梯級(jí)水庫(kù)對(duì)瀾滄江干流水溫沿程變化的影響

(湖北工業(yè)大學(xué) 河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430068)

1 研究背景

瀾滄江-湄公河發(fā)源于中國(guó)青海省唐古拉山脈崗果日峰扎曲，流至昌都稱瀾滄江；流至云南省南臘河口出境，出境后改稱湄公河，是亞洲一條重要的國(guó)際河流。瀾滄江云南段全長(zhǎng)約1 200 km，落差1 770 m，流域面積約9萬(wàn)km2，占云南省土地面積的23%。瀾滄江水系孕育著豐富的淡水魚(yú)類生態(tài)系統(tǒng)，被確定為世界上最重要的淡水魚(yú)類生態(tài)區(qū)域之一[1]。由于瀾滄江水能資源豐富，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，瀾滄江云南河段開(kāi)始興建水電站。水電站的建設(shè)將對(duì)瀾滄江流域形態(tài)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響。

天然河道水溫變化主要表現(xiàn)為較為規(guī)則的沿程變化特征，梯級(jí)水庫(kù)的修建打斷了這種沿程變化特征，使水溫發(fā)生一定的重分布，梯級(jí)水庫(kù)多庫(kù)的聯(lián)合運(yùn)用將對(duì)水體水溫發(fā)生多次作用[2]。目前國(guó)外學(xué)者Pekarova等[3]分析了引起多瑙河水溫變化的主要因素；Jurgelenaite等[4]對(duì)立陶宛Lithuanian河進(jìn)行了研究，均發(fā)現(xiàn)氣候變化是引起水溫變化的主要因素。與此同時(shí)，美國(guó)Yearsley[5]則提出水利工程是改變Columbia河水溫分布的主要因素;Zganec[6]認(rèn)為克羅地亞喀斯特地區(qū)諸河的水溫變化是氣候變化和水電工程共同作用的結(jié)果。國(guó)內(nèi)相關(guān)方面的研究也得出類似的結(jié)論[7]。瀾滄江流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)引起水溫在流域沿程和縱向深度上的梯度變化，水溫的沿程變化在下游100 km以內(nèi)都難以消除[8]，如果兩級(jí)大壩之間小于這個(gè)距離，就會(huì)產(chǎn)生累積效應(yīng)[9]。

目前對(duì)于瀾滄江的水溫研究較少，大部分是研究一定距離內(nèi)的水溫時(shí)空特征[10-11]，并沒(méi)有從瀾滄江云南段整個(gè)流域?qū)用嫔详U明瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)對(duì)于水溫時(shí)空分布的影響。本文通過(guò)水溫隨距離的變化來(lái)分析瀾滄江的整體水溫特征，對(duì)建庫(kù)前后的自然河道和梯級(jí)水庫(kù)段的水溫進(jìn)行顯著性差異分析，并且分析了不同類型水庫(kù)的沿程變化特征，有助于從整個(gè)流域?qū)用嫔险J(rèn)識(shí)水溫沿程變化，從而對(duì)梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)下的水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域與樣點(diǎn)設(shè)置

整個(gè)瀾滄江河流干流作為觀測(cè)河段(如圖1)，因鹽井—苗尾水電站河段內(nèi)沒(méi)有建水電站，為瀾滄江天然河道，將其定義為上游自然河道段(鹽井—苗尾03，長(zhǎng)約405 km)。而從苗尾開(kāi)始一直到景洪河段中有7個(gè)水電站，故稱為下游梯級(jí)水庫(kù)段(苗尾03—關(guān)累，長(zhǎng)約803 km)。在兩河段中取樣點(diǎn)進(jìn)行水溫監(jiān)測(cè)。上游自然河道段共設(shè)置12個(gè)樣點(diǎn)，平均間隔36.95 km。下游水庫(kù)段以水電站為中心，分別對(duì)7個(gè)水電站的庫(kù)區(qū)和壩下取點(diǎn)監(jiān)測(cè)，因小灣和糯扎渡庫(kù)容明顯大于其他水庫(kù)庫(kù)容，故本文定義為大庫(kù)，其余為小庫(kù)。分別在2016年10月、2017年2月、2017年6月3個(gè)不同的時(shí)間對(duì)整個(gè)流域水溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 瀾滄江干流取樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites in the mainstream of Lancang River

