一种水热平衡联合计算方法与流程

本发明涉及水文技术领域，尤其涉及一种水热平衡联合计算方法。

背景技术：

大坝建设是处理人与水的关系的重要工程措施，其具有调蓄时空不平衡水资源、降低洪灾、利用水的势能得到清洁能源——电能等功能，也是维护生态环境的重要途径。人类利用、建造水利工程已有几千年的历史。

在河流上修建大坝形成水库,水库蓄水后带来了发电、防洪、灌溉、航运、旅游等综合效益,但同时由于水库蓄水,将改变库区及大坝下游河段的水文情势和水环境状况,水温是水质因素的一个重要变量,随着许多高坝大库的建成运行，由于水库对径流的调蓄作用和水库水温产生分层现象，水库泄流在一定程度上改变了其下游河流的水温特性，造成其水温与历史同期有所不同，对大坝下游的鱼类产卵有所影响，甚至降低鱼卵成活率，影响河流生态系统的种群结构及生物多样性，进而影响河流生态系统的稳定性。

世界各国都是从本国具体情况出发,开展水温(河流、湖泊、水库等)相应研究.国外主要是基于环境和生态保护、农业灌溉水温要求、大坝温度场计算等需求,开展了大量水库水温的基础理论研究和工程实践.美国和日本在水库水温研究开展较早并取得了较多成果.美国从20世纪30年代初开始研究水库水质水温问题,主要是解决湖泊和水库的富营养化加速问题,以及水利水电工程带来的一系列环境问题(如河道水温和流量的变化,溯河产卵鱼洄游等),进行了系统的水温监测工作；20世纪四五十年代主要研究水温与电站用水的关系、水温与蒸发的关系以及坝工稳定温度场的计算；20世纪六七十年代是美国水温研究取得重大进展的时期,该时期的主要标志是水温研究向数学模型方向发展以及大量分层取水结构的出现；迄今美国在水库水温预测的计算理论和水温数学模型开发应用方面一直处于世界前列.日本的水库水温研究兴于二次世界大战后,主要是解决水电站尾水灌溉造成的水稻减产问题,日本在水温与水稻生长的关系、水库水温分层特性以及分层选择取水结构等方面,开展了大量研究和取得较多成果,日本兴建的分层选择取水结构已被国际大坝会议环境特别委员会作为典型工程推荐.苏联及北欧一些国家早期的水温研究从防冰害开始,二次世界大战后苏联普遍开始了水库水温的实地监测分析工作,水温研究主要集中在大坝稳定温度场的计算方面,从20世纪70年代以后,通过对很多水库的水温、水库与周围空间之间的热交换以及流速等的观测,在此基础上总结水库热状况和水力状况之间的关系,并提出具体的热力计算方法,之后在水库富营养化、分层泄水、水温模型方面等也开展了大量研究.目前国外的环境管理和流域综合管理中,通常把水温作为水质的最主要指标,水温研究的深度和广度在不断继续.

我国水库水温研究多是基于实测资料分析及水库水温结构判别及计算方法研究。水温分层是水库水体的重要特征,不同水库的温度分层结构存在差别.国外通常是采用密度佛汝德数,判别水库温度垂向分层趋势和稳定性,将水库水温结构分为3类:强分层型、弱分层型和混合型.我国通常是根据垂向水温分布的均匀度和库底水温年较差大小,把水库水温结构划分为3种类型:混合型、分层型和界于这两者之间的过渡型.可利用一些经验判别指标来判别水库水温类型,常用的判别方法有库水交换次数α-β法、密度佛汝德数判别法、水库宽深比判别法等。部分学者还从建立水库水温结构类型与其影响因素之间的非线性、多元相关关系出发,分别采用感知器算法、人工神经网络、模糊回归、高斯过程机器学习方法等模式识别方法来判别水库水温结构.总体来说,水库水温结构判别方法都基于一定数量已建水库的实测数据,样本水库的数量、代表性以及数据可靠性等,将直接影响到判别结果的准确性,不同判别方法都不具备普适性,在实际应用中应结合多种判别方法进行综合分析判断.详尽的水库水温空间分布特性和动态变化,可通过不同计算方法来得到常用方法包括有类比法、经验公式法和数学模型法等.

