CN103279662A - 一种水库坝下河道水温分布测算方法 - Google Patents

Abstract

一种水库坝下河道水温分布测算方法，结合气象和水文实测数据，对水库坝下河道沿程水温变化进行测算，以水库坝下为第一个测算断面，河道沿程断面间隔距离为按照河段平均流速一昼夜流程的整数倍计算。充分考虑河道水体热量交换，不需对水动力学过程进行详细分析，以平均流速代替水动力学计算，可以避免数值模拟计算所需的水动力学方程的解析，大大减小了计算工作量。同时，本发明充分考虑了引起河道水温变化的主要因子，确保了计算的准确性。本方案在具有较好精确度的同时具有较小的计算量，且不需要复杂的边界条件资料，可大大提高工作效率和应用面，可以较好的兼顾准确性和易用性，是辅助解决水库下泄水温和流量方案制定的有效方法。

Description

一种水库坝下河道水温分布测算方法

技术领域

本发明涉及水利技术领域，具体说是一种水库坝下河道水温分布测算方法。

背景技术

河流水温是流域气象条件、河道形态、补给类型等因素的综合反映，天然河流水温与水循环、季节更替等保持动态变化。河流建设水库后（主要是大型水库），河道形态由连续蜿蜒形态变为阻隔的湖库形态，库水水温分层使下泄至坝下河道的水温随之改变，如何确定一个合理的水温下泄范围，使坝下河道中生态敏感区域的水温尽可能接近天然情况，需要对多种水温和流量（水温和流量相关）下泄方案进行测算，以确定对坝下生态敏感区域的实际效果。

当前河道水温计算方法分为两类：一类是经验公式方法，该类方法应用简便，但并不是基于水温变化的内在机理提出的，预测的可靠性不高，一般用于一些小型河流的水温计算；另一类是数值模拟方法，借助数学方程来计算水动力学过程，并将风力、气温等因素进行计算，优点是结算精度较高，缺点是计算量较大、边界条件要求较高，需要掌握数值模拟技能的专门人员、软件和设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合气象和水文实测数据，对水库坝下河道沿程水温变化进行测算的水库坝下河道水温分布测算方法，可以为水库调度中对坝下河道的水温调控提供技术依据。

所述水库坝下河道水温分布测算方法，其特征是：按如下步骤进行：

第一步、确定所要测算的水库坝下河道的断面：

以水库坝下为第一个测算断面，其它断面分为两类，一类是支流汇入处、水文站点处、附近有气象站点处，另一类断面是河道沿程断面，间隔距离为按照河段平均流速一昼夜流程的整数倍；

第二步、确定干流和支流依据的水文站，采集相关的气象和水文数据；

第三步、对于无支流汇入河段的所述断面水温的预测计算：

式中，ΔT为水体流动一昼夜的变化温度，单位°C；

为一昼夜水体从大气接收的总的净热通量，单位为J/(cm²·d)，其中d为取整数的天数；c为水的比热容，为常数4.2X10³J/(kg·℃)；H为分析河道的纵向平均水深，单位cm；M为水体密度，单位kg/cm³；

第四步、对于有支流汇入后河段的所述断面水温的修订计算：

$T_f=\frac{T_1{Q}_1+T_2{Q}_2}{Q_1+Q_2}$

并以此作为起始水温向下游演算，直至预设的终止断面；

式中，T_f为干流和支流汇流后的河道水温，单位°C；T₁、T₂分别为干流水温和支流水温，单位°C；Q₁，Q₂分别为干流流量和支流流量，单位m³/s，即立方米每秒。

为保证预测准确度，所预测的最末断面与起始断面的距离不超过平均流速7日的流程。

所述净热通量

以下式计算：

式中，

为水体从大气接收的总的净热通量，单位J/(cm²·d)；

为辐射净热通量，J/(cm²·d)；

为蒸发热通量，J/(cm²·d)；为传导热通量，J/(cm²·d)，以上d为取整数的天数；

其中，辐射净热通量

以下式计算：

式中，I为入射的太阳短波辐射热通量，单位J/(cm2·d)；R_I为I被水面反射的部分，单位J/(cm2·d)；G为入射大气长波辐射热通量，单位J/(cm2·d)；R_G为G被水面反射的部分，单位J/(cm2·d)；S为由水面发出的长波辐射热通量，单位J/(cm2·d)，以上d为取整数的天数；

蒸发热通量

以下式计算：

式中，为水面蒸发热通量，单位J/(cm2·d)；ρ为水体密度，单位g/cm³；L为水的蒸发潜热，单位J/g，随水面温度T_S变化，L=2491-2.177T_s；E为水面蒸发率，单位cm/d，以上d为取整数的天数；

传导热通量

以下式计算：

分别为传导热通量和蒸发热通量，单位J/(cm².d)；e_s、e_a分别为由水面温度计算的饱和水气压和水面上方2.0m处的实际水气压，单位hPa（百帕）；T_s、T_a分别为水面温度和水面上方2.0m处的气温，单位°C；p为水面上的大气压，单位hPa；C_b为波温常数，取平均情况为6.1×10^-4/°C。

