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大型深水库的水温预测研究

邓云  
【摘要】: 大型深水库的水温预测是水电工程环境影响评价所需要的重要内容之一,对于水资源开发利用的可持续发展具有重大意义。本文在总结前人研究成果的基础上,探讨了水库湍浮力流的运动机理,以及温度分层的形成、发展和变化规律,建立了适用于大型深水库水温预测的立面二维水温模型,并应用于超大型水库——金沙江溪洛渡和雅砻江梯级电站各水库的水温预测,取得了一系列创新性研究成果。主要研究内容及成果如下: 1.以水库重力下潜流的实验资料作为依据,对RSM模型、κ-ε模型和Spalart-Allmaras模型的精度和经济性进行比较研究。结果显示,RSM模型能精确模拟水库中湍浮力流运动规律和由于温度分层引起的紊动量的各向异性的特征,但其收敛性、稳定性及经济性较差,适用于计算精度要求较高且流域边界较为简单的流动。κ-ε模型精度虽略逊于RSM模型,但计算的流速分布特征与实测情况基本一致,较以往其它模型在精度上有明显的提高,对地形或流态较复杂的情况有良好的适应性。Spalart-Allmaras模型不适用于水库湍浮力流的模拟。 2.采用Munk-Anderson修正的κ-ε模型模拟水库重力下潜流,发现该修正模型过高地估计了水库的紊动强度,使垂向动量传递加大,流速误差明显增加。本文认为该修正模型并不适用于水库浮力流的模拟,建议在大型深水库水温模型中温度普朗特数采用常值0.85。 四川大学工学博士学位论文 3.在标准车‘紊流模型的基础上,建立了预测大型深水库水温分层的立面 二维浮力流模型。该模型成功地得到了二滩水库实测资料的验证,从多角度充 分表明了该模型能够精确模拟大型深水库温度分层的形成和发展,具有良好的 工程实用性。模型中需要率定的参数刀;和刀只对水面下加m以内的水温有一 定的影响,而对于100米以上的深水库的总体温度结构影响较小,对下泄水温 基本没有影响。 4.在二滩水库水温模拟研究的基础上对入口边界的设定作了初步的研究, 认为入口边界不适宜选择垂向温度梯度较大的断面。这是因为入口水温垂向分 布基本控制了库区水温的分层状况,而且入口边界的速度和温度条件的不匹配 会导致较大的误差。 5.将水库立面二维水温模型应用于超大型水库—溪洛渡的水温预测。预 测结果显示,溪洛渡水库在全年都处于分层状态,2月垂向温差最小,约2℃, 6、7月分层最明显,温差最大达13℃。至10、n月份出现秋季翻滚,垂向掺 混加强,入流水温下潜使库底水温达到最大值约16℃。库底水温变化平缓,年 变幅在4℃以内;库表水温年变幅约10℃。又就丰水年、枯水年和低气温年的 水温分布作的进一步研究发现,水量和气象条件对大型深水温结构影响有限, 其水温结构具有较强的稳定性。 6.研究溪洛渡电站通过水库调度和改变出水口位置来满足下泄水温要 求。在升温期(l礴月)降低水库运行水位,能够缩短出水口至表层温水层的 距离,下泄水温能有较明显的升高。升高出水口位置导致斜温层上移,说明出 水口位置对水库的水温结构,尤其是斜温层的位置和斜率有明显的影响,升高 出水口使下泄水温略有上升。 7.嵌套采用了三种水温模型—全库区立面二维水温模型、隧洞流体热 传输模型和纵向一维水温模型,研究雅碧江梯级电站开发对水温的影响。嵌套 模型较好地模拟了水流通过大型深水库、长引水隧洞和低坝径流式电站的过程 中的水温变化,为梯级电站的环境影响评价提供了重要的科学依据。 8.提出了一种新的支库水温计算方法。首先在不考虑主库对支库水温影响 的情况下,将支库出水口从汇口向下延长,以虚拟大坝为下游边界,采用立面 二维温度模型得到支库全库区水温分布。在此基础上,考虑支库对主库水温的 影响,采用等温层汇入的简化方法,即认为浮力对支流汇入有着控制性的影响, 摘要 支流汇入主库时总是趋向于进入温度相同的水体。 9.分析比较了二滩电站在单独运行和五级联合运行的计算结果,发现梯级 联合运行使水库温度分层减弱,但下泄水温过程的延迟和均化作用进一步加 _声。


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