長距離引調(diào)水水溫影響研究
——以東風水庫為例

吳 松，段光福，張仲偉

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，武漢 430010)

1 研究背景

滇中引水工程是解決滇中地區(qū)嚴重缺水問題的特大型長距離跨流域引水工程，是解決滇中地區(qū)水資源時空分布不均的有效手段，但潛在的水環(huán)境影響卻是復雜的。因此，厘清工程外調(diào)水對受水區(qū)水域可能的水環(huán)境問題至關(guān)重要。工程從金沙江虎跳峽以上河段引水，由于工程水源區(qū)與受水區(qū)地理氣候不同，兩者水域水溫存在顯著差異，長距離引水將對受水湖庫水溫產(chǎn)生影響：一方面入庫水量的增加將破壞或削弱水溫分層型水庫的水溫結(jié)構(gòu)[1]，引水后水體摻混對受水湖庫水溫產(chǎn)生影響；另一方面，水源區(qū)與受水區(qū)水溫差異受長距離氣象或地質(zhì)環(huán)境影響，沿程水溫可能會顯著變化，如高寒地區(qū)輸水渡槽或明渠冬季冰害[2-3]、深埋引水隧洞水溫受地熱影響[4-5]等。

受水區(qū)已有水溫分層水庫取用低溫水[6～8]，隨著水源區(qū)“低溫水”的調(diào)入，水庫取用低溫水現(xiàn)象可能會進一步加劇。這將不利于受水區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是水稻等喜溫性作物產(chǎn)生不利影響，表現(xiàn)為抑制作物生育，植株莖稈生長不良等，導致糧食減產(chǎn)[9-10]。因而，研究滇中引水工程外調(diào)水對已有分層型水庫的水溫影響具有重要的工程意義。本文以滇中引水工程沿線充蓄水庫——東風水庫為研究目標，構(gòu)建寬度平均的立面二維數(shù)值模型，研究分析滇中引水工程不同典型年對典型充蓄水庫的庫區(qū)水溫及灌溉取用水的水溫影響。

2 研究區(qū)概況

滇中引水工程從金沙江上游石鼓鎮(zhèn)附近取水，由泵站提水至總干渠渠首，輸水工程跨越了金沙江、瀾滄江、紅河、南盤江四大水系，穿越滇西北橫斷山脈、中山地貌區(qū)及滇中、滇東南盆地山原區(qū)，沿途地理氣候差異較大。沿途主要采用隧洞輸水，輸水線路全長661.07km，工程布局圖如圖1所示。玉溪東風水庫為輸水工程沿線16座充蓄水庫之一，位于云南省玉溪市紅塔區(qū)，壩高47.4m，總庫容9 025萬m3，具有供水、灌溉功能。經(jīng)庫水交換次數(shù)法(α-β指數(shù)法)判斷，該水庫水溫結(jié)構(gòu)為分層型。

圖1 滇中引水工程布局圖Fig.1 Central Yunnan water diversion project layout

3 寬度平均立面二維模型

采用美國陸軍工程兵團開發(fā)寬度平均的立面二維模型CE-QUAL-W2模型[11-12]對受水水庫進行水溫模擬，模型采用連續(xù)方程、動量方程、狀態(tài)方程、質(zhì)量(熱)輸運方程及自由水面方程聯(lián)合求解。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程x方向：

(2)

動量方程z方向：

(3)

狀態(tài)方程：

ρ=f(Tw)

(4)

自由水面方程：

(5)

質(zhì)量(熱)輸運方程：

(6)

式中，B為水體寬度，m；u和w分別為縱向和垂向流速，m/s；q為側(cè)向單位體積凈入庫流量，1/s；η為水位，m；α為河道傾角，rad；ρ為水體密度，kg/m3；τxx為控制體在x面x向的湍流剪應力，N/m2；τxz為控制體在z面x向的湍流剪應力，N/m2；f(Tw)為密度與水溫的函數(shù)關(guān)系；Bη為水面寬度，m；Dx為縱向離散系數(shù)，m2/s；Dz為垂向離散系數(shù)，m2/s；qΦ為單元控制體側(cè)向熱量(水質(zhì))出入流的速率，J/m3/s(mg/L/s)；SΦ為源匯項，J/m3/s(mg/L/s)。

