水库生态调度方法和水库坝前取水位的确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种水库生态调度方法和水库坝前取水位的确定方法，从水库中坝前温跃层的水体取水并将取出的水排至坝下的水体中，从而提高坝前叶绿素排放效率以及提高水库中表层水体更新率。本发明通过从水库中坝前温跃层的水体取水并将取出的水排至坝下的水体中，从而大大增加了水库中叶绿素的排放速率，那么水库中即不易发生藻类爆发等事故。本发明可应用于水库的生态调度。
【专利说明】
水库生态调度方法和水库坝前取水位的确定方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及水库调度技术领域，特别是涉及一种水库生态调度方法和水库坝前取 水位的确定方法。
【背景技术】
[0002] 水库在为人类带来经济与社会效益的同时，也对河流生态系统产生了一定的负面 影响。针对传统水库调度对生态环境重视不够的问题，水库生态调度是减少建库带来的不 利影响、维护河流健康、促进人水和谐、维持水资源的可持续发展的有效措施。
[0003] 目前大多数水库将取水口设置在大坝的底层，即将坝前水体底层的水引出穿过大 坝至坝下，以用于发电、灌溉等用途。然而，在水库中，叶绿素的浓度从水体表层向底层逐渐 递减，当取水口在大坝底层时，叶绿素排放不及时，极有可能引起水库中蓝藻爆发。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种水库生态调度方法，能够有利于 叶绿素的快速排放。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] -种水库生态调度方法，从水库中坝前温跃层的水体取水并将取出的水排至坝下 的水体中，从而提高坝前叶绿素排放效率以及提高水库中表层水体更新率。
[0007] 作为本发明的进一步改进，排至坝下的水体用于发电和/或灌溉。
[0008] 本发明还提供一种水库坝前取水位的确定方法，其采用的技术方案是：
[0009] 一种水库坝前取水位的确定方法，通过建立三维水动力模型和进行有限元分析， 对比相同的来水条件和下泄流量下，在不同水深取水时叶绿素的排放速率，来确定将取水 深度定在水库坝前的水体温跃层。
[0010]作为本发明的进一步改进，根据实际水库的边界和地形，建立三维水动力模拟网 格，将三维水动力模型在高度方向上分为多个水层，对每个水层进行分析。
[0011] 作为本发明的进一步改进，对取水位置的水体更新率进行分析，其包括对每个水 层流速进行断面平均，得到坝前流速垂向分布，根据垂向流速突变点作为流速分界。
[0012] 作为本发明的进一步改进，对水层叶绿素排放速率进行分析，其包括选取坝前断 面为每层叶绿素出库分析断面，分析每层叶绿素出库量。
[0013] 作为本发明的进一步改进，对不同水深取水的灌溉效益进行分析，包括根据水温 实测及数值模拟结果，结合水稻生长周期及其对水温要求分析产量。
[0014] 本发明的有益效果是:本发明通过从水库中坝前温跃层的水体取水并将取出的水 排至坝下的水体中，从而大大增加了水库中叶绿素的排放速率，那么水库中即不易发生藻 类爆发等事故。
【附图说明】
[0015] 下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
[0016] 图1是底层取水概念模型图；
[0017] 图2是温跃层取水概念模型图；
[0018]图3是三维水动力模拟网格示意图；
[0019]图4是边界流量条件示意图；
[0020]图5是坝前lkm流量计算结果示意图；
[0021 ]图6是坝前lkm水位计算结果示意图；
[0022]图7是叶绿素浓度监测结果示意图；
[0023]图8是底层取水坝前200m流速垂向分布图；
[0024]图9是温跃层取水坝前200m流速垂向分布图。
【具体实施方式】
[0025]以下以台州长潭水库作为实施例对生态调度方法及取水位确定方法进行说明，当 然，其他类型的水库亦可以采用这些方法来实现。
[0026] 1、生态调度概念模型
[0027]以该水库2013年7月4日监测结果为例，根据当日水库根据结果显示叶绿素浓度垂 向分布与透光率、温度、pH值和溶解氧具有较好的对应关系，均表现为浓度从表层向底层逐 渐递减。根据连续方程控制原理，在理想条件下，水库取水口层位流速较大，远离取水口层 位流速较小，由此可见水库取水位置的不同将引起同一层位叶绿素及营养物质的排放速率 不同。结合长潭水库实测叶绿素及水温垂向分布情况，建立概念模型如图1和图2所示。参考 图1，当水库从底层取水时，底层水体流速较表层水体高，取得为底层低温水且排放水体叶 绿素含量较低;参考图2，水库从表层取水时，表层水体流速和更新率均比底层水体高，下泄 水体多为高温水且排放水体叶绿素含量较高。由此可从概念模型看出表层取水方案，尤其 是在温跃层取水更有利于叶绿素的排放从而减少蓝藻爆发的风险。