基于实测资料的水温分析多数提出问题，对于如何解决水库对水温的影响缺乏可操作性；水库水温结构判别方法则提出了水库分层的实质，对下泄水温如果实现热量转换，下泄水温的具体数值缺乏预测，在调度运行中缺乏可操作性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种水热平衡联合计算方法，采用水热平衡联合计算方法，根据实测的入库水温，通过计算，得到水库下泄水温。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种水热平衡联合计算方法，包括以下步骤：

1)建立水量平衡方程：

i(t)δt-o(t)δt＝δs(t)(i)

其中，i(t)--t时刻入库流量，m³/s；

o(t)--t时刻出库流量，m³/s；

δs(t)--t时刻水库蓄水量变量，m³；

δt--t计算时间步长，h或d；

2)建立热量平衡方程：

ti(t)i(t)δt-to(t)o(t)δt＝δe(t)(2)

其中，ti(t)--t时刻入库水量平均水温，℃；

to(t)--t时刻出库水量平均水温，℃；

根据(2)式，δt内水库水体的热量变量可表示为：

δe(t)＝∫st(s)ds(t)-∫st(s)ds(t-δt)(3)

其中，t(s)--水库内体积为的水体温度，℃；

s(t)、s(t-δt)--t和t-δt时刻水库蓄水量，m³。

当水库分层现象或呈弱分层，可假定水库内水体混合均匀，各点水温相等，所述δt内水库水体的热量变量可表示为：

δe(t)＝s(t)tr(t)-s(t-δt)tr(t-δt)(4)

式中：tr(t)、tr(t-δt)--t和t-δt时刻水库平均水温，℃；

由式(2)和(4)可导出：

其中，s(t)＝i(t)δt+s(t-δt)-o(t)δt

由此可得出出库水流的水温为：to(t)＝tr(t-δt)

计算时时间步长δt＝1d。

本发明的有益效果为：提供了一种水体热量转化的计算方法，在水库调度同时进行水体热量的计算。首次提出了单位积热的定义，分析水体热量的变化，采用水热平衡联合计算方法，根据实测的入库水温，通过计算，得到水库下泄水温。进而对比出库与入水库水温变化过程，分析水库的调蓄作用对水体热量的改变程度，分析不同水库调度方式对下游水生生物的影响。为生态调度在水体温度方面的实施提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明入库流量和出库流量的对比图；

图2为水库水位变化过程图；

图3为运行前后旬水温变化过程图；

图4为出库与入库旬水温差值图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种水热平衡联合计算方法，包括以下步骤：

基于水库水量平衡方程，提出水库热量平衡方程，建立积热的概念。

首先提出单位积热的定义：某一时刻单位水体体积(m³)与单位水体温度(℃)的乘积，称为单位积热(m³·℃)，代表单位体积水量所携带的热量。例如，若t时刻水量为vm³，水体水温为t℃，则水体的积热为vtm³·℃。

1)建立水量平衡方程：

i(t)δt-o(t)δt＝δs(t)(1)

其中，i(t)--t时刻入库流量，m³/s；

o(t)--t时刻出库流量，m³/s；

δs(t)--t时刻水库蓄水量变量，m³；

δt--t计算时间步长，h或d；

2)建立热量平衡方程：

ti(t)i(t)δt-to(t)o(t)δt＝δe(t)(2)

其中，ti(t)--t时刻入库水量平均水温，℃；

to(t)--t时刻出库水量平均水温，℃；

根据(2)式，δt内水库水体的热量变量可表示为：

δe(t)＝∫st(s)ds(t)-∫st(s)ds(t-δt)(3)

其中，t(s)--水库内体积为的水体温度，℃；

s(t)、s(t-δt)--t和t-δt时刻水库蓄水量，m³。

当水库分层现象或呈弱分层，可假定水库内水体混合均匀，各点水温相等，所述δt内水库水体的热量变量可表示为：

δe(t)＝s(t)tr(t)-s(t-δt)tr(t-δt)(4)

式中：tr(t)、tr(t-δt)--t和t-δt时刻水库平均水温，℃；

由式(2)和(4)可导出：

其中，s(t)＝i(t)δt+s(t-δt)-o(t)δt

由此可得出出库水流的水温为：to(t)＝tr(t-δt)

计算时时间步长δt＝1d。

实施例一

第一步：确定水库的入库点，并实测入库点水温。

选取某水库下游a水文站建坝前实测水温资料作为入库水温资料。采用模型计算建库后下泄水温。

第二步：计算时段确定。计算时时间步长一般δt＝1d。

第三步：水库动态库容计算。具体参数请参阅图1和图2；

第四步：下泄孔位置确定。

第五步：积热计算，水热平衡计算，计算下泄水温。具体参数请参阅图3和图4。

针对某水库，根据水库蓄水量及水温计算的积热，考虑入流积热经水库调蓄后，在相应泄水孔对应下泄水体的积热，进而计算下泄水体温度。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。