水庫生態調度方法和水庫壩前取水位的確定方法
【專利摘要】本發明公開了一種水庫生態調度方法和水庫壩前取水位的確定方法，從水庫中壩前溫躍層的水體取水并將取出的水排至壩下的水體中，從而提高壩前葉綠素排放效率以及提高水庫中表層水體更新率。本發明通過從水庫中壩前溫躍層的水體取水并將取出的水排至壩下的水體中，從而大大增加了水庫中葉綠素的排放速率，那么水庫中即不易發生藻類爆發等事故。本發明可應用于水庫的生態調度。
【專利說明】
水庫生態調度方法和水庫壩前取水位的確定方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及水庫調度技術領域，特別是涉及一種水庫生態調度方法和水庫壩前取 水位的確定方法。
【背景技術】
[0002] 水庫在為人類帶來經濟與社會效益的同時，也對河流生態系統產生了一定的負面 影響。針對傳統水庫調度對生態環境重視不夠的問題，水庫生態調度是減少建庫帶來的不 利影響、維護河流健康、促進人水和諧、維持水資源的可持續發展的有效措施。
[0003] 目前大多數水庫將取水口設置在大壩的底層，即將壩前水體底層的水引出穿過大 壩至壩下，以用于發電、灌溉等用途。然而，在水庫中，葉綠素的濃度從水體表層向底層逐漸 遞減，當取水口在大壩底層時，葉綠素排放不及時，極有可能引起水庫中藍藻爆發。
【發明內容】
[0004] 為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種水庫生態調度方法，能夠有利于 葉綠素的快速排放。
[0005] 本發明所采用的技術方案是：
[0006] -種水庫生態調度方法，從水庫中壩前溫躍層的水體取水并將取出的水排至壩下 的水體中，從而提高壩前葉綠素排放效率以及提高水庫中表層水體更新率。
[0007] 作為本發明的進一步改進，排至壩下的水體用于發電和/或灌溉。
[0008] 本發明還提供一種水庫壩前取水位的確定方法，其采用的技術方案是：
[0009] 一種水庫壩前取水位的確定方法，通過建立三維水動力模型和進行有限元分析， 對比相同的來水條件和下泄流量下，在不同水深取水時葉綠素的排放速率，來確定將取水 深度定在水庫壩前的水體溫躍層。
[0010]作為本發明的進一步改進，根據實際水庫的邊界和地形，建立三維水動力模擬網 格，將三維水動力模型在高度方向上分為多個水層，對每個水層進行分析。
[0011] 作為本發明的進一步改進，對取水位置的水體更新率進行分析，其包括對每個水 層流速進行斷面平均，得到壩前流速垂向分布，根據垂向流速突變點作為流速分界。
[0012] 作為本發明的進一步改進，對水層葉綠素排放速率進行分析，其包括選取壩前斷 面為每層葉綠素出庫分析斷面，分析每層葉綠素出庫量。
[0013] 作為本發明的進一步改進，對不同水深取水的灌溉效益進行分析，包括根據水溫 實測及數值模擬結果，結合水稻生長周期及其對水溫要求分析產量。
[0014] 本發明的有益效果是:本發明通過從水庫中壩前溫躍層的水體取水并將取出的水 排至壩下的水體中，從而大大增加了水庫中葉綠素的排放速率，那么水庫中即不易發生藻 類爆發等事故。
【附圖說明】
[0015] 下面結合附圖和實施方式對本發明進一步說明。
[0016] 圖1是底層取水概念模型圖；
[0017] 圖2是溫躍層取水概念模型圖；
[0018]圖3是三維水動力模擬網格示意圖；
[0019]圖4是邊界流量條件示意圖；
[0020]圖5是壩前lkm流量計算結果示意圖；
[0021 ]圖6是壩前lkm水位計算結果示意圖；
[0022]圖7是葉綠素濃度監測結果示意圖；
