蔣紅

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都　610072)

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雅礱江二灘庫區(qū)及下泄水溫分布規(guī)律

蔣紅

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

雅礱江二灘水庫為河道型深水水庫，壩前水深達(dá)188 m，1998年建成蓄水發(fā)電。目前國內(nèi)已有的水庫水溫實(shí)測資料，多為水深100 m以下的水庫，百米以上水庫的水溫分布規(guī)律研究較少。通過實(shí)施原型觀測及收集后續(xù)原型觀測，同時收集壩址下游小得石水文站長系列水溫觀測資料的基礎(chǔ)上，對壩前、庫區(qū)縱向、下泄水溫進(jìn)行多方面的歸納總結(jié)，得出二灘水庫庫區(qū)及下泄水溫分布特征，為揭示大型河道型水庫水溫分布規(guī)律提供基礎(chǔ)。

水庫水溫；垂向水溫結(jié)構(gòu)；下泄水溫；水溫分布時間節(jié)律

雅礱江二灘水庫為河道型深水庫，其水溫特性及分層取水問題是水利水電工程及生態(tài)恢復(fù)學(xué)研究內(nèi)容之一，也是進(jìn)行生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)的重要基礎(chǔ)。目前，我國水庫水溫及分層取水涉及技術(shù)問題時，主要基于20世紀(jì)60—80年代的研究成果[1-2]。由于受當(dāng)時技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件的制約，研究成果多針對中小型和湖泊型水庫，與目前興建的工程存在較大差異[3-6]。隨著人們對環(huán)境和生態(tài)認(rèn)識水平的提高，有關(guān)水庫水溫理論和實(shí)踐的研究均有待于進(jìn)一步發(fā)展。為此，以二灘水庫為研究對象，開展了長期連續(xù)的水溫原型觀測研究，并選取同為河道型水庫的長江三峽水庫實(shí)測水溫進(jìn)行了對比研究。

1　水溫觀測研究方法

1.1研究區(qū)域

雅礱江二灘水庫為典型的河道型深水庫，水庫正常蓄水位1 200 m，對應(yīng)水庫面積101 km2，總庫容57.9億m3，最大水深188 m，干流庫區(qū)回水長145 km，平均寬度約400 m。依據(jù)庫水交換次數(shù)法，二灘水庫的年來水量與總庫容比值α為8.13，小于10，具備分層水庫的特征；7天洪量值β為0.54，小于1，洪水對其分層結(jié)構(gòu)的破壞力有限。依據(jù)密度弗汝德指數(shù)法，二灘水庫枯水季節(jié)蓄水至正常水位1 200 m，入庫流量462 m3/s時，F(xiàn)r值為0.06，小于0.1，表示庫水分層傾向明顯，而此時氣溫高于入庫水溫，水庫將發(fā)生分層現(xiàn)象；5月水庫降至死水位1 155 m，入庫流量956 m3/s時，F(xiàn)r值為0.4，大于0.1小于0.5，表示庫水可能分層，同時因此時段太陽輻射強(qiáng)度較大，水庫也可能發(fā)生分層現(xiàn)象。上述兩種水庫水溫判別法均表明二灘水庫為穩(wěn)定分層型水庫。

1.2研究方法

1.2.1水庫水溫觀測

(1)觀測布點(diǎn)

為保證監(jiān)測斷面位置的準(zhǔn)確性，庫區(qū)各監(jiān)測斷面均結(jié)合已立牌布設(shè)的泥沙觀測斷面及現(xiàn)場查勘進(jìn)行確定。共選取13個監(jiān)測斷面，每個斷面的中部設(shè)置1條垂線進(jìn)行庫區(qū)縱向水溫結(jié)構(gòu)觀測；同時開展壩前垂向水溫結(jié)構(gòu)觀測。垂線觀測點(diǎn)間距按0.2 m、0.7 m、1 m、2 m、庫底進(jìn)行，遇溫躍層測點(diǎn)布設(shè)加密，遇恒溫層測點(diǎn)距離加大。監(jiān)測斷面布設(shè)如表1所示。

