白鶴灘竹壽水庫壩前垂向水溫及影響因素淺析

田清瑞，方德祥，任 財

（浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014）

白鶴灘竹壽水庫壩前垂向水溫及影響因素淺析

田清瑞，方德祥，任 財

（浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014）

作為白鶴灘電站移民工程安置點引用水源，竹壽水庫是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水利工程，以解決包括移民安置點在內(nèi)的大同鄉(xiāng)的農(nóng)業(yè)灌溉用水為主要目標(biāo)，同時也作為大同鄉(xiāng)、景星鄉(xiāng)和寧南縣城及周邊地區(qū)生活用水的補充水源。通過對水庫水溫結(jié)構(gòu)的判定，分析了水庫壩前垂向水溫與水深的關(guān)系及其影響因素。

垂向水溫；竹壽水庫；白鶴灘電站

1 工程概況

白鶴灘竹壽水庫是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水利工程。工程始建于1972年，但由于多種因素的影響，水庫出現(xiàn)了諸多問題。目前，水庫已被鑒定為三類病險水庫，水庫的除險加固工作已迫在眉睫。竹壽水庫除險擴容及調(diào)水工程的開發(fā)目標(biāo)是：在對水庫大壩樞紐采取除險加高措施、在水庫擴容的基礎(chǔ)上，從竹壽水庫引水至大同鄉(xiāng)，以解決包括白鶴灘移民安置點在內(nèi)的大同鄉(xiāng)的農(nóng)業(yè)灌溉用水為主要目標(biāo)，同時作為大同鄉(xiāng)、景星鄉(xiāng)和寧南縣城及周邊地區(qū)生活用水的補充水源。

2 監(jiān)測位置及方法

為分析竹壽水庫壩前水溫影響，在水庫壩前約180 m斷面中心位置（北緯26°51′22.67"、東經(jīng)102° 35′0.50"）布設(shè)水溫垂向監(jiān)測點，于每日09時、13時、17時連續(xù)觀測10 d。

具體觀測時，按照從水面至庫底，然后庫底至水面為一個測量周期。每個水溫測點的間隔為0.5m，探頭下放及上升的速度控制在0.5 m/s左右。表層水溫測量時，水溫計放置在水面以下0.5 m處5 min以上（盡量避免外部溫度對儀器的影響）。水溫讀數(shù)精確到0.1℃[1]。

水溫觀測采用自容式HY1200B聲速剖面儀。該儀器是一種測量聲波在水中傳播速度的精密測量儀器。它采用環(huán)鳴法直接測量聲信號在固定的已知距離內(nèi)的傳播時間進(jìn)而得到聲速，同時還能測出水中傳感器所處位置的深度和溫度。該儀器能快速、有效、方便地為測深儀、聲納、水下聲標(biāo)等水聲設(shè)備校正測量誤差提供實時聲速剖面數(shù)據(jù)，是水庫垂向水溫觀測、海洋調(diào)查勘察及國防應(yīng)用與研究等領(lǐng)域必不可少的設(shè)備。其參數(shù)列于表1，儀器如圖1所示。

表1 HY1200B聲速剖面儀參數(shù)表Table 1 Parameter of HY1200B sound velocity profiler

圖1 HY1200B聲速剖面儀Fig.1 HY1200B sound velocity profiler

3 竹壽水庫壩前垂向水溫觀測結(jié)果分析

3.1 竹壽水庫垂向分層水溫圖及分析

本次對竹壽水庫的水溫進(jìn)行連續(xù)且有代表性10 d（2014年8月7～16日）的觀測。通過作圖分析表明，此10 d資料數(shù)據(jù)總體趨勢一致，無較大明顯變化。受篇幅所限，僅以2014年8月8日為例進(jìn)行分析。圖2～4分別為該日09時、13時和17時的垂向分層水溫圖。

從圖2～4實測數(shù)據(jù)圖表可以看出，竹壽水庫水溫出現(xiàn)明顯垂向水溫分層現(xiàn)象。垂向水溫典型結(jié)構(gòu)分為上、中、下三層：上層水體為表溫層，下層水體為滯溫層，表溫層以下、滯溫層以上的水體為溫躍層（也稱斜溫層）。表層水溫較高，變化顯著；溫躍層反而相比滯溫層水溫變化緩慢。同一天中不同時刻09時、13時、17時，表溫層水溫變化顯著，外部環(huán)境溫度越高，水溫隨深度變化越急劇。溫躍層以及滯溫層在不同時刻的水溫變化不明顯。

圖2 8日9時垂向分層水溫圖Fig.2 Vertical stratified water temperature at 9 o'clock on August 8

圖3 8日13時垂向分層水溫圖Fig.3 Vertical stratified water temperature at 13 o'clock on August 8

圖4 8日17時垂向分層水溫圖Fig.4 Vertical stratified water temperature at 17 o'clock on August 8

從圖5～7實測數(shù)據(jù)圖表可以看出，竹壽水庫在不同日期同一時刻水溫受當(dāng)天外部環(huán)境溫度的影響較大。同一水深下表溫層受外部環(huán)境溫度影響較大，躍溫層受外部環(huán)境溫度影響較小。外部環(huán)境溫度相差較大時，滯溫層與躍溫層的臨界點會發(fā)生位移現(xiàn)象，而表溫層與滯溫層的臨界點未出現(xiàn)位移現(xiàn)象。層接收的太陽能量不同，加上風(fēng)的作用，造成同一天中的9時、13時、17時，表溫層外部環(huán)境溫度差異較明顯。但躍溫層水溫差異無明顯變化，躍溫層受外部環(huán)境溫度影響較小。

