一种叠梁门分层取水水库水温耦合模拟方法与流程

本发明属于水利水电工程，涉及减缓水库下泄低温水的分层取水研究，尤其涉及一种叠梁门分层取水水库水温耦合模拟方法，具体是基于立面二维水库水温数学模型的叠梁门分层取水水库水温耦合模拟方法。

背景技术：

1、水电作为可再生清洁能源，是实现碳中和的重要途径之一，21世纪以来我国在各流域规划并修建了一大批水电工程，大型水电工程蓄水以后，水库在水深方向上形成温差较大的分层型水温结构，采用较深的进水口引水发电将导致春夏季下泄水温较天然水温低、秋冬季下泄水温较天然水温高，由此改变了天然河道原有的水温变化规律，进而对水库下游的水生生态系统尤其是重要鱼类产卵繁殖造成较大影响，其中下泄低温水的影响受到业界广泛关注。

2、叠梁门是水库分层取水中最常见的工程措施之一，通过在进水口上游设置数节叠置的钢闸门进行挡水，由进水塔顶部移动式启闭机控制自动抓梁增加或减少叠梁门数量，以阻挡水库中下层低温水体进入进水口，从而达到控制水库下泄水温的目的。叠梁门控制水温相对灵活，水流流态平稳，可有效减缓水电开发对水生生态环境的影响，在我国大中型水利水电工程中得到广泛应用。

3、在实际工程运行过程中，叠梁门一般在鱼类集中产卵繁殖期使用，如春末夏初，以减缓下泄低温水对鱼类产卵繁殖的影响。叠梁门运行方式主要是根据库区水位变化以及最小淹没水深要求，增加或减少叠梁门的数量，以调节下泄水体所在的高程。目前关于水库分层取水水温的研究多采用数学模型，根据其模型空间可分为一维、二维、三维，现阶段叠梁门分层取水的水温数值模拟中，通常将叠梁门概化为固定建筑物，模拟时通过将整个研究时段按照叠梁门变化情况细分为多个模拟时段，上一个时段模拟完成后，通过手动或者外置编程的方式修改固定建筑物的高程，再将上一个时段末的水温场、流场等作为初始条件，进行下一个时段的模拟，如公开号为cn112580230a的中国专利公开一种水库水温结构分析方法，基于ce-qual-w2模型通过在模型外不断修改边界条件来实现隔水幕墙的变化，从而模拟隔水幕墙不断变化时的水库水温变化，但这种方法需要频繁中断模型计算，修改边界条件，由此造成计算不连续，虽然可以通过外置编程来实现上述操作，但仍存在计算效率低、模型前后处理繁琐等缺点。郑铁刚等在《叠梁门分层取水水温-水动力动态过程模拟及分析》一文中建立三维模型，通过动网格模拟技术来实现叠梁门运行调度过程，但三维模型计算量巨大，动网格的使用进一步限制了模型的计算效率，该文所述模型也仅用在物理模型试验的验证上，而将该方法用于原型模拟中尚未见相关报道。

4、目前国内水库水温模拟的主流模型为立面二维水库水温数学模型，如美国陆军工程兵团开发的ce-qual-w2模型和四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室开发的wwl模型，立面二维水库水温数学模型计算效率和模拟精度均较高，近年来广泛运用于国内的大中型水利水电工程水库水温预测中，但该模型尚未建立叠梁门运行与水库水位的动态变化过程，无法实现叠梁门分层取水的水库水温连续模拟，因此迫切需要建立一种基于立面二维水库水温数学模型的叠梁门分层取水水库水温耦合模拟方法。

技术实现思路

1、为克服现有技术中的不足，本发明提供一种叠梁门分层取水水库水温耦合模拟方法，将叠梁门概化为可沿水深方向自由移动的挡水溢流堰，按照叠梁门最小淹没水深的控制要求，建立水库水位与叠梁门门顶高程的动态变化关系，并将其耦合进立面二维水库水温数学模型中，建立叠梁门分层取水水库水温耦合数学模型，实现叠梁门随水库水位的实时动态挡水变化过程，进而连续预测叠梁门调度期间水库的水动力和水温变化情况，提升叠梁门分层取水水库水温模拟效率。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。

3、本发明提供的叠梁门分层取水水库水温耦合模拟方法，以采用叠梁门分层取水措施的水库为研究对象，基于立面二维水库水温数学模型嵌套叠梁门模块，建立叠梁门分层取水水库水温耦合数学模型，将水库沿顺水流方向和水深方向划分为若干个矩形网格，以每个网格的水温表征其所在位置的水温情况，下泄水温为进水口高程所对应的全部矩形网格的流量加权平均水温，对于给定的模拟时段和模拟水库网格划分的基础上，所述一种叠梁门分层取水水库水温耦合模拟方法具体包括以下步骤：

