北汝河汝州市城區(qū)段河道水溫觀測分析

左惠玲

(河南省平頂山水文水資源勘測局，河南 平頂山 466001)

1 觀測背景

北汝河是沙穎河的所屬水系，同時也是淮河較大的二級支流，北汝河發(fā)端于豫西伏牛山區(qū)嵩縣外方山跑馬嶺，最后在襄城縣丁營鄉(xiāng)崔莊村岔河口與沙河流域交匯。北汝河主河道長度為250km，所控制流域面積達0.608×104km2。北汝河流域在汝陽縣紫羅山以上的河段為典型的山區(qū)性河道，平均寬度為640m，河床質(zhì)為卵石夾砂，河底坡度10‰-3.3‰；紫羅山以下的河段則屬于淺山丘陵區(qū)，河槽陡然變寬，最大河道行洪寬度均值為3500m，河床內(nèi)富集卵石夾砂等沖積物，河底比降為3‰-1.7‰；襄城縣以下河段則為平原區(qū)，河道窄而順直，最窄處寬度僅100m，以砂為主要沖積物。

北汝河汝州市城區(qū)段為淺山丘陵區(qū)，植被較好，屬于輕度水土流失，河水清澈且常年基本不斷流。在汝州市城區(qū)段北汝河上建擋水壩，進行梯級蓄水，水量豐富，河道泥沙淤積量小，河水不受污染，水質(zhì)良好，可以達到改善環(huán)境、凈化空氣、提高地下水位等綜合效益的目的。對提高汝州市城區(qū)段地下水位，補充市區(qū)水量，減少城市漏斗化，具有很重要的作用。

2 觀測方案

2.1 觀測方法

當前北汝河上游紫羅山水文站所測得水深294m，為進行本次水溫觀測，按照《水質(zhì)水溫的測定-溫度計或顛倒溫度計測定法》(GB13195-91)中所規(guī)定的溫鹽深剖面儀(Conductivity Temperature Depth, CTD)展開觀測，該儀器液位精度可達到0.05%的測量深度，溫度精度可達0.03℃，溫度量程在-5℃-35℃之間[1-2]。

2.2 觀測范圍

觀測范圍為上游紫羅山水文站至汝州水文站，兩測站之間的河道長114km，總共設置5個觀測斷面，分別為紫羅山水文站斷面(與壩址相距102.7km)、妙水寺斷面(與壩址相距61.6km)、耿莊龍王廟斷面(與壩址相距1.49km)、張家灣斷面(與壩址相距18.32km)、砂鍋窯-寺溝斷面(與壩址相距34.7km。觀測時間定為2018年7月-2020年6月。觀測項目包括測站水溫觀測和河道水溫觀測兩項：①在紫羅山水文站斷面左中右分別設置3根垂線，采用溫鹽深剖面儀連續(xù)觀測，并隨著儀器緩慢下沉按照200-1000ms的時間間隔獲取數(shù)據(jù)，待完成觀測后從所收集到的數(shù)據(jù)序列中選擇不同測深所對應的水溫數(shù)據(jù)。②在妙水寺斷面、耿莊龍王廟斷面、張家灣斷面、砂鍋窯-寺溝斷面觀測水面以下0.5m處的水溫，考慮到其中耿莊龍王廟斷面水深較大，故僅設置1根垂線。

3 水溫觀測結果分析

3.1 日常觀測結果

經(jīng)過對各觀測斷面日常水溫觀測結果的分析發(fā)現(xiàn)，各斷面水溫均表現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象，具體間圖1，5月各斷面表層水溫高達24.1℃，而底層水溫僅為10.4℃，徑向溫差近14℃。5月是全年中陽光輻射最強烈的月份，溫度升高較快，在觀測時間紫羅山水文站環(huán)境溫度為25.6℃，觀測期間水流緩慢，表層水體能與環(huán)境發(fā)生充分的熱交換，且在這種作用下表層水體溫度和環(huán)境溫度較為接近。而深層水體因透光性差，陽光輻射很難到達水體深處，且水體垂向?qū)α魉l(fā)的熱傳遞量較小，并在溫度分層作用的制約下水體表層熱量很難向深層擴散，導致深層水體溫度偏低。在水底15-35m范圍內(nèi)是低水溫層，其水溫變動幅度僅為0.5℃-1.0℃；在低水溫層和表層之間存在15-20cm厚的溫躍層，溫差在10.8-14.0℃之間變化；表層水體密度小，溫度高，且不會下沉后與低溫水體摻混，該層水體在環(huán)境溫度升高的季節(jié)會吸收大量熱能后水溫不斷升高，故導致該斷面處出現(xiàn)穩(wěn)定的熱分層現(xiàn)象。