圖5 9時垂向分層水溫圖（8月7～16日）Fig.5 Vertical stratified water temperature at 9 o'clock(from 7 to 16 August)

圖6 13時垂向分層水溫圖（8月7～16日）Fig.6 Vertical stratified water temperature at 13 o'clock(from 7 to 16 August)

圖7 17時垂向分層水溫圖（8月7～16日）Fig.7 Vertical stratified water temperature at 17 o'clock(from 7 to 16 August)

3.2 竹壽水庫壩前垂向水溫影響因素分析

竹壽水庫位于海拔2 400 m左右的高海拔地區(qū)，屬于中型淺水型水庫。與大型深水型水庫相比，竹壽水庫垂向分層水溫溫差小、持續(xù)時間短、變化快、過程更加復(fù)雜。通過實際觀測，也表明淺水型水庫受太陽輻射和風(fēng)的作用較強，垂直溫差不大，水溫分層過程極不穩(wěn)定。

同一天中不同時刻，竹壽水庫垂向水溫各分層影響因素主要來源于不同時刻的外部環(huán)境氣溫不同。尤其是表溫層受影響最大，13時和17時的外部氣溫比9時明顯偏高，由圖2～4可以看出，9時水溫持續(xù)均勻變化，13時和17時表層水溫急劇變化。溫躍層與滯溫層水溫受各時段氣溫影響較小。

同一時刻，太陽輻射強度與水體水溫垂向溫差形成對應(yīng)關(guān)系，由于太陽輻射強度在水體垂向不斷衰減，導(dǎo)致水體垂向各層吸收的太陽輻射能向下遞減[2]。表溫層水體吸收太陽輻射能最大，由于衰減作用使得滯溫層吸收太陽輻射最少，水體受到加熱最小，因此太陽輻射對表溫層的作用更加明顯?？梢钥闯霰韺铀疁馗撸瑴貙铀疁刈畹?，溫躍層均勻變化。風(fēng)速對高海拔地區(qū)水庫水溫也有一定影響，風(fēng)浪會影響水體的混合、熱量傳遞和遷移[3]。因此，水庫壩前垂向分層水溫的形成與消失的主要影響因素為太陽輻射和風(fēng)速。

結(jié)合竹壽水庫實際情況，其垂向分層水溫的形成與消失的因素除了太陽輻射、風(fēng)速、氣溫外，還與當(dāng)?shù)氐母吆０螝庀髼l件、水庫運行管理方式及出庫流量等因素有關(guān)。

表2 白鶴灘氣象站太陽能量數(shù)據(jù)資料（單位：J/cm2）Table 2 Solar energy data of Baihetan weather station(unit:J/cm2)

表3 白鶴灘氣象站風(fēng)速數(shù)據(jù)資料（單位：m/s）Table 3 Wind speed data of Baihetan weather station(unit:m/s)

4 結(jié)語

為合理利用白鶴灘竹壽水庫水資源，改善水資源分布不均的情況，要重視并加強水庫水溫觀測與研究，掌握其基本變化規(guī)律，并為資源的利用與環(huán)境的影響評價提供可靠依據(jù)。要統(tǒng)籌考慮生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，既要保證水庫的開發(fā)利用滿足人類的需求，也要維護(hù)生態(tài)環(huán)境的平衡[4]。

[1]SL 58-2014,水文普通測量規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2014.

[2]趙林林,朱廣偉,陳元芳,等.太湖水體水溫垂向分層特征及其影響因素[J].水科學(xué)進(jìn)展,2011,22(6)：844-850.

[3]戴凌全,李華,陳小燕.水庫水溫結(jié)構(gòu)及其對庫區(qū)水質(zhì)影響研究[J].紅水河,2010,29(5)：30-35.

[4]吳莉莉,王惠民,吳時強.水庫的水溫分層及其改善措施[J].水電站設(shè)計,2007,23(3)：97-100.

Analysis on vertical water temperature and its influencing factors in front of Zhushou reservoir dam in Baihetan basin

by TIAN Qing-rui,FANG De-xiang and REN Cai
Zhejiang East China Surveying and Mapping Geographic Information Co.,Ltd.

As the drinking water of resettlement of the Baihetan power station project,Zhushou reservoir is a medium-sized water conservancy project which is mainly used for irrigation,with the comprehensive utilization of flood control,power generation and so on.The main objective of the project is to provide agricultural water for Datong town including resettlement areas.At the same time,this project is also served as a supplemental source of domestic water of Datong town,Jingxing town,Ningnan county and the surrounding areas.In this paper,based on the distribution of water temperature of Zhushou reservoir,the author analyzed the relationship between vertical water temperature in front of the dam and water depth,as well as its influencing factors..

vertical water temperature;Zhushou reservoir;Baihetan hydropower station

book=40,ebook=46

TV123

B

1671-1092（2016）06-0040-04

2015-01-28；

2016-03-17

田清瑞（1986-），男，四川南充人，助理工程師，主要從事水文相關(guān)工作。

作者郵箱：tianqr811313@163.com