表1　二灘庫區(qū)監(jiān)測斷面位置

(2)觀測頻次

各斷面的監(jiān)測時段略有不同，立面二維水溫分布的監(jiān)測主要在2000年冬季、春季和夏季進(jìn)行，壩前垂向水溫分布規(guī)律的監(jiān)測連續(xù)進(jìn)行了兩年，分別是1999年12月至2000年11月，以及2001年1月至12月。

(3)觀測步驟

對溶解氧測量儀、深水測溫儀及全站儀進(jìn)行檢查；在左基點(diǎn)用全站儀控制各垂線的位置，測量人員指揮測船開到指定地點(diǎn)，并保持在5 m范圍內(nèi)；觀測前必須對儀器進(jìn)行校對，校對完成后進(jìn)行測量，并記錄時間、氣溫等相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2.2下泄水溫觀測

二灘水電站壩址下游約12 km處分布有小得石水文站，該站建于1957年，至2010年已累積53年水文資料，其中水溫觀測資料累積26年。采用兩種方法對建庫前后的水溫進(jìn)行對比，一是選取建庫前10年及建庫后10年的長系列觀測資料對建庫前后的水溫進(jìn)行對比，二是利用水溫還原計(jì)算推測小得石水文站建成后天然水溫，將實(shí)測值與天然值進(jìn)行對比，分析建成后水溫變化規(guī)律。

2　水溫觀測結(jié)果分析

2.1庫區(qū)水溫分布規(guī)律

2.1.1立面二維水溫觀測成果及分析

干流庫區(qū)共布設(shè)13個斷面進(jìn)行水溫觀測，觀測結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析如圖1所示。

圖1　二灘庫區(qū)立面水溫分布Fig.1　Two-dimensional water temperature distribution of Ertan Reservoir

根據(jù)圖1結(jié)果，可以總結(jié)出如下規(guī)律：

(1)入庫流量及水溫對水溫結(jié)構(gòu)作用明顯。冬季入庫流量最小、水溫低，對水庫水溫結(jié)構(gòu)影響較小，影響范圍主要在庫尾35 km庫段；春季入庫流量小，但入庫水溫明顯升高，入流對水庫水溫影響范圍擴(kuò)大至庫尾70 km范圍內(nèi)；夏季入庫流量大，水溫高，入流對全水庫水溫結(jié)構(gòu)均造成一定影響。

(2)水庫呈現(xiàn)分段分層的現(xiàn)象。冬季除庫尾35 km庫段外，全庫區(qū)水溫明顯分層；春季水庫縱向可分為兩部分，壩前70 km為分層區(qū)域，其后約50 km庫段基本為混合區(qū)域；夏季壩前約50 km為分層區(qū)域，其后約70 km庫段基本為混合區(qū)域。

(3)冬季庫表與庫底溫差在3.7～4.9℃范圍內(nèi)；春季庫表與庫底溫差在1.3～8.6℃范圍內(nèi)；夏季庫表與庫底溫差在6.1～9.7℃范圍內(nèi)。

2.1.2垂向水溫結(jié)構(gòu)

干流庫區(qū)壩前水溫垂向分布見圖2。垂向水溫結(jié)構(gòu)主要有3類，分別是兩層、三層和四層。冬季為典型的三層水溫結(jié)構(gòu)，溫水層、溫躍層和滯溫層；春季呈現(xiàn)典型的兩層結(jié)構(gòu)，溫躍層和滯溫層；夏季呈現(xiàn)四層水溫結(jié)構(gòu)，雙溫躍層結(jié)構(gòu)明顯，分別是溫躍層、溫水層、溫躍層和滯溫層；秋季因夏季蓄熱及水體摻混作用顯著，水溫再次呈現(xiàn)兩層結(jié)構(gòu)，溫躍層和滯溫層。

圖2　二灘水庫壩前垂向水溫分布Fig.2　Vertical water temperature distribution in front of Ertan Reservoir

圖3　二灘建庫前后水溫分布范圍Fig.3　Water temperature distributions before and after building Ertan Reservoir

