水庫(kù)水溫研究進(jìn)展及趨勢(shì)

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(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 流域水環(huán)境研究所，武漢 430010； 2.河海大學(xué) 水文與水資源學(xué)院，南京 210024)

1 研究背景

水溫是河流系統(tǒng)中理化生物過(guò)程的關(guān)鍵因素和主要調(diào)控因子。大型水電工程的修建給流域防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)等帶來(lái)巨大效益、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，水庫(kù)的蓄水在一定程度上會(huì)改變水溫時(shí)空分布。例如，溪洛渡水庫(kù)在蓄水至運(yùn)行初期，在垂向會(huì)形成水位變動(dòng)區(qū)、溫度不穩(wěn)定區(qū)、溫度過(guò)渡區(qū)和溫度相對(duì)穩(wěn)定區(qū),且不同區(qū)域水溫隨季節(jié)變化的特性不同[1]。同時(shí)，水庫(kù)的蓄水運(yùn)行會(huì)在特殊季節(jié)造成水溫垂向分層以及下泄水溫異于河流水溫的現(xiàn)象[2]，這將顯著改變庫(kù)區(qū)和下游河流溫?zé)峁?jié)律，引發(fā)下游河道“滯溫”與“滯冷”效應(yīng)。庫(kù)區(qū)水體和下游河道水溫變化會(huì)改變水生植物生長(zhǎng)條件、生物數(shù)目及分布，并且影響水體中魚(yú)類(lèi)的生存、生長(zhǎng)發(fā)育[3]，以及棲息地發(fā)生變化[4]，可能對(duì)庫(kù)區(qū)及下游河道的水文節(jié)律和水生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響[5]。因此，研究水庫(kù)水溫分層特性、生態(tài)環(huán)境影響具有十分重要的意義，促進(jìn)流域水電開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

本文首先回顧了國(guó)內(nèi)外水庫(kù)水溫研究歷程，介紹了主要的水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)判別方法和水庫(kù)水溫研究方法，重點(diǎn)論述了水庫(kù)水溫機(jī)理性模型與智能算法模型的最新動(dòng)態(tài)及前沿進(jìn)展，總結(jié)歸納了水庫(kù)水溫分層特性、生態(tài)環(huán)境影響及其改善措施的最新研究成果，并結(jié)合已有研究提出未來(lái)重點(diǎn)研究方向，為大型水利工程水溫研究提供科學(xué)建議。

2 國(guó)內(nèi)外水庫(kù)水溫研究歷程

世界各國(guó)從生態(tài)環(huán)境保護(hù)、供水或灌溉工程水溫要求、水庫(kù)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合計(jì)算等需求出發(fā)，開(kāi)展了大量水庫(kù)水溫的基礎(chǔ)理論研究和工程實(shí)踐。美國(guó)和日本在水庫(kù)水溫研究開(kāi)展較早并取得了較多成果。美國(guó)從20世紀(jì)30年代初開(kāi)始研究水庫(kù)水溫問(wèn)題，主要是應(yīng)對(duì)水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化加速問(wèn)題，進(jìn)行了系統(tǒng)的水溫原型觀測(cè)，40—50年代主要研究水溫與電站取用水的關(guān)系及壩前溫度場(chǎng)計(jì)算，70年代水溫?cái)?shù)學(xué)模型得到大力發(fā)展，并出現(xiàn)了大量分層取水結(jié)構(gòu)[6]。日本的水庫(kù)水溫研究興于第二次世界大戰(zhàn)后，研究?jī)?nèi)容主要集中在水溫與作物生長(zhǎng)關(guān)系、水庫(kù)水溫分層特性以及分層選擇取水結(jié)構(gòu)等方面，取得較多成果。蘇聯(lián)及北歐一些國(guó)家早期的水溫研究從防冰害開(kāi)始，20世紀(jì)70年代以后普遍開(kāi)始了水庫(kù)水溫的實(shí)地監(jiān)測(cè)分析、分層取水、熱力計(jì)算等工作[7]。目前國(guó)外的流域水環(huán)境綜合治理中，通常把水溫作為水質(zhì)的最主要指標(biāo)之一，研究的深度和廣度在不斷拓展。

