大型水库纵竖向二维水温、水质数值模拟——以糯扎渡水库为例

【摘要】：水库蓄水带来了防洪、发电、灌溉、航运、供水、渔业等综合效益，同时也引起了河流水文、泥沙、地貌、生态等各方面的环境影响，随着社会经济的发展，大量工业废水和城市污水未经处理排入河流、水库，超过了水体的自净能力，河流、水库污染日益严重，严重的影响着人类的生存和发展。我国拥有丰富的水力资源，由于受技术和经济条件限制，对水力资源的开发远远落后世界发达国家，更多的水库大坝正在建设或规划之中。水污染问题又十分严重，在进行水电工程环境影响评价时，水质问题往往作为一个比较重要的内容开展研究。因此进行水库水质分析和预测，是水库环境评价、规划、治理和管理的基础，预测成果将有非常重要的意义。 糯扎渡水库是澜沧江中下游河段开发规划中水库库容、装机规模和年发电量最大的一个水电站。是“西电东送”和“云电外送”的主力电源点之一。除发电外，糯扎渡水电站并兼有防洪、改善航运及其它综合利用效益。糯扎渡水库正常蓄水位812m，坝高约260m，相应的水库总库容223.68亿m~3，调节库容为121.95亿m~3，为多年调节型水库。电站总装机容量585万千瓦，年发电量23684GW．h。水库的建成将改变库区及大坝下游江段的水文情势和水环境状况，进而对水库下游江段的珍稀鱼类、灌溉和生活用水产生重大影响，对水工坝体温度应力分析、施工温控设计、机电机组冷却等有重要影响。因此，在糯扎渡水电站修建前对水库的水质、水温进行预测研究，对于工程的环境保护和工程建设及运行有重要意义。 西安理工大学博士学位论文 本文的主要工作和主要成果如下: (l)本文首先对一般的高深大坝水库，建立了纵竖向二维水动力学、水温、水质祸 合概念模型，水质模型中考虑13种污染物指标，合理考虑了各种污染物之间的复 杂关系;其次在计算中垂向做a变换，将不规则区域转换为规则区域，水流、水温、 水质模型也相应发生转变，使计算精确拟合自由面与库底边界。然后在求解模型时对 不同模型采用不同的方法离散，对于水动力学模型采用算子分裂法、交错网格法、和 交替隐式法离散方程，对水温和水质模型采用交替隐式法求解。所有离散方程都采用 高速有效的追赶法求解。 (2)本文对糯扎渡水库河道形状进行了概化，判断出糯扎渡水库属于河道型大 坝高深水库，根据糯扎渡水库独特的水文、气象条件，环境特色和水库运行条件， 将二维水动力学、水温模型应用在糯扎渡水库实际工程中，并将坐标伸缩变换与垂 向二维水温模型相结合，对糯扎渡水库进行了3种典型年，36种工况的库区水温分布 以及下泄水温的预测，在此基础上，考虑了下泄水对下游河道生态环境的影响。 (3)在糯扎渡水库水流、水温计算的基础上，分析糯扎渡库区河道水质监测 现状，采用简化的二维水质模型，对糯扎渡水库库区进行了BOD、DO预测分析， 得出了水温分层，溶解氧也产生分层，溶解氧随深度增加而浓度大幅下降的变化的 规律。而BOD分层和规律并不明显，可能与进入水库的有机物较少有关。 (4)针对糯扎渡水库分层的特点，对糯扎渡水库河道污染现状采用灰色综合关 联模型进行了富营养化评价，在二维水动力学模型基础上，建立了纵向一维水库富营 养化模型，对糯扎渡水库建库后典型年进行了富营养化预测，同时对糯扎渡水库富营 养化可能性进行了分析。 (5)将水动力学模型和水温、水质模型成功应用到另一个典型实例一BAKUN水 电站。BAKUN水电站是马来西亚东马沙捞越州上拟建的一项特大水利水电枢纽工程。 库水全年处于分层状态。为了在水位变幅为195一228m条件下，保障引取水库表面洁 净温水层，在进水室之前增加了导水叠梁，本文计算了在不同的水位和不同的叠梁高 程组合下，一卜泄水流的溶解氧变化情况。说明设置叠梁已经取得了表层水的结果。 关键词:水温，水质，富营养化，二维模型，糯扎渡水库