一种水库水温结构分析方法与流程

本发明涉及数据处理方法领域，具体涉及一种水库水温结构分析方法。

背景技术：

高坝大库易在春夏形成水库水温分层的现象，水温较高的水体位于上层，温度较低的水体位于下层。而电站取水口多高程较低，所取水温为低温水，造成春夏季下泄低温水的问题。电站春夏季下泄低温水，将会影响下游河道的鱼类繁殖和农作物生长，造成严重的生态影响。

隔水幕墙是提升电站下泄水温的工程措施之一，其原理是在取水口上游修建一道位于水下的隔水幕墙，挡住底层低温水，使上层温度较高的水体越过幕墙顶端，进入电站进水口，达到提升电站下泄水温的目的。

隔水幕墙在设计时，首先需利用ce-qual-w2软件建立全库、全年尺度的宽度平均立面二维水库水温模型，然后分析隔水幕墙实施后水库各月水温结构的变化，以及下泄水温和幕墙的水温改善效果。

隔水幕墙为柔性结构，其形态可随水位变化而变化。即幕墙的顶部是随着水位的升降而升降的。但是，目前行业所有建立全库宽度平均立面二维水温模型的模拟软件均不具备含有形态可变、薄壁拦挡结构的全库、全年尺度水库水温模拟功能。换而言之，现有软件在计算过程中无法自动调整隔水幕墙的顶部高程，使其随水位的变化而升降，而高坝大库水位变幅较大，多超过50m，幕墙顶部高程的变幅也将接近50m，而现有的计算软件在计算过程中忽略这种大幅度变化，将幕墙顶部高程设为固定值，从而导致计算误差较大。

隔水幕墙的研究和设计，数据低温水治理行业的前沿领域。但是上述问题的出现，严重制约了行业对隔水幕墙的设计水平，限制了隔水幕墙的研究深度，因此迫切需要一种考虑隔水幕墙形态变化的水库水温结构分析方法。

技术实现要素：

为解决背景技术中现有的计算软件在计算过程中将幕墙顶部高程设为固定值，从而导致计算误差较大的问题，本发明提供了一种水库水温结构分析方法，具体技术方案如下。

一种水库水温结构分析方法，包括如下步骤：

s1、获取隔水幕墙顶部高程的全年逐日变化数据，并将隔水幕墙顶部高程的全年逐日变化数据转化为水温模型中网格编号的全年逐日变化数据；

s2、将所述网格编号的全年逐日变化数据输入水温模型，并进行逐日的水温结构分析；

s3、当下一日隔水幕墙顶部高程与当前日隔水幕墙顶部高程不一致时，中断分析，将下一日的隔水幕墙阻拦范围网格的下游侧网格边界修改为不过水边界，其余网格设置为过水边界，再继续分析；所述隔水幕墙阻拦范围网格为隔水幕墙顶部高程对应的网格编号所对应网格至河床底部网格编号所对应网格的上一层网格。

所述水温模型为宽度平均立面二维全库水温模型。参考文献：骆辉煌,李翀,廖文根.“ce-qual-w2模型在三峡水库水温模拟中的应用”，中国环境与生态水力学(2012)，中国水利水电出版社。

上述方法通过将隔水幕墙顶部高程的全年逐日变化数据通过现有模型(宽度平均立面二维全库水温模型)中的网格编号来进行表征，进而使得模型可以模拟出幕墙顶部高程的变化，从而使得分析结果更加准确。将隔水幕墙顶部高程转化成现有模型(宽度平均立面二维全库水温模型)中的网格编号时，每个网格编号对应一个高程区间，比如第61号网格对应171m～172m，第62号网格对应170m～171m。设置为不过水边界时，模型在计算时不允许水流从该网格边界流入或流出。由此，当隔水幕墙顶部高程发生变化时，将隔水幕墙阻拦范围网格的下游侧网格边界修改为不过水边界，其余设置为过水边界，从而使模拟软件在计算过程中能够自动调整隔水幕墙的顶部高程，使其随水位的变化而升降，进而减少计算误差。

具体地，所述获取隔水幕墙顶部高程的全年逐日变化数据的步骤具体包括：

s11、利用水温模型获取水库水位的全年逐日变化数据；

s12、用所述水库水位的全年逐日变化数据减去隔水幕墙顶部过流高度的全年逐日变化数据，得到所述隔水幕墙顶部高程的全年逐日变化数据。

隔水幕墙顶部过流高度为隔水幕墙挡水结构顶端到水面的距离。由此,可通过上述方法计算出隔水幕墙顶部高程的全年逐日变化数据。

具体地，所述步骤s11具体包括：将某一年的气象数据、水库调度数据作为输入，利用水温模型进行多次循环分析计算，并输出最后一次分析计算的水库水位的全年逐日变化数据。

多次分析计算为同一年数据的多次循环模拟分析计算，例如需要进行三年分析计算时，将一年的数据循环进行三次模拟分析计算。

优选地，步骤s1之后，s2之前，还包括如下步骤：

在水库水位的全年逐日变化数据中，选取任一日作为计算初始日，并获取初始日的水库水温分布数据；

将初始日的隔水幕墙阻拦范围网格的下游侧网格边界修改为不过水边界，并将隔水幕墙断面底部网格面积调整为与底部过流面积一致。

优选地，所述初始日的水库水温分布数据为所述水库水位的全年逐日变化数据中最末一日的水库水温分布数据。以保证初始水库水温分布与实际相符。

优选地，所述将隔水幕墙断面底部网格面积调整为与底部过流面积一致的步骤具体包括：

将隔水幕墙底部过流面积除以水温模型中的网格厚度，计算出网格宽度；

将隔水幕墙断面底部网格宽度调整至所述网格宽度。

所述隔水幕墙底部过流面积可以采用三角形面积计算公式估算得出。由此，可保证模拟计算时隔水幕墙底部低温水泄露水量与实际情况接近。

优选地，所述s11之前还包括如下步骤：对隔水幕墙所在断面地形修正，对电站发电流量进行修正。地形修正方法参考中国发明专利《一种宽度平均立面二维模型的地形修正方法》。电站发电流量修正方法参考中国发明专利cn109933892a《一种水温模型电站下泄流量边界条件的修正方法》。在分析计算之前对隔水幕墙所在断面进行地形修正，并对电站发电流量修正，可进一步减少计算误差。

