气候变暖趋势下龙羊峡水库水温结构模拟研究

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  摘 要:在氣候变暖与高海拔水库建设运行的共同作用下,区域性气候环境对河道水温的年内变化作用明显。以黄河上游多年调节水库龙羊峡水库为研究对象,在入库水温与气温相关性分析的基础上,采取原型观测方法研究坝前水温变化与天然河道水温和气温变化的相关性,通过建立三维水温模型对库区水温结构的季节性变化进行模拟。结果表明:坝前水温的年内变化滞后于气温的,龙羊峡水库的兴建改变了库区水体的热量分配,6—9月水库表层水体吸收了大量热量,和底层水体之间存在较大的温度梯度并形成温度分层,10月至次年3月上下层水体水温近乎等温状态;龙羊峡水库地处高寒地区,在蓄水期形成水温分层时,除在气温最高的月份形成较大斜温层梯度外,没有形成明显温跃层。
  关键词:水温结构;原型观测;气候变化;龙羊峡水库
  中图分类号:TV697.2
  文献标志码:A
  doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.022
  引用格式:高少泽,权全,魏显贵,等.气候变暖趋势下龙羊峡水库水温结构模拟研究[J].人民黄河,2021,43(9):115-119.
  Simulation Study on Water Temperature Structure of Longyangxia Reservoir Under Climate Warming Trend
  GAO Shaoze1, QUAN Quan1, WEI Xiangui2, WANG Yan3, KOU Xiaomei4
  (1.Xian University of Technology, Xian 710048, China; 2.Huanghe Hydropower Development Co., Ltd., Xining 810008, China;
  3.Changjiang Institute of Survery, Planning, Design and Research, Wuhan 430015, China;
  4.Northwest Engineering Corporation Limited of Power China, Xian 710061, China)
  Abstract: Under the joint action of climate warming and the construction and operation of high altitude reservoir, the appearance of regional climate environment has an obvious effect on the annual variation of river water temperature. Taking the results of multi-year regulating storage reservoirs in the Yellow River upstream of the reservoir as the research object, through the analysis of the correlation between the storage temperature and temperature and on the basis of prototype observation methods, it studied the water temperature changes in the front of the dam and the correlation of natural river water temperature and the temperature change, through the establishment of 3-D temperature models of seasonal changes on the structure of the reservoir water temperature simulation. The results show that the annual change of water temperature in front of the dam is lagging behind the change of air temperature. The construction of Longyangxia Reservoir changes the heat distribution of the river, the surface water body of the reservoir absorbs a lot of heat from June to September, and there is a large temperature gradient between the bottom water body and the surface water body, the water temperature of the upper and