一种水库下泄水温影响恢复的临界河长计算方法

技术领域

本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种水库下泄水温影响恢复的临界河长计算方法。

背景技术

水温是水环境中重要的影响因子之一，水库的形成将改变原天然河道水温的时空分布，进而对其它环境因子、生态系统以及其它用水对象等产生影响。水库运行时，每年8-9月库区储蓄大量高温水体，12月至次年2月又逐渐被低温水体驱替，造成下游江段沿程最低水温升高和水温变化相对滞后的现象，即水温的平坦化和延滞效应。

目前根据河段地形、水力条件，充分考虑超限状态和水温的时间过程相对于气象过程的偏移，建立纵向一维水动力水温模型对河段水温进行模拟，模拟出不同下泄水温情景下水温恢复的临界河长，但是存在的缺点是河段地形资料不充分时，模型模拟精度无法保证。另一方案水温升降幅过下泄水温和天然水温的差值定义(正为升幅，负为降幅)，净热通量通过太阳辐射，气温，云量，蒸发等计算。通过水温模型得到的不同临界河长值，利用多元回归方法，建立三者之间联系，但是存在的缺点是水库下游实测数据不足时，该方法计算结果精确度无法保证

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种水库下泄水温影响恢复的临界河长计算方法。

本发明采用下述的技术方案：

一种水库下泄水温影响恢复的临界河长计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立坝下河段纵向一维数学模型，得到下游河段沿程水温变化；与水库建成前沿程天然水温相比，得到恢复至天然水温的临界河长；

步骤2：根据临界河长、净热通量以及水温升降幅采用多元回归方法拟合得到水库下泄低温水和下泄高温水在坝下沿程恢复的临界河长公式。

进一步的，所述步骤1，所述纵向一维河道水温模型由河道水面曲线计算方程和一维温度对流扩散方程组成；河道水面曲线的计算方程采用逐段试算法求解；运用有限差分的隐式格式对纵向一维温度对流扩散方程式离散，运用追赶法求解。

进一步的，所述步骤2，所述水温升降幅通过下泄水温和天然水温的差值定义，净热通量通过实测数据计算。

进一步的，所述净热通量包括净太阳短波辐射、大气长波辐射、水体长波返回辐射、水面蒸发热损失和热传导。

进一步的，净热通量公式为

其中

进一步的，所述步骤3，水库下泄低温水和高温水在坝下沿程恢复所需的临界河长计算公式为Y＝Ax

进一步的，所述水库下泄低温水在坝下沿程恢复所需的临界河长计算公式为

Y＝53.589×x

进一步的，所述水库下泄高温水在坝下沿程恢复所需的临界河长计算公式为

Y＝716.266×x

本发明的有益效果是：

本方法计算简便，只是采用实测数据太阳辐射，气温，云量，蒸发等，降低了运算复杂性，有切实的可行性，当给定一个水温升幅及当前的净热通量，可快速计算出所需的水温恢复临界河长；另外适用范围广，基于水温变化仅与坝下气象数据以及水温变幅相关，无地域限制，可用于各种流域不同时期水温恢复临界河长的计算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明瀑布沟下泄水温的低温降幅与临界河长的关系示意图。

图2为本发明瀑布沟下泄水温的高温升幅与临界河长的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种水库下泄水温影响恢复的临界河长计算方法，包括如下步骤：

步骤1：建立坝下河段纵向一维数学模型，得到下游河段沿程水温变化。

所述纵向一维河道水温模型由河道水面曲线计算方程和一维温度对流扩散方程组成；河道水面曲线的计算采用逐段试算法计算；运用有限差分的隐式格式对纵向一维温度方程式离散，运用追赶法求解。

步骤2：根据临界河长、净热通量以及水温升降幅采用多元回归方法拟合得到水库下泄低温水和下泄高温水在坝下沿程恢复所需的临界河长公式。

所述水温升降幅通过下泄水温和天然水温的差值定义，净热通量通过实测数据计算；所述净热通量包括净太阳短波辐射、大气长波辐射、水体长波返回辐射、水面蒸发热损失和热传导。

通过水面进入水体的净热通量：

其中

A、净太阳短波辐射

一般来说，太阳的红外辐射(一般亦称长波辐射)大部分都被表层1m内的水体所吸收；水体对太阳辐射的反辐射随着太阳辐射的入射角的增大而增加。当太阳高度较低时，水库水体所反射的太阳辐射能量增加，而水体所吸收的太阳辐射能量减少；当太阳高度较大时，反射与吸收情况与上面情况相反。

水体表面净吸收的太阳短波辐射通量为：

式中

其中η为太阳辐射在水体中的衰减系数，与水体的透明度和水质相关；H为水深(m)。

B、大气长波辐射

大气所吸收的太阳能以长波形式向地面发射，其长波辐射强度取决于气温和云量：

式中，是Stefan-Boltaman常数，等于5.67×10

式中，T

C、水体长波的返回辐射

水体吸收的大气长波辐射会向大气进行返回辐射，其强度可用Stefan-Boltzman定律计算：

式中T

D、水面蒸发热损失

水在从液体转变为气体的蒸发过程中需要吸收热量，水体由于蒸发损失的热量大多根据空气与水面的蒸发压力计算，本次计算采用《工业循环水冷却设计规范》推荐的计算公式：

式中f(W)是风函数，反映了自由对流和强迫对流对蒸发的影响，计算为：

式中：W是水面上10m处的风速；ΔT为水气温差；e

式中：hum为相对湿度。

E、热传导通量

当水温与气温有温差时，水气界面上会通过传导进行热交换，热传导通量正比于温差：

式中，T

步骤3：根据已建立的纵向一维水温模型中计算得到的水温恢复所需的临界河长，采用多元回归方法建立水库下泄低温水和下泄高温水在坝下沿程恢复所需的临界河长。

水库下泄低温水和高温水在坝下沿程恢复所需的临界河长计算公式为Y＝Ax

表1和表2分别列出了瀑布沟水库下游低温水恢复和高温水恢复情境下，自变量和因变量的关系。采用多元回归方法建立了水库下泄低温水在坝下沿程恢复所需的临界河长计算方法,具体为：Y＝53.589×x

表1低温水恢复临界河长参数表

表2高温水恢复临界河长参数表

本方法计算简便，只是采用实测数据太阳辐射，气温，云量，蒸发等，降低了运算复杂性，有切实的可行性，当给定一个水温升幅及当前的净热通量，可快速计算出所需的水温恢复临界河长；另外适用范围广，基于水温变化仅与坝下气象数据以及水温变幅相关，无地域限制，可用于各种流域不同时期水温恢复临界河长的计算。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。