我國(guó)水庫(kù)水溫研究最早是由于水庫(kù)工程設(shè)計(jì)和施工的實(shí)際需要[6-7]，在20世紀(jì)50—60年代進(jìn)行了部分水庫(kù)水溫測(cè)量及時(shí)空特性分析；70年代華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、中南水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院等單位在綜合分析眾多水庫(kù)水溫實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上，提出了許多水庫(kù)水溫估算的經(jīng)驗(yàn)性公式，如李懷恩法[8]、張大發(fā)法[9]、朱伯芳法等[10]；90年代以后，在對(duì)國(guó)外數(shù)學(xué)模型方法引進(jìn)和吸收、發(fā)展的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)水庫(kù)水溫?cái)?shù)學(xué)模型技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，在三峽水庫(kù)及金沙江、雅礱江等一些水電開(kāi)發(fā)重點(diǎn)河段的水溫研究和工程實(shí)踐中取得了較好的成效?，F(xiàn)階段我國(guó)致力于天然水溫恢復(fù)技術(shù)研究(如分層取水)，積極開(kāi)展大型水庫(kù)工程的水溫控制和科學(xué)管理研究。

3 水庫(kù)水溫研究方法

水庫(kù)水溫空間分布特性和動(dòng)態(tài)變化的主要研究手段包括原型觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。20世紀(jì)50—60年代起，國(guó)內(nèi)開(kāi)始對(duì)水庫(kù)水溫進(jìn)行觀測(cè)，隨后開(kāi)展了水庫(kù)水溫物理試驗(yàn)研究，并逐步發(fā)展了水庫(kù)水溫模擬的各種計(jì)算方法，現(xiàn)階段基于物理機(jī)制的水溫模型不斷深化和發(fā)展，同時(shí)，人工智能和水溫模型融合的新技術(shù)、新成果不斷涌現(xiàn)。

3.1 水溫結(jié)構(gòu)判別及影響因素

水溫分層是水庫(kù)水體的重要特征，是水庫(kù)水溫研究的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。國(guó)外通常將水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)分為3 類(lèi)：強(qiáng)分層型、弱分層型和混合型。我國(guó)通常是根據(jù)垂向水溫分布的均勻度和庫(kù)底水溫年較差大小，把水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)劃分為3 種類(lèi)型：混合型、分層型和界于這兩者之間的過(guò)渡型，常用的判別方法有庫(kù)水交換次數(shù)α-β法、密度弗勞德數(shù)判別法、水庫(kù)寬深比判別法[11]，分述如下：

(1)庫(kù)水交換次數(shù)α-β法。α、β的計(jì)算式分別為：

(1)

(2)

當(dāng)α=10時(shí)，為穩(wěn)定分層型水庫(kù)水溫；10<α<20時(shí)，為不穩(wěn)定分層型水庫(kù)水溫；當(dāng)α>20時(shí)，為混合型水庫(kù)水溫。對(duì)于分層型水庫(kù)，如果遭遇β>1的洪水，會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)混合現(xiàn)象；但如果β<0.5，則洪水對(duì)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響。

(2)密度弗勞德數(shù)判別法。其判別公式為

(3)

式中：Fr為密度弗勞德數(shù)；L、H、V分別為水庫(kù)長(zhǎng)度、平均水深和庫(kù)容；Q為入庫(kù)流量；g為重力加速度；G為標(biāo)準(zhǔn)化的垂向密度梯度(量級(jí)為10-3/m，推薦值為10-3/m)。

當(dāng)Fr<0.1時(shí)為穩(wěn)定分層型水庫(kù)水溫；當(dāng)0.11時(shí)為完全混合型水庫(kù)水溫。

(3)水庫(kù)寬深比判別法。其判別公式為

R=B/H。

(4)

式中:R為水庫(kù)寬深比；B為水庫(kù)水面平均寬度；H為水庫(kù)平均水深。當(dāng)H>15 m，R>30時(shí)為混合型水庫(kù)水溫；R<30時(shí)為分層型水庫(kù)水溫。