4 邊界條件

根據(jù)東風水庫地形，將庫區(qū)概化為65×26(縱向×垂向)個矩形網(wǎng)格，縱向網(wǎng)格尺寸為600m，垂向網(wǎng)格尺寸為2m。氣象條件的選擇依照就近原則，采用玉溪多年平均氣象監(jiān)測資料作為水庫氣象條件，并修正高程差異的影響。

4.1 進出庫流量邊界

以豐水年、平水年和枯水年東風水庫入庫流量及引水流量作為入庫邊界；模型采用東風水庫2條輸水隧洞及溢洪道作為出流口，出庫以對應取水及下泄流量作為出庫邊界。出口假定為充分發(fā)展的紊流，出口截面上流動方向的變量為局部單向，入庫及出口流量過程見圖2所示。

圖2 東風水庫引水后出入庫流量過程Fig.2 Flow process after water diversion

4.2 入流水溫邊界

蔣紅等[13]對多個引水電站引水隧洞水溫變化進行了原型觀測，結(jié)果表明引水隧洞對水體加熱效果不明顯。陳明乾等[14]建立地熱-圍巖-流體換熱數(shù)學模型，對深埋長引水隧洞引起的水溫變化作了計算，表明水流受地溫影響很小。李然等[15]對深埋長引水隧洞三維水溫開展了模擬預測，表明隧洞洞徑與過流量較大，水流在隧洞內(nèi)滯流時間短，水溫升高不明顯。借鑒上述研究成果，考慮滇中引水工程輸水線路沿程水溫保持不變。

石鼓及東風水庫壩址水溫過程如圖3所示，石鼓多年平均水溫較壩址水溫偏低5.4℃，月均水溫偏低3.9～6.4℃。類比鄰近流域小江上的小江(二)

圖3 石鼓、東風水庫壩址水溫Fig.3 Comparative analysis of water temperature between Shigu and Dongfeng reservoir

水文站氣溫與水溫的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)當?shù)貧鉁財M合東風水庫壩址天然水溫。根據(jù)東風水庫天然入流水溫和引調(diào)水的水溫，采用混合模型計算東風水庫引水后的入庫水溫。引水后東風水庫入流水溫為10.3～20.3℃，水溫過程如圖4所示。

圖4 引水后不同典型年水庫入流水溫Fig.4 Inflow water temperature after water diversion in typical years

5 預測結(jié)果及分析

5.1 水庫壩前垂向水溫分布變化

模擬平水年水庫引水前后庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)，提取壩前垂向水溫分布如圖5(a)、(b)所示。平水年水庫水位基本維持在死水位附近，取水建筑物取用表層水，4～8月出現(xiàn)較為明顯的水溫分層現(xiàn)象，溫躍層出現(xiàn)在水位1 637m～1 645m，庫表與庫底水溫最大溫差為7.8℃。水庫水溫結(jié)構(gòu)為不穩(wěn)定分層型，全年庫表水溫在11.6～22.9℃之間；受水庫運行調(diào)度影響，庫底水溫不穩(wěn)定，為11.7～17.3℃。預測結(jié)果表明，受水庫調(diào)節(jié)性能影響，水庫水溫分布結(jié)構(gòu)基本未受工程引調(diào)水影響，工程引水后水庫水溫結(jié)構(gòu)為不穩(wěn)定分層型，庫表與庫底水溫最大溫差為6.5℃；庫表逐月水溫較引水有所降

