水庫(kù)水溫分層時(shí)空特征及對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉影響

劉向楠

（秦皇島水文水資源勘測(cè)局，河北 秦皇島 066000）

1 水庫(kù)概況

桃林口水庫(kù)壩址位于秦皇島市青龍滿族自治縣三道河村青龍河上，工程總投資18.04億元，控制流域面積5060km2，總庫(kù)容8.59億m3，主要為秦皇島、唐山兩市提供農(nóng)業(yè)和城市用水，是一座具備供水、發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖等綜合功能的現(xiàn)代化大型水利樞紐，工程等級(jí)Ⅱ等，大壩為2級(jí)建筑。桃林口水庫(kù)正常蓄水位143.3m，洪水設(shè)計(jì)100年一遇，洪水校核1000年一遇。

2 水庫(kù)水溫分層時(shí)空特征分析

2.1 水庫(kù)水溫分層模擬模型的建立

2.1.1 模型概述

本項(xiàng)目選用CE-QUAL-W2模型來(lái)模擬桃林口水庫(kù)的水溫分層情況。該軟件設(shè)定水體橫向參數(shù)均勻（流速、溫度、濃度等變化忽略），通過(guò)對(duì)水體縱向分段和垂直分層來(lái)模擬水體的溫度梯度及水質(zhì)變化情況[1]。

根據(jù)調(diào)查顯示桃林口水庫(kù)回水區(qū)長(zhǎng)度達(dá)100km，底坡平緩，因此將整個(gè)庫(kù)區(qū)劃分100×80（縱向×垂向）個(gè)單元格，其中縱向單元格長(zhǎng)1000m，垂向共分80層，每層厚1m。

2.1.2 參數(shù)選取

影響水庫(kù)水溫分層時(shí)空特性的因素有很多，為方便計(jì)算，簡(jiǎn)化為氣象、入流、出流、水庫(kù)形態(tài)等因素。CE-QUAL-W2模型涉及到水動(dòng)力主要參數(shù)及數(shù)值如表1。參數(shù)在模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不斷對(duì)比中進(jìn)行修改，直到精度滿足要求[2]。

表1 水動(dòng)力參數(shù)值

2.1.3 模擬過(guò)程

本項(xiàng)目模擬最大計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)600s，最小時(shí)間步長(zhǎng)1s，根據(jù)實(shí)際模擬進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。選取2014年桃林口水庫(kù)庫(kù)灣處實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（4月24日升溫期；8月15日汛期；12月17日降溫期）與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比，擬合圖如圖1[3]。

圖1 水庫(kù)實(shí)測(cè)和模擬數(shù)據(jù)擬合

由圖1可知，模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合度較好，模擬精度完全滿足使用要求。

2.2 水庫(kù)水溫分層時(shí)空特征分析

2.2.1 水庫(kù)水溫分層時(shí)間分布

2.2.1.1 壩前表層和入流水溫變化

相關(guān)學(xué)者運(yùn)用率定好的桃林口水庫(kù)立面二維CEQUAL-W2水溫模型對(duì)其進(jìn)行模擬，結(jié)合入流及壩前表層水溫的變化，模擬結(jié)果顯示：桃林口水庫(kù)庫(kù)首和庫(kù)尾水溫符合“春夏升溫、秋冬降溫”特征，其中庫(kù)首水溫較庫(kù)尾平均高3 ℃；壩前表層水溫基本和上游入流水溫相當(dāng)，且變化率一致（如圖2）；水庫(kù)蓄水使水溫進(jìn)一步升高[4]。

圖2 壩前表層和上游入流水溫變化曲線

2.2.1.2 2015年同一個(gè)月份水庫(kù)垂向水溫變化

通過(guò)對(duì)桃林口水庫(kù)2015年同一個(gè)月份、不同深度水溫進(jìn)行測(cè)定，得出圖3曲線圖。

圖3 壩前垂向水溫分布曲線

由圖3可知，1～3月份各深度水溫幾乎一致，垂向水溫曲線呈豎直狀態(tài)；4～8月份隨著深度增加，水溫也逐步下降，其中5月份表層和底層水溫相差最大，為6 ℃；9～12月份又回歸為豎直狀態(tài)。由此可知：太陽(yáng)輻射是造成水溫分層的最重要因素[5]。

2.2.2 水庫(kù)水溫分層空間分布

以2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)模擬得出桃林口水庫(kù)4～8月份水溫呈現(xiàn)明顯分層狀態(tài)，9月～次年3月水溫不分層（在此不作研究），圖4是4～7月份水庫(kù)水溫空間分布模擬云圖。

