一种狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法
【专利摘要】一种狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法，其包括：(1)判别所测水库是否属于高坝狭长河道型水库，是则执行步骤(2)，否则执行步骤(7)；(2)建立准三维计算网格模型，所建模型反映实际库容、水位、河道偏转角信息；(3)分析实地监测资料，处理四种类型边界条件，准备计算文件；(4)利用实测来流流量、来流温度、气象数据及坝前水温实测值数据对蓄水阶段、水体初步稳定阶段和长期运行阶段的水动力学参数进行反演，确定不同阶段的参数；(5)通过有限元建模方法，根据流固耦合的思路分析底部淤积部分的温度场；(6)得到不同位置的温度值，预测以下四种情况：调度工况预测、极端工况预测、短期预测和长期预测；(7)结束。
【专利说明】
一种狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法
技术领域
[0001] 本发明属于水库水温测量的技术领域，具体地涉及一种狭长河道型水库全生命周 期温度场研究方法，其能够准确预测狭长型河道上水库库区水温时空分布，适用于初步设 计阶段、大坝初次蓄水阶段和长期运行阶段全生命周期的水体温度场模拟。
【背景技术】
[0002] 从以下两个方面对本发明的背景进行介绍：
[0003] (1)人工修建的水库可按照三个方向的对流扩散特点分为两大类。
[0004] 第一类水库为类天然湖泊型，与天然的湖泊有较大的相似性。其主要特点是大坝 上游库面开阔，水位壅高使库区左右岸宽度明显增大，库区平面近似圆形，坝高一般不超过 150m，典型例子如南湾湖水库、丹江口水库等，水体在水平沿河向和横河向的对流扩散基本 无差别，温度场沿这两个方向均匀传播，只在垂向沿深度方向会有较大差别，国内外多座相 似类型的水库的调研结果也显示，其水平各方向同一高程的温度基本无变化。
[0005] 第二类水库为高坝狭长河道型，也是本发明重点研究的类型，该类型水库主要集 中在西南地区的金沙江、雅砻江、怒江、大渡河等河流上。其主要特点是坝高较高，河道呈U 型，河谷陡峭，宽高比小于3,库区水面宽度与坝宽相近，向上游延伸较远，且年径流量分配 不均，汛期径流量较大，纵向混掺明显，其水动力学特性与第一类型水库有明显的区别。进 入二十一世纪以来，大规模建设的混凝土高拱坝，如小湾、溪洛渡等巨型电站就是此类水库 的典型代表，到目前为止，国内外坝高200m以上的第二类型水库有33座，这些都是关乎国计 民生的重大工程。
[0006] (2)国内外水库水温相关研究成果并不能完全适应第二类型水库水温计算的要 求。
[0007] 进入21世纪以来，中国进入高坝建设的黄金期，国内从上世纪九十年代以来也进 行了大量的研究，主要为可行性研究阶段中工程的设计服务。在这个阶段中，朱伯芳(大体 积混凝土温度应力与温度控制，中国电力出版社，2003，使用经验公式法预测水温）、蒋红 (水库水温计算方法探讨，水力发电学报，1999,提出数值模拟水温的计算思路）、邓云(大型 深水库的水温预测研究，四川大学博士论文，2003，提出基于k-e模型的立面二维浮力流模 型）、胡平(水库水温数值预测方法，水利学报，2010,基于对多个水库水温的调查分析及预 测研究，总结出水库水温的一维垂向数值计算方法)等人，针对高坝大库的水温分布做了大 量研究，但是都仅限于满足大坝建设设计阶段可行性研究的需要，不能实现从开始蓄水到 长期运行的全生命周期中水库水体温度动态变化过程中的水温模拟和预测。
[0008] 国外方面，近三十年世界上已建和在建的第二类型水库中，能够同时满足坝高 200m以上，且库容超过50亿立方米这两个条件的水库，除1985年竣工的埃尔卡洪水库之外， 其余全部位于中国境内。虽然国外在水动力学和水环境领域的研究和软件开发中起步较 早，但是主要针对的是中小型水库、河道或者海湾中的问题，对于第二类型水库由于缺乏实 际的工程支撑，多年来基本没有较大发展，或者相关研究成果不能用于水深在200m以上的 水库中的应用。