4、s1、给定水库水温模拟所需水库边界条件、初始条件以及相关参数，给定水库边界条件包括：入库流量、出库流量、入库水温、气象要素的逐日数据；给定初始条件包括：水库水位、库区纵垂向流场、水温场分布；给定相关参数包括进水口所在高程范围及对应垂向网格编号、单节叠梁门高度、最小淹没水深、叠梁门分层取水运行时段、叠梁门所在纵向网格编号以及开始运行时刻所在垂向网格编号、水动力参数、水气热交换参数；

5、s2、利用叠梁门分层取水水库水温耦合数学模型中的水动力模块和水温模块获取当前时刻的水库水位、流场以及水温场分布，并根据水库水位更新计算网格；

6、s3、进入叠梁门模块，判断当前时刻是否在设定的叠梁门分层取水运行时段内，若位于叠梁门分层取水运行时段内，则进入步骤s4；若位于叠梁门分层取水时段以外，则进入步骤s6；

7、s4、获取当前时刻水库水位和叠梁门门顶高程，取水库水位与叠梁门门顶高程的差值，并根据差值调节叠梁门的门顶高程；若水库水位与叠梁门门顶高程的差值小于门顶最小淹没水深，此时叠梁门门顶水深不满足最小淹没水深控制要求，则叠梁门减少一节，即门顶高程降低；若其差值满足门顶最小淹没水深的控制要求，即大于等于最小淹没水深，且小于等于最小淹没水深加单节叠梁门高度之和，则叠梁门数量不变，即门顶高程维持不变；若水库水位与叠梁门门顶高程的差值大于门顶最小淹没水深与单节叠梁门层高之和，此时叠梁门门顶水深加大，分层取水水温减缓效果变弱，则叠梁门增加一节，即门顶高程升高；

8、s5、更新叠梁门所在的垂向网格编号，并将叠梁门所在垂向网格设置为不过水状态，其余垂向网格均设置为过水状态；

9、s6、在当前时刻基础上，增加时间步长；若增加后的时间位于设定模拟时段内，则返回步骤s2；反之结束当前程序，得到不同时刻水库水位、库区纵垂向流场、纵垂向水温场分布以及水库下泄水温变化情况。

10、上述叠梁门分层取水水库水温耦合模拟方法，步骤s1中，按照本领域水库水温常规模拟方法给定水库边界条件和初始条件，给定时间段内初始时刻的库区纵垂向流场、水温场分布等初始条件可以直接给定常数，并通过延长模型计算时间消除初始值的影响，获得较为贴近实际情况的初始场参数。将叠梁门概化为挡水溢流堰，设置在进水口上游，最小淹没水深以叠梁门门顶不产生贯穿式的旋涡为原则确定，具体由水工水力学计算提供。

11、按照本领域常规方式设置模拟所需的水动力、水气热交换参数，水动力参数主要包括纵垂向涡粘系数、纵向扩散系数，可采用模型推荐值；水气热交换系数包括表面太阳辐射吸收系数、纯水中太阳辐射衰减系数、风遮蔽系数、动态光遮蔽系数，可以采用模型推荐值，也可通过水库实测水温数据验证和率定得到。

12、上述叠梁门分层取水水库水温耦合模拟方法，所述叠梁门分层取水水库水温耦合数学模型包括水动力模块、水温模块和叠梁门模块。所述水温包括水库叠梁门分层取水的库区水温时空分布、分层取水后下泄水温随时间变化过程。

13、所述水动力模块用于模拟叠梁门分层取水库区的流场和水库水位变化，具体为立面二维水动力模型，主要包括连续方程、x方向动量方程、静水压力假定和自由水面方程。

14、所述连续方程为：

15、

16、所述x方向动量方程为：

17、

18、所述静水压力假定为：

19、

20、所述自由水面方程为：

21、

22、其中：u为纵向(x方向)流速，m/s；w为垂向(z方向)流速，m/s；q为侧向单位体积净入库单宽流量，m3/s；b为河宽，m；α为河床坡度，rad；τ为湍流切应力，n/m2；η为水面高程，m；ux为支流流速的x方向分量，m/s；g为重力加速度，m/s2；ρ为水的密度，kg/m3；p为大气压，n/m2，η为水位，m；bη为水面宽度，m。