上述3種方法均為經(jīng)驗(yàn)性判別方法，部分學(xué)者還從水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)類(lèi)型與其影響因素之間的非線性、多元相關(guān)關(guān)系出發(fā)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12]、模糊回歸[15]、高斯過(guò)程機(jī)器學(xué)習(xí)[14]方法等模式識(shí)別方法來(lái)判別水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)，部分學(xué)者對(duì)水溫結(jié)構(gòu)影響因素展開(kāi)了研究。張士杰等[15]認(rèn)為水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)主要會(huì)受到氣象要素變化、庫(kù)區(qū)來(lái)水流量和溫度變化、水庫(kù)出流位置及流量大小等因素的影響；陶美等[16]研究發(fā)現(xiàn)洪水歷時(shí)、洪量以及水庫(kù)庫(kù)容對(duì)水溫分層結(jié)構(gòu)有顯著影響；魏浪等[17]研究發(fā)現(xiàn)水溫結(jié)構(gòu)日變化的影響因素主要是氣溫和太陽(yáng)輻射；呂曉龍等[18]研究成果表明，暴雨徑流的匯入使水庫(kù)熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到一定破壞；華逢耀等[19]進(jìn)一步研究了不同降雨徑流強(qiáng)度對(duì)水庫(kù)熱分層結(jié)構(gòu)的影響。

3.2 原型觀測(cè)與物理模型試驗(yàn)

原型觀測(cè)是最直接、準(zhǔn)確獲得水溫?cái)?shù)據(jù)的技術(shù)手段，我國(guó)真正意義上開(kāi)展系統(tǒng)的原型觀測(cè)工作起于21世紀(jì)初。學(xué)者們對(duì)眾多大型水庫(kù)進(jìn)行水溫原型觀測(cè)和水溫時(shí)空特征分析，如劉家峽水庫(kù)[20]、三峽水庫(kù)[21]、豐滿水庫(kù)[22]、功果橋水庫(kù)[23]等。水溫原型觀測(cè)手段大多應(yīng)用于水庫(kù)水溫分層現(xiàn)象和壩下河道水溫沿程變化研究，可為水庫(kù)水溫物理模型與數(shù)值模擬研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)支撐，但是水溫原型觀測(cè)無(wú)法反映水庫(kù)水溫垂向變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，同時(shí)因時(shí)空布置、環(huán)境條件等因素的限制，具有較大局限性。

物理模型是通過(guò)模型來(lái)研究原型的最直觀方法，目前多用于模擬水庫(kù)水溫分層流動(dòng)或分層取水過(guò)程。高學(xué)平等[24]對(duì)水庫(kù)水溫物理模型試驗(yàn)的相似關(guān)系進(jìn)行了理論分析，提出模型和原型相似應(yīng)滿足的條件，并改變?nèi)∷谘蜎](méi)深度和取水流量，對(duì)下泄水溫進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了下泄水溫與水庫(kù)水溫、取水口淹沒(méi)深度和取水流量之間的關(guān)系[25]。武玉濤等[26]采用水槽試驗(yàn)對(duì)不同溫度分層條件下的水庫(kù)密度流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬，分析了水體分層強(qiáng)度和出口條件對(duì)密度流運(yùn)動(dòng)的影響。武玉濤等[26]通過(guò)物理模型試驗(yàn)?zāi)M了春末夏初水庫(kù)庫(kù)首水溫分層的形成和演化過(guò)程，分析了流量和出水口位置對(duì)水溫在垂向和水平分布的影響。李軍等[27]開(kāi)展疊梁門(mén)式分層取水進(jìn)水口水力學(xué)試驗(yàn)，研究了不同疊梁門(mén)放置高度對(duì)取水口流態(tài)與流速分布特性的影響。

3.3 水溫?cái)?shù)值模擬

水庫(kù)水溫的計(jì)算方法包括經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)學(xué)模型法。經(jīng)驗(yàn)公式法具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，但水庫(kù)水溫由于受氣象變化、出入流、水氣間的熱交換等多種因素影響呈現(xiàn)顯著時(shí)空復(fù)雜性[28-30]，經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)測(cè)精度相對(duì)較低，不具有普適性。隨著數(shù)字技術(shù)和模型算法迅速發(fā)展，水溫?cái)?shù)值模擬逐漸成為國(guó)內(nèi)外水庫(kù)水溫時(shí)空分布和垂向分層結(jié)構(gòu)模擬等研究的重要手段。自20世紀(jì)60年代美國(guó)水資源工程公司(Water Resources Engineering, Inc.，WRE)、麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)分別提出了WRE[31]、MIT[32]等經(jīng)典水溫模型后，水溫模型歷經(jīng)垂向一維、立面二維(如CE-QUAL-W2模型)和三維(如MIKE3、EFDC(The Environmental Fluid Dynamics Code)等模型)的發(fā)展歷程。已有文獻(xiàn)對(duì)各模型的原理、適用性及模擬效果進(jìn)行了綜述[33]，本文重點(diǎn)分析水溫模擬近年來(lái)的研究進(jìn)展及前沿?zé)狳c(diǎn)。

