水庫出庫水溫影響規(guī)律研究

薛聯(lián)芳，陸 波，黃鷹翰，匡 亮，嚴忠鑾，王小明，徐火清，盧晶瑩

(1.水電水利規(guī)劃設計總院有限公司，北京100120；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014；3.中國三峽建工(集團)有限公司，四川成都610000)

大型水庫的興建在帶來經(jīng)濟和社會效益的同時，也伴隨著一系列的生態(tài)環(huán)境問題[1]。水庫的建成，極大地影響了庫區(qū)和下游河段的水溫時空分布[2]。隨著水庫蓄水，庫區(qū)水面面積和水位大幅度增加，水流流速變緩，形成壩前水溫垂向分層。水庫水溫垂向分層導致下層水體常年水溫較低，傳統(tǒng)底層取水口下泄的低溫水將會對下游生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響[3]。我國長江流域魚類產(chǎn)卵季節(jié)一般在4月～8月，低溫水可能導致河道中魚類產(chǎn)卵期推遲，甚至不產(chǎn)卵。例如，鯉魚在水溫低于8 ℃或超過30 ℃便停止取食，當水溫低于18 ℃時不能繁殖[4-5]。低溫水使得下游的水溫特性發(fā)生變化，對魚類的生存造成威脅[6-7]。水庫下泄的低溫水對灌區(qū)的農(nóng)作物也會產(chǎn)生不利影響[8]。在水稻生長期內(nèi)，下泄低溫水會抑制微生物的活動，減緩新陳代謝，導致水稻返青慢、結(jié)實率低、成熟期推遲和產(chǎn)量下降等[9-10]。

庫水次數(shù)交換法是在項目早期、資料匱乏時，用來初步判斷水庫水溫結(jié)構(gòu)的方法[11-12]。本文結(jié)合多個工程實例，基于統(tǒng)計資料，分析不同類型水庫建成前后出庫水溫變化情況，將α值與水溫影響初步進行統(tǒng)計分析，得出水庫出庫水溫與α值的相關(guān)關(guān)系，可為項目早期水溫影響估算提供依據(jù)，為提出治理低溫水措施及水溫預測奠定基礎。

1 水庫出庫水溫案例分析

根據(jù)長江水利委員會水文局提供的東江、三板溪、天生橋一級、龍灘、安康和柘溪等水電站的出庫水溫數(shù)據(jù)進行分析，研究水電工程建成后河道水溫變化情況。

1.1 東江水電站

東江水電站于1989年開始蓄水，小東江下游的東江水文站距離東江水電站約14 km，可作為出庫水溫的控制斷面。根據(jù)建庫前和2001年、2007年、2008年實測水溫資料，得到建庫前后出庫水溫變化見圖1。

圖1 東江水電站建庫前后東江水文站月平均水溫變化

由圖1可見，東江水電站下游東江水文站夏季水溫最大降低13.5 ℃，冬季水溫最大升高5.4 ℃，水溫年變幅由建庫前的18 ℃縮小為建庫后2.2～3.7 ℃。

1.2 三板溪水電站

三板溪水電站2006年開始蓄水，下游約25 km的錦屏水文站作為三板溪水電站下游水溫影響的控制斷面。根據(jù)資料，采用錦屏水文站2004年～2006年3 a水溫平均值作為三板溪水電站建庫前的水溫，2007年～2012年6 a水溫平均值作為建庫后的水溫。建庫前后的錦屏水文站水溫特征值比較見圖2。

圖2 三板溪水電站建庫前后錦屏水文站月平均水溫變化

從圖2可以看出，三板溪水電站下游錦屏水文站夏季水溫最大降低4.3 ℃，冬季水溫最大升高5.4 ℃，水溫年變幅由建庫前的18.9 ℃縮小為建庫后10.8 ℃，相位推遲約1個月。

1.3 天生橋一級水電站

天生橋一級水電站1998年開始蓄水，水電站尾水實測水溫可作為出庫水溫。根據(jù)建庫前后實測水溫資料，得到天生橋一級水電站建庫前后出庫水溫變化見圖3。

圖3 天生橋一級水電站建庫后下泄水溫與原天然河道壩址水溫比較

由圖3可見，天生橋一級水電站水庫出庫水溫夏季最大降低5.4 ℃，冬季則最大升高7.0 ℃，水溫年變幅由建庫前的11.3 ℃縮小為建庫后4.9 ℃，相位推遲約1個月。

1.4 龍灘水電站

龍灘水電站于2007年開始蓄水，下游的天峨水文站距離龍灘水電站約11 km，可作為出庫水溫的控制斷面。根據(jù)建庫前和建庫后2009年～2012年實測水溫資料，得到建庫前后天峨站水溫變化見圖4。

圖4 龍灘水電站建庫前后天峨水文站月平均水溫變化

從圖4可以看出，天峨水文站實測水溫春夏季最大降低6.1 ℃，冬季最大升高5.1 ℃，水溫年變幅由龍灘水電站建庫前的10.5 ℃縮小為建庫后8.5 ℃，相位推遲約2個月。

1.5 安康水電站

安康水電站1989年開始蓄水，下游15 km的安康水文站可作為出庫水溫的控制斷面，壩址以下153 km 處的白河水文站可作為下游水溫恢復斷面。根據(jù)建庫前后50 a逐月實測水溫資料，得到建庫前后出庫水溫變化見表1和圖5～圖6。

