蔣紅

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)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(kù)區(qū)及下泄水溫分布規(guī)律

蔣紅

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

雅礱江二灘水庫(kù)為河道型深水水庫(kù)，壩前水深達(dá)188 m，1998年建成蓄水發(fā)電。目前國(guó)內(nèi)已有的水庫(kù)水溫實(shí)測(cè)資料，多為水深100 m以下的水庫(kù)，百米以上水庫(kù)的水溫分布規(guī)律研究較少。通過(guò)實(shí)施原型觀(guān)測(cè)及收集后續(xù)原型觀(guān)測(cè)，同時(shí)收集壩址下游小得石水文站長(zhǎng)系列水溫觀(guān)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)壩前、庫(kù)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(kù)庫(kù)區(qū)及下泄水溫分布特征，為揭示大型河道型水庫(kù)水溫分布規(guī)律提供基礎(chǔ)。

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

雅礱江二灘水庫(kù)為河道型深水庫(kù)，其水溫特性及分層取水問(wèn)題是水利水電工程及生態(tài)恢復(fù)學(xué)研究?jī)?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(guó)水庫(kù)水溫及分層取水涉及技術(shù)問(wèn)題時(shí)，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(shí)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件的制約，研究成果多針對(duì)中小型和湖泊型水庫(kù)，與目前興建的工程存在較大差異[3-6]。隨著人們對(duì)環(huán)境和生態(tài)認(rèn)識(shí)水平的提高，有關(guān)水庫(kù)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(kù)為研究對(duì)象，開(kāi)展了長(zhǎng)期連續(xù)的水溫原型觀(guān)測(cè)研究，并選取同為河道型水庫(kù)的長(zhǎng)江三峽水庫(kù)實(shí)測(cè)水溫進(jìn)行了對(duì)比研究。

1　水溫觀(guān)測(cè)研究方法

1.1研究區(qū)域

雅礱江二灘水庫(kù)為典型的河道型深水庫(kù)，水庫(kù)正常蓄水位1 200 m，對(duì)應(yīng)水庫(kù)面積101 km2，總庫(kù)容57.9億m3，最大水深188 m，干流庫(kù)區(qū)回水長(zhǎng)145 km，平均寬度約400 m。依據(jù)庫(kù)水交換次數(shù)法，二灘水庫(kù)的年來(lái)水量與總庫(kù)容比值α為8.13，小于10，具備分層水庫(kù)的特征；7天洪量值β為0.54，小于1，洪水對(duì)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(kù)枯水季節(jié)蓄水至正常水位1 200 m，入庫(kù)流量462 m3/s時(shí)，F(xiàn)r值為0.06，小于0.1，表示庫(kù)水分層傾向明顯，而此時(shí)氣溫高于入庫(kù)水溫，水庫(kù)將發(fā)生分層現(xiàn)象；5月水庫(kù)降至死水位1 155 m，入庫(kù)流量956 m3/s時(shí)，F(xiàn)r值為0.4，大于0.1小于0.5，表示庫(kù)水可能分層，同時(shí)因此時(shí)段太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大，水庫(kù)也可能發(fā)生分層現(xiàn)象。上述兩種水庫(kù)水溫判別法均表明二灘水庫(kù)為穩(wěn)定分層型水庫(kù)。

1.2研究方法

1.2.1水庫(kù)水溫觀(guān)測(cè)

(1)觀(guān)測(cè)布點(diǎn)

為保證監(jiān)測(cè)斷面位置的準(zhǔn)確性，庫(kù)區(qū)各監(jiān)測(cè)斷面均結(jié)合已立牌布設(shè)的泥沙觀(guān)測(cè)斷面及現(xiàn)場(chǎng)查勘進(jìn)行確定。共選取13個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面的中部設(shè)置1條垂線(xiàn)進(jìn)行庫(kù)區(qū)縱向水溫結(jié)構(gòu)觀(guān)測(cè)；同時(shí)開(kāi)展壩前垂向水溫結(jié)構(gòu)觀(guān)測(cè)。垂線(xiàn)觀(guān)測(cè)點(diǎn)間距按0.2 m、0.7 m、1 m、2 m、庫(kù)底進(jìn)行，遇溫躍層測(cè)點(diǎn)布設(shè)加密，遇恒溫層測(cè)點(diǎn)距離加大。監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)如表1所示。