[0009] 已有方法在计算狭长河道型水库时存在以下不足:①经验公式法考虑因素较少， 无法反映水库的特殊性;②一维算法忽略沿河向的水流波动，能够满足第一类型水库的计 算，但是与第二类型水库实际的水体运动过程相差较大;③对于典型的第二类型水库而言， 完全适用于二维横向平均的假设，但是二维算法的湍流模型多种多样，不同模型计算出来 的结果相差几十倍，因而未经过多年运行后实际测量结果的校验和改进，模型的可信度较 低；④狭长河道型水库一般延伸上百公里，三维算法无法针对性的在纵向和垂向上增加网 格的密度，从而无法保证计算的精度，同时相对于二维算法而言，三维算法不能更有效的控 制数值耗散，当进行多年长时段的模拟时会产生较大误差。本发明在水动力学基本方程的 基础上，将横向变量进行简化，结合典型工程近几年运行的现场实测值对湍流模型进行校 正和改进，引入四参数的湍流模型，在同类水库中应用，精度较高。
[0010] 基于这样的不足，本专利中有对较深水体进行专门的归纳分析，首先是边界条件 的划分更为准确和详细，其次是在计算公式中引入四个水动力学参数，能够满足不同深度 和不同蓄水阶段计算的要求。
【发明内容】
[0011] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种狭长河道型水库全生 命周期温度场研究方法，其适应狭长形河道上高库大坝水深一般在200m以上的特点，能够 准确预测狭长型河道上水库库区从初期蓄水到长期运行各阶段的水温时空分布。
[0012] 本发明的技术解决方案是:这种狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法，其 包括以下步骤：
[0013] (1)判别所测水库是否属于高坝狭长河道型水库，是则执行步骤(2)，否则执行步 骤(7);
[0014] (2)根据河道地形资料建立能反映库区长度、河道宽度和深度且能够满足有限差 分方法计算需要的准三维计算网格模型，同时所建模型要真实反映实际库容、水位、河道偏 转角信息；
[0015] (3)分析实地监测资料，处理四种类型边界条件，准备计算文件；
[0016] (4)利用实测来流流量、来流温度、气象数据及坝前水温实测值等数据对蓄水阶 段、水体初步稳定阶段和长期运行阶段的水动力学参数进行反演，确定不同阶段应选取的 参数；
[0017] (5)通过有限元建模方法，根据流固耦合的思路分析底部淤积部分的温度场；
[0018] (6)得到得到整个库区温度时空分布结果，分析不同阶段演化规律，并根据调度运 行安排进行反馈仿真并预测未来水温变化情况，预测以下四种情况:调度工况预测、极端工 况预测、短期预测和长期预测；
[0019] (7)结束。
[0020] 本发明判别所测水库属于高坝狭长河道型水库后，建立准三维计算网格模型，处 理四种类型边界条件，准备计算文件，利用实测数据做参数反演，确定该河段上水动力学参 数，辅助有限元建模方法，根据流固耦合的思路分析底部淤积部分的温度场，根据调度运行 安排进行反馈仿真并预测未来水温变化情况，因此适应狭长形河道上高库大坝水深一般在 200m以上的特点，能够准确预测狭长型河道上水库库区从初期蓄水到长期运行各阶段的水 温时空分布。
【附图说明】
[0021] 图1示出了水库坐标系；
[0022] 图2示出了水的密度随温度变化曲线；
[0023]图3是水温横向分布图（横轴对应关系为1-6#坝段，2-10#坝段，3-16#坝段，4-22# 坝段，5-27#坝段）；
[0024] 图4是模型与实际情况库容-高程对比图；
[0025] 图5示出了近年水文站出入库流量实测值；
[0026]图6示出了 374m典型高程监测值与计算值对比；
[0027]图7示出了 474m典型高程监测值与计算值对比；
[0028]图8示出了 546m典型高程监测值与计算值对比；
[0029] 图9示出了实测值、规范法、一维数值计算法与本文方法对比；
[0030] 图10是根据本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0031] 如图10所示，这种狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法，其包括以下步骤：
