季节性封冻水库水温及冰温分布规律的研究 ——以张峰水库为例

论文摘要

水利水电工程对河道径流的调节,将使库区及坝址下游河段的水文情势发生显著变化,从而对水温、水质以及水生生态系统造成影响。特别是一些调节性能好的高坝大库的建成投产,有些季节可能出现温度分层现象,导致深孔和电厂尾水的出流水温较低,极大地改变天然河道的水温分布。在寒带、寒温带及高海拔地区,水库建成后,水面流速减小,在冬季随着气温降低,天然情况下,库区原来不结冰或者只结岸冰的河段可能全被冰层覆盖。冰盖的形成阻隔了寒冷的大气与水库水体的热交换,减少了水体在冬季的热损失,这时候的水库水温高于天然情况下的河道水体温度,甚至高于不结冰情况下的水库水温,这就与原有的天然河流以及不结冰水库的水文、水温情势完全不同。同时由于水库冰盖的产生还将隔断水库的复氧过程,可能造成水库水体质量的下降。本文在总结前人研究成果的基础上,综合采用了两种模型数值模拟的方法,研究了封冻期有冰盖形成情况下及非封冻期水库全年的垂向水温结构以及对水库下泄水温的影响,并研究了水库冰盖内温度的变化情况,研究成果可为制定水库生态用水调度方案以及水库建设的环境影响评价提供科学依据,主要研究内容及成果如下：1、利用三维水温数值模型模拟张峰水库库区水温分布,计算丰、平、枯水年各月水库下泄的月平均水温和坝前垂向水温分布,根据预测结果分析寒区水库全年的垂向水温结构以及水库建成后对下泄水温的影响。2、总结了前人关于水库水温预测、水体表面热交换、水面冰形成与消融等方面的研究成果,对水库冰生长机制以及水气之间、水体之间热交换规律进行了研究。根据一维热传导方程,采用有限元法进行离散,建立了适合于季节性封冻水库冰盖内温度的数值模型并给出求解方法,编制了相应的计算软件,并对其进行误差分析。3、将建立的冰温预测模型应用于张峰水库冰盖内温度预测,根据预测结果分析了冰水之间的热交换规律。预测结果表明,冰盖生长过程中在冰盖上表面冰温的等值线分布较密,在冰水交界面冰温的等值线分布较稀疏,即冰增厚期冰气交界面的热交换量要比冰水交界面的热交换量大。该模型可应用于类似水库的冰盖内温度预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 水库水温的国内外研究现状
• 1.2.1 水库水温结构及其判别方法
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 国外研究现状
• 1.2.4 冬季冰封水库研究现状
• 1.3 数值方法概述
• 1.4 本文的研究目的、内容及技术路线
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 技术路线
• 2 三维水温模型理论基础
• 2.1 基本方程
• 2.2 模型求解方法
• 2.3 初始设置
• 2.4 边界条件
• 3 张峰水库库区水温结构模拟
• 3.1 张峰水库概况
• 3.1.1 工程概况
• 3.1.2 流域概况
• 3.1.3 水文概况
• 3.1.4 冰情气象概况
• 3.2 水温结构实际监测
• 3.2.1 监测时间
• 3.2.2 监测方法
• 3.2.3 监测结果
• 3.3 张峰水库库区水温结构模拟
• 3.3.1 计算典型年确定
• 3.3.2 计算范围及地形确定
• 3.3.3 计算工况
• 3.3.4 边界条件
• 3.3.5 计算参数
• 3.3.6 丰水年张峰水库水温的模拟结果
• 3.3.7 平水年张峰水库水温的模拟结果
• 3.3.8 枯水年张峰水库水温的模拟结果
• 3.4 本章小结
• 4 水库冰温预测模型及其应用
• 4.1 封冻期水体的热传导分析
• 4.2 一维数学模型
• 4.2.1 基本方程
• 4.2.2 冰盖厚度的计算
• 4.2.3 边界条件处理
• 4.2.4 求解方法
• 4.3 水库冰盖内温度预测模型程序设计
• 4.3.1 程序结构
• 4.3.2 数据处理
• 4.3.3 网格划分
• 4.3.4 程序运行
• 4.4 模型应用及结果分析
• 4.4.1 典型算例及误差分析
• 4.4.2 模型应用与验证
• 4.4.3 计算结果分析
• 4.5 封冻期水库冰盖运动研究
• 4.6 本章小结
• 5 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附图1
• 附图2
• 附图3
• 一、攻读硕士学位期间发表的论文
• 二、攻读硕士学位期间主要参加的科研项目