2.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)與監(jiān)測(cè)方法

監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法為：剖面水溫和水深采用美國(guó)產(chǎn)Hydrolab DS5多參水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀測(cè)定，水溫、水深精度分別為±0.1 ℃和±0.1 m，測(cè)量頻率為5 s測(cè)1次；未建庫(kù)的自然河道因水深較淺，并且表底溫度基本一致，故只測(cè)定水深0～1 m的水溫；瀾滄江建庫(kù)前水溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)查閱歷史資料[12]獲得。

2.3 數(shù)據(jù)分析

水溫沿程變化率分為水溫沿距離、高程、緯度3個(gè)不同方向上的變化率，一般選取臨近2個(gè)樣點(diǎn)之間的距離、高程、緯度來(lái)進(jìn)行計(jì)算。水溫隨距離、緯度、高程的變化率計(jì)算如式(1)所示。

(1)

為對(duì)不同量綱的數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析，先對(duì)2組數(shù)據(jù)進(jìn)行均一化處理，如式(2)所示。

(2)

式中：K1,K2,K3分別為水溫隨距離、緯度、高程的變化率；ΔT為水溫變化；ΔS,ΔL,ΔH分別為距離、緯度、高程的變化量；F為均一化后的數(shù)據(jù)值；X為不同量綱下的數(shù)據(jù)。

顯著性差異分析采用SPSS軟件進(jìn)行，按照標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法說(shuō)明差異性，相關(guān)性分析采用皮爾遜相關(guān)性分析方法進(jìn)行。在分析梯級(jí)水庫(kù)對(duì)于水溫沿程變化的影響時(shí)，通過(guò)插值法控制了兩樣點(diǎn)之間的高程保持不變，對(duì)水溫隨緯度的變化率進(jìn)行顯著性差異分析，探究梯級(jí)水庫(kù)對(duì)水溫的影響。同理，建庫(kù)前控制緯度保持不變，分析水溫隨緯度的變化率。

3 結(jié)果與分析

3.1 瀾滄江干流水溫沿程變化規(guī)律

建庫(kù)前后自然河道段沿程水溫及水庫(kù)段下泄水溫隨距離的變化如圖2所示。建庫(kù)前后水溫沿程呈升高的趨勢(shì)；建庫(kù)后2016年10月關(guān)累(1 145 km)和鹽井(0 km)的水溫差為9.6 ℃，2017年2月份和6月份水溫差分別為15.08 ℃和6.59 ℃。而建庫(kù)前從塘上(240 km)開(kāi)始到景洪(1 042 km)，3個(gè)時(shí)期的水溫差分別為8.41，11.30，6.44 ℃。從圖2(a)和圖2(b)可以看出建庫(kù)后的水溫整體上明顯上升：10月份平均每個(gè)樣點(diǎn)的水溫較建庫(kù)前升高了3.07 ℃，最大和最小水溫差分別為4.11 ℃和0.19 ℃；2月份平均每個(gè)樣點(diǎn)升高了3.50 ℃，最大和最小水溫差分別為5.96 ℃和0.94 ℃。從圖2(c)可以看出建庫(kù)后的水溫相對(duì)于建庫(kù)前水溫先高后低，總體上建庫(kù)后與建庫(kù)前的水溫差為-0.79 ℃，最大和最小水溫差分別為1.84 ℃和-2.88 ℃。2月份和10月份梯級(jí)水庫(kù)段溫度明顯比建庫(kù)前高，這種現(xiàn)象可能是由于受氣候的影響及隨著時(shí)間的推移，整個(gè)瀾滄江流域溫度整體升高。6月份建庫(kù)后水溫下降，有可能是下泄低溫水導(dǎo)致建庫(kù)后水溫偏低，也不排除氣候變化的影響。

圖2 建庫(kù)前后水溫沿程變化Fig.2 Change of water temperature along the riverbefore and after the construction of cascade reservoirs