2.2下泄水溫變化分析

2.2.1建庫前后系列對比

采用1988—1997年觀測資料代表蓄水前水溫，2001—2010年觀測資料代表蓄水后水溫，進(jìn)行對比，結(jié)果見圖3。

(1)平均水溫

水庫建成后，8月至次年2月水溫增高，12月增幅最大，為3.6℃；3—7月水溫降低，4月降幅最大，為1.2℃；建庫后水溫變化較小的是3月、6—9月，月平均水溫差別小于0.5℃，與建庫前天然狀態(tài)水溫基本一致。無論是時段還是幅度，增溫效應(yīng)均強(qiáng)于降溫，年平均水溫也增加0.8℃；年較差變小，建庫前是11.1℃，建庫后是9℃。

(2)逐月平均水溫變幅

水庫形成前，逐月平均水溫歷年變幅介于2.0～4.0℃，夏季變幅較大，冬季較??；水庫形成后，逐月平均水溫歷年的變幅介于1.4～5.0℃，1—5月變幅增大，5—12月變幅減小。

2.2.2同步觀測系列對比

打羅和湖三灘水文站均位于二灘水庫庫尾，兩站集水面積分別為109 775 km2和110 117 km2，相差甚微，按照水溫規(guī)范相關(guān)規(guī)定，兩站資料可合并使用，簡稱打羅(湖三灘)站。湖山灘水文站收集有1995—1997年水溫觀測資料；打羅水文站收集有1999—2006年水溫觀測資料。

利用二灘建庫前打羅(湖三灘)站1995—1997年3年月平均河道水溫實(shí)測資料與小得石站的同步水溫觀測資料建立兩站的相關(guān)關(guān)系，分析表明兩者的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.993，具有很好的相關(guān)性。

利用該相關(guān)關(guān)系及打羅(湖三灘)站1999年和2006年二灘水庫建成后的水溫實(shí)測值，可推算得到小得石水文站天然河道水溫，即同步天然河道水溫。將該水溫與建庫后小得石水文站實(shí)測水溫進(jìn)行對比，分析二灘水庫建成后河道天然水溫的變化情況，結(jié)果如表2所示。

表2　小得石水文站水溫同步觀測結(jié)果對照

水溫對比結(jié)果表明，水庫下泄水溫與天然水溫相比，10月至次年1月為升溫期，3—7月為降溫期，水溫變化較小的是2月、8月、9月共3個月，從溫度變幅方面分析，增溫效應(yīng)強(qiáng)于降溫效應(yīng)。年較差變小，建庫前是11.2℃，建庫后是9℃。

3　與三峽水庫的對比研究

三峽水庫位于長江干流，同為河道型水庫。與二灘水庫相同，其壩前水深超過百米，水庫水體交換次數(shù)約十倍。兩者的水庫水溫分布規(guī)律及下泄水溫的變化節(jié)律是否類似，水溫變化機(jī)理是否相同等問題，擬通過對比分析得到初步結(jié)論。

3.1水庫水溫特點(diǎn)比較

(1)二灘水庫特點(diǎn)

二灘庫區(qū)氣候具有干、雨季分明的特點(diǎn)，干季為11月至次年5月，雨季為6—10月。庫區(qū)多年平均氣溫19.2℃，年日照時數(shù)2 300～2 700 h，熱量資源豐富且主要集中在3—5月。水庫開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電。按照供電需求及工程發(fā)電效益綜合考慮，水庫運(yùn)行方式為汛期6月或7月蓄水，一般至7月中旬蓄滿，然后按照電網(wǎng)調(diào)峰要求盡量維持正常蓄水位1 200 m運(yùn)行；12月至次年5月供水，水庫水位消落至死水位1 155 m，最大消落深度為45 m。主庫區(qū)年來水量與總庫容比α值為8.13；7天洪量β值為0.54；枯水季節(jié)蓄水至正常水位1 200 m時，F(xiàn)r值為0.06；5月水庫降至死水位時，F(xiàn)r值為0.4，具有較明顯的分層特征。水體平均滯留時間為45 d，是天然河道的23倍。

