駱輝煌，李 倩，李 翀

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038；2.中國長江三峽集團公司，北京 100038）

1 研究背景

金沙江下游干流已在建或規(guī)劃向家壩、溪洛渡、白鶴灘和烏東德4個梯級水庫。4個梯級水庫在正常蓄水位下庫容達52～205億m3，水深達120～255m，均為高壩巨型水庫，庫區(qū)將呈現(xiàn)出不同程度的垂向水溫分層，下泄水溫較天然狀態(tài)下河道水溫會有較大的變化。金沙江下游梯級水庫最后一級——向家壩水庫距長江上游珍稀、特有魚類國家級自然保護區(qū)（以下簡稱“保護區(qū)”）上游僅1.8km。梯級水庫運行后下泄水溫變化對保護區(qū)內(nèi)珍稀、特有魚類生長繁殖的影響一直是國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)注的重點。

國內(nèi)眾多學(xué)者開展過關(guān)于水庫水溫模擬及水生生物生長、繁殖與水溫關(guān)系的研究。文獻[1-6]先后利用垂向一維、立面二維和三維模型研究了庫區(qū)水溫。由于立面二維水溫模型計算穩(wěn)定性好，需率定的參數(shù)較少，而且在預(yù)測大型水庫水溫結(jié)構(gòu)及其下泄水溫過程中具有良好的精度，因而目前研究主要采用該類模型。同時，魚類的生長、繁殖均有特定的水溫需求，如青魚、草魚、鰱、鳙等，當(dāng)水溫達到18℃時才產(chǎn)卵；中華鱘的產(chǎn)卵水溫則在21℃以下[7]。因此，水溫的改變將影響魚類的生長、繁殖[8]。王俊娜[9]認為，三峽水庫運行后，繁殖期下限溫度18℃出現(xiàn)時間的推遲導(dǎo)致了四大家魚繁殖時間的延后，同時3—4月下泄的“低溫水”導(dǎo)致春季四大家魚性腺開始發(fā)育時間推遲，也可能是四大家魚繁殖時間推遲的另一個重要原因。

因此本文將采用CE-QUAL-W2水溫模型研究金沙江下游梯級水庫運行后下泄水溫變化趨勢，并分析水溫變化對保護區(qū)內(nèi)魚類生長、繁殖的影響。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 水溫模型CE-QUAL-W2模型由美國陸軍工程兵團和波特蘭州立大學(xué)開發(fā)，廣泛應(yīng)用于河流、河口、湖泊和水庫的立面二維水動力、水質(zhì)模擬?？赡M立面二維水流、水溫、水質(zhì)等[10]。其主要方程如下[10]。

（1）連續(xù)方程

（2）動量方程

（3）水溫方程

式中：U為x向流速，m/s；W為z向流速，m/s；B為水面寬，m；g為重力加速度，m/s2；α為河底與水平線夾角，rad；τxx為在x面x向的湍流剪應(yīng)力，N/m2；τxz為在z面x向的湍流剪應(yīng)力，N/m2；q為側(cè)向單位面積凈入庫流量，m/s；B為水面寬，m；Φ為單位體積的熱量，J/m3；Dx為溫度縱向擴散系數(shù)，m2/s；Dz為溫度垂向擴散系數(shù)，m2/s；qΦ為側(cè)向上熱量出入流的速率，J/（m2/s）；SΦ為側(cè)向上熱量源匯項，J/（m2/s）；ρ為水體密度，kg/m3；η為水位，m；P為靜水壓強，Pa。

作者在已有研究中，選擇地理位置接近、庫容及壩前水深相近、水溫結(jié)構(gòu)類似的二灘水庫的實測數(shù)據(jù)來率定、驗證模型參數(shù)。模型主要率定參數(shù)為水面太陽輻射反射率、水體中太陽輻射衰減系數(shù)、擴散系數(shù)等參數(shù)。模型上下邊界輸入水文調(diào)度過程實測數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)采用實測日過程數(shù)據(jù)。經(jīng)參數(shù)調(diào)試，計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好[11]。

2.2 保護區(qū)魚類繁殖期生態(tài)水溫目標 根據(jù)作者已有研究成果[12]，長江上游珍稀、特有魚類國家級自然保護區(qū)內(nèi)69種珍稀特有魚類中，有35種魚類的繁殖期有明確記載。作者依據(jù)RVA法研究了長江上游保護區(qū)魚類繁殖期生態(tài)水溫目標[12]（見表1）。不同季節(jié)繁殖的魚類，其繁殖水溫需求各不相同。

表1 保護區(qū)珍稀特有魚類生態(tài)水溫目標 （單位：℃）

3 金沙江下游梯級開發(fā)累積水溫影響研究

金沙江下游干流分烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩四級水庫開發(fā)，4庫首尾相連，各自正常蓄水位下壩前水深分別為：175、255、230和120m，電站取水口位于正常蓄水位以下約分別為：56、85、82和38m。溪洛渡水庫和向家壩水庫分別已于2005年12月和2006年11月開工建設(shè)，烏東德水庫和白鶴灘水庫處于規(guī)劃設(shè)計階段，建成時間將較晚。因而，研究金沙江下游梯級開發(fā)運行對下游保護區(qū)的水溫影響應(yīng)分2種情景：溪洛渡、向家壩兩庫運行情景（以下簡稱“兩庫運行”）和烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4庫同時運行情景（以下簡稱“4庫運行”）。作者已研究了溪洛渡、向家壩兩庫運行情景下的水溫影響[11]。本文著重討論4庫運行情景下向家壩下泄水溫與天然條件下向家壩壩址處水溫對比（見圖1）。