[0028] 2、生态调度模型
[0029] 根据概念模型的设计，结合长潭水库狭长型的形态特征，将水库概化成狭长型矩 形水池，作为调度分析的理想模型。针对理想模型建立三维水动力模型，对比在相同的来水 条件和下泄流量下，不同层位(温跃层和底层)取水叶绿素的排放速，确定采用温跃层取水 方式作为生态应急调度方案优越性。
[0030] 1)模型介绍
[0031]三维水动力模型采用Delft3D模型进行模拟。模型控制方程由描述流速场、水位场 及温、盐场的环流模式组成，应用的前提基于两个假设:流体静力学假定和Boussinesq近 似。
[0032] ①控制方程
[0033]假定直角笛卡尔坐标系统为X正方向向东，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)。，为水平流速矢量，其分量为(U，V，W)，▽为水平梯度 算子。
[0034] 连续方程
[0041 ]其中Po为参考密度，P为当地密度，g为重力加速度，P为压力，Km为垂向涡动粘性系 数，KH为水平涡动粘性系数，f为科氏系数。
[0042] 水质方程：
[0044] 式中，其中s为污染物浓度，Ah为扩散系数，Sq为源或汇。
[0045] ②模型求解
[0047] 边界条件:计算区域的边界分为固壁边界和水边界两种类型。在固壁边界上给定 滑移边界条件，即：
[0048] v ·/?' = () (1-8)
[0049 ] 其中f为流速矢量，5为边界法向单位矢量。
[0050]采用建立在正交曲线网格上的2.5阶闭合湍能模式与亚网格技术，以有限差分法 进行离散求解，该方法的优点是能适应复杂边界地形，且收敛速度快，计算精度高。
[0051 ] 2)计算范围
[0052]根据长潭水库的边界和地形，计算范围为水库坝前5km。三维水动力模拟网格如图 3所示。模型垂向上分14层，1-4层层厚为水深的2%，5-8层层厚为水深的8%，9-14层层厚为 水深的10 %。
[0053] 3)边界条件
[0054]模型计算设置三个开边界，如图4所示，根据水库记录的入库流量和三个开边界分 别对应的上游集雨面积，按比例计算出开边界的流量，作为开遍界输入条件，坝址边界以水 库调度时的下泄流量作为输入条件，各边界输入条件如图4所示。其中，温度输入条件为水 质测量所测得的温度，根据测量值插值所得。
[0055] 4)模型验证
[0056]在对设置方案进行模拟前，采用图4为模型验证模拟输入条件，坝前lkm流量和库 水位计算结果如图5、图6所示。从计算结果分析可知，流量实测值与计算值的平均误差为 2.50%，水位实测值与计算值的平均误差为0.01m，计算结果可信。
[0057] 3、调度方案
[0058]根据长潭水库水质监测结果，叶绿素及营养盐垂向分布结构为表层向底层递减， 提出温跃层取水的调度方式，与底层取水的调度方式进行对比，从温跃层水体的更新率、坝 前水体水龄及营养盐和藻类的排放速率等方面可以毫无疑义的确认温跃层取水调度方案 具有很强的优越性。两调度方案如表2所示(方案一位底层取水，方案二位温跃层取水）。 [0059] 表1长潭水库调度对比
[0061] 4、调度效果分析
[0062] 1)水体更新率分析
[0063]结合生态调度模型的数值模拟结果，对每层位流速进行断面平均，得到坝前200m 流速垂向分布图（以多年平均流量为例）。根据垂向流速突然变点作为表底层流速分界，方 案一表层流速为0.0015m/s，底层平均流速为0.0067m/s，底层流速为表层流速的4.5倍，如 图8所示;方案二表层平均流速为0.0077m/s，底层流速为0.0012m/s，表层流速约为底层流 速的6.4倍，如图9所示;从分析结果可知，温跃层取水方案(方案二)大大提高了表层水体的 更新率，同时加快表层营养盐和藻类的迀移与下泄。
[0064] 2)水库叶绿素排放速率分析
[0065]根据实测污染物垂向分布结果，2013年7月表层叶绿素高达13.6mg/m3,超过了富 营养化的标准(>7mg/m3)，且表底层浓度差比较明显，水深10m以下叶绿素浓度较低，其垂向 变化过程与2011年5月在长潭水库测量结果相似。从安全角度考虑，此处采用监测过程中叶 绿素浓度监测结果较大的垂向断面(2013年7月4日监测结果，图7)作为水库叶绿素垂向分 布代表，分析不同方案对同一垂向结构叶绿素的排放速率，选取坝前200m断面流速为垂向 流速分布，时间t内叶绿素排放量为该时间内叶绿素通过该断面的质量总和：
[0066] ///vn(y,z,t) · C(z)dydzdt (1~9)
[0067] t时间内通过该断面的流量总和为：
[0068] ///vn(y,z,t)dydzdt (1~10)
