水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法和水庫(kù)壩前取水位的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法和水庫(kù)壩前取水位的確定方法，從水庫(kù)中壩前溫躍層的水體取水并將取出的水排至壩下的水體中，從而提高壩前葉綠素排放效率以及提高水庫(kù)中表層水體更新率。本發(fā)明通過(guò)從水庫(kù)中壩前溫躍層的水體取水并將取出的水排至壩下的水體中，從而大大增加了水庫(kù)中葉綠素的排放速率，那么水庫(kù)中即不易發(fā)生藻類爆發(fā)等事故。本發(fā)明可應(yīng)用于水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度。
【專利說(shuō)明】
水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法和水庫(kù)壩前取水位的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及水庫(kù)調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法和水庫(kù)壩前取 水位的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水庫(kù)在為人類帶來(lái)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益的同時(shí)，也對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的負(fù)面 影響。針對(duì)傳統(tǒng)水庫(kù)調(diào)度對(duì)生態(tài)環(huán)境重視不夠的問(wèn)題，水庫(kù)生態(tài)調(diào)度是減少建庫(kù)帶來(lái)的不 利影響、維護(hù)河流健康、促進(jìn)人水和諧、維持水資源的可持續(xù)發(fā)展的有效措施。
[0003] 目前大多數(shù)水庫(kù)將取水口設(shè)置在大壩的底層，即將壩前水體底層的水引出穿過(guò)大 壩至壩下，以用于發(fā)電、灌溉等用途。然而，在水庫(kù)中，葉綠素的濃度從水體表層向底層逐漸 遞減，當(dāng)取水口在大壩底層時(shí)，葉綠素排放不及時(shí)，極有可能引起水庫(kù)中藍(lán)藻爆發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，能夠有利于 葉綠素的快速排放。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，從水庫(kù)中壩前溫躍層的水體取水并將取出的水排至壩下 的水體中，從而提高壩前葉綠素排放效率以及提高水庫(kù)中表層水體更新率。
[0007] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，排至壩下的水體用于發(fā)電和/或灌溉。
[0008] 本發(fā)明還提供一種水庫(kù)壩前取水位的確定方法，其采用的技術(shù)方案是：
[0009] 一種水庫(kù)壩前取水位的確定方法，通過(guò)建立三維水動(dòng)力模型和進(jìn)行有限元分析， 對(duì)比相同的來(lái)水條件和下泄流量下，在不同水深取水時(shí)葉綠素的排放速率，來(lái)確定將取水 深度定在水庫(kù)壩前的水體溫躍層。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，根據(jù)實(shí)際水庫(kù)的邊界和地形，建立三維水動(dòng)力模擬網(wǎng) 格，將三維水動(dòng)力模型在高度方向上分為多個(gè)水層，對(duì)每個(gè)水層進(jìn)行分析。
[0011] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)取水位置的水體更新率進(jìn)行分析，其包括對(duì)每個(gè)水 層流速進(jìn)行斷面平均，得到壩前流速垂向分布，根據(jù)垂向流速突變點(diǎn)作為流速分界。
[0012] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)水層葉綠素排放速率進(jìn)行分析，其包括選取壩前斷 面為每層葉綠素出庫(kù)分析斷面，分析每層葉綠素出庫(kù)量。
[0013] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)不同水深取水的灌溉效益進(jìn)行分析，包括根據(jù)水溫 實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合水稻生長(zhǎng)周期及其對(duì)水溫要求分析產(chǎn)量。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過(guò)從水庫(kù)中壩前溫躍層的水體取水并將取出的水 排至壩下的水體中，從而大大增加了水庫(kù)中葉綠素的排放速率，那么水庫(kù)中即不易發(fā)生藻 類爆發(fā)等事故。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016] 圖1是底層取水概念模型圖；
[0017] 圖2是溫躍層取水概念模型圖；
[0018]圖3是三維水動(dòng)力模擬網(wǎng)格示意圖；
[0019]圖4是邊界流量條件示意圖；
[0020]圖5是壩前l(fā)km流量計(jì)算結(jié)果示意圖；
[0021 ]圖6是壩前l(fā)km水位計(jì)算結(jié)果示意圖；