表1　二灘庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)斷面位置

(2)觀(guān)測(cè)頻次

各斷面的監(jiān)測(cè)時(shí)段略有不同，立面二維水溫分布的監(jiān)測(cè)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(cè)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(guān)測(cè)步驟

對(duì)溶解氧測(cè)量?jī)x、深水測(cè)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(xiàn)的位置，測(cè)量人員指揮測(cè)船開(kāi)到指定地點(diǎn)，并保持在5 m范圍內(nèi)；觀(guān)測(cè)前必須對(duì)儀器進(jìn)行校對(duì)，校對(duì)完成后進(jìn)行測(cè)量，并記錄時(shí)間、氣溫等相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2.2下泄水溫觀(guān)測(cè)

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(guān)測(cè)資料累積26年。采用兩種方法對(duì)建庫(kù)前后的水溫進(jìn)行對(duì)比，一是選取建庫(kù)前10年及建庫(kù)后10年的長(zhǎng)系列觀(guān)測(cè)資料對(duì)建庫(kù)前后的水溫進(jìn)行對(duì)比，二是利用水溫還原計(jì)算推測(cè)小得石水文站建成后天然水溫，將實(shí)測(cè)值與天然值進(jìn)行對(duì)比，分析建成后水溫變化規(guī)律。

2　水溫觀(guān)測(cè)結(jié)果分析

2.1庫(kù)區(qū)水溫分布規(guī)律

2.1.1立面二維水溫觀(guān)測(cè)成果及分析

干流庫(kù)區(qū)共布設(shè)13個(gè)斷面進(jìn)行水溫觀(guān)測(cè)，觀(guān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析如圖1所示。

圖1　二灘庫(kù)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(kù)流量及水溫對(duì)水溫結(jié)構(gòu)作用明顯。冬季入庫(kù)流量最小、水溫低，對(duì)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)影響較小，影響范圍主要在庫(kù)尾35 km庫(kù)段；春季入庫(kù)流量小，但入庫(kù)水溫明顯升高，入流對(duì)水庫(kù)水溫影響范圍擴(kuò)大至庫(kù)尾70 km范圍內(nèi)；夏季入庫(kù)流量大，水溫高，入流對(duì)全水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)均造成一定影響。

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

(3)冬季庫(kù)表與庫(kù)底溫差在3.7～4.9℃范圍內(nèi)；春季庫(kù)表與庫(kù)底溫差在1.3～8.6℃范圍內(nèi)；夏季庫(kù)表與庫(kù)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(kù)區(qū)壩前水溫垂向分布見(jiàn)圖2。垂向水溫結(jié)構(gòu)主要有3類(lèi)，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(kù)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(kù)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(kù)前后系列對(duì)比

采用1988—1997年觀(guān)測(cè)資料代表蓄水前水溫，2001—2010年觀(guān)測(cè)資料代表蓄水后水溫，進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖3。

(1)平均水溫

水庫(kù)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(kù)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(kù)前天然狀態(tài)水溫基本一致。無(wú)論是時(shí)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(kù)前是11.1℃，建庫(kù)后是9℃。

(2)逐月平均水溫變幅

水庫(kù)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?。凰畮?kù)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(guān)測(cè)系列對(duì)比

打羅和湖三灘水文站均位于二灘水庫(kù)庫(kù)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(jiǎn)稱(chēng)打羅(湖三灘)站。湖山灘水文站收集有1995—1997年水溫觀(guān)測(cè)資料；打羅水文站收集有1999—2006年水溫觀(guān)測(cè)資料。

利用二灘建庫(kù)前打羅(湖三灘)站1995—1997年3年月平均河道水溫實(shí)測(cè)資料與小得石站的同步水溫觀(guān)測(cè)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(kù)建成后的水溫實(shí)測(cè)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(kù)后小得石水文站實(shí)測(cè)水溫進(jìn)行對(duì)比，分析二灘水庫(kù)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(guān)測(cè)結(jié)果對(duì)照

水溫對(duì)比結(jié)果表明，水庫(kù)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(gè)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(kù)前是11.2℃，建庫(kù)后是9℃。

3　與三峽水庫(kù)的對(duì)比研究

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

3.1水庫(kù)水溫特點(diǎn)比較

(1)二灘水庫(kù)特點(diǎn)