由于四庫首尾相連，即上一級水庫壩址處于下一級水庫回水末端。因此4庫運行時，可以以上一級水庫下泄水溫為下一級水庫的入庫水溫，水文條件取平水年出入庫調(diào)度過程，氣象條件取庫區(qū)實測氣象數(shù)據(jù)，模擬向家壩水庫下泄水溫過程，即保護區(qū)起始位置的水溫過程。

如圖1所示，在兩庫運行和4庫運行情景下，向家壩水庫下泄水溫均與天然狀態(tài)下向家壩壩址處水溫有較大差別。兩庫運行時，2—9月下泄水溫低于天然狀態(tài)下水溫，最大溫差在4月，為4.1℃；11—次年1月下泄水溫高于天然狀態(tài)下水溫，最大溫差在12月，為3℃。4庫運行時，3—10月下泄水溫低于天然狀態(tài)下水溫，最大溫差在4月，為3.7℃；12—次年2月下泄水溫高于天然狀態(tài)下水溫，最大溫差在1月，為3.8℃。同時，由于4庫運行后溪洛渡水庫入庫水溫發(fā)生了明顯改變，從而影響了向家壩水庫的下泄水溫：兩庫運行時11—次年3月下泄水溫低于4庫運行時下泄水溫，最大溫差為1.8℃；而在4—10月，兩庫運行時下泄水溫則高于4庫運行時下泄水溫，最大溫差為1.9℃。

圖1 向家壩水庫下泄水溫與天然狀態(tài)下水溫對比

4 下泄水溫變化對保護區(qū)魚類繁殖影響

向家壩下泄水溫與保護區(qū)魚類繁殖期生態(tài)水溫需求的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)下泄水溫位于保護區(qū)魚類繁殖期生態(tài)水溫需求范圍內(nèi)時，可認為下泄水溫變化對保護區(qū)魚類繁殖無影響；當(dāng)下泄水溫位于生態(tài)水溫需求范圍以外時，則認為下泄水溫變化將對保護區(qū)魚類繁殖產(chǎn)生影響。

由圖2可見，在兩庫聯(lián)合運行條件下，11月—次年1月向家壩下泄水溫高于生態(tài)水溫需求，3—7月下泄水溫低于生態(tài)水溫需求；在4庫聯(lián)合運行條件下，11月—次年2月向家壩下泄水溫高于生態(tài)水溫需求，3—10月下泄水溫低于生態(tài)水溫需求。

因此，兩庫聯(lián)合運行時，繁殖期在11月—次年1月，3—7月的魚類繁殖將會受到影響。在能夠確定繁殖期的35種魚類中，除繁殖期為9—10月份的黃石爬鮡外，其余34種魚類的繁殖條件將受到影響；而4庫聯(lián)合運行時，所有35種魚類的繁殖條件都將受到影響。根據(jù)以上結(jié)果可推測保護區(qū)內(nèi)大部分魚類繁殖條件都將受到影響，但是受影響的具體情況尚需進一步研究。

圖2 下泄水溫變化對保護區(qū)魚類繁殖的影響

5 討論與結(jié)論

水庫下泄水溫相對河流天然水溫的變化，對于河流中土著魚類的繁殖、生長帶來的影響程度，依生物種類或個體對溫度的敏感性會有不同。水溫變化對于魚類的繁殖影響的量化，需結(jié)合具體生物對象開展進一步研究。但從宏觀而言，不同種類的魚，如溫水性魚類、冷水性魚類，對于水溫的變化會有不同的響應(yīng)。保護區(qū)內(nèi)如四大家魚一類的溫水性魚類，它們需要到達到一定的水溫下限才能產(chǎn)卵、繁殖；另外還有高原區(qū)系的冷水性魚類，如裂腹魚類，它們要求在水溫低于某一水溫時才能開始繁殖活動。對于保護區(qū)溫水性魚類，由于受梯級水庫運行的滯溫影響，達到溫水性魚類所需水溫的時間明顯延遲，以四大家魚所需的產(chǎn)卵水溫18℃為例，兩庫運行后春、夏季達到此水溫的時間延后34d，4庫運行后更是延遲至43d，影響較為明顯。對于在冬末春初繁殖的冷水性魚類，由于下泄水溫較天然狀態(tài)下水溫明顯偏高，其繁殖活動會受到影響。目前尚無針對冷水性魚類產(chǎn)卵水溫的明確需求研究，故無法進一步分析其受影響的程度。

金沙江下游梯級水庫運行后，向家壩水庫下泄水溫均與天然狀態(tài)下向家壩壩址處水溫有較大差別。兩庫運行時，2—9月下泄水溫較天然狀態(tài)下水溫低，10月—次年1月下泄水溫較天然狀態(tài)下水溫高；4庫運行時，3—10月下泄水溫較天然狀態(tài)下水溫低，11月—次年2月份下泄水溫較天然狀態(tài)下水溫高。下泄水溫的變化將對魚類繁殖產(chǎn)生一定影響，兩庫運行時，有繁殖期記錄的34種魚類均可能會受到水溫節(jié)律變化影響；4庫運行時，保護區(qū)所有珍稀特有魚類都將受到不同程度影響。由于金沙江下游梯級水庫運行后，將對大多數(shù)魚類的繁殖產(chǎn)生影響，因此需要在水庫運行中考慮采取分層取水等措施以減緩水溫的不利影響。

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