陳浩

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

大壩攔截后，改變了原有河流的徑流過程，對于調(diào)節(jié)性能較好的水庫，水體在庫內(nèi)滯留時間長，在重力和熱力作用下，垂向水溫呈現(xiàn)出分層現(xiàn)象。特別是多年調(diào)節(jié)水庫或年調(diào)節(jié)水庫，有可能形成穩(wěn)定的水溫分層結(jié)構(gòu)，庫底常年處于低溫水狀態(tài)。水庫水溫的分層結(jié)構(gòu)改變了水庫庫區(qū)的水生態(tài)環(huán)境，根據(jù)調(diào)查，對于一些典型的分層型水庫，夏季下泄水溫較天然水溫可能低10℃以上，從而帶來一系列低溫水影響，如對下游河道水生生態(tài)的影響，對農(nóng)業(yè)灌溉的影響，這成為水庫項目環(huán)評中重點關(guān)注的問題。因此，本文通過梳理水溫分層結(jié)構(gòu)判定方法，并結(jié)合工程實例，總結(jié)各水溫判定方法在實際應(yīng)用中的優(yōu)劣勢，為水庫水溫分層結(jié)構(gòu)判定在環(huán)評中的應(yīng)用提供參考。

1 水庫水溫影響因素

（1）水庫幾何特征，包括庫容、水深、面積、平均寬度、庫底坡等；

（2）水文水力因素，如入出庫流量、水體流態(tài)、平均流速等；

（3）地質(zhì)地貌，如庫周地形、庫底質(zhì)、糙率等；

（4）氣象因素，如太陽輻射、氣溫、風(fēng)速風(fēng)向、降雨、蒸發(fā)等；

（5）地理位置，水庫所處地理緯度不同，則太陽高度角的大小、晝夜和四季長短、太陽輻射強度、水庫熱量收支及地溫等都不一樣。

2 水庫水溫結(jié)構(gòu)的判別方法

現(xiàn)行的水庫水溫分層判別方法主要有參數(shù)αβ判別法、Norton密度佛汝德數(shù)判別法及水庫寬深比判別法，它們實際上都是一種公式加經(jīng)驗的判別方法。

（1）參數(shù)α-β判別法。

當(dāng)α<10時，水庫水溫為穩(wěn)定分層型；當(dāng)10<α< 20時，水庫水溫為不穩(wěn)定分層型；當(dāng)α>20時，水庫水溫為混合型。對于分層型水庫，如果遇到β>1的洪水，將出現(xiàn)臨時混合現(xiàn)象；但如果β<0.5時，洪水對水庫水溫的分布結(jié)構(gòu)沒有影響。

（2）Norton密度佛汝德數(shù)判別法。

Norton密度佛汝德數(shù)判別公式為：Fr=（LQ/HV）（gG）-1/2

式中 Fr——密度佛汝德數(shù)；

L、H、V——分別為水庫長度、平均水深和庫容；

Q——入庫流量；

G——重力加速度；

G——標(biāo)準(zhǔn)化的垂向密度梯度（量級為10-3/ m，推薦值為10-3/m）。

當(dāng)Fr<0.1時水庫水溫為穩(wěn)定分層型；當(dāng)0.1< Fr<1.0時，水庫水溫為弱分層型或混合型；當(dāng)Fr> 1.0時水庫水溫為完全混合型。

（3）水庫寬深比判別法。

水庫寬深比判別法公式為：R＝B/H

式中 B——水庫水面平均寬度；

H——水庫平均水深。

當(dāng)H>15m，R>30時水庫為混合型；R<30時水庫為分層型。

3 環(huán)評中關(guān)于計算公式中參數(shù)概念及推薦的計算方法

在水溫判別方法各計算公式中，部分參數(shù)在公式中未給出具體的選取原則，部分參數(shù)無法從水文數(shù)據(jù)中直接獲得，這是水溫結(jié)構(gòu)判別計算中會遇到的問題，比如對于中型水庫，采用不同標(biāo)準(zhǔn)的一次洪水量，β值變化跨度較大，會影響判斷洪水對水庫水溫的分布結(jié)構(gòu)的影響分析結(jié)論。作者根據(jù)實際經(jīng)驗，在本文中給出基本選取原則和推薦方法，并在案例計算中予以驗證。

（1）在參數(shù)α-β判別法中“一次洪水量”的定義。

一次洪水總量：一次洪水過程中或給定時段內(nèi)通過河流某一斷面的洪水體積即為一次洪水量。

推薦取值原則：在水文計算中，一般會給出5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇洪水量；我們在計算時建議采用水庫設(shè)計的防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的一次洪水量，比如水庫設(shè)計的防洪標(biāo)準(zhǔn)是20年一遇，即選擇20年一遇的一次洪水量作為計算取值。

（2）Norton密度佛汝德數(shù)判別公式中參數(shù)的選定。

G為標(biāo)準(zhǔn)化的垂向密度梯度 （量級為10-3/m）；單位垂向距離內(nèi)的流體密度差異我們也可稱之為垂向密度梯度，并形成與之相應(yīng)的密度梯度力。流體之間的密度差異越大，由密度差異產(chǎn)生的密度梯度力也越大。

