滇中引水輸水干渠與充蓄水庫水溫影響研究

汪青遼，陳媛媛

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

目前國內(nèi)大型調(diào)水工程大部分干渠主要通過隧洞輸水，天然水體進(jìn)入隧洞后水溫變化主要受地?zé)嵊绊懀⑶议L度愈長，埋深愈大，地?zé)釋λ疁氐脑黾幼饔靡灿黠@[1]。同時，經(jīng)隧洞輸水并分水進(jìn)入深大水庫充蓄后調(diào)節(jié)供水，水庫的水位和水面面積將有大幅增加，庫區(qū)內(nèi)流速將減緩，往往出現(xiàn)垂向水溫分層結(jié)構(gòu)，深水水庫傳統(tǒng)底層取水口下泄的低溫水會對下游水生生物的生長繁殖和農(nóng)業(yè)灌溉造成危害[2]。因此，開展大型調(diào)水工程的輸水隧洞沿程水溫變化以及充蓄水庫下泄水溫預(yù)測研究，對于工程的環(huán)境保護具有重要意義[3]。

1 研究區(qū)概況

滇中引水工程從云南麗江市石鼓鎮(zhèn)金沙江干流右岸無壩取水，向昆明、麗江、玉溪、大理、紅河及楚雄6個市(州)35個縣(市、區(qū))供水，解決滇中地區(qū)的城鎮(zhèn)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水，多年平均引水規(guī)模34.03億m3。工程輸水干渠總長661.06km，其中隧洞長度占比為91.6%。輸水干渠沿程共布置分水口門25處，沿線受水區(qū)設(shè)有九龍甸水庫等16座充蓄水庫，對水量進(jìn)行調(diào)蓄后供出。

已建的九龍甸水庫壩高40.3m，正常蓄水位1907m，庫容7043萬m3。是一座具有防洪、灌溉、城市供水等多功能的綜合性水利工程，年供農(nóng)業(yè)灌溉用水2500萬m3，城市生活用水1500萬m3。

2 輸水隧洞沿程水溫變化研究

2.1 研究進(jìn)展

目前國內(nèi)針對隧洞水溫變化有少數(shù)研究。李然等[1]對目前國內(nèi)長約18km埋深最大(2500m)的雅礱江錦屏二級水電站引水隧洞水溫變化進(jìn)行了分析，受深埋隧洞地?zé)嵩蛴绊懀?8km的最大增溫為0.051℃，水溫變化不明顯，表明地?zé)釋λw增溫作用不明顯。

2.2 隧洞水溫變化研究

(1)研究方法

由于滇中引水工程輸水隧洞平均埋深在500m以下，基本不具有地溫增溫效應(yīng)，而針對不具有地溫增溫效應(yīng)的隧洞水溫變化的相關(guān)文獻(xiàn)，則研究甚少。

本文采用類比實測法，通過測量具有已建類似條件隧洞的水溫變化率，來推求滇中引水輸水隧洞水溫沿程變化情況。

(2)類比工程水溫觀測結(jié)果

目前，與研究區(qū)域同在的云南省內(nèi)已建的輸水線路長度超過100km、且埋深較淺的調(diào)水工程為牛欄江—滇池補水工程。該工程主要由德澤水庫水源樞紐工程、干河提水泵站及輸水線路工程組成。其中，德澤水庫總庫容4.48億m3，由干河泵站從德澤庫區(qū)提水送到輸水線路渠首，輸水線路總長度為115.6km，其中隧洞長度占比為90.16%。輸水線路落點在松花壩水庫下游2.2km處的盤龍江上。設(shè)計引水流量為23m3/s，多年平均向滇池補水5.72億m3。

滇中引水工程輸水總干渠與牛欄江—滇池補水工程輸水線路相比，具有如下相似點：①輸水線路長度均為100km以上。重要的是滇中引水隧洞所占比例為91.6%，兩者隧洞占比相差不大；②線路埋深淺；③線路比降小，渠底縱坡i均<1/1000；④均采用無壓輸水方式。綜合以上工程相似特點，選取牛欄江—滇池補水工程輸水線路進(jìn)出口水溫觀測結(jié)果作為滇中引水工程輸水總干渠沿程水溫研究的類比資料。