(2)三峽水庫特點(diǎn)

三峽水庫長660 km，面積1 084 km2，平均水深41 m，壩前水深150 m。庫區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫17～19℃，年日照時數(shù)1 300～1 700 h，與二灘庫區(qū)相比熱量資源不豐富。三峽工程開發(fā)任務(wù)為防洪、航運(yùn)和發(fā)電。水庫運(yùn)行方式與二灘水庫有所不同，其正常蓄水位為175 m，防洪限制水位145 m，枯季消落水位155 m；每年5月末至6月初，留出防洪庫容，壩前水位降至汛期防洪限制水位145 m；汛期6月至9月，水庫保持汛限水位；汛末10月，水庫蓄水至正常蓄水位175 m；12月至次年4月，按電網(wǎng)調(diào)峰要求運(yùn)行，水庫盡量維持在較高水位；1月至4月水庫供水，4月末以前水位最低高程不低于枯水季消落低水位155 m。三峽水庫α值約為11，略大于10；枯水季節(jié)蓄水至正常水位175 m時，F(xiàn)r值為0.46，不會形成穩(wěn)定的溫度分層結(jié)構(gòu)，但也不排除出現(xiàn)弱分層現(xiàn)象。水庫水體平均滯留時間為33 d，是天然河道的7倍。

(3)水庫水溫特點(diǎn)比較

二灘水庫干流庫區(qū)沿縱向可分為兩個區(qū)域：分層庫段和混合庫段，且隨著入庫流量的不同各庫段的長度不同，夏季壩前約50 km庫段為分層庫段，冬季壩前約85 km庫段為分層庫段；壩前垂向水溫分布結(jié)構(gòu)主要有3類，分別是兩層、三層和四層，水溫分布沿縱向也存在滯后現(xiàn)象，壩前斷面比距壩31 km的勝利斷面庫底升溫滯后約1個月。

三峽水庫干流水體整體垂向混合較好，底層水溫隨表層水溫同步變化，主庫水體未出現(xiàn)大范圍內(nèi)穩(wěn)定的溫度分層結(jié)構(gòu)，但在局部時段(4—6月)和局部區(qū)域(如近壩區(qū)、支流匯口下游)存在一定范圍的水溫分層現(xiàn)象。庫區(qū)寸灘(距壩址606 km)至巴東(距壩址78 km)河段水氣熱交換較弱，出現(xiàn)沿程降溫的現(xiàn)象。巴東站蓄水前后表層年均水溫基本不變，但年內(nèi)水溫分布出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，試驗(yàn)性蓄水期(2008—2012年)峰值滯后約1個月，谷值滯后約1.5個月。

3.2下泄水溫分布特點(diǎn)

(1)二灘水庫下泄水溫

二灘水庫形成后，下泄水溫較天然水庫增溫效應(yīng)均強(qiáng)于降溫，8月至次年2月共7個月水溫增高，3—7月共5個月水溫降低，其中7—9月水溫變幅小，月平均水溫差別小于0.3℃，與天然狀態(tài)水溫基本一致；水溫的年較差變小。

(2)三峽水庫下泄水溫

壩下黃陵廟(壩下2 km)斷面蓄水前期(1984—2003年)水溫年均18.5℃，最高出現(xiàn)在7月下旬，為26.2℃，最低出現(xiàn)在1月下旬，為10.6℃；175 m蓄水期(2008—2013年)年均18.9℃，最高出現(xiàn)在8月下旬，為25.7℃，最低出現(xiàn)在3月上旬，為11.6℃；水溫峰值滯后1個月，谷值滯后約1.5個月；年均水溫增加0.4℃；年較差減小1.5℃。

三峽壩下水溫過程發(fā)生明顯的春夏季低溫水和秋冬季高溫水現(xiàn)象。對比黃陵廟斷面175 m蓄水期與蓄水前期，8月中旬至次年2月下旬水溫升高，12月下旬增幅最大為4.5℃；3月上旬至8月上旬水溫降低，4月中旬降低最多為5.1℃。

