影響因素之外，無法考慮具體水庫的形狀、水庫運行情況及水 庫初始蓄水情況。水文氣象條件中，也無法考慮風速、云量、水面蒸發(fā)量、河道水溫、入庫流 量、入庫含沙量等影響因子。因此對于相同地域的不同水庫，利用現(xiàn)有技術的方法預測出來 的水庫水溫基本相同，無法反映出具體水庫的特性，因此預測的準確性不高。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種大型水電站庫水溫度數值預測方法，包括如下步驟：
[0005] 步驟1，采集水電站壩址的基礎參數；其中，基礎參數包括水庫形狀參數、水文氣 象參數、水庫運行參數及水庫初始蓄水參數；
[0006] 步驟2,根據采集的基礎參數建立數值分析模型；
[0007] 步驟3,按照枯水年、平水年和豐水年將采集的基礎參數確定為枯水年參數、平水 年參數及豐水年數據；
[0008] 步驟4,根據枯水年參數、平水年參數及豐水年參數，分別數值模擬年內水庫層流 熱量交換下的水溫變化規(guī)律；
[0009] 步驟5,再分別對不考慮上游壩前庫底堆渣及淤積、考慮上游壩前庫底淤積、考慮 上游壩前庫底堆渣及淤積等三種情況，進行數值模擬，獲取水庫運行期上游壩前庫水溫度 的低值結果、中值結果、高值結果；
[0010] 步驟6,根據獲取的水庫運行期上游壩前庫水溫度的低值結果、中值結果及高值結 果，確定運行期水庫水溫的分布規(guī)律和量值，獲取水庫水溫包絡式預測結果。
[0011] 進一步，水庫形狀參數包括水庫庫容、水庫深度、水庫水位~庫容~庫長~面積之 間關系；所述水文氣象參數包括氣溫、太陽輻射、風速、云量、蒸發(fā)量、入庫流量、入庫水溫、 河流泥沙含量、入庫懸移質；水庫運行參數包括水庫調節(jié)方式、電站引水口位置及引水能 力、水庫泄水建筑物位置及泄水能力、水庫的運行調度情況、出庫流量、水庫水位變化；水庫 初始蓄水參數包括初期蓄水季節(jié)、初期蓄水時地溫、初期蓄水溫度、水庫蓄水速度、壩前堆 渣情況、上游圍堰處理情況。
[0012] 進一步，所述步驟2具體包括：根據水庫形狀參數建立水庫模型；建立水體熱傳導 模型；建立入庫、出庫水體的熱交換模型。
[0013] 與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的有益效果是：針對不同水庫各自的特點，包絡式預測分 析水庫成庫以后的水溫分布規(guī)律，充分考慮了水庫的形狀、庫區(qū)水文氣象條件、水庫運行情 況及水庫初始蓄水情況等影響因素，大大提高了預測的準確度。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明一種大型水電站庫水溫度數值預測方法的流程圖；
[0015] 圖2為JP-I水庫水位~庫容曲線圖；
[0016] 圖3為JP-I水庫水位~面積曲線圖；
[0017] 圖4為JP-I水庫水位~庫長曲線圖；
[0018] 圖5為水庫水溫計算模型簡圖；
[0019] 圖6為JP-I水庫年平均水溫分布圖（不考慮壩前庫底堆渣）；
[0020] 圖7為JP-I水庫月平均水溫分布圖（不考慮壩前庫底堆渣）；
[0021] 圖8為JP-I水庫年平均水溫分布圖（考慮壩前庫底堆渣）；
[0022] 圖9為JP-I水庫月平均水溫分布圖（考慮壩前庫底堆渣）。
【具體實施方式】
[0023] 下面通過具體的實施例子并結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細描述。
[0024] 參圖1所示，圖1為本發(fā)明一種大型水電站庫水溫度數值預測方法的流程圖。
[0025] 本實施例提供的一種大型水電站庫水溫度數值預測方法，包括如下步驟：
[0026] 步驟SlOl，采集水電站壩址的基礎參數；該基礎參數包括水庫形狀參數、水文氣 象參數、水庫運行參數及水庫初始蓄水參數；
[0027] 步驟S102,根據采集的基礎參數建立數值分析模型；
[0028] 步驟S103,按照枯水年、平水年和豐水年將采集的基礎參數確定為枯水年參數、平 水年參數及豐水年參數；
[0029] 步驟S104,根據枯水年參數、平水年參數及豐水年參數，分別數值模擬年內水庫層 流熱量交換下的水溫變化規(guī)律；
[0030] 步驟S105,再分別針對不考慮上游壩前庫底堆渣及淤積、考慮上游壩前庫底淤積、 考慮上游壩前庫底堆渣及淤積等三種情況，進行數值模擬，獲取水庫運行期上游壩前庫水 溫度的低值結果、中值結果、高值結果；
[0031] 步驟S106,根據獲取的水庫運行期上游壩前庫水溫度的低值結果、中值結果及高 值結果，確定運行期水庫水溫的分布規(guī)律和量值，獲取水庫水溫包絡式預測結果。
[0032] 本實施例提供的數值預測方法，針對不同水庫各自的特點，預測分析水庫成庫以 后的水溫分布規(guī)律，充分考慮了水庫的形狀、庫區(qū)水文氣象條件、水庫運行情況及水庫初始 蓄水情況等影響因素，大大提高了預測的準確度。