[0023]圖8是底層取水壩前200m流速垂向分布圖；
[0024]圖9是溫躍層取水壩前200m流速垂向分布圖。
【具體實施方式】
[0025]以下以臺州長潭水庫作為實施例對生態調度方法及取水位確定方法進行說明，當 然，其他類型的水庫亦可以采用這些方法來實現。
[0026] 1、生態調度概念模型
[0027]以該水庫2013年7月4日監測結果為例，根據當日水庫根據結果顯示葉綠素濃度垂 向分布與透光率、溫度、pH值和溶解氧具有較好的對應關系，均表現為濃度從表層向底層逐 漸遞減。根據連續方程控制原理，在理想條件下，水庫取水口層位流速較大，遠離取水口層 位流速較小，由此可見水庫取水位置的不同將引起同一層位葉綠素及營養物質的排放速率 不同。結合長潭水庫實測葉綠素及水溫垂向分布情況，建立概念模型如圖1和圖2所示。參考 圖1，當水庫從底層取水時，底層水體流速較表層水體高，取得為底層低溫水且排放水體葉 綠素含量較低;參考圖2，水庫從表層取水時，表層水體流速和更新率均比底層水體高，下泄 水體多為高溫水且排放水體葉綠素含量較高。由此可從概念模型看出表層取水方案，尤其 是在溫躍層取水更有利于葉綠素的排放從而減少藍藻爆發的風險。
[0028] 2、生態調度模型
[0029] 根據概念模型的設計，結合長潭水庫狹長型的形態特征，將水庫概化成狹長型矩 形水池，作為調度分析的理想模型。針對理想模型建立三維水動力模型，對比在相同的來水 條件和下泄流量下，不同層位(溫躍層和底層)取水葉綠素的排放速，確定采用溫躍層取水 方式作為生態應急調度方案優越性。
[0030] 1)模型介紹
[0031]三維水動力模型采用Delft3D模型進行模擬。模型控制方程由描述流速場、水位場 及溫、鹽場的環流模式組成，應用的前提基于兩個假設:流體靜力學假定和Boussinesq近 似。
[0032] ①控制方程
[0033]假定直角笛卡爾坐標系統為X正方向向東，y正方向向北，z正方向向上。自由水表 面在Z = 0(x，y，t)，床底在ζ = -Η(Χ，7)。，為水平流速矢量，其分量為(U，V，W)，▽為水平梯度 算子。
[0034] 連續方程
[0041 ]其中Po為參考密度，P為當地密度，g為重力加速度，P為壓力，Km為垂向渦動粘性系 數，KH為水平渦動粘性系數，f為科氏系數。
[0042] 水質方程：
[0044] 式中，其中s為污染物濃度，Ah為擴散系數，Sq為源或匯。
[0045] ②模型求解
[0047] 邊界條件:計算區域的邊界分為固壁邊界和水邊界兩種類型。在固壁邊界上給定 滑移邊界條件，即：
[0048] v ·/?' = () (1-8)
[0049 ] 其中f為流速矢量，5為邊界法向單位矢量。
[0050]采用建立在正交曲線網格上的2.5階閉合湍能模式與亞網格技術，以有限差分法 進行離散求解，該方法的優點是能適應復雜邊界地形，且收斂速度快，計算精度高。
[0051 ] 2)計算范圍
[0052]根據長潭水庫的邊界和地形，計算范圍為水庫壩前5km。三維水動力模擬網格如圖 3所示。模型垂向上分14層，1-4層層厚為水深的2%，5-8層層厚為水深的8%，9-14層層厚為 水深的10 %。
[0053] 3)邊界條件
[0054]模型計算設置三個開邊界，如圖4所示，根據水庫記錄的入庫流量和三個開邊界分 別對應的上游集雨面積，按比例計算出開邊界的流量，作為開遍界輸入條件，壩址邊界以水 庫調度時的下泄流量作為輸入條件，各邊界輸入條件如圖4所示。其中，溫度輸入條件為水 質測量所測得的溫度，根據測量值插值所得。
[0055] 4)模型驗證