圖1 5月各斷面垂線水溫分布

對于紫羅山水文站斷面而言，通過分析其斷面二維水溫分布圖(圖2)可以看出，隨著水位的升高，水體溫度中低于12℃的溫度逐漸升高，但高于12℃的溫度并未發(fā)生明顯改變，簡單而言就是水位越高，水體溫度越高，但水位超出327m后的水體溫度較為穩(wěn)定。其余觀測斷面二維水溫分布情況與紫羅山水文站斷面基本一致。

圖2 5月紫羅山水文站斷面二維水溫分布

3.2 表層水溫沿程變化

通過對觀測期間各斷面實測水體表層溫度的對比分析發(fā)現(xiàn)，越靠近河道上游則表層水溫提升速度越快，紫羅山水文站斷面-妙水寺斷面表層水溫提升速率為0.05-0.15℃/km，而耿莊龍王廟斷面-砂鍋窯-寺溝斷面表層水溫提升速率為0.02-0.08℃/km。進一步分析發(fā)現(xiàn)，河道表層水溫變化和環(huán)境溫度變化存在較大的相關性：11月-次年2月，河道水溫表現(xiàn)出單溫躍層分布狀態(tài)；3月因環(huán)境溫度較為穩(wěn)定，水溫也基本無溫躍層；5月隨著環(huán)境溫度的持續(xù)升高，表層水體迅速升溫，溫躍層寬度拉大(具體見表1)；6月-8月水溫垂直分層更加明顯，且表現(xiàn)出雙溫躍層形式；9月-10月逐漸過渡為單溫躍層形式。

表1 5月北汝河汝州市城區(qū)段河道沿程水溫參數(shù)

3.3 常見干擾分析

3.3.1 水位變化干擾

北汝河汝州市城區(qū)段河道水溫動態(tài)值成因復雜，且在不同水位情況下成因不同，在水面下20-30m范圍內(nèi)主要受到陽光輻射的影響較大，并表現(xiàn)為較為明顯的日變化和季節(jié)性變化；而在水面100m以下主要受水動力條件的影響，因為在該較深水位處存在水交替變化特征，并在水溫梯度的作用下導致水體溫度下降。

3.3.2 氣氡干擾

北汝河汝州市城區(qū)段河道水溫觀測各整時值前后均存在明顯的鋸齒狀脈沖干擾，并嚴重影響水溫觀測質(zhì)量。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，水溫、氣氡共用同一數(shù)采供電觀測是造成這一現(xiàn)象的主要原因[3]。氣氡整時觀測前5min開始預熱，并待負高壓達950V時施測，施測時間持續(xù)20min，這一時間與水溫突變時間吻合，且氣氡對水溫觀測的干擾主要通過水溫地線反饋至溫鹽深剖面儀。為有效解決該問題，可在水溫地線接入地網(wǎng)之前增設一電感，使該電感與電容共同形成LC濾波電路，且通過電容的阻直流、通交流作用以及電感的通直流、阻交流作用，將交流干擾信號轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而有效抑制和?guī)避高頻率信號的干擾。經(jīng)過改造后，北汝河汝州市城區(qū)段河道水溫觀測各整時值前后的臺階形畸變不再出現(xiàn)，曲線變得光滑流暢。

4 結 論

通過文章分析可知，北汝河汝州市城區(qū)段河道水溫呈穩(wěn)定垂向分層結構，且在水氣熱交換等的綜合作用下，5月份表層水體能與環(huán)境發(fā)生充分的熱交換，且在這種作用下表層水體溫度和環(huán)境溫度較為接近。而深層水體因透光性差，陽光輻射很難到達水體深處，且水體垂向?qū)α魉l(fā)的熱傳遞量較小，并在溫度分層作用的制約下水體表層熱量很難向深層擴散，導致深層水體溫度偏低。北汝河汝州市城區(qū)段河道水溫觀測具有較高的靈敏度，且受觀測環(huán)境影響較大，為保證觀測結果的真實準確，應采用高精度觀測儀，并盡可能縮短觀測線路，接入地線時最好隔離處理水溫及其余設備的地線設置。