由于采用了以上技术方案，与现有技术相比较，本发明使得在使用水温模型进行水库水温结构分析时能够自动调整隔水幕墙的顶部高程，使其随水位的变化而升降，进而减少计算误差；无需修改数值模拟计算软件源代码，即可实现宽度平均立面二维全库水温模型内，隔水幕墙形态变化的数值模拟计算，进而得以让设计人员能分析隔水幕墙水库水温结构影响，了解隔水幕墙运行机理，为后续对隔水幕墙进行优化设计提供坚实基础；技术思路简洁、清晰，易于编程实现。对于不开源的计算软件，可基于本方法编写外接软件，实现宽度平均立面二维全库水温模型内，隔水幕墙形态变化的数值模拟计算。

附图说明

图1为宽度平均立面二维全库水温模型中全库水温模型网格走向示意图；

图2为宽度平均立面二维全库水温模型中全库水温模型网格立面示意图；

图3为第三年水库水位的全年逐日变化数据；

图4为隔水幕墙顶部过流高度的全年逐日变化数据；

图5为隔水幕墙顶部高程的全年逐日变化数据；

图6为隔水幕墙顶部高程网格编号的全年逐日变化数据；

图7为设置隔水幕墙和不设置隔水幕墙时坝前水库水温分布图(1月)；

图8为本发明构建模型以及利用构建后的新模型进行水库水温分析的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

发明方法实施例依托贵州清水河三板溪水电站低温水治理工程。三板溪水电站是沅水干流15个梯级电站中的第二级，具有多年调节性能，水库正常蓄水位475.00m，最大坝高185.5m，引水发电系统进水口底板高程408.00m。水库蓄水后，库区呈现出明显的温度分层现象，库底水温仅为9.6℃，致使春夏季节下泄水温低于天然情况下水温，对下游鱼类的产卵繁殖产生不利影响。为能使鱼类在产卵期具备适宜的水温条件，需在电站进水口上游修建拦挡装置提高三板溪水电站下泄水温。为对隔水幕墙进行优化设计，了解隔水幕墙修建后的水库水温结构，需对隔水幕墙进行水库水温结构影响分析。

如图8所示，一种水库水温结构分析方法，包括如下步骤：

步骤1，以ce-quanl-w2软件建立宽度平均立面二维全库水温模型，对隔水幕墙所在断面地形修正，对发电流量进行修正，并进行三年模拟分析计算；幕墙底部过流面积16m³，网格厚度1m，幕墙所在断面编号为118，模型网格见图1、图2；

步骤2，从步骤1输出的模拟数据中提取出第三年水库水位的全年逐日变化数据；如图3所示；

步骤3，隔水幕墙设计调度方案(隔水幕墙顶部过流高度变化数据)为：4月1日～6月1日，隔水幕墙顶部过流高度50m调整至15m，调整速度3m/天；6月1日～次年4月1日，隔水幕墙顶部过流高度15m调整至50m，调整速度1m/天。对应的顶部过流高度逐日变化数据见图4，由每日水位减去对应顶部过流高度，得到隔水幕墙顶部高程的全年逐日变化数据，见图5；

步骤4，将所述隔水幕墙顶部高程与所述宽度平均立面二维全库水温模型中的网格编号一一对应，得到隔水幕墙顶部高程网格编号的全年逐日变化数据(如图6所示)，并将该数据输入水温模型。

步骤5，从第三年水库水位的全年逐日变化数据中提取出最末一日水库水温分布数据，具体为ce-qual-w2的输出文件rso1095.opt；

步骤6，将步骤5输出的rso1095.opt文件修改文件名为rsi.npt，作为水温初始场；

步骤7，将幕墙底部过流面积16m³除以网格厚度1m，得到网格宽度16m，并将bth.npt内幕墙断面(118号断面)底部网格宽度调整为16m；

步骤8，幕墙第一日(初始日)顶部高程网格编号为66，河床底部网格编号为173，因此将幕墙断面(118号断面)66～172号网格的下游侧边界设置为不过水边界；

步骤9，设置计算总天数为1095天，开始模拟计算，进行逐日的水库流场、温度场模拟计算；

步骤10，幕墙于第8日形态发生变化，因此输出第7日流场、温度场数据，得到rso8.opt文件，然后中断计算；

步骤11，制作模型初始场：将步骤10输出的rso8.opt文件修改为rsi.npt文件；

步骤12，将幕墙断面(118号断面)67～172号网格的下游侧边界设置为不过水边界，将2～66号网格(即其余网格)的下游侧边界设置为过水边界；

步骤13，将模型计算开始时间设置为第8日，继续计算；

步骤14，计算至第1095日，计算结束，输出计算结果，得到各月坝前水库水温分布，于为建设幕墙时的对比见图7(仅展示1月对比图)。由图可见，隔水幕墙实施后，水库水温结构仍然为稳定分层型，但库底水温变幅增加，春夏季温跃层上移动，秋冬季上层高温水体水温下降，水温结构发生较大变化。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。