H為水庫平均水深，推薦計算公式：H=正常蓄水位時的庫容/正常蓄水位時的水面面積。

（3）水庫寬深比判別法中參數(shù)的選定。

B為水庫水面平均寬度，推薦計算公式：B=正常蓄水位時的水面面積/回水長度。

4 案例計算及驗證

中國水利工程中對水庫的級別劃分為5級，大、中、小型水庫的等級是按照庫容大小來劃分的，即大（I）型水庫庫容大于10億m3；大（II）型水庫庫容大于1億m3而小于10億m3；中型水庫庫容大于或等于0.1億m3而小于1億m3；?。↖）型水庫庫容大于或等于100萬m3而小于1000萬m3；小（II）型水庫庫容大于或等于10萬m3而小于100萬m3。

本文選取大中小型各個級別的代表性水庫作為案例進(jìn)行水溫判別計算，其中涔天河水庫為大（I）型水庫，莽山水庫為大（II）型水庫，蘆江水庫及烏巢河水庫為中型水庫，營樂源水庫為小型水庫。

4.1 水庫基本情況簡介

（1）大（I）型水庫——涔天河水庫。涔天河水庫擴(kuò)建工程位于湘江一級支流瀟水上游河段，系瀟水流域開發(fā)的第一梯級。行政區(qū)屬湖南省永州市江華瑤族自治縣，壩址距江華縣城12km。地理坐標(biāo)：東經(jīng)110°39′53″，北緯25°8′52″。涔天河水庫正常蓄水位313.0m，總庫容15.1億m3，屬于大（I）型水庫。

（2）大（II）型水庫——莽山水庫。莽山水庫工程位于珠江流域北江二級支流長樂水的上游，系長樂水流域開發(fā)17個梯級中的第7級。行政區(qū)域?qū)儆诤鲜〕恢菔幸苏驴h境內(nèi)，下距宜章縣城72km。地理坐標(biāo)：東經(jīng)112°38′～113°4′，北緯24°53′～25°16′。莽山水庫正常蓄水位395.0m，總庫容1.33億m3，屬于大（II）型水庫。

（3）中型水庫——蘆江水庫。蘆江水庫工程位于湘江一級支流蘆洪江上游，行政區(qū)劃為湖南省東安縣東北部新圩江鎮(zhèn)源塘村境內(nèi)，地理坐標(biāo)：東經(jīng)111°21′40″～111°34′10″，北緯26°31′25″～26°44′30″。蘆江水庫正常蓄水位為218.5m，總庫容2210萬m3，屬于中型水庫。

（4）中型水庫——烏巢河水庫。烏巢河水庫位于沅江流域武水水系沱江支流烏巢河下游，鳳凰縣落潮井鄉(xiāng)武岡村巖拉寨，地理坐標(biāo)：東徑109°20′ 24″，北緯27°59′30″。烏巢河水庫正常蓄水位521m，總庫容1810萬m3，屬于中型水庫。

（5）小型水庫——營樂源水庫。營樂源壩址位于湖南省道縣清塘鎮(zhèn)中坪村大溶壩河上游，地理坐標(biāo)：東經(jīng)111°22′04″～111°23′41，北緯25°30′43″～25° 31′32″。營樂源水庫正常蓄水位405m，總庫容為495.3萬m3，屬于小型水庫。

4.2 水庫基本水文參數(shù)

涔天河水庫、莽山水庫、蘆江水庫、烏巢河水庫、營樂源水庫基本水文參數(shù)見表1。

表1 水庫基本水文參數(shù)一覽表

4.3 判定模式計算結(jié)果

根據(jù)參數(shù)α-β判別法、水庫寬深比判別法、Norton密度佛汝德數(shù)判別法三種水庫水溫結(jié)構(gòu)判定模式，分別對涔天河水庫、莽山水庫、蘆江水庫、烏巢河水庫、營樂源水庫的水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算判定，計算及判定結(jié)果見表2。

表2 水庫水溫結(jié)構(gòu)計算判定結(jié)果一覽表

4.4 判定模式特點分析

通過大中小型各個級別的代表性水庫的案例計算分析，參數(shù)α-β判別法、水庫寬深比判別法、Norton密度佛汝德數(shù)判別法三種判別方法對水庫水溫結(jié)構(gòu)的判定結(jié)果是一致的，證明推薦采用的判定公式中的參數(shù)定義及其推薦計算方法是可行的，無論采用哪種判定方法在實際計算過程中都是實用的，但各判別法各自具有一定的特點，詳見表3。

表3 水庫水溫判定模式特點一覽表

5 結(jié)論及建議

（1）本文通過對判定公式中參數(shù)的具體解讀，并通過實際案例得以驗證，為水庫水溫結(jié)構(gòu)判定提供參考性建議。

（2）由于近數(shù)十年來迅速發(fā)展的水利建設(shè)，各個地區(qū)都已建成了成百上千的水庫，因此對新建水庫水溫的判定，建議結(jié)合公式判別及類似條件已建水庫實測水溫觀測進(jìn)行綜合判定。

（3）前述的判定是利用全年水文數(shù)據(jù)對水庫總體水溫結(jié)構(gòu)的判定，實際上當(dāng)前水庫水溫判定最重要的意義在于對農(nóng)業(yè)灌溉影響的分析，因此，在環(huán)境影響分析過程中，最應(yīng)特別關(guān)注的是灌溉期的水庫水溫結(jié)構(gòu)，結(jié)合水庫運行調(diào)度方式和每月水文參數(shù)，判定各灌溉月份的水庫水溫結(jié)構(gòu)更具有實際意義。