[0032] (1)判别所测水库是否属于高坝狭长河道型水库，是则执行步骤(2)，否则执行步 骤(7);
[0033] (2)根据河道地形资料建立能反映库区长度、河道宽度和深度且能够满足有限差 分方法计算需要的准三维计算网格模型，同时所建模型要真实反映实际库容、水位、河道偏 转角信息；
[0034] (3)分析实地监测资料，处理四种类型边界条件，准备计算文件；
[0035] (4)利用实测来流流量、来流温度、气象数据及坝前水温实测值等数据对蓄水阶 段、水体初步稳定阶段和长期运行阶段的水动力学参数进行反演，确定不同阶段应选取的 参数；
[0036] (5)通过有限元建模方法，根据流固耦合的思路分析底部淤积部分的温度场；
[0037] (6)得到得到整个库区温度时空分布结果，分析不同阶段演化规律，并根据调度运 行安排进行反馈仿真并预测未来水温变化情况，预测以下四种情况:调度工况预测、极端工 况预测、短期预测和长期预测；
[0038] (8)结束。
[0039]本发明判别所测水库属于高坝狭长河道型水库后，建立准三维计算网格模型，处 理四种类型边界条件，准备计算文件，利用实测数据做参数反演，确定该河段上水动力学参 数，辅助有限元建模方法，根据流固耦合的思路分析底部淤积部分的温度场，根据调度运行 安排进行反馈仿真并预测未来水温变化情况，因此适应狭长形河道上高库大坝水深一般在 200m以上的特点，能够准确预测狭长型河道上水库库区从初期蓄水到长期运行各阶段的水 温时空分布。
[0040]优选地，所述步骤(1)中判别所测水库是否属于高坝狭长河道型水库，根据中国大 坝协会的公布数据。
[0041]优选地，所述步骤(2)通过水动力学问题横向平均解法组合方程和水库水体统一 方程建立准三维计算网格模型，以上构成了本问题的基本解决方法。该方法与水平和垂向 紊流粘性系数及水平和垂向紊流温度扩散系数有关，称之为四参数水动力学数学模型， [0042]水动力学问题横向平均解法组合方程为公式(1)
[0044]水库水体统一方程为公式(2)
[0046] 其中x为水平沿河向的方向，y为水平横河向的方向，z为沿深度方向的方向，U为变 量水平流速、W为垂向流速、P为密度、〇为浓度、T为温度、P为压强、B为河道宽度、s为某时刻 该坐标系对应的水面高程，Ax、Az分别为水平和垂向紊流粘性系数，Tx、Tz分别为水平和垂 向紊流温度扩散系数，t x为水体剪切力。
[0047] 优选地，所述步骤(3)中四种类型边界分别是上游入流边界、大坝边界、水面边界 和底部边界，各类边界条件的处理方法分别为：
[0048]上游入流边界的表达式为公式(3)_(4)
[0051]大坝边界的表达式为公式(5)
[0052] Qout = a AhPHY (5)
[0053] 其中，a、P、丫为经验系数，Ah为水面与取水口之间的高程差，H表示电站引水口开 度；
[0054] 水面边界的表达式为公式(6)
[0055] Hs = S+L+B+E+C (6)
[0056] 其中，短波太阳辐射S表示为公式(7)
[0057] S = B 0SC(1 - 0.65cf) (7)
[0058] 0为水面吸收系数，(i) sc为晴天无云层遮蔽时的太阳辐射能，根据经炜度自动计算； Cc为天空被云遮盖的百分数，通过实际的云量换算，对于气象资料不足的地区，根据经验公 式计算；
[0059] 短波除作用在表面之外，还穿透水体被吸收，沿水深方向的表示为公式(8)
[0060] S(z) = (l-0)Se-nz (8)
[0061] 其中，n为消光系数；
[0062] 长波辐射水面吸收的大气辐射能L表示为公式、（9)
[0063] L = 0.97 t 〇 (ra + 273)4(1 + 0.17cr2) (9)
[0064] e为大气平均辐射能，〇为Stefen-Boltzmann常数，Ta为空气温度;水体表面逆辐射 B通过公式(10)计算
[0065] B = e〇(Ta+273)4 (10)
[0066]蒸发散热E表示为公式（11)
[0067] E = f(ff)(es-ea) (11)
[0068] f(W)为蒸发风速影响函数，是关于风速W的函数，es为饱和蒸汽压，e a为大气蒸汽 压；
[0069] 表面与空气之间的热交换C表达为公式（12)