[0033] 在本實施例中，水庫形狀參數包括水庫庫容、水庫深度、水庫水位~庫容~庫長~ 面積之間關系；水文氣象參數包括氣溫、太陽輻射、風速、云量、蒸發(fā)量、入庫流量、入庫水 溫、河流泥沙含量、入庫懸移質；水庫運行參數包括水庫調節(jié)方式、電站引水口位置及引水 能力、水庫泄水建筑物位置及泄水能力、水庫的運行調度情況、出庫流量、水庫水位變化；水 庫初始蓄水參數包括初期蓄水季節(jié)、初期蓄水時地溫、初期蓄水溫度、水庫蓄水速度、壩前 堆渣情況、上游圍堰處理情況。
[0034] 在本實施例中，初始建模數據包括：
[0035] (1)水庫水位~庫容~庫長~面積曲線；
[0036] (2)電站引水口個數、尺寸、中心線高程及最大引水能力（米3/秒）；
[0037] (3)水庫泄水建筑物個數、尺寸、中心線高程及最大泄水能力（米3/秒）；
[0038] (4)多年平均（或典型年，下同）逐旬、月氣溫（°C);
[0039] (5)多年平均逐旬、月河道水溫（°C );
[0040] (6)多年平均逐月風速（米/秒）；
[0041] (7)多年平均逐月太陽輻射量（大卡/厘米2·天）；
[0042] (8)多年平均逐月云量（成數）；
[0043] (9)多年平均逐月蒸發(fā)量（水面蒸發(fā)場，公斤/厘米2·天）；
[0044] (10)多年平均逐月入庫懸移質或含沙量（公斤/米3);
[0045] (11)多年平均逐月入庫流量（米3/秒）；
[0046] (12)設計逐月出庫流量（米3/秒）及逐月水庫運行情況；
[0047] (13)設計運行年內逐月上游庫水位和下游尾水位；
[0048] (14)初期蓄水季節(jié)、初期蓄水時地溫、初期蓄水溫度、水庫蓄水速度、壩前堆渣情 況、上游圍堰處理情況等；
[0049] (15)水庫蓄水前，上游壩前堆渣高程、堆渣季節(jié)、堆渣體材料性能、堆渣工藝等；
[0050] (16)水庫調節(jié)性能；
[0051] (17)水分子擴散系數；水對流擴散系數；水的吸收系數。
[0052] 在本實施例中，數值分析模型的建立步驟包括：
[0053] 1)根據水庫形狀參數建立水庫模型：
[0054] 以JP-I水庫為例。其水庫形狀參數如下：
[0055] 表1 JP-I水庫水位~庫容~面積~庫長
[0056]


[0058] JP-I水庫水位~庫容曲線參見圖2, JP-I水庫水位~面積曲線參見圖3, JP-I水 庫水位~庫長曲線參見圖4,依據水庫的水位、庫容、庫長、面積等形狀參數，建立如圖5所 示水庫模型。
[0059] 其中：y--水位；
[0060] A(y)--y處的水庫面積。
[0061] 2)建立水體熱傳導模型：
[0062] 以一個水體微元為例（參見圖5)。相應水位對應的厚度為dy的水體體積為 A (y) Xdy0
[0063] 該水體的熱量運動可用以下公式表示：
[0064] ①垂直向：單位時間內，由下面進入的流量為Qy，帶進的熱量為c PQyT ;由上面 流出的流量為Qy+dQy，帶走的熱量為
；故單位時間內凈帶進熱量為
[0065] ②水平向：單位時間內入庫帶進熱量為CP A1T1Cly ;出庫帶走熱量為CP qQTdy ;故 單位時間內凈剩熱量為：Q2= (cp AiTi-C P qQT)dy。
[0066] ③由短波輻射熱：自下邊離去的輻射熱R(y)A(y);自上面進入的輻射熱
[0072] 以上各式中：
[0073] C--水的比熱；
[0074] p--水的密度；
[0075] T--水的溫度；
[0076] q,--入庫水流單位高度的流量；
[0077] T1--入庫水流的溫度；
[0078] q0--出庫水流單位高度的流量；
[0079] P1--入庫水流的密度；
[0080] R(y)--高度y處的短波輻射熱；
[0081] k--輻射熱的衰減系數；
[0082] A(y)--y處的水庫面積；
[0083] Dn--水分子擴散系數；
[0084] E--水的紊動擴散系數。
[0085] 由熱量平衡可知：
[0086] Ql+Q2+Q3+Q4+Q5= 〇 (I-I)
[0087] 分別將仏、Q2、Q3、〇4和Q 5的表達式帶入式（1-1)則有：
[0089] 3)建立入庫、出庫水體的熱交換模型：
[0090] 水體的密度與水溫相關。液態(tài)水的密度在4°C時最大。水溫高于4°C時，水的密度 隨著溫度的降低而增加；在〇~4°c的范圍內，水的密度隨著溫度的降低而減小，直至冰點。 正是水的這種特性，使得4°C的水下沉，水體從水庫表面至庫底部形成由高到低的溫度梯度 抑制對流，即使是嚴寒地區(qū)，水庫的底部至少是穩(wěn)定的4°C水層，可供水生生物安度嚴寒。
[0091] 在水庫的運行中，入庫水流按密度（水溫）進入水庫相同密度（水溫）的水層；而 電站或取水建筑物引水時，則按相應取水口高度，引走相應水溫層的水體。水溫層的高度， 可通過出入庫水體的體積與相應高程的水庫形狀求得。因此，對于相同入（出）庫體積的 水體，在不同形狀水庫的水體熱交換中，形成的水溫分布變化是不同的。
[0092] 對于式（1-2)，水的比熱C和水分子擴散系數Dni為常數
[0093] Qy= Qy(y, τ ) , T = T(y, τ )
[0094] 并有 ρ = ρ 〇+aT2+bT (1-3)
[0095] 其中：0°C時水的密度 P。= 999. 87, a = -0· 0067, b = 0· 07
[0097] V (y) = Qy