云南某大型水庫及其灌區(qū)水溫影響研究

汪青遼，李秋潔，郝紅升

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

大型水庫作為一個巨大的蓄水體，水庫的形成對庫區(qū)水域和壩下游河段的水溫時空分布有重要影響[1]。水庫蓄水后，其水位和水面面積均較天然狀況有大幅度增加，庫區(qū)內(nèi)的流速將減緩，庫區(qū)江段由急流河道轉(zhuǎn)變?yōu)榻朴陟o水河道，往往出現(xiàn)分層的水溫結(jié)構(gòu)，水溫分層使庫底長期為低溫水，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，開展大型水庫及下游河段與農(nóng)業(yè)灌溉用水的水溫預測研究，對于工程的環(huán)境保護具有重要意義[3]。

1 研究區(qū)概況

云南某大型水庫位于滇西地區(qū)，是一座以灌溉、防洪為主的大(二)型水利樞紐工程，壩址位于瑞麗江一級支流南宛河的干流上。水庫多年平均流量11.1m3/s，多年平均徑流量3.66億m3。水庫總庫容10792.0萬m3，正常蓄水位994.7m，相應庫容7775萬m3，死水位978m，死庫容566萬m3，為季調(diào)節(jié)水庫。水庫回水長12.1km，正常蓄水位時水庫面積7.16km2。水庫大壩為粘土心墻壩，最大壩高34.5m。

灌區(qū)工程主要由西低、西高和東干渠組成。水庫建成后，可自流灌溉南宛河下游兩岸約1.512hm2(22.68萬畝)的灌區(qū)，全灌區(qū)年總供水量為2.50億m3，其中農(nóng)業(yè)灌溉供水1.92億m3。工程建設將使灌區(qū)內(nèi)的供水狀況大大改善。

2 水庫及下泄水溫預測

2.1 研究方法與計算條件

根據(jù)水庫水溫混合機理，影響庫底水溫的因素有太陽輻射、庫表風速、水庫異重流以及水庫調(diào)度等多方面因素[4]。本文采用寬度平均的立面二維水溫數(shù)學模型對該水庫水溫結(jié)構(gòu)進行預測。

入庫來流水溫條件采用推求的天然逐月平均水溫，各氣象要素采用水庫所在縣氣象站的逐月多年平均值。根據(jù)不同典型水文年和取水方式，共設置了3種工況，分別是平水年、枯水年、豐水年。取水孔口有西高涵、西低涵兩個，其中西高涵進口引水渠底板高程980.14m，西低隧洞進口底板確定為972.5m。

2.2 溫度場疊加流場的空間分布

為說明庫區(qū)水溫分層與流場的關(guān)系，圖1繪出了平水年低溫水降幅相對偏大的4月和高溫水升幅相對偏大的12月的溫度場疊加流場的空間分布。

圖1表明了泄流孔口對壩前垂向流速分布的影響，隨流動向壩前推進，孔口高程附近的流速逐漸加大，主流動層邊緣處的流速則減小。4月水庫垂向溫差在4℃左右，來流22.5℃主要沿表層向壩前運動，在壩前3km下潛時在表層以下形成大范圍回流。

根據(jù)圖1的12月流場，來流水溫低于庫區(qū)水溫，從壩前8km處開始下潛沿河床向壩前推進，庫區(qū)底部水體流速較大，表層大范圍出現(xiàn)回流現(xiàn)象。由于12月來流水溫低于庫區(qū)水溫，從進入庫區(qū)開始即沿庫底向壩前爬行，在泄流孔口以上形成回流。

圖1 水庫平水年4月、12月的庫區(qū)溫度場與流場

2.3 壩前垂向水溫分布

以平水年為例，分析平水年各月15日的水庫壩前水溫分布見圖2。經(jīng)分析，平水年水庫水溫結(jié)構(gòu)有如下結(jié)論：

圖2 平水年水庫壩前水溫分布

平水年水庫庫區(qū)總體呈過渡型水溫結(jié)構(gòu)特征和季節(jié)性水溫分層現(xiàn)象。在2—5月存在表層溫躍層，分層現(xiàn)象較明顯，垂向最大溫差3.3℃。其余月份不同深度水溫幾乎一致，垂向水溫曲線基本呈豎直狀態(tài)。

庫區(qū)水溫在1月最低，壩前垂向斷面上平均水溫為15.6℃，垂向基本同溫；2月輻射已達195W/m2，庫區(qū)表層快速增溫至18.0℃，庫底僅比1月升高0.3℃。

3—4月受氣象條件和來流水溫影響庫區(qū)水溫上升較快，庫區(qū)出現(xiàn)較明顯的垂向溫差，水面溫度上升至23.8℃，庫底水溫也比2月提高5.9℃，基本上與表層水溫同步上升?？拷韺拥?m高程范圍內(nèi)出現(xiàn)高溫的同溫層，表、底層溫差為2.1℃。

5—7月，來流水溫和氣溫維持在全年較高水平，庫區(qū)水溫也大幅提高。5月的月均太陽輻射為209.3W/m2，表層水溫在來流基礎(chǔ)上持續(xù)升高至25.9℃，而庫底溫度為24.7℃，壩前溫差1.2℃，分層現(xiàn)象有所減弱；6月輻射強度已開始降低，為157.9W/m2，水庫受汛期入流影響垂向摻混加劇，庫底大幅升溫至26.2℃，表、底層接近同溫；7月氣溫23.1℃，輻射繼續(xù)降至全年最低的136.6W/m2，導致入流水溫沿程吸收熱量比上月有所降低，庫區(qū)水溫比上月略降0.3℃，水庫向垂向同溫方向發(fā)展。