[0056]在對設置方案進行模擬前，采用圖4為模型驗證模擬輸入條件，壩前lkm流量和庫 水位計算結果如圖5、圖6所示。從計算結果分析可知，流量實測值與計算值的平均誤差為 2.50%，水位實測值與計算值的平均誤差為0.01m，計算結果可信。
[0057] 3、調度方案
[0058]根據長潭水庫水質監測結果，葉綠素及營養鹽垂向分布結構為表層向底層遞減， 提出溫躍層取水的調度方式，與底層取水的調度方式進行對比，從溫躍層水體的更新率、壩 前水體水齡及營養鹽和藻類的排放速率等方面可以毫無疑義的確認溫躍層取水調度方案 具有很強的優越性。兩調度方案如表2所示(方案一位底層取水，方案二位溫躍層取水）。 [0059] 表1長潭水庫調度對比
[0061] 4、調度效果分析
[0062] 1)水體更新率分析
[0063]結合生態調度模型的數值模擬結果，對每層位流速進行斷面平均，得到壩前200m 流速垂向分布圖（以多年平均流量為例）。根據垂向流速突然變點作為表底層流速分界，方 案一表層流速為0.0015m/s，底層平均流速為0.0067m/s，底層流速為表層流速的4.5倍，如 圖8所示;方案二表層平均流速為0.0077m/s，底層流速為0.0012m/s，表層流速約為底層流 速的6.4倍，如圖9所示;從分析結果可知，溫躍層取水方案(方案二)大大提高了表層水體的 更新率，同時加快表層營養鹽和藻類的迀移與下泄。
[0064] 2)水庫葉綠素排放速率分析
[0065]根據實測污染物垂向分布結果，2013年7月表層葉綠素高達13.6mg/m3,超過了富 營養化的標準(>7mg/m3)，且表底層濃度差比較明顯，水深10m以下葉綠素濃度較低，其垂向 變化過程與2011年5月在長潭水庫測量結果相似。從安全角度考慮，此處采用監測過程中葉 綠素濃度監測結果較大的垂向斷面(2013年7月4日監測結果，圖7)作為水庫葉綠素垂向分 布代表，分析不同方案對同一垂向結構葉綠素的排放速率，選取壩前200m斷面流速為垂向 流速分布，時間t內葉綠素排放量為該時間內葉綠素通過該斷面的質量總和：
[0066] ///vn(y,z,t) · C(z)dydzdt (1~9)
[0067] t時間內通過該斷面的流量總和為：
[0068] ///vn(y,z,t)dydzdt (1~10)
[0069] 其中，vn(y,z ,t)為網格(y,z)在t時刻垂直于斷面的流速分量，C(z)為z層位葉綠 素的濃度，此處采用的葉綠素為每層的斷面平均值，水深超過12米的葉綠素以12米濃度計 算。各典型年份兩工況情況下，葉綠素排放速率如表2所示。從計算結果上看到，同樣的水文 條件下，采用同樣的調度下泄量，溫躍層取水葉綠素顯然比底層取水葉綠素排放速率高。
[0070] 從葉綠素排放速率分析結果可知，問月取水葉綠素排放速率是底層取水排放速率 2.5倍。(P代表水庫內藻類爆發的頻率的年份）
[0071] 表2各典型年份葉綠素排放速度對比表單位:kg/d
[0074] 3)不損失水量調度分析
[0075]以水庫多年平均來水量（55.59m3/s)為入庫設置流量，以多年平均流量的10% (5.56m3/s)作為調度最小下泄流量;兼顧發電效益，非泄洪情況下采用機組最大過流流量 為（168.4m 3/s)應急調度的最大下泄流量。根據2011年長潭水庫水質現狀調查情況，以葉綠 素中度富營養化的下限值(3mg/m 3)為庫尾葉綠素入庫濃度。采用公式5-9計算出每個小時 排放的葉綠素總量，并按排放比例計算該小時調度后葉綠素垂向濃度分布，作為下一小時 的濃度初值，直至葉綠素濃度垂向最大值達中度富營養化情況為止(葉綠素濃度<7mg/m 3)。