2017年7月27日—29日，對牛欄江—滇池補水工程輸水線路進(jìn)出口水溫進(jìn)行觀測，共設(shè)置2個水溫觀測斷面：進(jìn)口(線路渠首)和出口(盤龍江邊)，斷面間距115.6km。觀測結(jié)果如表1。

由表1可知，牛欄江—滇池補水工程輸水線路出口水溫較進(jìn)口水溫略有降低，溫降0.06℃，折算后的沿程增溫率為-0.055℃/100km。

表1 牛欄江——滇池補水工程輸水線路水溫觀測結(jié)果

(3)滇中引水輸水隧洞水溫變化結(jié)果

引用上述增溫率計算得到滇中引水輸水總干渠的沿程水溫，預(yù)測結(jié)果詳見表2。根據(jù)結(jié)果，以滇中引水輸水總干渠最末端分水口門——新坡背為例，新坡背水溫較石鼓水源區(qū)水溫略有降低，降低幅度為0.4℃。由此可見，滇中引水輸水干渠沿程水溫降低有限。

表2 滇中引水輸水干渠沿程水溫計算結(jié)果 (℃)

3 水庫充蓄后水溫變化影響研究

3.1 研究方法與計算條件

(1)研究方法

以滇中引水沿線最大充蓄水庫即已建的九龍甸水庫為例進(jìn)行分析。九龍甸水庫呈狹長型，故寬度平均的立面二維模型可較好地模擬出水庫在縱向和垂向上的水溫時空分布，本文采用CE-QUAL-W2二維水溫水質(zhì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了預(yù)測。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)，通過對水體縱向分段和垂直分層來模擬水體的溫度梯度及水質(zhì)變化情況。

根據(jù)調(diào)查,九龍甸水庫回水區(qū)長度達(dá)4.5km，底坡平緩，將整個庫區(qū)劃分45×40(縱向×垂向)個單元格，其中縱向單元格長100m，垂向共分40層，每層厚1m。

影響水庫水溫分層時空特性的因素較多，為方便計算，簡化為氣象、入流、出流、水庫形態(tài)等因素。CE-QUAL-W2模型涉及到水動力主要參數(shù)及數(shù)值見表3。參數(shù)在模擬和實測數(shù)據(jù)不斷對比中進(jìn)行修改，直到精度滿足要求。

表3 水動力參數(shù)值

(2)計算條件

水庫運行調(diào)度采用九龍甸水庫2040年平水年運行時的流量、水位等調(diào)度過程。

由于九龍甸水庫所處河流沒有水溫監(jiān)測資料，采用鄰近流域小江的小江(二)水文站資料擬合水溫與氣溫的相關(guān)關(guān)系，推算得到了充蓄水庫的壩址各月天然水溫。

計算中采用實測大斷面資料，并根據(jù)水位～庫容～面積曲線進(jìn)行修正，以保證各水位下概化地形的庫容和面積與設(shè)計資料一致。采用楚雄市氣象站的多年逐月的氣象數(shù)據(jù)。

3.2 水庫充蓄后下泄水溫計算

平水年九龍甸水庫壩前水溫垂向分布見圖1，比較平水年月均下泄水溫、壩前表層水溫、庫底水溫、壩址處天然水溫年內(nèi)過程，見圖2和表4。

表4 平水年月均下泄水溫、表層水溫、庫底水溫、壩址天然水溫 (℃)

圖2 平水年月均下泄水溫、壩址處天然水溫比較

九龍甸水庫全年水位在1884.15～1903.87m變動，壩前最大水深32m。由圖1可知，九龍甸水庫為季節(jié)性水溫分層型水庫，其中，3—8月隨著水深增加，水溫也逐步下降，其中5月表層和底層水溫相差最大，為5.2℃；其余月份垂向水溫不分層。太陽輻射是造成水溫分層的最重要因素[4]。