[0070] C = cf(ff)(Ts-Ta) (12)
[0071] Ts为水表面温度，c为Bowen系数。
[0072]底部边界的表达式为公式（13)
[0073] Hb = Kb(Tb-Tw) (13)
[0074] Kb为热交换系数，调整范围根据实际情况确定，Tb为底部岩基温度，
[0075] Tw为底部水体温度。
[0076]优选地，所述参数反演是将步骤(3)中的计算文件按照气象站和水文站的实测值 填写，由此得出的不同高程的计算结果与实测温度计相应位置的温度对比，如果峰值大小 或者趋势不满足实际情况，调节水平和垂向紊流粘性系数Ax、Az，水平和垂向紊流浓度扩散 系数Tx、Tz，曼宁系数，及步骤(3)中涉及各个边界的参数，并带入重新计算，得出与实际规 律相符的计算结果，将此参数保存用于未来的预测，同时还可以将参数推广至同类型的其 他水库。
[0077]优选地，所述步骤(5)中，通过有限元建模方法获得用于固体有限元计算的地基_ 堆渣-坝体-库水的模型。
[0078]优选地，所述步骤(6)中调度工况预测：在调度发生之前进行预期模拟，模拟调度 发生后的有利或者有害变化，根据调度时间安排和库容变化量来填写控制文件和动态输入 文件，同时根据近期的天气情况来填写气象资料文件，在此基础上进行计算；极端工况预 测:在特殊年份在最冷月和汛期到来前进行极端工况的模拟，根据该年内的气象条件和当 地气象站和水文站的多年数据，选择五十年一遇、百年一遇或者千年一遇的标准进行计算 文件的填写，通过增大输入文件中的流量信息来模拟极端流量的情况;短期预测:根据当地 未来七日的天气预报进行短期预测;长期预测:长期预测分为一年预测和多年预测，一年预 测的输入信息根据上一年份的资料来确定，多年预测根据实际情况，参照当地多年平均气 温、流量、入流温度来确定。
[0079] 以下更详细地说明本发明：
[0080] 步骤1，首先按照上文所述判别是否属于第二类型水库，然后，根据河道地形资料 建立能反映库区长度、河道宽度和深度且能够满足有限差分方法计算需要的准三维计算网 格模型，同时所建模型要真实反映实际库容、水位、河道偏转角等信息；
[0081] 步骤2,分析实地监测资料，处理四种类型边界条件，准备计算文件；
[0082] 步骤3,利用实测来流流量、来流温度、气象数据及坝前水温实测值等数据对蓄水 阶段、水体初步稳定阶段和长期运行阶段的水动力学参数进行反演，确定不同阶段应选取 的参数；
[0083] 步骤4,辅助有限元建模，根据流固耦合的思路分析底部淤积部分的温度场；
[0084] 步骤5,得到得到整个库区温度时空分布结果，分析不同阶段演化规律，并根据调 度运行安排进行反馈仿真并预测未来水温变化情况，可预测以下四种情况:调度工况预测、 极端工况预测、短期预测和长期预测。
[0085]进一步，步骤1中，判断第二类型水库的方法见表1所示：
[0088] 表 1
[0089] 步骤2中，计算网格指有限差分方法的计算区域，首先要确定坐标系，采用笛卡尔 坐标系，一般将水平沿河向定为x方向，水平横河向定为y方向，沿深度方向定为z方向，网格 长度在〇. 5~5km之间，深度方向每段0.5~5m之间，宽度可根据实际情况来定，具体网格见 附图1。将变量水平流速U、垂向流速W、密度P、浓度〇、温度T、压强P、河道宽度B、水平和垂向 紊流粘性系数Ax、Az，水平和垂向紊流温度扩散系数Tx、Tz、水平剪力。河道偏转角即河道的 走向。
[0090] 将三维流动的动量方程进行横向平均得到如下基本方程：
[0092]等式左边第一项表示水平时间变化率，第二、三项分别是x和z方向的对流项，等式 右边第一项表不水平方向压力梯度，第二项表不水平向动量分量，最后一项表不剪应力分 量。
[0093]将方程(14)进行推广可得到物质的输运方程(15):
[0095]式子中，第二、三项表示流体的对流，第四、五项表示流体的扩散，等式右边表示外 部的源和汇。对于能量的传播和扩散而言，同样适用于物质的对流扩散规律，浓度的单位为 m〇l/m 3,热量的通量同样可表示为pcT，即密度、比热容和温度乘积，单位为J/m3,因此可将方 程(15)改写为方程(16)来表示温度的扩散：