3.3結(jié)論

二灘水庫和三峽水庫均為典型的河道型水庫，均有狹長、水體體積增大、滯留時間加長的特點(diǎn)，且二灘水庫增加幅度大于三峽水庫。

兩個水庫的水溫分布結(jié)構(gòu)有所不同，庫尾段均為全混合狀態(tài)，壩前段二灘水庫全年均有分層現(xiàn)象，三峽水庫僅在4月、5月出現(xiàn)分層現(xiàn)象。二灘水庫為典型水溫分層型水庫，三峽水庫為水溫混合型，僅局部一些時段出現(xiàn)分層現(xiàn)象。這與兩個水庫的特性指標(biāo)一致。

從下泄水溫變化來看，雖然兩水庫的垂向水溫分布結(jié)構(gòu)不同，但下泄水溫均呈現(xiàn)出春夏季降溫、冬季升溫的現(xiàn)象；水溫年分布曲線均有滯后現(xiàn)象，谷值滯后略明顯于峰值；由于最低溫度升高，導(dǎo)致年較差減少，水溫分布曲線平坦化。

二灘水庫水體是原天然河道水體的23倍，水體滯留時間也達(dá)到45 d，加之庫區(qū)的熱量資源豐富，天然河道全年具有沿程增溫的特點(diǎn)，水庫水體的蓄熱效應(yīng)明顯，多年平均年均下泄水溫增加0.7℃，最大升溫達(dá)到3.8℃，降溫為1.3℃，其水溫分布曲線也呈現(xiàn)出整體升溫效應(yīng)強(qiáng)于降溫。

三峽水庫于2008年開始試驗(yàn)性蓄水，僅就現(xiàn)有資料來看，水庫水體是原天然河道水體的7倍，水體滯留時間為33 d，庫區(qū)的熱量資源不豐富，日照時間為二灘庫區(qū)的60%，加之兩岸高山林立，對太陽輻射遮蔽作用等方面的原因，天然狀態(tài)下水溫沿程1—5月呈現(xiàn)出降溫狀態(tài)，7—11月出現(xiàn)升溫狀態(tài)，升溫及降溫幅度均較小。水庫形成后，下泄水溫與天然水溫發(fā)生較為顯著的改變，最大增幅及降幅均大于二灘水庫下泄水溫，其原因及機(jī)理有待進(jìn)一步監(jiān)測和研究。

無論是二灘水庫還是三峽水庫建成后都對下游河道水溫產(chǎn)生影響，使天然河道水溫分布節(jié)律發(fā)生變化，二灘水庫因水溫分布結(jié)構(gòu)與三峽不同，其下泄水溫改變的規(guī)律和機(jī)理也不同，但呈現(xiàn)出的結(jié)果仍有相似之處，即春夏季降溫和冬季升溫的現(xiàn)象，對水生生態(tài)系統(tǒng)及水生生物的影響需進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

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The Study on Water Temperature Distribution of Discharge Water at Ertan Reservoir on Yalong River

JIANG Hong

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation, Chengdu 610072, China)

Ertan Reservoir on Yalong River is a river-type reservoir, built in 1998 with a water depth of 188 m. At present, the measured data of reservoir water temperature are mostly from reservoirs with water depth of less than 100 m, and those above 100 m are rarely studied. Through the field observation on water temperature in Ertan Reservoir and collection of water temperature observation data of Xiaodeshi hydrological station at downstream of the dam, this paper summed up water temperature distribution in front of the dam, the reservoir portrait and discharge water. In addition, this paper can offer the basis for revealing the water temperature distribution of large river-type reservoirs.

reservoir water temperature; vertical structure; temperature of water discharge; time rhythm of water temperature distribution

2015-10-17

“十二五”科技支撐計(jì)劃重大水利水電工程生態(tài)保護(hù)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究(2012BAC06B01)

蔣紅(1967—)，女，浙江人，教授級高級工程師，博士，研究方向?yàn)榄h(huán)境水力學(xué)，E-mail：jianghong83411@126.com

10.14068/j.ceia.2016.03.004

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0013-05