3.3.1 機(jī)理性水溫模型及應(yīng)用

近年來(lái)，機(jī)理性水溫?cái)?shù)值模擬的研究主要圍繞兩方面展開(kāi)：

(1)水溫分層現(xiàn)象和水溫結(jié)構(gòu)。高志發(fā)等[34]利用Delft3D數(shù)值模擬軟件建立三峽水庫(kù)香溪河庫(kù)灣三維水動(dòng)力-水溫耦合數(shù)學(xué)模型，分析了香溪河庫(kù)灣水溫結(jié)構(gòu)及其對(duì)水動(dòng)力影響；四川大學(xué)阮婭等[35]采用寬度平均的立面二維水溫?cái)?shù)學(xué)模型，完成了對(duì)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)；段揚(yáng)等[36]基于Delft3D軟件建立丹江口水庫(kù)三維水動(dòng)力水溫模型，對(duì)丹江口水庫(kù)不同季節(jié)水流和水溫分層特性進(jìn)行分析；中國(guó)水科院劉暢等[37]采用CE-QUAL-W2模型建立了立面二維水溫模型，得到了平原型水庫(kù)熱分層的季節(jié)性變化及水質(zhì)響應(yīng)特征；云南大學(xué)梁斯琦等[38]完成了小灣水電站壩前垂向水溫分布特征的相關(guān)研究；三峽大學(xué)龍良紅等[39-40]通過(guò)建立CE-QUAL-W2立面二維水溫模型，得到了向家壩水庫(kù)水溫的季節(jié)性分層，并通過(guò)監(jiān)測(cè)水溫水質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)合上游水文數(shù)據(jù)，研究了汛期水位對(duì)熱分層特性及水質(zhì)的影響。倫冠海等[41]采用了Delft3D軟件建立前坪水庫(kù)溫度計(jì)算模型，研究得到了高水頭水庫(kù)的水溫垂向分布規(guī)律及分層取水對(duì)放水溫度的影響；方晴等[33]采用垂向一維水溫模型——DYRESM模擬水溫分布，研究了松濤水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及垂向水溫年內(nèi)演變規(guī)律。

(2)將水溫與各領(lǐng)域結(jié)合的精細(xì)化模擬。例如，將水溫與水工結(jié)構(gòu)結(jié)合，啜明英等[42]利用CE-QUAL-W2模型，比較分析了整流幕設(shè)置前后香溪河庫(kù)灣水溫的時(shí)空變化規(guī)律；高學(xué)平等[43]研究得到了不同控制幕運(yùn)行方式對(duì)下泄水溫的改善效果，并總結(jié)了下泄水溫規(guī)律；邱如健等[44]采用一維水溫模型，分析得到了不同蓄水工況不同時(shí)間尺度下的水溫時(shí)空變化規(guī)律；云南大學(xué)畢曉靜等[23]研究了壩下河道沿程水溫的時(shí)空分異特征，分析得到功果橋電站對(duì)壩下河道水溫產(chǎn)生的影響；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院王岑等[45]完成了水庫(kù)疊梁門(mén)取水近區(qū)水動(dòng)力-水溫耦合作用機(jī)理及取水層的范圍和厚度變化規(guī)律相關(guān)的研究；四川大學(xué)譚升魁等[46]研究得出了水庫(kù)疊梁門(mén)分層取水措施對(duì)低溫水的改善效果；河海大學(xué)惠清等[47-48]研究得到了三峽水庫(kù)蓄水10 a后水溫變化情勢(shì)和影響葛洲壩下游中華鱘產(chǎn)卵江段特定水溫的原因，并研究了三峽水庫(kù)蓄水前后四大家魚(yú)產(chǎn)卵期的水溫變化規(guī)律，以及關(guān)鍵斷面水溫差值及滯冷效應(yīng)。