[0097] Z方向的压力梯度仅考虑水压，
(17)
[0099] 对水库而言，密度是随温度变化很重要的量，垂向的密度梯度直接影响着水库的 分层，在高寒地区冬季库底温度在4°c左右，如附图2所示，主要是因为4°C的水密度最高。
[0100] 密度与温度、溶解物浓度等有关，溶解物浓度的因素影响较小可忽略，表达式如 下：
[0101] p = 999.8452594+6.793952 X 10-2T-9.095290 X 10-3T2+1.001685 X 10-4T3- 1 ? 120083 X 10-6T4+6 ? 536332 X 10-9T5 (18)
[0102] 为保证流体的质量守恒，同样沿横向平均后得到连续性方程(19)，
(19)
[0104]在附图1的计算网格区域内，需先定出自由水面，可通过垂向积分将水体联系起 来， (20) (21)
[0106]其中，第一项通过莱布尼茨积分法则变形得到：
[0108]第二项积分得到：
[0113]合并，消去其中偏导为零的项整理得，
(22)
[0115] 以上的方程中，方程(14)表示水体的动量方程，在横河向平均的前提下，保证了在 狭长河道上沿河流流向和垂向的真实流动状态;方程(15)和（16)分别为浓度和温度扩散方 程，能够表现出计算区域内浓度和温度的扩散规律;方程(18)为密度状态方程，能够在水体 中反映密度梯度的变化，这也是大型水库水体分层的重要驱动力之一;方程（19)为连续性 方程，保证了水体的连续性和整个库区计算过程中的质量守恒;方程(22)为自由水面方程， 能够使水位变动的情况下计算依然能够进行，从而能够模拟水库从蓄水初期开始全过程的 模拟。这六个方程为所有计算的基本方程，描述了水体内部物质和能量的交换，同时考虑了 外部能量的流入，接下来尝试对该问题进行差分求解。
[0116] 对方程14,采用时间向前差分，可得到：
(23)
[0118]式中，
[0120]接下来将式子沿垂向积分处理，
[0122]将上式右边第二项也沿垂向积分，得到整体切应力的定解，
[0124]将方程(21)和方程(22)各项合并整理后，可得到如下方程：
[0126] 统一后的方程，充分反映了水体的物质和能量扩散规律及水温引起的密度梯度的 变化，同时能够配合四类边界条件在不规则水体上进行离散求解，从而满足计算的基本要 求。
[0127] 步骤3中，四类边界分别是上游入流边界、大坝边界、水面边界和底部边界，其中前 三类边界在一般的水动力学问题中研究的较多，在第二种类型的水库中库水较深的情况 下，第四类边界也需要着重考虑。
[0128] 第一类边界主要定义来流的流量和温度，通过读取相应的文件进行定义，在水库 第一类边界的网格上根据坡度、河宽和水平向该段的长度进行转换，得到网格上某时刻的 流速，表达式如下：
[0131] 第二类边界需要考虑出流的类型，大坝的出水口主要有底孔、中孔、电站引水、溢 流堰、泄洪洞等，对于第二类型水库多为高拱坝的情况而言，电站引水和中孔是主要的出流 方式，上述两种主要出流模式与电站引水口中心到水面的高程、引水口开启情况及经验参 数有关。，可用下式来表示：
[0132] Qout = a AhPHY
[0133] 其中，a、P、Y为经验系数，Ah为水面与取水口之间的高程差，H表示电站引水口开 度。
[0134] 第三类边界条件是较为复杂的边界，主要包括短波辐射S、长波辐射L、表面逆辐射 B、蒸发散热E、水面热交换C等因素，表面热交换总量H可表示为：
[0135] Hs = S+L+B+E+C
[0136] 其中，短波太阳辐射S可表示为：
[0137] S = ^ (psc(l ~ 0.65c|)
[0138] 0为水面吸收系数，(i)s。为晴天无云层遮蔽时的太阳辐射能，根据经炜度自动计算； Cc为天空被云遮盖的百分数，可通过实际的云量换算，对于气象资料不足的地区，也可以根 据经验公式计算。
[0139] 短波除作用在表面之外，还能穿透水体被吸收，沿水深方向的可表示为：
[0140] S(z) = (l-0)Se，z
[0141] 其中，n为消光系数。
[0142] 长波辐射水面吸收的大气辐射能表示为：
[0143] L 二 0.97 i (j (Ta + 273)4(1 + 0,17cl?)
