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河流修坝建库不仅可以调控水资源,还可以获得清洁能源,世界各地都在致力于水库的建设,涌现出大量的高坝水库。据不完全统计,全球约有5万座大坝。我国是大型水库建设的主要国家之一,多座水库的坝高也位居世界前列,如,金沙江溪洛渡水库最大水深达250m、二滩水库坝前水深约190m、三峡水库坝前水深约为150m。这些大型高坝水库由于水深较大,流速较小,在特定季节容易形成垂向水温分层。水体分层会严重削弱水体的垂向混合能力,对库区和水库下游的生态环境产生显著影响,因此对水库水温进行预测研究具有重要和理论意义和现实意义。虽然国内外对大型水库的水温分层模拟进行了多年的研究,但由于问题的复杂性和实测资料不易获得,目前数学模型主要限于用经验统计模型、垂向一维和立面二维数学模型,三维模型尚不多见。本文针对大型水库的水温分层现象,采用水槽试验研究了不同条件下水库水温规律。在此基础上,引入2.5阶的Mellor-Yamada紊流模型,建立大型水库水温分层的三维数学模型。通过水槽试验和数学模型相互验证和对照,研究了影响大型水库的分层取水主要因素,得到如下结论：(1)根据夏季坝前库区水温分层特性,建立水槽水温分层流动的试验系统。试验水槽采用表层注入热水模拟夏季高温水进入水库后的输移过程,同时在下游设置表层和底层两个泄水口模拟水库不同取水方式。通过入流流量和下游泄洪孔口的调整模拟了流量和泄水口高程对库区和下泄水温的定量影响,为数学模型提供了基础资料。(2)根据水槽试验结果,采用考虑浮力效应的2.5阶Mellor-Yamada紊流闭合模型,建立计算量小、精度高的大型水库三维水温数学模型,并对水槽试验进行数值模拟,结果显示计算值和实测值具有较好的一致性,有效说明了模型的有效性和可靠性。(3)数学模型和水槽试验相互对照,分析了分析夏季水库不同泄水口位置和流量对坝前水温结构和下泄水温的影响,为大型水库的生态调度提供了参考依据。在同样的泄水口位置,流量越大越有助于降低库区的水温分层强度；同样流量条件下,泄水口位置越高,下泄水温越高,库区水温分层越强；泄水口位置越低,下泄水温越低,库区水温分层越弱。