lower water bodies is nearly isothermal from October to March of the following year. Because the Longyangxia Reservoir area is in an alpine and cold region, the surface water of the reservoir absorbs less heat during the storage period when the water temperature is stratified and there is no obvious thermocline except for the formation of a large thermocline gradient in the months with the highest temperature.   Key words:  water temperature structure; prototype observation; climate change; Longyangxia Reservoir
  水电站在减排温室气体、应对气候变化、实现水资源优化配置等方面发挥了重要作用[1]。我国地势西高东低,河流众多、落差大,水能资源非常丰富,水能资源可开发装机容量约为6.87亿kW,年发电量约3万亿kW·h,居世界第一[2]。
  气候变化影响天然河道水温和库区水温,温度变化对水生生物的生长、繁殖、生存都会产生一定影响[3]。水电站开发建设在改变河道径流年内和年际分配的同时,改变了水体的年内热量分配,引起水温在流域沿程和垂向上的梯度变化[4]。水体温度垂向差异所形成的热力分层引起水体溶解氧分布改变、底泥营养盐释放等理化过程,以及上下层水流混合、
  对流等现象产生[5-6],水体中这些理化过程和现象随着高坝大库的建设运行而更加明显[7]。针对特大型水库的水热循环,水流水温数值耦合计算得到了广泛应用[8],应用计算得到的数据,辅以实测数据,坝前垂向水温分布特征方面的研究工作得以展开[9]。MIKE3软件在水库低温水下泄对农业生态和水生态影响研究方面的作用不可小觑[10],是目前应用最广泛的水温结构模拟研究软件。本研究中,首先通过原型水温观测方法分析龙羊峡水库水体年内水温结构及下泄水温变化特性[11-12],再应用MIKE3软件建立三维水温模型对库区水温结构的季节性变化进行模拟研究,以探究气候变暖趋势下高海拔水库水温结构变化。
  1 研究区概况
  龙羊峡水库位于黄河上游,于1986年下闸蓄水,总库容247亿m3,调节库容194亿m3,为多年调节水库,多年平均流量为650 m3/s。龙羊峡坝址以上流域面积13.142万km2,气候条件复杂。龙羊峡水电站是黄河上游第一座大型梯级水电站,其流量变化可代表黄河上游水资源状况的变化[13]。
  2 研究方法
  2.1 库区原型观测
  距离龙羊峡坝址最近的上游水文站为唐乃亥水文站,距坝约110 km,唐乃亥水文站以上是黄河上游的主要产流区。唐乃亥水文站径流量占龙羊峡入库水量的90%以上。龙羊峡水库作为黄河上游已建的典型高寒地区大型多年调节水库,在库区、坝前、尾水均布设有水温监测点,已经积累了较长时间的水温监测数据,但是受高寒地区气压低、空气稀薄、昼夜温差大等特殊气候条件影响,库区水温监测属于间歇性监测,间歇周期与水文站同步。基于收集到的坝前水温监测点的长期水温监测数据,垂向上采集高程2 550 m处的温度值作为坝前水温原型监测数据。
  2.2 库区水温模型
  采用丹麦水力研究所开发的MIKE3模型建立库区水温三维数学模型,模型主要包括水动力模块和温盐模块[14-16]。水动力模块通过解算不可压缩流体沿水深积分的雷诺平均Navier Stokes方程模拟河道水深、流速、涡量的沿程变化[14]。在水动力模块基础上,搭建基于MIKE 3FM温盐模块的水库温度场模型,并考虑温度随水流的迁移、扩散和大气热量交换等,计算梯级水库不同调度方案下的温度场。计算范围为龙羊峡坝址至库区回水末端(坝址以上约108 km处),坝前最大水深154 m。为满足计算要求,平面上采用三角形非结构网格布置方案,计算区域总面积346.85 km2,南北方向约53 km,东西方向约60 km。网格边长为50~700 m,网格单元数2 158个,最大单元面积为20万m2;垂向上采用Sigma方法變间距分为30层,每层高度为1~5 m。为更准确模拟流态和水温变化过程,在表面和底部以及发电机引水口位置进行网格加密,见图1。水温模型中水平和垂直方向分别采用不同的紊流模型,水平方向为Smagorinsky模型、垂直方向为k-ε模型[17]。
  结合唐乃亥水文站实测流量数据与上游支流汇流实测流量数据,得到上游入流流量,模型入流边界设置为开边界流入方式,下游边界采用龙羊峡计算水位边界。其他各支流入流采用点源模拟。羊曲天然河道气象数据与龙羊峡库区相近,多年平均水面蒸发量约为1 400 mm,蒸发量按照不同月份分配,并假设多年平均蒸发量不变。
  为率定模型各项参数,模拟龙羊峡水库水动力过程,将计算结果与实测数据相比较得到水位率定曲线,见图2。模型计算得到水位与实测水位最大偏差绝对值不超过0.5 m,相对误差不超过允许误差的5%。为进一步验证模型的合理性和可靠性,比较龙羊峡水库实测水位—库容曲线与模型计算得到的水位—库容曲线,见图3,可以看出二者曲线总体趋势吻合度较高。率定结果表明,模型的精确度达到实际应用要求。