[0144] e为大气平均福射能，g为Stefen-Boltzmann常数，Ta为空气温度。
[0145] 水体表面逆辐射可通过下式计算：
[0146] B = e〇(Ta+273)4
[0147] 式中参数同上。蒸发散热由风速、饱和蒸汽压和大气蒸汽压决定，可表示为
[0148] E = f(ff)(es-ea)
[0149] f(W)为蒸发风速影响函数，是关于风速W的函数，es为饱和蒸汽压，e a为大气蒸汽 压。
[0150] 表面与空气之间的热交换与温差和表面的风速有关，表达式如下：
[0151] C = cf(ff)(Ts-Ta)
[0152] Ts为水表面温度，c为Bowen系数。
[0153] 第四类边界为高库大坝必须考虑的一类边界，由于库深增大至200m以上，因而下 部水体受底部岩基温度的影响增加。同时库底由于施工及围堰拆除等原因，往往会形成几 十米的堆渣，固体对固体的传热效率远大于固体对液体的传热，这对近坝端温度的垂直分 布影响很大。在坝前要专门通过有限元的方法建立地基-堆渣-坝体-库水的有限元模型分 析，在此不做赘述，本文仅关注除堆渣以外第四类边界的影响，库底与水体间的热交换，可 通过下式反映。
[0154] Hb = Kb(Tb-Tw)
[0155] Kb为热交换系数，调整范围可根据实际情况确定，Tb为底部岩基温度，IV为底部水 体温度。
[0156] 进一步，所述步骤3中实地监测资料包括:干流及支流来流流量和来流温度，水位 信息，气温、云量、风速等气象资料，以及坝前不同高程温度测量值。
[0157] 步骤4中，参数反演的过程主要是将步骤3中的计算文件按照气象站和水文站的实 测值填写，由此得出的不同高程的计算结果与实测温度计相应位置的温度对比，如峰值大 小或者趋势不满足实际情况，可调节水平和垂向紊流粘性系数Ax、Az，水平和垂向紊流浓度 扩散系数Tx、Tz，曼宁系数等，及上述步骤3中涉及各个边界的参数，并带入重新计算，得出 与实际规律相符的计算结果。将此参数保存用于未来的预测，此过程即为参数反演。
[0158] 步骤5中，引入有限元计算的原因是坝前淤积的温度场计算与流体的计算方法不 一致，因而引入用于固体有限元计算的地基-堆渣-坝体-库水的模型进行辅助，由于本专利 重点关注水体的温度变化，且淤积问题因水库而异，在此只提供思路，不详述方法。
[0159] 步骤6中，所述四种情况的预测方法分别是：
[0160] 调度工况预测：第二类型水库一般属于河流的梯级水库，利用本方法可以在调度 发生之前进行预期模拟，模拟调度发生后的有利或者有害变化。可以在现有计算的基础上， 根据调度时间安排和库容变化量来填写控制文件和动态输入文件，同时根据近期的天气情 况来填写气象资料文件，在此基础上进行计算。
[0161] 极端工况预测：水库在运行过程中，水库本来相对稳定的温度场在冬季可能会受 到上游低温水的影响，在夏季可能会受到洪水中夹杂的泥沙等异重流的影响，因而在特殊 年份需要在最冷月和汛期到来前进行极端工况的模拟，以确保大坝的安全。具体方法是:根 据该年内的气象条件和当地气象站和水文站的多年数据，可以选择五十年一遇、百年一遇 或者千年一遇的标准进行计算文件的填写。除极端气象条件外，还有极端流量的情况，可通 过增大输入文件中的流量信息来模拟。
[0162] 短期预测:可结合实际情况，根据当地未来七日的天气预报进行短期预测，可信度 一般较高。
[0163] 长期预测：长期预测可分为一年预测和多年预测，一年预测的输入信息可根据上 一年份的资料来确定。多年预测可根据实际情况，参照当地多年平均气温、流量、入流温度 等来确定。
[0164] 下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0165] 1模型的基本信息
[0166] XLD水电站位于金沙江中游峡谷段，由于河流分布在断层挤压产生的破碎地层衔 接处，长期受冲刷形成现在的典型U型河道，上陡下尖，尤其是成库后库区河道的宽高比更 小，河道特征属于典型的第二类型水库。在模型的校准中，充分考虑到该地区的库型特殊 性、季节性径流、复杂气象条件和电站引水出流等四方面特征，同时结合不完全年调节电站 的调节方式进行计算模拟。
[0167] 2枢纽基本信息
[0168] XLD水电站水库正常蓄水位600m，死水位540m，汛期限制水位560m，水库总库容 126.7亿m 3，调节库容64.6亿m3，距上游BHT水电站200km，库尾底部高程约560m。电站枢纽主 要由拦河大坝、泄洪消能设施、引水发电建筑物等组成。泄水消能设施包括7个表孔(堰顶高 程586.5〇111)、8个中孔对称布置（进口堰顶高程分别为502.8〇111、499.3〇111、495.7〇111、 490.70m)、左右岸各2条泄洪洞（泄洪洞高程为V546. 00m)。电站进水口底板高程为 ▽523. 00m，左、右岸压力管道采用单机单管供水，各岸管道间平行布置，断面圆形D = 10.00m〇