8—9月仍屬汛期，高溫、高濕、高輻射水平維持了較高的庫表水溫，大流量入庫使垂向同溫現(xiàn)象進一步發(fā)展，垂向溫差不超過0.3℃，垂向平均溫度在9月達全年最高的27.6℃。

10月氣溫、太陽輻射、云量進一步下降，壩前表底層基本同溫，庫尾方向的來流沿庫底向壩前爬行，水庫在月中完成水溫的秋季翻轉(zhuǎn)。

11月—翌年1月，來流量減小明顯，長短波輻射的減小使水體向大氣散失熱量，水庫水溫整體同步降低。

綜上可知：水溫分層主要受水庫調(diào)度引起水深變化影響較大，同時來流水溫和太陽輻射也是造成水溫分層的重要因素[5]。

2.4 壩址下泄水溫

表1和圖3比較了平水年的月均下泄水溫、壩址處天然水溫及氣溫年內(nèi)過程。

圖3 平水年月均下泄水溫與壩址處天然水溫對比

表1 平水年月均下泄水溫與壩址天然水溫對比 (℃)

水庫運行對下游水溫過程有一定程度的春夏季低溫水影響。下泄水溫在2—7月比建壩前壩址水溫有所降低，平均降低1.6℃，4月份溫降最大達2.3℃。8月—翌年1月，下泄水溫平均上升1.2℃，11月溫升最大，為2.0℃。水庫年均下泄水溫比建壩前降低0.2℃。

以4月壩址天然水溫23.5℃為特征溫度統(tǒng)計延遲時間，建壩前壩址處水溫在4月15日到達23.5℃，建壩后下泄水溫在5月11日到達23.5℃，延遲了26d。

3 灌溉干渠分水口水溫預測

3.1 研究方法

本文采用類比實測法，通過測量已建類似渠道的水溫增溫率，來推求灌溉渠道引水后的沿程水溫變化情況。水庫所在地區(qū)具有高溫、高濕、高輻射的氣候特征，根據(jù)2017年2月24日、3月6日對同縣境內(nèi)已建東支渠的水溫觀測結(jié)果，增溫率為0.09℃/km，增溫明顯。

3.2 干渠分水口水溫預測

采用沿程增溫率方法推求得到的平水年灌區(qū)各干渠的各個分水口的灌溉水溫及與水庫壩址處天然水溫的溫差，其中東干渠各分水口水溫見表2。

表2 水庫灌區(qū)的東干渠沿程分水口水溫 (℃)

根據(jù)預測結(jié)果，與壩址處的天然水溫相比，東干渠1#～3#分水口4月最大溫降1.2～1.6℃，距離壩址最遠的11#分水口最大溫降為0.1℃?？梢姡m然東干渠渠首在2—7月存在一定的低溫水現(xiàn)象，但灌溉引水進入渠道后增溫迅速，至東干渠渠末基本不存在低溫水現(xiàn)象。

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[6]。

研究水庫灌區(qū)農(nóng)作物主要為水稻、玉米等喜溫性作物。因水稻灌溉畝產(chǎn)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。

研究水庫4—6月的灌溉取水水溫與水稻生長各期的最低耐受水溫比較情況，見表3。4—6月的灌溉水溫為23.5～26.2℃左右，比4—5月水稻發(fā)芽期、返青期的最低水溫12℃高出11.5～13.0℃，比6月水稻分葉期要求的最低水溫15℃高出10.6℃。因此，水稻生長期間的水庫灌溉引水水溫完全滿足水稻生長各期的最低水溫要求，研究水庫供水水溫不影響作物正常生長。

表3 水稻生長各期灌溉水溫分析表 (℃)

5 結(jié)語

采用寬度平均的立面二維水庫水溫數(shù)學模型，對云南某大型水庫運行后典型平水年的水庫水溫結(jié)構(gòu)特征、下泄水溫及其灌溉干渠沿程水溫進行了預測和分析，結(jié)果表明：

(1)平水年水庫總體呈過渡型水溫結(jié)構(gòu)特征和季節(jié)性水溫分層現(xiàn)象。在2—5月存在表層溫躍層，分層現(xiàn)象較明顯，垂向最大溫差3.3℃。其余月份各深度水溫幾乎一致，垂向水溫曲線基本呈豎直狀態(tài)。

(2)水庫運行對下游水溫過程有一定程度的春夏季低溫水影響。下泄水溫在2—7月比建壩前壩址水溫有所降低，平均降低1.6℃，4月份溫降最大達2.3℃。水庫年均下泄水溫比建壩前降低0.2℃。以4月壩址天然水溫23.5℃為特征溫度，建壩后較建壩前，延遲了26d到達該水溫。

(3)水庫所在地區(qū)具有高溫、高濕、高輻射的氣候特征。根據(jù)預測，東干渠1#～3#分水口最大溫降1.2～1.6℃，距離壩址最遠的11#分水口最大溫降為0.1℃?？梢?，東干渠渠末基本不存在低溫水現(xiàn)象。

(4)水稻生長各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。