建庫(kù)后瀾滄江干流水溫沿程變化如圖3所示，沿程及下泄水溫不同時(shí)期從上游到下游整體呈上升的趨勢(shì)，只是上升速率有所不同。從圖3(a)可以看出：表層水溫變化最大的地點(diǎn)位于小灣水庫(kù)(626 km)和糯扎渡(925 km)水庫(kù)，相對(duì)于前一個(gè)壩的下泄水溫分別升高了約9.3 ℃和6.7 ℃，其他庫(kù)區(qū)表層溫度升高趨勢(shì)較小，較為明顯的為大朝山(3.38 ℃)、景洪(1.84 ℃)；底層水溫變化最為明顯的位于小灣水庫(kù)(-2.24 ℃)，其他水庫(kù)包括糯扎渡底層水溫變化趨勢(shì)與沿程及下泄水溫基本一致。圖3(b)顯示的規(guī)律與圖3(a)基本一致：表層水溫和底層水溫變化最明顯的地點(diǎn)位于小灣水庫(kù)(7.53 ℃和3.37 ℃)、糯扎渡水庫(kù)(4.42 ℃和0.85 ℃)；其他水電站表層水溫、底層水溫與沿程及下泄水溫變化基本一致。從圖3(c)可以看出，表層水溫和底層水溫不論在大庫(kù)還是小庫(kù)均有明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，變化明顯的有苗尾(3.6 ℃和0.74 ℃)、小灣(7.01 ℃和-3.42 ℃)、漫灣(3.31 ℃和0.73 ℃)、大朝山(2.18 ℃和0.37 ℃)、糯扎渡(6.81 ℃和-2.00 ℃)?？傮w上可以看出，大庫(kù)的表底溫度變化較小庫(kù)更明顯且在不同時(shí)期均有明顯的變化。

圖3 建庫(kù)后表層、底層及下泄水溫沿程變化Fig.3 Changes of surface water temperature, bottomwater temperature, and discharge water temperaturealong the river after the construction of cascade reservoirs

3.2 梯級(jí)水庫(kù)對(duì)水溫變化率的影響

根據(jù)何云玲等[13]對(duì)瀾滄江流域氣溫與降水的研究，瀾滄江年內(nèi)的氣溫與降水、緯度、高程有明顯的相關(guān)性，以此為基礎(chǔ)，分別對(duì)水溫與緯度、水溫與高程進(jìn)行相關(guān)性分析，如表1所示。

表1 全河段水溫與緯度、水溫與高程相關(guān)性分析Table 1 Correlation between water temperature andlatitude, and water temperature and altitude

注：**表示通過(guò)p<0.01的相關(guān)性檢驗(yàn)

全河段的水溫與緯度、水溫與高程的相關(guān)性達(dá)到了-0.93以上，并且通過(guò)了p<0.01的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明水溫與緯度、高程線性相關(guān)。水溫隨緯度、高程的降低而升高，總體上呈現(xiàn)北低南高的趨勢(shì)。

由于水溫隨緯度、高程的變化而變化，為了排除緯度和高程變化對(duì)水溫的影響，分析梯級(jí)水庫(kù)對(duì)水溫的作用，對(duì)于建庫(kù)后的水溫通過(guò)插值法對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，保證2個(gè)樣點(diǎn)之間的高程變化均為100 m，通過(guò)控制等高程變化，求2個(gè)樣點(diǎn)之間水溫隨緯度的變化率，再對(duì)自然河道和梯級(jí)水庫(kù)段的變化率進(jìn)行差異性分析，討論梯級(jí)水庫(kù)對(duì)水溫沿程變化的影響。

從圖4可以看出，在控制高程均勻變化的前提下，建庫(kù)后水溫基本上與緯度呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，除6月份上游自然河道外，其他情況下R2均達(dá)到了0.9以上，說(shuō)明擬合的效果比較好，有很強(qiáng)的相關(guān)性。圖4(b)和圖4(c)中的自然河道和梯級(jí)水庫(kù)段的平均變化率(斜率)的差值分別為每緯度0.50 ℃和0.23 ℃，而圖4(a)中的平均變化率差值為每緯度0.90 ℃，可見(jiàn)3個(gè)時(shí)期中，圖4(a)中的自然河道和梯級(jí)水庫(kù)段的水溫有明顯不同。