  3 结果与讨论
  3.1 入库水温和气温相关性分析
  入库水温变化是影响库区水温结构的重要因素,因此有必要对库区水温和气温的变化进行分析。基于兴海气象站(距离唐乃亥水文站约18 km)1996—2020年多年平均气温和龙羊峡入库控制站唐乃亥水文站实测水温,分析龙羊峡水库建成后气温的变化以及气温与入库水温之间的相关性。经验模态分解(EMD)具有自适性、后验性,并能对信号进行平稳化处理,在气象要素分析中被广泛应用。集合经验模态分解(EEMD)是针对EMD方法的不足提出的一种噪声辅助数据分析方法[18]。采用EEMD对气温分解后显示,龙羊峡水库建成后库区气温存在周期为3.16~29.87 a的年际波动,研究区气温具有长期升高趋势。经计算,气温相较于水温,具有较高的标准偏差(STD)和均方根(RMS),两者之间相关指数(COR)为0.968。入库水温与气温变化曲线见图4,可以看出,气温和水温均呈较缓慢上升趋势,且水温的变化略滞后于气温。
  3.2 坝前水温和气温相关性分析
  根据资料的完整性和合理性,选取2006—2020年坝前(高程2 550 m)水温、天然河道水温和库区气温的多年平均值分析坝前水温与气温之间的关系。坝前水温的波动幅度最大为9 ℃,且呈现出明显的年内变化,年际变化并不明显,见图5。坝前水温变化呈现出明显的滞后性,且坝前水温的变化幅度远小于天然河道水温和气温的,见图6。天然河道水温以及气温在1—7月持续上升,而坝前水温上升于4月,并于10月结束。坝前水温与天然河道水温以及气温在0.01水平(双侧)上显著相关,确定系数分别为0.850、0.982。   通过对坝前水温数据的分析可以得到,龙羊峡库区呈现夏秋季水温升高、春冬季水温下降的变化规律。入库水温和气温的升高对库区水体产生的影响主要表现在蓄水期的6—9月,在此期间坝前水温上升。10月至次年4月水库拦截了秋季温度较高的来水,水库水温高于天然河道水温和气温。龙羊峡水库回水末端距离坝约108 km,坝前水温变化不足以代表整个库区水温结构的变化情况,为进一步分析龙羊峡水库水温结构变化情况,应对整个库区垂向水温结构进行建模分析。
  3.3 库区垂向水温结构变化
  根据已有水环境、气象、水文资料,将2014年6月至2015年5月作为模拟时段,模拟计算龙羊峡库区垂向水温变化,并对大坝建成前测得的海拔2 538 m处的水温以及唐乃亥水文站水温与模拟计算水温进行比较,以验证水温模型计算结果的准确性。从图7可以看出,水温模拟计算结果与实测水温变化情况一致,该模拟结果是可靠的。
  在对水温模型可靠性验证的基础上,沿河道纵向中心线剖面分析库区垂向水温时空变化,龙羊峡水库典型月份水温年内垂向结构见图8。水库垂向水温结构主要分为混合型、过渡型(水温分层现象较弱)、分层型(水温分层现象明显)3种。龙羊峡4—9月水库库区水温呈稳定分层状态。4月之后受气温和光照影响,水库表面水体温度不断升高,而水深30 m处水温变化不大,为滞温层。此阶段水库水温出现明显分层的原因是,水库表层温度较高,密度较小,难以与下层密度较大的冷水层产生水体交换,受太阳辐射影响随着深度增加水温迅速减小,表层温度高,底层温度低,产生了较为明显的分层。10月至次年3月水库水温在垂直方向上差别不大,近乎等温分布状态,原因是,水库表层水体受气温下降影响密度增大,与下层温度较高、密度较小的暖水产生对流运动,表层较低水温水体可以不断与下层水体交换,使得整个水库的水温趋于均匀。
  龙羊峡水库水温垂向分布见图9。4—9月水温结构为存在明显正向斜温层的分层型,从高程2 552.85 m到水体表面为正向斜温层,温度梯度为0.049~0.160 ℃/m,7月温度梯度达到最大值,但根据对温跃层厚度的定义[6,19](水深≤200 m,温度梯度>0.2 ℃/m),龙羊峡水库在水温分层时期无明显温跃层。1—3月和10—12月,水库垂向水温结构为存在明显逆向斜温层的分层型。龙羊峡水库处于高寒地区,气温年均值较低,年内最高气温不超过17 ℃,库区表层水体吸收热量较少,而且龙羊峡水库坝前蓄水深度较深,一般在150 m左右,水体热传递性能较差,从而造成库区水体上下层温差较小,即使是在水温分层期也无明显温跃层[20]。
  4 结 论
  独特的气候条件和地理位置以及水库特性对龙羊峡水库水温结构产生了重要影响,通过分析入库水温和气温年际变化情况、坝前水温和气温年内变化情况,以及库区水温结构模拟得到以下结论:受气候变暖影响,龙羊峡水库入库控制断面水温和气温均呈上升趋势,而水温年际变幅较小且变化滞后于气温;龙羊峡水库的兴建改变了库区水体的热量分配,水温年内变化和气温相关性较强,坝前水温和气温的变化趋势一致,6—9月表层水体吸收了大量热量,和底层水体之间存在较大的温度梯度并形成温度分层,10月至次年3月上下层水体水温近乎等温状态;龙羊峡水库地处高寒地区,其多年平均气温较低、水库容量大、年内最高气温不超过17 ℃,引起水库表层水体在蓄水期吸收热量较少,难以产生较大的温度梯度,没有形成明显的温跃层。
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