滇中引水充蓄水庫后，受石鼓水源來流低溫以及水溫分層影響，平水年2—6月水庫下泄水溫比天然水溫低，平均降低了1.7℃，最大低2.7℃；而7月—次年1月較天然水溫略有偏高，平均偏高1.4℃，最大高2.8℃。

3.3 水庫充蓄前后的水溫對比

滇中引水后，因石鼓水源點“低溫水”效應(yīng)及水庫充蓄補水后較現(xiàn)狀年高水位運行等因素引起的水庫低溫水加劇現(xiàn)象，其對比結(jié)果見表5。

表5 九龍甸水庫充蓄前、后水庫下泄水溫對比 (℃)

滇中引水充蓄后，平水年1—3月未向九龍甸水庫補水，九龍甸水庫1—3月充蓄前后的下泄水溫未發(fā)生變化。而4—12月，滇中引水不同程度向九龍甸水庫補水，受石鼓水源來流低溫以及水庫運行導(dǎo)致的水溫分層影響，4月水庫下泄水溫較充蓄前升高0.2℃，除此之外的其余月份下泄水溫較充蓄前普遍偏低，平均低0.5℃，最大偏低0.8℃?？梢?，滇中引水充蓄對九龍甸水庫下泄水溫影響不大。

4 低溫水對農(nóng)業(yè)灌溉影響

灌溉水的水溫對農(nóng)作物的生長影響頗大，水溫偏低，抑制作物的生長從而影響作物產(chǎn)量；水溫過高，會降低水中溶解氧的含量，破壞作物的正常生長。因此，灌溉水要有適宜的水溫[5]。

云南滇中地區(qū)種植農(nóng)作物主要為水稻、玉米等喜溫性作物。因水稻灌溉單位面積需水量最大，水稻生長受水溫影響也最大，故以水稻灌溉為例分析灌溉水溫影響。水稻分蘗期(5月)最低臨界水溫為17℃，最適水溫是32℃，水溫低于17℃分蘗停止。水稻生長期(6月)最低水溫為18℃，最高水溫為38℃[6]。

根據(jù)上述預(yù)測，九龍甸水庫5月、6月輸水洞出水口水溫分別為19.7℃、22.0℃，水溫均在水稻分蘗期和生長期的正常水溫承受范圍內(nèi)。因此，水稻灌溉期間水溫基本能滿足作物要求溫度，不影響作物正常生長。

5 結(jié)語

滇中引水工程主要通過隧洞輸水并對沿線16座充蓄水庫進(jìn)行充蓄，通過對輸水隧洞水溫變化研究以及最大充蓄水庫九龍甸水庫水溫垂向分布特征進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)監(jiān)測類似工程隧洞輸水水溫沿程增溫率為-0.055℃/100km，并據(jù)此計算得到滇中引水工程輸水總干渠石鼓水源至終點新坡背水溫的水溫降低幅度為0.4℃。由此可見，滇中引水工程輸水干渠全段水溫變幅有限。

(2)滇中引水充蓄后，九龍甸水庫為季節(jié)性水溫分層型水庫。其中3—8月份隨著水深增加，水溫也逐步下降，其中5月份表層和底層水溫相差最大，為5.2℃。其余月份垂向水溫不分層。受石鼓水源來流低溫以及水溫分層影響，平水年2—6月水庫下泄水溫比天然水溫低，平均降低了1.7℃，最大低2.7℃。年均水溫變化0.2℃。

(3)充蓄后水庫下泄水溫，較充蓄前平均低0.5℃，最大偏低0.8℃?？梢姡嶂幸湫顚琵埖樗畮煜滦顾疁赜绊懖淮?。

(4)水稻分蘗期和生長期的灌溉水溫均在水稻正常水溫承受范圍內(nèi)，水稻正常生長不受影響。