[0169] 溪洛渡水电站每年出库流量分布由三部分组成，年内所有来水中，91 %进入电站 引水口用于发电，8%通过中孔泄流，只有1%的水通过泄洪洞下泄，所以在实际的模拟中， 忽略泄洪洞泄流的影响，只考虑电站引水口和中孔。
[0170] 水库长度200km，高程差230m，坡度均匀，距大坝150km处流速放缓，距离坝前500m 处弯道的流速较小，可等同于直线分布的库型，如附图3所示，坝前水平方向的温度分布基 本没有变化，也证明了这一点。对河道地形信息进行整理，可得到模型与实际情况库容-高 程对比图（见附图4)，模型尽量细化与实际情况接近。
[0171] 3季节性径流
[0172] 金沙江流域径流主要来自降水，上游有部分融雪补给，因而年内变动较大，在汛期 达到每年径流的最大值。根据屏山站1939年~1992年共53年水文年流量资料统计，实测最 大流量29000m 3/s，实测最小流量1060m3/s，洪枯水位变幅达15.3m。多年平均流量4570m3/s， 折合年径流量1440亿m3，径流深314mm，径流模数为9.97L/ (s. km2)。
[0173] 径流年内分配特性与降水基本相应。丰水期(6月~11月）径流量占全年的81.1 %， 其中7月~9月占全年的53.9%;枯水期（12月~5月）径流量占全年的18.9 %。年最小流量多 发生在3~4月，历年实测最小流量1060m3/s。
[0174] XLD水库近三年水文站出入流的实测值见附图5,计算过程中反演使用实测值，对 于长年预测的情况下采用多年平均信息进行每年的计算。
[0175] 4复杂气象条件
[0176] XLD电站厂坝区有3个气象站，即中心场简易气象站(海拔444.6m)，永善气象站(海 拔877.2m)，雷波气象站(海拔1474.9m)，三个气象站站间的水平直线距离相距不足8km。
[0177] 坝址区山高河窄，气候的垂直差异突出。自下而上，三站的年平均气温为19.7°C~ 12.2 °C。极端最高气温为41°C~34.3 °C。极端最低气温为0.3 °C~一8.9°C。年降水量为 547.3mm~832.7mm，一日最大降水量为72.4mm~130.4mm，5~10月为雨季，集中年降水量的 88.4%~83.7%。相对湿度为66%~84%。
[0178] 根据坝区中心场设立的气象站1989年~1997年资料，坝址处多年平均气温19.7 °C，极端最高气温41.0°C，极端最低气温0.3°C，多年平均降水量547.3mm，多年平均相对湿 度66%，最大瞬时风速25m/s(SE)。
[0181] 表3
[0182] 5计算结果
[0183] 计算采用当地气象站和水文站的实测资料，计算从2012年3月围堰拆除开始到 2015年10月截止，历时3年8个月，典型过程线见附图6、7、8,实测值、规范法、一维数值计算 法与本文方法对比见图9。（注：16#坝段为拱冠梁坝段）
[0184] 该计算方法准确的反映了水体温度变化的所有过程，变化规律和结果也与实际相 符。
[0185] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依 据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明 技术方案的保护范围。
【主权项】
1. 一种狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法，其特征在于:其包括以下步骤： (1) 判别所测水库是否属于高坝狭长河道型水库，是则执行步骤（2)，否则执行步骤 (7)； (2) 根据河道地形资料建立能反映库区长度、河道宽度和深度且能够满足有限差分方 法计算需要的准三维计算网格模型，同时所建模型要真实反映实际库容、水位、河道偏转角 信息； (3) 分析实地监测资料，处理四种类型边界条件，准备计算文件； (4) 利用实测来流流量、来流温度、气象数据及坝前水温实测值等数据对蓄水阶段、水 体初步稳定阶段和长期运行阶段的水动力学参数进行反演，确定不同阶段应选取的参数； (5) 通过有限元建模方法，根据流固耦合的思路分析底部堆渣淤积部分的温度场； (6) 得到整个库区温度时空分布结果，分析不同阶段演化规律，并根据调度运行安排进 行反馈仿真并预测未来水温变化情况，预测以下四种情况:调度工况预测、极端工况预测、 短期预测和长期预测； (7) 结束。2. 根据权利要求1所述的狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法，其特征在于:所 述步骤(1)中判别所测水库是否属于高坝狭长河道型水库，根据中国大坝协会的公布数据。3. 