[0069] 其中，vn(y,z ,t)为网格(y,z)在t时刻垂直于断面的流速分量，C(z)为z层位叶绿 素的浓度，此处采用的叶绿素为每层的断面平均值，水深超过12米的叶绿素以12米浓度计 算。各典型年份两工况情况下，叶绿素排放速率如表2所示。从计算结果上看到，同样的水文 条件下，采用同样的调度下泄量，温跃层取水叶绿素显然比底层取水叶绿素排放速率高。
[0070] 从叶绿素排放速率分析结果可知，问月取水叶绿素排放速率是底层取水排放速率 2.5倍。(P代表水库内藻类爆发的频率的年份）
[0071] 表2各典型年份叶绿素排放速度对比表单位:kg/d
[0074] 3)不损失水量调度分析
[0075]以水库多年平均来水量（55.59m3/s)为入库设置流量，以多年平均流量的10% (5.56m3/s)作为调度最小下泄流量;兼顾发电效益，非泄洪情况下采用机组最大过流流量 为（168.4m 3/s)应急调度的最大下泄流量。根据2011年长潭水库水质现状调查情况，以叶绿 素中度富营养化的下限值(3mg/m 3)为库尾叶绿素入库浓度。采用公式5-9计算出每个小时 排放的叶绿素总量，并按排放比例计算该小时调度后叶绿素垂向浓度分布，作为下一小时 的浓度初值，直至叶绿素浓度垂向最大值达中度富营养化情况为止(叶绿素浓度<7mg/m 3)。
[0076] 根据监测结果，结合数值模拟情况，下泄水体叶绿素浓度比入库水体叶绿素浓度 高，在同一天内下泄水量与入库水量相等的情况下，问月层取水调度使水库水体叶绿素浓 度不断降低，在保证下游5.56m 3/s生态流量下，增大前期逐时的下泄流量可达到加速叶绿 素排放的效果，水库由监测现状富营养化到中度富营养化所需要的时间如表3所示。由此可 见，一天内排放的总水量一定的情况下，前期流量越大，叶绿素排放速率越快。
[0077] 表3不损失水量调度叶绿素排放速率表
[0080] 5、调度方案效益及合理性分析
[0081 ] 1)、灌溉效益分析
[0082] 根据水温实测及数值模拟结果，底层取水的方式，取得为低温下泄水，本调度方案 温跃层取水方式，取得为表层高温水。表4为水稻生长周期及其对水温要求。夏季为水稻的 孕穗期和成熟期，根据监测结果，夏季底层水温为20~22°C，水深2m处水温为25~31°C。研 究成果表明，水稻在适宜水温下孕穗，实颗数增加了7.7粒/穗，稻谷更饱实，千粒重增加了 0.6g，结实率提高3.9 %。以龙粳水稻为例，在适宜水温下孕穗产量为646kg/亩，在不适宜水 温下孕穗产量为539kg/亩。由此可见，若长期采用水库表层下泄低温水进行水稻灌溉，更有 利于水稻生长，其增产率可达16.56%。
[0083] 表4水稻生长周期及其对水温要求
[0086]以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。
【主权项】
1. 一种水库生态调度方法，其特征在于：从水库中坝前温跃层的水体取水并将取出的 水排至坝下的水体中，从而提高坝前叶绿素排放效率以及提高水库中表层水体更新率。2. 根据权利要求1所述的水库生态调度方法，其特征在于：排至坝下的水体用于发电 和/或灌溉。3. -种水库坝前取水位的确定方法，其特征在于:通过建立三维水动力模型和进行有 限元分析，对比相同的来水条件和下泄流量下，在不同水深取水时叶绿素的排放速率，来确 定将取水深度定在水库坝前的水体温跃层。4. 根据权利要求3所述的水库坝前取水位的确定方法，其特征在于:根据实际水库的边 界和地形，建立三维水动力模拟网格，将三维水动力模型在高度方向上分为多个水层，对每 个水层进行分析。5. 根据权利要求4所述的水库坝前取水位的确定方法，其特征在于:对取水位置的水体 更新率进行分析，其包括对每个水层流速进行断面平均，得到坝前流速垂向分布，根据垂向 流速突变点作为流速分界。6. 根据权利要求5所述的水库坝前取水位的确定方法，其特征在于:对水层叶绿素排放 速率进行分析，其包括选取坝前断面为每层叶绿素出库分析断面，分析每层叶绿素出库量。7. 根据权利要求5所述的水库坝前取水位的确定方法，其特征在于:对不同水深取水的 灌溉效益进行分析，包括根据水温实测及数值模拟结果，结合水稻生长周期及其对水温要 求分析产量。
【文档编号】G06F17/50GK106096147SQ201610423100
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月14日 公开号201610423100.4, CN 106096147 A, CN 106096147A, CN 201610423100, CN-A-106096147, CN106096147 A, CN106096147A, CN201610423100, CN201610423100.4
【发明人】刘丽诗, 刘斌, 黄鹤, 廉浩, 邓伟铸, 葛晓霞, 吴浩东, 王丽, 杨晓灵, 闻平, 姜海萍, 朱远生, 刘威, 王旭涛
【申请人】珠江水资源保护科学研究所