23、所述水温模块用于模拟水库叠梁门分层取水的水温场分布和下泄水温，考虑了水气热交换和河床热交换，主要方程为热量守恒方程。

24、所述热量守恒方程为：

25、

26、其中：tw为水温，℃；dx为纵向扩散系数，m2/s；dz为垂向扩散系数，m2/s；q为单元控制体侧向热通量出入流的速率，j/m3/s；s为源汇项，包括水面热交换和河床热交换，j/m3/s。

27、下泄水温为进水口高程所对应矩形网格单元的流量加权平均水温，具体为：

28、

29、其中：qi为进水口高程所对应的第i个网格单元的流量，m3/s；ti为第i个网格单元的水温，℃；to为下泄水温，℃。

30、所述叠梁门模块如下：

31、假设单节叠梁门高度为x，水库水位为h，叠梁门门顶高程为z，叠梁门门顶水深为h，最小淹没水深为δh，以上单位均为m。

32、叠梁门门顶水深h表示如下：

33、h＝h-z    (7)

34、叠梁门运行时以叠梁门门顶水深h不低于最小淹没水深δh且不高于最小淹没水深δh与单节叠梁门高度x之和为原则，以保证门顶水流流态稳定和低温水减缓效果。

35、叠梁门随水库水位变化运行调度原则如下：

36、(1)当h＜δh时，此时叠梁门门顶水深h不满足最小淹没水深条件，则必须提起一节叠梁门，以加大门顶水深，增加过流面积；

37、(2)当δh≤h≤δh+x时，此时叠梁门门顶水深满足最小淹没水深的控制要求，则维持叠梁门数量及门顶高程不变；

38、(3)当h＞δh+x时，此时门顶水深过大，对下层低温水阻挡效果减弱，则必须放下一节叠梁门，以阻挡下层低温水，泄放靠近表层较高温度水体。

39、基于上述叠梁门运行调度原则，当水库水位发生变化时，由叠梁门模块自动判断门顶水深h与最小淹没水深δh、单节叠梁门高度x的关系，对叠梁门数量进行实时动态调整，具体调整方式为将叠梁门门顶高程z以下沿水深方向上所有垂向网格视为挡水溢流堰，即叠梁门所在垂向网格设置为不过水状态。

40、叠梁门过水状态设置原则如下：

41、

42、式中：dl(i，j)为叠梁门所在网格位置。

43、优选地，建立叠梁门分层取水水库水温耦合数学模型，为适应矩形网格模拟的需要，垂向网格间距根据单节叠梁门高度来确定，即垂向网格单元高度宜为可被单节叠梁门高度整除的数值，以适应叠梁门数量的增加或减少。

44、优选地，设置叠梁门开始运行时刻所在垂向网格编号，具体方法为：用叠梁门开始运行时刻水库水位减去最小淹没水深，即得到开始运行时刻叠梁门顶高程，叠梁门顶高程以下至进水口底板高程对应网格即为叠梁门开始运行时刻所在垂向网格编号，将其设置为不过水状态，以模拟叠梁门在垂直水流方向上的挡水效果。

45、优选地，为更好的保护鱼类产卵繁殖，降低叠梁门调度频率，叠梁门可仅在鱼类产卵繁殖期期运行，叠梁门设置要求为：在鱼类产卵繁殖期，叠梁门按照叠梁门随水库水位变化运行调度原则进行，在鱼类产卵繁殖期以外时段，将叠梁门所在垂向网格均设置为过水状态，从而实现针对鱼类产卵繁殖特定时段分层取水的全库区水温及下泄水温模拟需求。

46、与现有技术相比，采用本发明的技术方案具有以下有益效果：

47、(1)本发明将叠梁门调度运行过程建立模块，并耦合进立面二维水库水温数学模型中，建立叠梁门分层取水水库水温耦合数学模型，通过模型内部的迭代来实现叠梁门分层取水水库水温模拟，可根据水库水位变化，自动判断叠梁门门顶水深与最小淹没水深的关系，动态调整叠梁门数量及门顶高程，实现叠梁门调度运行随水库水位变化而变化，避免了采用分段计算需要不断手动更新边界条件的缺点，大大提高了模拟效率。本发明技术思路简洁、清晰，模型数据前后处理更加简单方便，适用于各种大中型水利水电工程。

48、(2)本发明将叠梁门概化为可在水深方向上自由移动的挡水溢流堰，相对于将叠梁门概化为固定挡水建筑物，本发明提供的方法可以根据叠梁门的变化情况实时更新流场和水温场，更加符合叠梁门的实际调度过程，模拟结果精度和准确度更高。

49、(3)本发明可以通过限定水库叠梁门分层取水时段，实现针对特定时段(如鱼类产卵繁殖期)分层取水的全库区水温及下泄水温模拟需求。