[0076] 根據監測結果，結合數值模擬情況，下泄水體葉綠素濃度比入庫水體葉綠素濃度 高，在同一天內下泄水量與入庫水量相等的情況下，問月層取水調度使水庫水體葉綠素濃 度不斷降低，在保證下游5.56m 3/s生態流量下，增大前期逐時的下泄流量可達到加速葉綠 素排放的效果，水庫由監測現狀富營養化到中度富營養化所需要的時間如表3所示。由此可 見，一天內排放的總水量一定的情況下，前期流量越大，葉綠素排放速率越快。
[0077] 表3不損失水量調度葉綠素排放速率表
[0080] 5、調度方案效益及合理性分析
[0081 ] 1)、灌溉效益分析
[0082] 根據水溫實測及數值模擬結果，底層取水的方式，取得為低溫下泄水，本調度方案 溫躍層取水方式，取得為表層高溫水。表4為水稻生長周期及其對水溫要求。夏季為水稻的 孕穗期和成熟期，根據監測結果，夏季底層水溫為20~22°C，水深2m處水溫為25~31°C。研 究成果表明，水稻在適宜水溫下孕穗，實顆數增加了7.7粒/穗，稻谷更飽實，千粒重增加了 0.6g，結實率提高3.9 %。以龍粳水稻為例，在適宜水溫下孕穗產量為646kg/畝，在不適宜水 溫下孕穗產量為539kg/畝。由此可見，若長期采用水庫表層下泄低溫水進行水稻灌溉，更有 利于水稻生長，其增產率可達16.56%。
[0083] 表4水稻生長周期及其對水溫要求
[0086]以上所述只是本發明優選的實施方式，其并不構成對本發明保護范圍的限制。
【主權項】
1. 一種水庫生態調度方法，其特征在于：從水庫中壩前溫躍層的水體取水并將取出的 水排至壩下的水體中，從而提高壩前葉綠素排放效率以及提高水庫中表層水體更新率。2. 根據權利要求1所述的水庫生態調度方法，其特征在于：排至壩下的水體用于發電 和/或灌溉。3. -種水庫壩前取水位的確定方法，其特征在于:通過建立三維水動力模型和進行有 限元分析，對比相同的來水條件和下泄流量下，在不同水深取水時葉綠素的排放速率，來確 定將取水深度定在水庫壩前的水體溫躍層。4. 根據權利要求3所述的水庫壩前取水位的確定方法，其特征在于:根據實際水庫的邊 界和地形，建立三維水動力模擬網格，將三維水動力模型在高度方向上分為多個水層，對每 個水層進行分析。5. 根據權利要求4所述的水庫壩前取水位的確定方法，其特征在于:對取水位置的水體 更新率進行分析，其包括對每個水層流速進行斷面平均，得到壩前流速垂向分布，根據垂向 流速突變點作為流速分界。6. 根據權利要求5所述的水庫壩前取水位的確定方法，其特征在于:對水層葉綠素排放 速率進行分析，其包括選取壩前斷面為每層葉綠素出庫分析斷面，分析每層葉綠素出庫量。7. 根據權利要求5所述的水庫壩前取水位的確定方法，其特征在于:對不同水深取水的 灌溉效益進行分析，包括根據水溫實測及數值模擬結果，結合水稻生長周期及其對水溫要 求分析產量。
【文檔編號】G06F17/50GK106096147SQ201610423100
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610423100.4, CN 106096147 A, CN 106096147A, CN 201610423100, CN-A-106096147, CN106096147 A, CN106096147A, CN201610423100, CN201610423100.4
【發明人】劉麗詩, 劉斌, 黃鶴, 廉浩, 鄧偉鑄, 葛曉霞, 吳浩東, 王麗, 楊曉靈, 聞平, 姜海萍, 朱遠生, 劉威, 王旭濤
【申請人】珠江水資源保護科學研究所