二灘庫(kù)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(kù)區(qū)多年平均氣溫19.2℃，年日照時(shí)數(shù)2 300～2 700 h，熱量資源豐富且主要集中在3—5月。水庫(kù)開(kāi)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(kù)運(yùn)行方式為汛期6月或7月蓄水，一般至7月中旬蓄滿(mǎn)，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(kù)水位消落至死水位1 155 m，最大消落深度為45 m。主庫(kù)區(qū)年來(lái)水量與總庫(kù)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(shí)，F(xiàn)r值為0.06；5月水庫(kù)降至死水位時(shí)，F(xiàn)r值為0.4，具有較明顯的分層特征。水體平均滯留時(shí)間為45 d，是天然河道的23倍。

(2)三峽水庫(kù)特點(diǎn)

三峽水庫(kù)長(zhǎng)660 km，面積1 084 km2，平均水深41 m，壩前水深150 m。庫(kù)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫17～19℃，年日照時(shí)數(shù)1 300～1 700 h，與二灘庫(kù)區(qū)相比熱量資源不豐富。三峽工程開(kāi)發(fā)任務(wù)為防洪、航運(yùn)和發(fā)電。水庫(kù)運(yùn)行方式與二灘水庫(kù)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(kù)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(kù)保持汛限水位；汛末10月，水庫(kù)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(kù)盡量維持在較高水位；1月至4月水庫(kù)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(kù)α值約為11，略大于10；枯水季節(jié)蓄水至正常水位175 m時(shí)，F(xiàn)r值為0.46，不會(huì)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(kù)水體平均滯留時(shí)間為33 d，是天然河道的7倍。

(3)水庫(kù)水溫特點(diǎn)比較

二灘水庫(kù)干流庫(kù)區(qū)沿縱向可分為兩個(gè)區(qū)域：分層庫(kù)段和混合庫(kù)段，且隨著入庫(kù)流量的不同各庫(kù)段的長(zhǎng)度不同，夏季壩前約50 km庫(kù)段為分層庫(kù)段，冬季壩前約85 km庫(kù)段為分層庫(kù)段；壩前垂向水溫分布結(jié)構(gòu)主要有3類(lèi)，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(kù)底升溫滯后約1個(gè)月。

三峽水庫(kù)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(kù)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(shí)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(kù)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(gè)月，谷值滯后約1.5個(gè)月。

3.2下泄水溫分布特點(diǎn)

(1)二灘水庫(kù)下泄水溫

二灘水庫(kù)形成后，下泄水溫較天然水庫(kù)增溫效應(yīng)均強(qiáng)于降溫，8月至次年2月共7個(gè)月水溫增高，3—7月共5個(gè)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(kù)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(gè)月，谷值滯后約1.5個(gè)月；年均水溫增加0.4℃；年較差減小1.5℃。

三峽壩下水溫過(guò)程發(fā)生明顯的春夏季低溫水和秋冬季高溫水現(xiàn)象。對(duì)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(kù)和三峽水庫(kù)均為典型的河道型水庫(kù)，均有狹長(zhǎng)、水體體積增大、滯留時(shí)間加長(zhǎng)的特點(diǎn)，且二灘水庫(kù)增加幅度大于三峽水庫(kù)。

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

從下泄水溫變化來(lái)看，雖然兩水庫(kù)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(xiàn)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(xiàn)平坦化。

二灘水庫(kù)水體是原天然河道水體的23倍，水體滯留時(shí)間也達(dá)到45 d，加之庫(kù)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(kù)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(xiàn)也呈現(xiàn)出整體升溫效應(yīng)強(qiáng)于降溫。

三峽水庫(kù)于2008年開(kāi)始試驗(yàn)性蓄水，僅就現(xiàn)有資料來(lái)看，水庫(kù)水體是原天然河道水體的7倍，水體滯留時(shí)間為33 d，庫(kù)區(qū)的熱量資源不豐富，日照時(shí)間為二灘庫(kù)區(qū)的60%，加之兩岸高山林立，對(duì)太陽(yáng)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(kù)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(kù)下泄水溫，其原因及機(jī)理有待進(jìn)一步監(jiān)測(cè)和研究。

無(wú)論是二灘水庫(kù)還是三峽水庫(kù)建成后都對(duì)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(kù)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(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)及水生生物的影響需進(jìn)一步開(kāi)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(jí)高級(jí)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