根据权利要求2所述的狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法，其特征在于:所 述步骤(2)通过水动力学问题横向平均解法组合方程和水库水体统一方程建立准三维计算 网格模型，处理边界条件及进行数据离散和方程迭代求解，该方法与水平和垂向紊流粘性 系数及水平和垂向紊流温度扩散系数有关，称之为四参数水动力学数学模型，水动力学问 题横向平均解法组合方程为公式(1)其中X为水平沿河向的方向，y为水平横河向的方向，Z为沿深度方向的方向，U为变量水 平流速、W为垂向流速、P为密度、Φ为浓度、T为温度、P为压强、B为河道宽度、s为某时刻该坐 标系对应的水面高程，Ax、Az分别为水平和垂向紊流粘性系数，Tx、Tz分别为水平和垂向紊 流温度扩散系数，τ χ为水体剪切力。4.根据权利要求3所述的狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法，其特征在于:所 述步骤(3)中四种类型边界分别是上游来流边界、大坝边界、水面边界和底部边界，各类边 界条件的处理方法分别为： 上游入流边界的表达式为公忒GW4)大坝边界的表达式为公式(5) Q0Ut = aAhpHY (5) 其中，α、β、γ为经验系数，Ah为水面与取水口之间的高程差，H表示电站引水口开度； 水面边界的表达式为公式(6) Hs = S+L+B+E+C (6) 其中，短波太阳辐射S表示为公式(7)β为水面吸收系数，Φ sc为晴天无云层遮蔽时的太阳辐射能，根据经炜度自动计算;Cc为 天空被云遮盖的百分数，通过实际的云量换算，对于气象资料不足的地区，根据经验公式计 算； 短波除作用在表面之外，还穿透水体被吸收，沿水深方向的表示为公式(8) S(Z) = (I-P)Se^nz (8) 其中，η为消光系数； 长波辐射水面吸收的大气辐射能L表示为公式、（9)ε为大气平均福射能，σ为Stefen-Boltzmann常数，Ta为空气温度;水体表面逆福射B通过 公式(10)计算 B=e〇(Ta+273)4 (10) 蒸发散热E表不为公式（11) E = f(ff)(es-ea) (11) f (W)为蒸发风速影响函数，是关于风速W的函数，&为饱和蒸汽压，^为大气蒸汽压； 表面与空气之间的热交换C表达为公式(12) C = Cf(W)(Ts-Ta) (12) Ts为水表面温度，c为Bowen系数。 底部边界的表达式为公式(13) Hb = Kb(Tb-Tw) (13) Kb为热交换系数，调整范围根据实际情况确定，Te为底部岩基温度，Tw为底部水体温度。5. 根据权利要求4所述的狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法，其特征在于:所 述参数反演是将步骤(3)中的计算文件按照气象站和水文站的实测值填写，由此得出的不 同高程的计算结果与实测温度计相应位置的温度对比，如果峰值大小或者趋势不满足实际 情况，调节水平和垂向紊流粘性系数Ax、Az，水平和垂向紊流温度扩散系数Tx、Tz，曼宁系 数，及步骤(3)中涉及各个边界的参数，并带入重新计算，得出与实际规律相符的计算结果， 将此参数保存用于未来的预测，同时还可将参数率定结果经过调整后推广到其他同类型水 库。6. 根据权利要求5所述的狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法，其特征在于:所 述步骤(5)中，通过有限元建模方法获得用于固体有限元计算的地基-堆渣-坝体-库水的模 型。7. 根据权利要求6所述的狭长河道型水库全生命周期温度场研究方法，其特征在于:所 述步骤(6)中调度工况预测:在调度发生之前进行预期模拟，模拟调度发生后的有利或者有 害变化，根据调度时间安排和库容变化量来填写控制文件和动态输入文件，同时根据近期 的天气情况来填写气象资料文件，在此基础上进行计算;极端工况预测:在特殊年份在最冷 月和汛期到来前进行极端工况的模拟，根据该年内的气象条件和当地气象站和水文站的多 年数据，选择五十年一遇、百年一遇或者千年一遇的标准进行计算文件的填写，通过增大输 入文件中的流量信息来模拟极端流量的情况;短期预测:根据当地未来七日的天气预报进 行短期预测;长期预测:长期预测分为一年预测和多年预测，一年预测的输入信息根据上一 年份的资料来确定，多年预测根据实际情况，参照当地多年平均气温、流量、入流温度来确 定。
【文档编号】G06F17/50GK105893672SQ201610195844
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】刘有志, 相建方, 杨萍, 樊启祥, 张国新, 朱振泱, 刘毅, 廖建新, 邬昆, 杨宁, 胡平, 王振红, 李松辉, 张磊, 黄涛
【申请人】中国水利水电科学研究院