3.3.2 基于智能算法的水溫模型及應(yīng)用

近幾年，隨著大數(shù)據(jù)與人工智能的快速發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能算法以及統(tǒng)計(jì)模型被廣泛地應(yīng)用到水溫模擬研究，并取得了較好的效果。Letcher等[49]建立了一種基于空氣-水流溫度同步、自相關(guān)、和時(shí)間滯后的水溫預(yù)測(cè)模型；Laanaya等[50]比較了廣義相加模型(Generalized Additive Model，GAM)、邏輯回歸、殘差回歸、線性回歸這4種不同統(tǒng)計(jì)學(xué)模型對(duì)河流水溫預(yù)測(cè)的擬合度，發(fā)現(xiàn)廣義相加模型(GAM)擬合度最高；Stajkowski等[51]采用遺傳-長(zhǎng)短期記憶(GA-LSTM)算法來(lái)預(yù)測(cè)城市河流的水溫；Graf等[52]建立了一種基于離散小波變換和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合模型來(lái)預(yù)測(cè)河流水溫，取得了較好的模擬預(yù)測(cè)效果。Al-jashaamí等[53]建立了空氣-水非線性回歸模型，模擬計(jì)算河流水體熱通量；Adam等[54]將Dropout技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水溫模型，解決了模型運(yùn)行的過(guò)擬合問(wèn)題，有效提高了模型的運(yùn)行速度和精度。在國(guó)內(nèi)，柳海濤等[55]將建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水溫預(yù)報(bào)模型用于預(yù)測(cè)豐滿電站下游魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵場(chǎng)的水溫情勢(shì)變化；朱森林等[56]建立水溫-氣溫的高斯過(guò)程回歸水溫模型，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值較為吻合，相關(guān)系數(shù)在0.96以上。

除上述兩種模型外，部分學(xué)者也通過(guò)建立多過(guò)程耦合模型來(lái)進(jìn)行水溫研究。Charron等[57]考慮環(huán)境流和氣候變化構(gòu)建了水文-水溫耦合模型，對(duì)加拿大威爾莫特河的水溫進(jìn)行預(yù)測(cè)研究；Ouellet等[58]綜合考慮河流水溫與魚(yú)類(lèi)棲息地變化情況，構(gòu)建了河流水溫-魚(yú)類(lèi)棲息地指數(shù)耦合模型，研究勞倫斯河水溫變化對(duì)魚(yú)類(lèi)生存繁殖的影響；Toffolon等[59]開(kāi)發(fā)的一種新型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型——Air2stream，該模型利用外部熱傳遞產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為水體熱通量的原理建立方程式，將歷史氣溫和流量序列輸入到模型當(dāng)中，即可模擬河流水溫的日均變化，具有精度穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，并且可有效判斷河流水溫主要影響因子的權(quán)重；唐雨佳等[60]運(yùn)用Air2stream模型，檢驗(yàn)三峽下游河流水溫的異變現(xiàn)象和幅度，定量分析了自然氣候與三峽大壩對(duì)下游水溫的影響幅度。

4 水庫(kù)水溫特性及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

4.1 水庫(kù)水溫分層特性

水庫(kù)水溫分層后，在垂向上形成表溫層、溫躍層、底溫層3層水體[19](圖1)。對(duì)于分層型水庫(kù)而言，其水溫分層現(xiàn)象在一年內(nèi)呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律，但因水庫(kù)地理位置、氣象條件等因素的不同，這種變化規(guī)律存在一定的差異。例如，龍良紅等[39]研究發(fā)現(xiàn)向家壩水庫(kù)水溫存在季節(jié)性分層現(xiàn)象，4—8月份出現(xiàn)水溫分層，9月份至次年3月份垂向水溫幾乎不發(fā)生分層；段揚(yáng)等[36]的研究成果表明，丹江口水庫(kù)溫度分層現(xiàn)象在夏季最為明顯，而在春秋季減弱，冬季基本喪失，且水溫變化趨勢(shì)與氣溫相似。

圖1 水庫(kù)水溫垂向分層結(jié)構(gòu)Fig.1 Vertical layered structure of reservoir watertemperature

為定量表征水庫(kù)熱分層特性，研究人員在對(duì)水溫分層與主要驅(qū)動(dòng)因素相關(guān)關(guān)系的認(rèn)知基礎(chǔ)上，提出了許多指標(biāo)參數(shù)及其估算公式，如Lake number指數(shù)、水庫(kù)潛在勢(shì)能指數(shù)(簡(jiǎn)稱APE指數(shù))[61]、穩(wěn)定分層度[62]、溫度分層指數(shù)、Wedderburn指數(shù)[63]、RWCS指數(shù)[64]等。以上參數(shù)的闡述較完整并有明確的計(jì)算公式，APE指數(shù)、溫度分層指數(shù)、穩(wěn)定分層度在實(shí)踐中應(yīng)用較多，其他參數(shù)的計(jì)算較繁瑣且所需數(shù)據(jù)量巨大。還有一些特征參數(shù)在實(shí)際計(jì)算中存在多個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，如混合層深度，常見(jiàn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)有密度閾值[65]、溫度閾值[66]、溶解氧閾值[67]等。