圖4 建庫(kù)后水溫隨緯度的變化Fig.4 Water temperature varying with latitude afterthe construction of cascade reservoirs

在控制等緯度變化的前提下，對(duì)比建庫(kù)前上游段(現(xiàn)為自然河道段)和下游段(現(xiàn)為梯級(jí)水庫(kù)段)水溫隨高程的變化，如圖5所示。建庫(kù)前水溫與高程也有一定的線性關(guān)系，除圖5(c)的自然河道外，其他情況R2均在0.89以上，有較強(qiáng)的相關(guān)性；自然河道和梯級(jí)水庫(kù)水溫的平均變化率差值分別為-0.016，-0.009，-0.005 ℃/m?？傮w上來(lái)說(shuō)，上游和下游的溫度平均變化率有一定差異，由于樣本量的不同，如果要判斷二者是否有顯著性差異，則要進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

圖5 建庫(kù)前水溫隨高程的變化Fig.5 Water temperature varying with altitude beforethe construction of cascade reservoirs

為了進(jìn)一步論證梯級(jí)水庫(kù)對(duì)水溫沿程變化的影響，進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。緯度變化與水溫隨緯度變化率均無(wú)顯著性差異，證明基本上二者之間是均勻變化的，不存在某一段內(nèi)緯度變化幅度較大而水溫?zé)o明顯變化的情況；建庫(kù)前全河段水溫變化率和建庫(kù)后全河段水溫變化率無(wú)顯著性差異，說(shuō)明從建庫(kù)前到建庫(kù)后這段時(shí)間內(nèi)，水溫變化率并沒(méi)有因氣候的變化及時(shí)間的推移有顯著性變化；建庫(kù)前水溫隨高程變化率在上游(自然河道段)和下游(梯級(jí)水庫(kù)段)無(wú)顯著性差異，說(shuō)明了建庫(kù)前上游和下游水溫變化基本一致。在以上3個(gè)前提下，對(duì)建庫(kù)后上游和建庫(kù)后下游的水溫變化率進(jìn)行顯著性差異分析得出：建庫(kù)后上游和建庫(kù)后下游水溫隨緯度的變化率無(wú)顯著性差異，表明梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)對(duì)于瀾滄江水溫沿程變化無(wú)顯著性影響。

表2 顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of significance test

注：在進(jìn)行t檢驗(yàn)之前對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)組均進(jìn)行了正態(tài)分布檢驗(yàn)，且符合正態(tài)分布

4 討論與結(jié)論

梯級(jí)水庫(kù)對(duì)于瀾滄江水溫沿程變化影響不顯著，有可能是因?yàn)榇髱?kù)和小庫(kù)之間的影響作用不同。小水電站由于水深較淺，庫(kù)區(qū)一般情況下呈混合水體，由于水體滯留時(shí)間增加，在光照和氣溫的影響下，整個(gè)水體接受的能量相對(duì)于建庫(kù)前明顯增大，使整個(gè)水體的溫度較建庫(kù)前明顯升高。而大庫(kù)水深非常大，常年呈穩(wěn)定分層的情況，下泄低溫水的情況一直存在。大庫(kù)和小庫(kù)呈現(xiàn)2種不同的影響作用，并且小庫(kù)的影響與大庫(kù)下泄低溫水的影響產(chǎn)生了平抑作用，因此從整個(gè)流域來(lái)講，梯級(jí)水庫(kù)對(duì)水溫的沿程變化并沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。為了進(jìn)一步確定大庫(kù)和小庫(kù)不同的作用，還需要進(jìn)一步探討瀾滄江不同水體的水溫變化特征。

通過(guò)對(duì)瀾滄江干流水溫沿程分布研究，可以得出：①建庫(kù)前后瀾滄江干流的水溫與緯度和高程均呈明顯的線性關(guān)系，隨緯度和高程的降低而升高；②由于瀾滄江云南段干流流量遠(yuǎn)大于支流匯入流量，在此不考慮支流匯入對(duì)水溫的影響，從瀾滄江云南段整個(gè)流域?qū)用嫔蟻?lái)講，瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)的建設(shè)對(duì)于瀾滄江水溫整體沿程變化沒(méi)有顯著影響。