[0022]圖7是葉綠素濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果示意圖；
[0023]圖8是底層取水壩前200m流速垂向分布圖；
[0024]圖9是溫躍層取水壩前200m流速垂向分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下以臺(tái)州長(zhǎng)潭水庫(kù)作為實(shí)施例對(duì)生態(tài)調(diào)度方法及取水位確定方法進(jìn)行說(shuō)明，當(dāng) 然，其他類型的水庫(kù)亦可以采用這些方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0026] 1、生態(tài)調(diào)度概念模型
[0027]以該水庫(kù)2013年7月4日監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，根據(jù)當(dāng)日水庫(kù)根據(jù)結(jié)果顯示葉綠素濃度垂 向分布與透光率、溫度、pH值和溶解氧具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，均表現(xiàn)為濃度從表層向底層逐 漸遞減。根據(jù)連續(xù)方程控制原理，在理想條件下，水庫(kù)取水口層位流速較大，遠(yuǎn)離取水口層 位流速較小，由此可見(jiàn)水庫(kù)取水位置的不同將引起同一層位葉綠素及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的排放速率 不同。結(jié)合長(zhǎng)潭水庫(kù)實(shí)測(cè)葉綠素及水溫垂向分布情況，建立概念模型如圖1和圖2所示。參考 圖1，當(dāng)水庫(kù)從底層取水時(shí)，底層水體流速較表層水體高，取得為底層低溫水且排放水體葉 綠素含量較低;參考圖2，水庫(kù)從表層取水時(shí)，表層水體流速和更新率均比底層水體高，下泄 水體多為高溫水且排放水體葉綠素含量較高。由此可從概念模型看出表層取水方案，尤其 是在溫躍層取水更有利于葉綠素的排放從而減少藍(lán)藻爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。
[0028] 2、生態(tài)調(diào)度模型
[0029] 根據(jù)概念模型的設(shè)計(jì)，結(jié)合長(zhǎng)潭水庫(kù)狹長(zhǎng)型的形態(tài)特征，將水庫(kù)概化成狹長(zhǎng)型矩 形水池，作為調(diào)度分析的理想模型。針對(duì)理想模型建立三維水動(dòng)力模型，對(duì)比在相同的來(lái)水 條件和下泄流量下，不同層位(溫躍層和底層)取水葉綠素的排放速，確定采用溫躍層取水 方式作為生態(tài)應(yīng)急調(diào)度方案優(yōu)越性。
[0030] 1)模型介紹
[0031]三維水動(dòng)力模型采用Delft3D模型進(jìn)行模擬。模型控制方程由描述流速場(chǎng)、水位場(chǎng) 及溫、鹽場(chǎng)的環(huán)流模式組成，應(yīng)用的前提基于兩個(gè)假設(shè):流體靜力學(xué)假定和Boussinesq近 似。
[0032] ①控制方程
[0033]假定直角笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)為X正方向向東，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)。，為水平流速矢量，其分量為(U，V，W)，▽為水平梯度 算子。
[0034] 連續(xù)方程
[0041 ]其中Po為參考密度，P為當(dāng)?shù)孛芏龋琯為重力加速度，P為壓力，Km為垂向渦動(dòng)粘性系 數(shù)，KH為水平渦動(dòng)粘性系數(shù)，f為科氏系數(shù)。
[0042] 水質(zhì)方程：
[0044] 式中，其中s為污染物濃度，Ah為擴(kuò)散系數(shù)，Sq為源或匯。
[0045] ②模型求解
[0047] 邊界條件:計(jì)算區(qū)域的邊界分為固壁邊界和水邊界兩種類型。在固壁邊界上給定 滑移邊界條件，即：
[0048] v ·/?' = () (1-8)
[0049 ] 其中f為流速矢量，5為邊界法向單位矢量。
[0050]采用建立在正交曲線網(wǎng)格上的2.5階閉合湍能模式與亞網(wǎng)格技術(shù)，以有限差分法 進(jìn)行離散求解，該方法的優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)復(fù)雜邊界地形，且收斂速度快，計(jì)算精度高。
[0051 ] 2)計(jì)算范圍
[0052]根據(jù)長(zhǎng)潭水庫(kù)的邊界和地形，計(jì)算范圍為水庫(kù)壩前5km。三維水動(dòng)力模擬網(wǎng)格如圖 3所示。模型垂向上分14層，1-4層層厚為水深的2%，5-8層層厚為水深的8%，9-14層層厚為 水深的10 %。
[0053] 3)邊界條件
[0054]模型計(jì)算設(shè)置三個(gè)開(kāi)邊界，如圖4所示，根據(jù)水庫(kù)記錄的入庫(kù)流量和三個(gè)開(kāi)邊界分 別對(duì)應(yīng)的上游集雨面積，按比例計(jì)算出開(kāi)邊界的流量，作為開(kāi)遍界輸入條件，壩址邊界以水 庫(kù)調(diào)度時(shí)的下泄流量作為輸入條件，各邊界輸入條件如圖4所示。其中，溫度輸入條件為水 質(zhì)測(cè)量所測(cè)得的溫度，根據(jù)測(cè)量值插值所得。