4.2 水庫(kù)水溫的生態(tài)環(huán)境影響及緩解措施

水庫(kù)水溫分層對(duì)庫(kù)區(qū)水環(huán)境、水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。研究表明，水庫(kù)的熱分層對(duì)水體溶解氧含量及分布有重要的影響[68]。對(duì)于平原型深水水庫(kù)而言，水庫(kù)熱分層為溶解氧的層化結(jié)構(gòu)的形成提供了垂向分異性物理環(huán)境，垂向各層不同生化過(guò)程的作用為溶解氧濃度空間差異性演變提供了驅(qū)動(dòng)力[69-70]，水庫(kù)熱分層結(jié)構(gòu)是缺氧區(qū)形成的主要誘因[37]。中層溫躍層阻礙了水體上下層的物質(zhì)遷移和能量交換[71]，進(jìn)而影響溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽的垂向分布[72-73]，底層長(zhǎng)期處于厭氧環(huán)境下加劇污染物的累積和釋放，導(dǎo)致底層污染物含量遠(yuǎn)高于表層，使水庫(kù)底層面臨水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)。之后受環(huán)境溫度驟降等影響，水庫(kù)水體在垂直方向上由于密度的差異而發(fā)生“翻庫(kù)”現(xiàn)象，分層時(shí)期積聚在底層的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被交換至上層水體，導(dǎo)致水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量過(guò)高，使得庫(kù)區(qū)水體水質(zhì)惡化[74]。除此之外，水溫分層結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)四大家魚(yú)、薄鰍屬等魚(yú)類(lèi)的生存生長(zhǎng)、攝食、繁殖等生命過(guò)程造成顯著影響[75-76]。同時(shí)，研究成果表明，水庫(kù)水體中浮游植物的數(shù)量分布、群落功能類(lèi)群演替與水溫的季節(jié)性垂向分布具有顯著的正相關(guān)關(guān)系[77-78]，也有研究發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)熱分層結(jié)構(gòu)是影響水體中細(xì)菌、真菌種群群落結(jié)構(gòu)垂向分布的重要驅(qū)動(dòng)因子[73-72]，水溫分層結(jié)構(gòu)對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能具有顯著的影響。

受水溫分層影響，水庫(kù)泄流會(huì)顯著改變壩下河道的水溫，主要表現(xiàn)為秋冬季(10月—次年2月)的“滯溫效應(yīng)”，以及春夏季(3—7月份)的“滯冷效應(yīng)”。例如，在溪洛渡-向家壩梯級(jí)電站運(yùn)行后，位于向家壩壩下的向家壩水文站受向家壩秋冬季下泄高溫水影響，10月—次年1月水溫較歷史同期偏高約2 ℃，而春季受下泄低溫水影響，4—5月份水溫較歷史同期偏低約3 ℃[79]。駱輝煌等[80]采用立面二維水溫模型模擬了金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行后向家壩的下泄水溫，溪洛渡、向家壩兩庫(kù)運(yùn)行后春、夏季達(dá)到此水溫的時(shí)間將延后34 d。毛勁喬等[48]研究發(fā)現(xiàn)三峽水庫(kù)蓄水泄流帶來(lái)的“滯冷效應(yīng)”對(duì)四大家魚(yú)產(chǎn)卵江段水溫的影響屬于可控范圍，但有研究表明當(dāng)流域梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，下泄低、高溫水對(duì)河道生態(tài)環(huán)境的不利影響可能產(chǎn)生累積效應(yīng)[81]。梁瑞峰等[82]通過(guò)對(duì)金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)水溫變化模擬分析發(fā)現(xiàn)，梯級(jí)下泄水溫的延遲效應(yīng)和平坦化效應(yīng)隨梯級(jí)數(shù)量增加而強(qiáng)化，下游庫(kù)區(qū)水溫同溫化現(xiàn)象顯著。趙高磊等[83]認(rèn)為梯級(jí)水庫(kù)帶來(lái)的這種水庫(kù)累積效應(yīng)存在一定的極限。