所述干流和支流流量Q₁，Q₂的取值选取季节典型日的实测值。

本发明提出河道水温计算方案建立在热量平衡原理的基础上，充分考虑河道水体热量交换，但并不对水动力学过程进行详细分析，而是以平均流速代替水动力学计算，可以避免数值模拟计算所需的水动力学方程的解析，大大减小了计算工作量。同时，本发明充分考虑了引起河道水温变化的主要因子，即水体与大气的热交换，这一理论基础确保了计算的准确性。本方案在具有较好精确度的同时具有较小的计算量，且不需要复杂的边界条件资料，可大大提高工作效率和应用面，可以较好的兼顾准确性和易用性，是辅助解决水库下泄水温和流量方案制定的有效方法。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，采用上述方案，对金沙江向家坝水库建成后坝下河道水温沿程分布情况进行了实例计算，计算河段为金沙江向家坝坝址至长江朱沱站江段，其间汇入主要支流为岷江、沱江和赤水河，支流出口水文数据分别采用高场站、李家湾站和赤水站数据，气象资料采用四川泸州站的数据。计算结果准确，取得了较好的效果。

采用该项技术测算河道水温，具有基础资料易于获取，计算方法比价简单，计算工作量较小的特点。

举例说明本发明的具体实施步骤如下：

（1）制定断面布设方案。确定测算河段起止断面、支流汇入断面、水文站点断面及沿程加密断面的具体位置；

（2）制定资料方案。确定干流和支流依据的水文站点（流量和水温），确定主要气象数据的依据站点（太阳辐射等热传导数据）；气象数据的采集主要通过气象站网获得，采集太阳辐射量和气温数据。中国气象科学数据共享服务网提供全国主要气象站点的统计数据，气象站点密度可适当稀疏，一般每2-3个测算断面依据一个站点即可。水文数据通过水文站网获取，采集流量数据。早期水文资料可通过按年度编制的水文年鉴查的，近年的水文数据不再公开刊印，只能通过水文站或水文局获得。

（3）制定测算方案。根据测算工作目标，确定计算采用资料的详细程度和处理方式。为了便于计算，流量资料和气象资料一般采用平均值，平均时段可根据精度要求采用一日平均、三日平均等方式进行处理。

（4）进行计算。从确定的起始断面开始，将处理好的数据带入无支流汇入河段的水温计算公式，演算得到各个断面的水温，连接各断面水温，得到无支流汇入河段的水温分布。前述公式基于河道水体温变机理，紧扣水汽界面热通量这一温变主导因子，可以较为准确的对河道水温的沿称变化进行计算。

当出现支流汇入时，采用支流汇入河段计算公式计算支流汇入后的水温，并以此作为起始水温向下游演算，直至预设的终止断面。

Claims (4)

1.一种水库坝下河道水温分布测算方法，其特征是：按如下步骤进行：

第一步、确定所要测算的水库坝下河道的断面：

以水库坝下为第一个测算断面，其它断面分为两类，一类是支流汇入处、水文站点处、附近有气象站点处，另一类断面是河道沿程断面，间隔距离为按照河段平均流速一昼夜流程的整数倍；

第二步、确定干流和支流依据的水文站，采集相关的气象和水文数据；

第三步、对于无支流汇入河段的所述断面水温的预测计算：

式中，ΔT为水体流动一昼夜的变化温度，单位°C；为一昼夜水体从大气接收的总的净热通量，单位为J/(cm²·d)，其中d为取整数的天数；c为水的比热容，为常数4.2X10³J/(kg·℃)；H为分析河道的纵向平均水深，单位cm；M为水体密度，单位kg/cm³；

第四步、对于有支流汇入后河段的所述断面水温的修订计算：

$T_f=\frac{T_1{Q}_1+T_2{Q}_2}{Q_1+Q_2}$

并以此作为起始水温向下游演算，直至预设的终止断面；

式中，T_f为干流和支流汇流后的河道水温，单位°C；T₁、T₂分别为干流水温和支流水温，单位°C；Q₁，Q₂分别为干流流量和支流流量，单位m³/s，即立方米每秒。

2.根据权利要求1所述的水库坝下河道水温分布测算方法，其特征是：预测的最末断面与起始断面的距离不超过平均流速7日的流程。

3.根据权利要求1所述的水库坝下河道水温分布测算方法，其特征是：所述净热通量

以下式计算：

式中，

为水体从大气接收的总的净热通量，单位J/(cm²·d)；

为辐射净热通量，J/(cm²·d)；

为蒸发热通量，J/(cm²·d)；

为传导热通量，J/(cm²·d)，以上d为取整数的天数；

其中，辐射净热通量

以下式计算：

式中，I为入射的太阳短波辐射热通量，单位J/(cm2·d)；R_I为I被水面反射的部分，单位J/(cm2·d)；G为入射大气长波辐射热通量，单位J/(cm2·d)；R_G为G被水面反射的部分，单位J/(cm2·d)；S为由水面发出的长波辐射热通量，单位J/(cm2·d)，以上d为取整数的天数；

蒸发热通量以下式计算：

式中，为水面蒸发热通量，单位J/(cm2·d)；ρ为水体密度，单位g/cm³；L为水的蒸发潜热，单位J/g，随水面温度T_S变化，L=2491-2.177T_s；E为水面蒸发率，单位cm/d，以上d为取整数的天数；

传导热通量以下式计算：

式中，

分别为传导热通量和蒸发热通量，单位J/(cm².d)；e_s、e_a分别为由水面温度计算的饱和水气压和水面上方2.0m处的实际水气压，单位hPa（百帕）；T_s、T_a分别为水面温度和水面上方2.0m处的气温，单位°C；p为水面上的大气压，单位hPa；C_b为波温常数，取平均情况为6.1×10^-4/°C。

4.根据权利要求1所述的水库坝下河道水温分布测算方法，其特征是：所述干流和支流流量Q₁、Q₂的取值选取季节典型日的实测值。