大型水库垂向换热特性及水温结构演化机制研究

Water temperature has significant effects on physical, chemical and biological process in water ecosystem. Analysis of water temperature structures is the critical in the research on reservoirs. But there exists some problems such as empirical problems, low accuracy of air-water interface heat flux calculation model, difficulties in analyzing influence factors, low efficiency in numerical calculation and so on. Research on the following two scientific problems will be mainly carried out in this project:(1) Establishment of mathematical expression of vertical equivalent heat conductivity under the dynamic water condition. (2) Build the theoretical model of thermal structure of reservoirs. Through this study, the calculation method of the surface heat flux for reservoir is improved. To improve the numerical simulation accuracy of thermal structure, the method is used in three – dimensional simulation of water temperature and hydrodynamics. Mathematical expression of vertical equivalent heat conductivity under the dynamic water condition will be established by experiment. Vertical heat transfer mechanism and characters of weak turbulence lakes and reservoirs will be analyzed, and the heat exchange between the water and gas interface and the internal heat transfer of the water body are combined to construct the analytical model of the vertical thermal structure evolution of the reservoir. Combined with numerical simulation, The influence in vertical of non-steady boundary conditions in different time scales will be described in water body by the analytical model. Effective factors and mechanism of water temperature evolution in reservoirs will be revealed. Theoretical methods in studying on thermal structure in reservoirs will be founded, and provide technical support for the protection of reservoir water environment under the framework of ecological water conservancy.

水温在水生态系统的物理、化学和生物过程起着重要作用，水温结构分析是研究大型水库的环境效应的关键内容。但目前的研究中仍存在经验性强、水气界面热通量计算精度低、水温影响因素分析困难、数值计算效率不高等问题。本项目主要针对以下两个科学问题讨论：1）动水条件下水体垂向当量导热系数表达式的建立；2）水库水温结构演变理论分析模型构建。通过本项目的研究，拟改进水库水气界面热通量计算方法，并将其引入水温水动力三维数学模型计算中，提高水库水温数值模拟精度；通过试验建立动水条件下水体垂向当量导热系数的数学表达式；分析水库水体垂向传热机制及特性，将水气界面热交换与水体内部传热有机结合，构建水库垂向水温结构演化的分析模型；结合数值模拟，阐明不同时间尺度的非稳态边界条件在水体内部的影响程度和范围，揭示水库水温结构演变影响因素及其作用机理，形成水库水温结构研究的理论方法。为生态水利框架下水库水环境的保护提供技术支撑。

水温对水生态系统中的物理、化学和生物过程起着重要作用，是水环境研究中的基本要素。大型水库水温垂向分布及其演化机制是重大工程生态效应、水环境与生态水利、全球气候变化等领域研究的热点和基础性科学问题。当前水库水温研究多在水环境领域，更多关注水库水温的具体结构，存在理论分析偏少、水气界面热通量计算模型精度低、水库水温主影响因素分析困难、数值模拟方法效率不高、非稳态边界条件时间尺度效应不易评价等问题。本项目针对上述问题，考虑对流换热影响，改进水库水气界面热通量计算方法，并将其引入水温水动力三维数学模型计算中，提高水库水温结构分析中水气热交换模型的计算精度；通过试验建立动水条件下水体垂向当量导热系数的数学表达式；分析水库水体垂向传热机制及特性，将水气界面热交换与水体内部传热有机结合，构建水库垂向水温结构演化的分析模型；结合数值模拟方法，阐明不同时间尺度的非稳态边界条件在水体内部的影响范围，揭示水库水温结构演变影响因素及其作用机理，形成水库水温结构研究的理论方法；研究结果表明：在水气界面热通量中考虑自由对流换热是必要的和合理的，在风速较小的情况下，自由对流产生的热通量最大可占总热通量的50%左右；降温期，水库的底层水温受水气界面对流换热影响较大；常用的水气界面换热模型低估了春季下泄低温水的影响（计算水温比实际偏高0.5~1.2℃）；周期性条件的变化影响较为复杂，水温变化与水深、流速、库容等因素密切相关，整体来看，边界条件的变化周期在1d以下的，对水库水温结构的影响不大，但出口边界条件流量的日内变化在一定条件下会引起水体内部水温的周期性波动；从垂向水温的影响上看，时周期变化的边界条件影响深度不超过3m，日周期变化的边界条件影响深度不超过15m；考虑入流水温与气温的相关性，深水水库水温结构的决定性因素是气候条件。研究揭示了水库水温结构演变影响因素及其作用机理，可为生态水利框架下水库水环境的保护提供技术支撑。