水庫(kù)分層取水是改善水庫(kù)水溫分層對(duì)生態(tài)環(huán)境不利影響的有效措施。水電工程中應(yīng)用最多的分層取水形式(圖2)主要有4種：溢流式取水口(疊梁門(mén))[84]、多層孔型取水口[25]、控制幕取水[43]以及新型隔水幕取水[85]。大型水庫(kù)常采用疊梁門(mén)取水方式作為改善春季下泄低溫水的有效手段；多層孔型取水口也是一種較為常見(jiàn)的水庫(kù)灌溉取水結(jié)構(gòu)；與其他三者分層取水方式相比，新型隔水幕取水結(jié)構(gòu)也能夠有效提高水庫(kù)下泄水溫，目前隔水幕取水結(jié)構(gòu)在國(guó)外已得到大量應(yīng)用。

圖2 常見(jiàn)的分層取水形式Fig.2 Common forms of layered water withdrawal

5 國(guó)內(nèi)水庫(kù)水溫研究現(xiàn)狀及問(wèn)題

(1)對(duì)于水溫結(jié)構(gòu)判別，最常用的方法主要有庫(kù)水交換次數(shù)α-β法、密度弗勞德數(shù)判別法、水庫(kù)寬深比判別法，也有學(xué)者引入感知器算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來(lái)判別水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)。近年來(lái)對(duì)水溫結(jié)構(gòu)判別方法的創(chuàng)新比較少見(jiàn)，仍然沿用前面所述的這3種方法進(jìn)行研究，圍繞水溫結(jié)構(gòu)影響因素及其相互關(guān)系研究成為水溫結(jié)構(gòu)識(shí)別的一大熱點(diǎn)。

(2)原型觀測(cè)和物理試驗(yàn)是河流水溫模擬研究較為常用的方法，在僅需研究水溫分布、時(shí)空變化時(shí)，多用原型觀測(cè)方法；當(dāng)研究實(shí)際水庫(kù)不同工況下水溫問(wèn)題時(shí)，常常使用物理試驗(yàn)的方法。原型觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是較為直觀，物理試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是與實(shí)際工況擬合度較高，但這2種方法都需要耗費(fèi)一定的人力財(cái)力，且部分物理試驗(yàn)操作較為復(fù)雜。

(3)數(shù)值模擬是目前水溫研究最常用的方法。國(guó)內(nèi)水溫模型的研究非常廣泛，但是自主研發(fā)的模型成果不多，目前多用成熟商業(yè)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，而國(guó)外已經(jīng)有大量基于優(yōu)化算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的水溫模型研究成果，且擬合度較高。在這一方面國(guó)內(nèi)的研究成果相當(dāng)匱乏，因此這是未來(lái)國(guó)內(nèi)水溫模型發(fā)展的重中之重。此外，目前對(duì)于單一水庫(kù)垂向水溫研究，大多數(shù)模型都能維持較高的模擬精度，得到較為準(zhǔn)確的研究結(jié)果；但對(duì)于流域梯級(jí)水庫(kù)水溫調(diào)度研究和水動(dòng)力-水溫-水質(zhì)多過(guò)程耦合模擬研究，多模型、多過(guò)程帶來(lái)的模型精度下降問(wèn)題，需要進(jìn)一步解決。

6 展 望

水庫(kù)水溫未來(lái)重點(diǎn)研究問(wèn)題如下：

(1) 梯級(jí)水庫(kù)影響下流域河-庫(kù)系統(tǒng)水熱傳遞規(guī)律。以長(zhǎng)江流域?yàn)槔L(zhǎng)江上中游水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)形成的高壩深水水庫(kù)(如溪洛渡、向家壩、三峽水庫(kù))顯著改變長(zhǎng)江干流天然的水熱傳遞過(guò)程與水溫結(jié)構(gòu)，造成了部分水庫(kù)的水溫分層和“滯溫”與“滯冷”效應(yīng)。長(zhǎng)江宜賓以上金沙江、雅礱江和大渡河等支流位于干熱河谷(太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度超過(guò)1 700 kW·h/m2)，而四川盆地至三峽河谷屬于低熱地區(qū)(太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度僅800 kW·h/m2)，受地理環(huán)境和水利調(diào)度影響，金沙江干熱河谷大型水庫(kù)蓄水后，形成極具特點(diǎn)的水溫分層結(jié)構(gòu)，下泄水體從滇東高熱區(qū)進(jìn)入相對(duì)低溫、低熱的三峽和長(zhǎng)江中游，加上岷江等大型支流水熱匯入，使得三峽水庫(kù)庫(kù)內(nèi)和壩下游河道水溫情勢(shì)發(fā)生顯著變化，進(jìn)一步加強(qiáng)水庫(kù)群集、疊和滯熱的環(huán)境效應(yīng)[86]。針對(duì)氣候變化、梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行及支流入?yún)R等多因素綜合影響下，流域尺度上干支流與河-庫(kù)系統(tǒng)的水熱傳遞規(guī)律及其主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制有待進(jìn)一步明晰。