表1 安康水電站建成前后安康、白河站逐月水溫成果 ℃

圖5 安康水電站建庫前后安康水文站月平均水溫變化

圖6 安康水電站建庫前后白河水文站月平均水溫變化

從表1及圖5、6可知，安康水文站春夏季水溫最大降低5.0 ℃，冬季水溫最大升高4.9 ℃，水溫年變幅由安康水電站建庫前的21.3 ℃縮小為建庫后14.8 ℃，相位推遲約1個月。流經(jīng)153 km后到達白河水文站，水溫變幅減小，春夏季水溫最大降低2.4 ℃，冬季水溫最大升高2.2 ℃，水溫年變幅由安康水電站建庫前的20.2 ℃縮小為建庫后19.8 ℃，相位推遲約1個月。由此推算，春夏季水溫隨距離沿程衰減為1.85 ℃/100 m，秋冬季水溫隨距離沿程衰減為2.07 ℃/100 m。

1.6 柘溪水電站

柘溪水電站于1961年開始蓄水，下游約140 km處的桃江水文站作為柘溪下游水溫影響的控制斷面。根據(jù)現(xiàn)有資料，采用桃江水文站1957年、1958年、1961年共3 a的資料分析三板溪水電站建庫前的水溫，采用桃江水文站1963年～1985年共14 a(部分年份資料缺失)的資料分析柘溪水電站建庫后的水溫。柘溪水電站建庫前后的桃江水文站水溫特征值比較見圖7。

圖7 柘溪水電站建庫前后桃江水文站月平均水溫變化

由圖7可見，桃花江水文站春夏季水溫最大降低2.1 ℃，冬季水溫最大升高0.8 ℃，水溫年變幅由柘溪水電站建庫前22.9 ℃縮小為建庫后21.2 ℃，相位推遲約1個月。采用安康水文站至白河水文站增溫率，推算得到柘溪水電站春夏季出庫水溫最大降低4.7 ℃，冬季出庫水溫最大升高3.0 ℃。

2 α值與水庫水溫影響相關(guān)關(guān)系分析

各水電站出庫水溫及其水溫結(jié)構(gòu)關(guān)系如表2和圖8～9所示。

表2 水電站出庫水溫及其水溫結(jié)構(gòu)關(guān)系

圖8 α值與春夏季降溫和冬季升溫相關(guān)關(guān)系

圖9 α值與“扁平化”程度相關(guān)關(guān)系

由表2可以看出，水電工程修建后，下游河道中水體均會產(chǎn)生春夏季降溫、冬季升溫的現(xiàn)象。典型工程的案例分析表明，大部分工程春夏季降溫約在4.3～6.1 ℃，東江水庫甚至達到了13.5 ℃；而冬季升溫約在3.0～7.0 ℃。河道中的水溫變化也產(chǎn)生了相位變化，大部分工程相位差為1個月，東江水庫達到了4個月。建庫后，下游河道水溫年變幅均變小，說明水庫的修建使水溫過程變得“扁平化”。

東江水庫顯示的獨特而巨大的春夏季降溫幅度、水溫年變幅“扁平化”程度和相位變化程度或許和其較小的α值有關(guān)。由圖8可以看出，春夏季降溫和冬季升溫幅度隨著α值的增大趨勢上是逐漸減小的，除去極值，隨著α值增大春夏季降溫幅度范圍在2～6 ℃之間，隨著α值增大冬季升溫幅度范圍在3～7 ℃之間，其中春夏季降溫幅度和α值呈現(xiàn)明顯的對數(shù)關(guān)系，R2值為0.78。圖9顯示，建庫前后水溫年變幅差值除去極值隨著α值增大外，其余隨著α值的增大趨勢是在逐漸減小的；建庫前后水溫年變幅差值范圍在2～8 ℃之間，并呈現(xiàn)較明顯的對數(shù)關(guān)系。

3 結(jié) 論

基于溪洛渡、向家壩、東江、三板溪等多座水電站實例，在前人研究基礎上重點補充數(shù)據(jù)，對出庫水溫及其下游水溫沿程變化進行了分析研究，可以得到以下結(jié)論：

(1)水電工程修建后，下游河道中水體均會產(chǎn)生春夏季降溫、冬季升溫的現(xiàn)象，典型工程的實例分析顯示，大部分分層型水庫春夏季降溫約在2～6 ℃，而冬季升溫約在3.0～9.0 ℃；且河道中的水溫過程相對于天然情況下將會產(chǎn)生相位變化，大部分工程相位差為1個月。

(2)根據(jù)多個水庫α值和其出庫水溫變化情況的研究發(fā)現(xiàn)，水庫修建后河道中的水溫年變幅相對于天然河道將會出現(xiàn)“扁平化”現(xiàn)象，水溫年變化幅度減小。其中，東江水庫顯示的獨特而巨大的春夏季降溫幅度、水溫年變幅“扁平化”程度和相位變化程度和其較小的α值有關(guān)。春夏季降溫和冬季升溫幅度、建庫前后水溫年變幅差值隨著α值的增大趨勢是在逐漸減小的。其中，春夏季降溫幅度和建庫前后水溫年變幅差值和α值呈現(xiàn)較明顯的對數(shù)關(guān)系。