圖5 東風水庫引水后壩前水溫分布Fig.5 Water temperature distribution in front of dam

低，在11.6～21.9℃之間，而庫底水溫與引水前基本一致，為11.6～17.3℃。

模擬引水后豐、枯水年東風水庫庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)，提取壩前垂向水溫分布如圖5(c)、(d)所示。豐、枯水年水庫壩前垂向水溫與平水年大體一致，4～8月表現(xiàn)出水溫分層現(xiàn)象，其余月份分層不明顯；水庫庫底水溫不穩(wěn)定，為11.7～17.9℃。受入流水溫及庫區(qū)水動力條件影響，豐水年10～12月壩前水溫較平、枯水年同期水溫顯著偏高，幅度為0.8～1.4℃。

5.2 不同典型年灌溉取水水溫變化

引水后豐、平、枯水年水庫灌溉取水水溫與壩址天然水溫對比結(jié)果如圖6所示。引水后，受庫區(qū)水位變動及水庫來流影響，加之外調(diào)水量較當?shù)厝肓髁科?，東風水庫豐水年2到7月，取水水溫較壩址天然水溫偏低0.1～1.7℃；8到次年1月，取水水溫較壩址天然水溫高0.1～1.6℃。平水年及枯水年，受水庫調(diào)度影響，2～6月取水水溫較壩址天然水溫偏低0.5～1.7℃；而7到次年1月，水庫取水水溫與壩址天然水溫差異較小，最大僅偏高0.6℃?？傮w來看，較建庫前天然水溫而言，豐水年年均灌溉引水溫度較平、枯水年高；引水后，不同典型年在4～6月灌溉期均存在一定程度的低溫水現(xiàn)象，幅度在0.5～1.5℃。

圖6 引水后東風水庫取水水溫與壩址天然水溫對比Fig.6 Comparative analysis of irrigation water temperature in normal year before and after water diversion

5.3 平水年引水前后灌溉取水水溫變化

為分析滇中引水工程水源區(qū)“低溫水”對東風水庫取水水溫的影響，比較平水年引水前后水庫灌溉取水水溫，如下表所示。平水年1至3月滇中引水工程未向東風水庫引水，入庫徑流過程及入流水溫保持天然狀態(tài)，灌溉取水水溫保持不變。4～11月，工程向東風水庫引水0.9～3.72m3/s，水源區(qū)“低溫水”與當?shù)貜搅鞯幕旌纤疁?，較天然水溫有所降低，導致水庫取水水溫也相應降低；12月工程未向水庫引水，但受11月低溫水延遲影響，較引水前仍有所偏低。同時，引水前水庫取用低溫水時間為2～5月，引水后取用時間為2～12月，取用低溫水時間延長7月?？傮w來看，工程引水后平水年4～12月水庫灌溉取水水溫較引水前偏低0.4～2.0℃。

滇中地區(qū)包括昆明、玉溪、楚雄、曲靖，是優(yōu)質(zhì)的水稻基地，水稻種植面積占云南省的70%以上。水稻為喜溫作物，生長期為4～9月，歷經(jīng)返青、分蘗、孕穗、抽穗揚花、乳熟黃熟等階段，最低水溫要求為18℃、19℃、18℃、20℃、20℃。4～9月，引水后水庫取用水溫較天然水溫偏低0.5～1.6℃，影響水稻生長，進而影響作物產(chǎn)量。

表 平水年東風水庫引水前后灌溉取水水溫對比Tab. Comparative analysis of irrigation water temperature in normal year before and after water diversion (℃)

6 結(jié) 語

本文以滇中引水工程沿線充蓄水庫——東風水庫為研究目標，構(gòu)建寬度平均的立面二維數(shù)值模型，研究分析滇中引水工程不同引水過程對典型充蓄水庫的庫區(qū)水溫及灌溉取用水的水溫影響。結(jié)果表明，由于東風水庫調(diào)節(jié)性能較強，引水后水庫水溫結(jié)構(gòu)仍為不穩(wěn)定分層型；引水后不同典型年2～6月取水水溫較天然水溫偏低0.5～1.7℃，取用低溫水時間較引水前有所延長；平水年4～12月東風水庫灌溉取水水溫較引水前偏低0.4～2.0℃，應加強庫區(qū)和渠道水溫監(jiān)測，適當采用水溫恢復措施，減緩低溫水灌溉的不利影響。