圖4 水庫(kù)4～7月份水溫空間分布

由圖4可知：①進(jìn)入4月份，隨著氣溫上升，入流水溫和表層水溫均升高，水溫分層逐步顯現(xiàn)，表底最大溫差達(dá)到5～6 ℃；②進(jìn)入7～8月份汛期，入流量增大，水庫(kù)中水體交換速率增加，位于底層的低溫水體厚度逐步減小，同時(shí)水溫被入流水帶動(dòng)升溫至20 ℃，而表層水體受太陽(yáng)輻射影響，溫度可達(dá)25 ℃。9月份以后水庫(kù)蓄水，水溫分層現(xiàn)象逐步消除[6]。

3 水庫(kù)水溫分層對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，桃林口水庫(kù)在灌溉供水期間水溫始終保持在6～10 ℃，溫度偏低，而灌溉對(duì)象主要是小麥和玉米，在此主要針對(duì)這兩種作物的影響進(jìn)行分析。

3.1 低溫水對(duì)小麥生長(zhǎng)影響

3.1.1 長(zhǎng)苗期

在小麥播種前用低溫水灌溉，可增加農(nóng)田底墑，大概在24h后土壤溫度就會(huì)升高到適宜播種溫度，因此在該階段低溫水不會(huì)產(chǎn)生不良影響。

3.1.2 孕穗期

小麥孕穗期的需水量占整個(gè)生育期總需水量的30%以上，該階段對(duì)產(chǎn)量有著決定性影響。該階段一般要求水溫在12～15 ℃，且光照和養(yǎng)分充足。研究表明：用低溫水灌溉會(huì)對(duì)小麥抗倒伏能力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響產(chǎn)量，影響程度可達(dá)8%。

3.1.3 開(kāi)花期

開(kāi)花期小麥對(duì)水溫要求是10～12 ℃，低溫水會(huì)使土壤溫度下降，經(jīng)3d恢復(fù)正常溫度，該過(guò)程會(huì)抑制籽粒灌漿及干物質(zhì)向籽粒積累，從而影響產(chǎn)量。

3.1.4 成熟期

成熟期小麥對(duì)水溫要求是15～20 ℃，低溫水灌溉會(huì)造成小麥灌漿期較短，顆粒不飽滿，且容易產(chǎn)生早熟、銹病等問(wèn)題。相關(guān)數(shù)據(jù)表明：在其他條件一致前提下，低溫水灌溉相對(duì)于適溫水灌溉會(huì)影響小麥10%產(chǎn)量。

3.2 低溫水對(duì)玉米生長(zhǎng)影響

玉米是喜溫作物，發(fā)芽期適宜溫度在18～22 ℃，開(kāi)花期最適溫度要求達(dá)25～28 ℃，結(jié)粒期要求溫度在20～24 ℃。用低溫水灌溉會(huì)瞬間降低土壤溫度，影響淀粉酶活性，進(jìn)而影響?zhàn)B分合成，干物質(zhì)積累速度減慢，玉米成熟延遲，玉米籽力度飽滿度不好。相關(guān)數(shù)據(jù)表明：在其他條件一致前提下，低溫水灌溉相對(duì)于適溫水灌溉會(huì)影響小麥15%左右的產(chǎn)量，影響程度比小麥更大。

4 結(jié)語(yǔ)

桃林口水庫(kù)作為秦皇島地區(qū)最大的水庫(kù)，在城市供水、養(yǎng)殖、灌溉、旅游等方面起著無(wú)法替代的作用。通過(guò)對(duì)水庫(kù)水溫分層時(shí)空特性研究分析，主要得出以下結(jié)論。

（1）庫(kù)首水溫較庫(kù)尾平均高3 ℃，壩前表層水溫主要受上游入流水溫影響。

（2）桃林口水庫(kù)水溫分層空間分布過(guò)程為：4月份開(kāi)始逐步明顯（表層和底部水體溫差5 ℃），6～8月份整體溫度高（底層水體溫度也能達(dá)到20 ℃），8月底分層逐步消失。

（3）低溫水灌溉對(duì)小麥的影響主要在孕穗期、開(kāi)花期、成熟期，會(huì)使總產(chǎn)量降低10%；對(duì)玉米影響貫穿整個(gè)生長(zhǎng)期，會(huì)使總產(chǎn)量降低15%。因此灌溉時(shí)應(yīng)盡量避免在土壤和灌溉水溫差較大情況，夏季可建議晚上灌溉，溫差過(guò)大會(huì)影響作物的產(chǎn)量。