[0055] 4)模型驗(yàn)證
[0056]在對(duì)設(shè)置方案進(jìn)行模擬前，采用圖4為模型驗(yàn)證模擬輸入條件，壩前l(fā)km流量和庫(kù) 水位計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。從計(jì)算結(jié)果分析可知，流量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的平均誤差為 2.50%，水位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的平均誤差為0.01m，計(jì)算結(jié)果可信。
[0057] 3、調(diào)度方案
[0058]根據(jù)長(zhǎng)潭水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，葉綠素及營(yíng)養(yǎng)鹽垂向分布結(jié)構(gòu)為表層向底層遞減， 提出溫躍層取水的調(diào)度方式，與底層取水的調(diào)度方式進(jìn)行對(duì)比，從溫躍層水體的更新率、壩 前水體水齡及營(yíng)養(yǎng)鹽和藻類的排放速率等方面可以毫無(wú)疑義的確認(rèn)溫躍層取水調(diào)度方案 具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。兩調(diào)度方案如表2所示(方案一位底層取水，方案二位溫躍層取水）。 [0059] 表1長(zhǎng)潭水庫(kù)調(diào)度對(duì)比
[0061] 4、調(diào)度效果分析
[0062] 1)水體更新率分析
[0063]結(jié)合生態(tài)調(diào)度模型的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)每層位流速進(jìn)行斷面平均，得到壩前200m 流速垂向分布圖（以多年平均流量為例）。根據(jù)垂向流速突然變點(diǎn)作為表底層流速分界，方 案一表層流速為0.0015m/s，底層平均流速為0.0067m/s，底層流速為表層流速的4.5倍，如 圖8所示;方案二表層平均流速為0.0077m/s，底層流速為0.0012m/s，表層流速約為底層流 速的6.4倍，如圖9所示;從分析結(jié)果可知，溫躍層取水方案(方案二)大大提高了表層水體的 更新率，同時(shí)加快表層營(yíng)養(yǎng)鹽和藻類的迀移與下泄。
[0064] 2)水庫(kù)葉綠素排放速率分析
[0065]根據(jù)實(shí)測(cè)污染物垂向分布結(jié)果，2013年7月表層葉綠素高達(dá)13.6mg/m3,超過(guò)了富 營(yíng)養(yǎng)化的標(biāo)準(zhǔn)(>7mg/m3)，且表底層濃度差比較明顯，水深10m以下葉綠素濃度較低，其垂向 變化過(guò)程與2011年5月在長(zhǎng)潭水庫(kù)測(cè)量結(jié)果相似。從安全角度考慮，此處采用監(jiān)測(cè)過(guò)程中葉 綠素濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果較大的垂向斷面(2013年7月4日監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖7)作為水庫(kù)葉綠素垂向分 布代表，分析不同方案對(duì)同一垂向結(jié)構(gòu)葉綠素的排放速率，選取壩前200m斷面流速為垂向 流速分布，時(shí)間t內(nèi)葉綠素排放量為該時(shí)間內(nèi)葉綠素通過(guò)該斷面的質(zhì)量總和：
[0066] ///vn(y,z,t) · C(z)dydzdt (1~9)
[0067] t時(shí)間內(nèi)通過(guò)該斷面的流量總和為：
[0068] ///vn(y,z,t)dydzdt (1~10)
[0069] 其中，vn(y,z ,t)為網(wǎng)格(y,z)在t時(shí)刻垂直于斷面的流速分量，C(z)為z層位葉綠 素的濃度，此處采用的葉綠素為每層的斷面平均值，水深超過(guò)12米的葉綠素以12米濃度計(jì) 算。各典型年份兩工況情況下，葉綠素排放速率如表2所示。從計(jì)算結(jié)果上看到，同樣的水文 條件下，采用同樣的調(diào)度下泄量，溫躍層取水葉綠素顯然比底層取水葉綠素排放速率高。
[0070] 從葉綠素排放速率分析結(jié)果可知，問(wèn)月取水葉綠素排放速率是底層取水排放速率 2.5倍。(P代表水庫(kù)內(nèi)藻類爆發(fā)的頻率的年份）
[0071] 表2各典型年份葉綠素排放速度對(duì)比表單位:kg/d
[0074] 3)不損失水量調(diào)度分析
[0075]以水庫(kù)多年平均來(lái)水量（55.59m3/s)為入庫(kù)設(shè)置流量，以多年平均流量的10% (5.56m3/s)作為調(diào)度最小下泄流量;兼顧發(fā)電效益，非泄洪情況下采用機(jī)組最大過(guò)流流量 為（168.4m 3/s)應(yīng)急調(diào)度的最大下泄流量。根據(jù)2011年長(zhǎng)潭水庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查情況，以葉綠 素中度富營(yíng)養(yǎng)化的下限值(3mg/m 3)為庫(kù)尾葉綠素入庫(kù)濃度。采用公式5-9計(jì)算出每個(gè)小時(shí) 排放的葉綠素總量，并按排放比例計(jì)算該小時(shí)調(diào)度后葉綠素垂向濃度分布，作為下一小時(shí) 的濃度初值，直至葉綠素濃度垂向最大值達(dá)中度富營(yíng)養(yǎng)化情況為止(葉綠素濃度<7mg/m 3)。