(2)基于非靜壓的水庫(kù)水流水溫耦合計(jì)算。水庫(kù)水溫的精細(xì)化模擬是未來(lái)研究的重要方向。水溫?cái)?shù)學(xué)模型通常是將水動(dòng)力模型作為基本方程，將溫度方程和水動(dòng)力模型進(jìn)行耦合求解。但傳統(tǒng)水溫模型中水動(dòng)力方程往往忽略了垂向加速度，假設(shè)水體壓強(qiáng)符合靜水壓分布，即“靜壓假設(shè)”。然而，大量研究表明[87-88]，分層水體流動(dòng)(包括水庫(kù)密度流)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生顯著的垂向加速度及沿水深變化的動(dòng)水壓強(qiáng)，特別是在低/高溫水入庫(kù)、水面溫度急劇變化造成強(qiáng)烈的垂向紊動(dòng)情況下，“靜壓假設(shè)”已不再適用，水流的垂向加速度及動(dòng)壓引起的垂向流速變化不可忽視。傳統(tǒng)靜壓模型由于忽略了水流的垂向加速度，不計(jì)水體垂向紊動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)水壓強(qiáng)對(duì)垂向流速的影響，難以精確地模擬水庫(kù)密度流的真實(shí)流場(chǎng)。因此，亟需在傳統(tǒng)靜壓模型基礎(chǔ)上，考慮水體垂向紊動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)水壓強(qiáng)對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響，建立能夠反應(yīng)水庫(kù)垂向運(yùn)動(dòng)特性的三維非靜壓水動(dòng)力-水溫耦合模型。

(3)面向下游水溫改善的水庫(kù)分層取水生態(tài)調(diào)度。水庫(kù)生態(tài)調(diào)度是指一種降低大壩的建設(shè)和運(yùn)行對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)負(fù)面影響的措施。目前，針對(duì)水庫(kù)分層取水生態(tài)調(diào)度研究，取得了一些成果[89-90]。以溪洛渡水庫(kù)疊梁門(mén)分層取水為例，在溪洛渡-向家壩梯級(jí)水庫(kù)生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)中，梯級(jí)水庫(kù)對(duì)壩下水溫的影響主要表現(xiàn)為春季低溫水下泄以及冬季的高溫水下泄；分層取水生態(tài)調(diào)度使溪洛渡壩下泄水溫提升約0.4 ℃，但對(duì)向家壩壩下河段的水溫幾無(wú)影響[88]，但該生態(tài)試驗(yàn)剛剛起步，且受水情和綜合調(diào)度需求限制，設(shè)計(jì)中的四層疊梁門(mén)僅運(yùn)用了一層，故其改善下泄水溫的程度有限，后續(xù)可增加疊梁門(mén)運(yùn)用層數(shù)，最大程度發(fā)揮工程措施的效用。此外，也有研究表明，水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度方式對(duì)下泄水溫也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。例如，溪洛渡庫(kù)區(qū)水溫結(jié)構(gòu)分層時(shí)，泄洪高程決定下泄水溫；泄洪量增大時(shí)，下泄水溫略有降低；另外，水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)為增溫過(guò)程時(shí)，泄洪時(shí)長(zhǎng)增加，下泄水溫逐漸增加[91]。

目前，大部分水庫(kù)水溫調(diào)度研究尚處于起步階段，亟需進(jìn)一步查明不同分層取水方式得到下泄水對(duì)下游生態(tài)系統(tǒng)的定量影響。同時(shí)，基于現(xiàn)有梯級(jí)水溫調(diào)度研究成果，繼續(xù)開(kāi)展水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度條件下“滯溫”和“滯冷”效應(yīng)研究，研究不同調(diào)度時(shí)期水庫(kù)群低溫水或高溫水下泄對(duì)水庫(kù)下游環(huán)境因子的影響途徑和影響程度，并基于魚(yú)類(lèi)自然繁殖的水溫需求，優(yōu)化水溫定性改善的分層取水生態(tài)調(diào)度方案，更好地保障水電工程綜合效益得到充分發(fā)揮。