[0076] 根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬情況，下泄水體葉綠素濃度比入庫(kù)水體葉綠素濃度 高，在同一天內(nèi)下泄水量與入庫(kù)水量相等的情況下，問(wèn)月層取水調(diào)度使水庫(kù)水體葉綠素濃 度不斷降低，在保證下游5.56m 3/s生態(tài)流量下，增大前期逐時(shí)的下泄流量可達(dá)到加速葉綠 素排放的效果，水庫(kù)由監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀富營(yíng)養(yǎng)化到中度富營(yíng)養(yǎng)化所需要的時(shí)間如表3所示。由此可 見(jiàn)，一天內(nèi)排放的總水量一定的情況下，前期流量越大，葉綠素排放速率越快。
[0077] 表3不損失水量調(diào)度葉綠素排放速率表
[0080] 5、調(diào)度方案效益及合理性分析
[0081 ] 1)、灌溉效益分析
[0082] 根據(jù)水溫實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬結(jié)果，底層取水的方式，取得為低溫下泄水，本調(diào)度方案 溫躍層取水方式，取得為表層高溫水。表4為水稻生長(zhǎng)周期及其對(duì)水溫要求。夏季為水稻的 孕穗期和成熟期，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，夏季底層水溫為20~22°C，水深2m處水溫為25~31°C。研 究成果表明，水稻在適宜水溫下孕穗，實(shí)顆數(shù)增加了7.7粒/穗，稻谷更飽實(shí)，千粒重增加了 0.6g，結(jié)實(shí)率提高3.9 %。以龍粳水稻為例，在適宜水溫下孕穗產(chǎn)量為646kg/畝，在不適宜水 溫下孕穗產(chǎn)量為539kg/畝。由此可見(jiàn)，若長(zhǎng)期采用水庫(kù)表層下泄低溫水進(jìn)行水稻灌溉，更有 利于水稻生長(zhǎng)，其增產(chǎn)率可達(dá)16.56%。
[0083] 表4水稻生長(zhǎng)周期及其對(duì)水溫要求

[0086]以上所述只是本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，其并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，其特征在于：從水庫(kù)中壩前溫躍層的水體取水并將取出的 水排至壩下的水體中，從而提高壩前葉綠素排放效率以及提高水庫(kù)中表層水體更新率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方法，其特征在于：排至壩下的水體用于發(fā)電 和/或灌溉。3. -種水庫(kù)壩前取水位的確定方法，其特征在于:通過(guò)建立三維水動(dòng)力模型和進(jìn)行有 限元分析，對(duì)比相同的來(lái)水條件和下泄流量下，在不同水深取水時(shí)葉綠素的排放速率，來(lái)確 定將取水深度定在水庫(kù)壩前的水體溫躍層。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水庫(kù)壩前取水位的確定方法，其特征在于:根據(jù)實(shí)際水庫(kù)的邊 界和地形，建立三維水動(dòng)力模擬網(wǎng)格，將三維水動(dòng)力模型在高度方向上分為多個(gè)水層，對(duì)每 個(gè)水層進(jìn)行分析。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的水庫(kù)壩前取水位的確定方法，其特征在于:對(duì)取水位置的水體 更新率進(jìn)行分析，其包括對(duì)每個(gè)水層流速進(jìn)行斷面平均，得到壩前流速垂向分布，根據(jù)垂向 流速突變點(diǎn)作為流速分界。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水庫(kù)壩前取水位的確定方法，其特征在于:對(duì)水層葉綠素排放 速率進(jìn)行分析，其包括選取壩前斷面為每層葉綠素出庫(kù)分析斷面，分析每層葉綠素出庫(kù)量。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水庫(kù)壩前取水位的確定方法，其特征在于:對(duì)不同水深取水的 灌溉效益進(jìn)行分析，包括根據(jù)水溫實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合水稻生長(zhǎng)周期及其對(duì)水溫要 求分析產(chǎn)量。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106096147SQ201610423100
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日 公開(kāi)號(hào)201610423100.4, CN 106096147 A, CN 106096147A, CN 201610423100, CN-A-106096147, CN106096147 A, CN106096147A, CN201610423100, CN201610423100.4
【發(fā)明人】劉麗詩(shī), 劉斌, 黃鶴, 廉浩, 鄧偉鑄, 葛曉霞, 吳浩東, 王麗, 楊曉靈, 聞平, 姜海萍, 朱遠(yuǎn)生, 劉威, 王旭濤
【申請(qǐng)人】珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所