張 鵬，梁瑞峰，李 永，李克鋒

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

水溫是河流生態(tài)系統(tǒng)及水環(huán)境中物理、化學(xué)和生物過(guò)程的關(guān)鍵影響因子[1～3]。水庫(kù)建成蓄水后，由于受到入流水溫、出入庫(kù)流量、水氣界面熱交換和水庫(kù)規(guī)模及形態(tài)等因素的影響，水庫(kù)水溫與自然河流水溫出現(xiàn)較大的差異[4]。大型水庫(kù)因水庫(kù)分層常表現(xiàn)為春、夏季下泄低溫水和秋、冬季下泄高溫水[5-6]，這將會(huì)影響到下游流域的農(nóng)田灌溉，生活用水以及河道魚(yú)類的產(chǎn)卵繁殖等，最終將影響水生生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程[7]。由于流域梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)通過(guò)聯(lián)合調(diào)度的方式，能充分利用水頭，提高流域水能資源利用率，因此在水資源豐富的河段得到了較快的發(fā)展[8-9]。然而梯級(jí)電站的興建較大地改變了天然河道徑流和熱量的時(shí)空分配過(guò)程，且由于水溫沿程變化具有傳遞性與累積性，在沒(méi)有足夠衰減距離的情況下，水溫的改變效應(yīng)隨著梯級(jí)水庫(kù)數(shù)量的增加而累積，最后將引起流域內(nèi)一系列群體性、系統(tǒng)性和累積性的環(huán)境影響[10]，如三峽水庫(kù)和葛洲壩水庫(kù)蓄水后，下泄水溫影響到下游四大家魚(yú)的產(chǎn)卵繁殖[11]。四大家魚(yú)天然情況下的產(chǎn)卵期為4～5月，若該時(shí)間段內(nèi)下泄水體溫度不能達(dá)到18.0℃，魚(yú)類產(chǎn)卵期將延遲甚至無(wú)法進(jìn)行產(chǎn)卵[12-13]，其種群數(shù)量將急劇減少，對(duì)河道生物物種的多樣性、食物鏈的平衡等造成不利影響，甚至可能使生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生紊亂。因此，研究特定河段梯級(jí)電站水庫(kù)水溫變化情況及累積影響對(duì)保護(hù)及修復(fù)流域水環(huán)境和河流生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水溫累積影響研究多采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較分析法、經(jīng)驗(yàn)法以及數(shù)值模擬法[14]等，在流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)水溫的累積影響研究上已取得一定成果。Mihailova等[15]根據(jù)2008～2012年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了Iskar河梯級(jí)電站建設(shè)對(duì)水溫的影響。黃峰[16]基于建壩前后的水文站水溫監(jiān)測(cè)資料、庫(kù)區(qū)及下泄水流的水溫實(shí)測(cè)資料，對(duì)烏江流域洪家渡至烏江渡的梯級(jí)電站進(jìn)行了水溫累積影響的研究。結(jié)果顯示，不同的水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)對(duì)水溫累積影響會(huì)產(chǎn)生不同的效應(yīng)：穩(wěn)定分層型水庫(kù)對(duì)水溫累積影響具有正效應(yīng)，混合型水庫(kù)與之相反(即溫差由于該庫(kù)的調(diào)節(jié)作用而減小)，過(guò)渡型水庫(kù)則介于兩者之間。梁瑞峰等[17]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)金沙江下游4個(gè)梯級(jí)電站水溫累積影響進(jìn)行了定量分析，總結(jié)了梯級(jí)電站水溫累積影響的三大特征，即下泄水溫延遲效應(yīng)、平坦化效應(yīng)和庫(kù)內(nèi)水溫的同溫化效應(yīng)。郝紅升[18]研究了引水式水電站的水溫累積影響，認(rèn)為下泄水溫的延遲效應(yīng)受引水隧洞的影響。鄭江濤等[19]采用MIKE11對(duì)怒江中下游“一庫(kù)四級(jí)”梯級(jí)規(guī)劃水庫(kù)群建立了一維水溫模型，并對(duì)下泄水溫進(jìn)行了預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，下泄水溫受梯級(jí)水庫(kù)的累積影響，且影響程度與各梯級(jí)水庫(kù)的規(guī)模、水庫(kù)形態(tài)以及水庫(kù)的調(diào)度方式有關(guān)。由此可見(jiàn)，由于河道水電開(kāi)發(fā)具有個(gè)體差異的特性，水溫的變化情況也隨水庫(kù)結(jié)構(gòu)、建設(shè)規(guī)模、水庫(kù)群布置條件及調(diào)度方式等因素的不同而呈現(xiàn)出特異性，因此對(duì)特定流域梯級(jí)電站水庫(kù)水溫累積效應(yīng)進(jìn)行研究，掌握河段水溫變化規(guī)律可為工程后期的生態(tài)管理、環(huán)境修復(fù)及同類項(xiàng)目的建設(shè)提供參考。

金沙江作為我國(guó)重要的水電能源基地，其上游巴塘河段具有河道落差較大、水能資源豐富、開(kāi)發(fā)條件較好等特點(diǎn)，現(xiàn)已規(guī)劃3座近期開(kāi)發(fā)的梯級(jí)電站(葉巴灘、拉哇和巴塘水電站)。巴塘電站壩下設(shè)有12km魚(yú)類棲息地保留河段，主要分布著高原鰍類和省級(jí)保護(hù)魚(yú)類長(zhǎng)絲裂腹魚(yú)，其生命活動(dòng)對(duì)水溫的響應(yīng)十分敏感。梯級(jí)水庫(kù)建成后，其聯(lián)合調(diào)度將對(duì)該流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，水溫環(huán)境的變化將會(huì)影響到巴塘保留河段及巴塘壩下500m巴楚河口魚(yú)類正常產(chǎn)卵繁殖。為定量研究該河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)水溫的累積影響，本文以金沙江上游巴塘河段葉巴灘、拉哇和巴塘水電站為研究對(duì)象，采用寬度平均的立面二維水溫模型，對(duì)比分析該河段梯級(jí)電站單獨(dú)運(yùn)行與聯(lián)合運(yùn)行時(shí)水溫變化規(guī)律，并定量分析梯級(jí)電站對(duì)水庫(kù)水溫分布的累積影響和水庫(kù)下泄水溫的累積變化，旨為工程環(huán)境保護(hù)措施的擬定提供參考，并對(duì)其他流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)和水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度提供借鑒。

1 工程概況

1.1 流域概況

金沙江上游水電規(guī)劃河段為青海玉樹(shù)巴塘河口～云南迪慶奔子欄河段(見(jiàn)圖1)，全長(zhǎng)約772km，天然落差1 516m，河道平均坡降1.96‰，采用13級(jí)開(kāi)發(fā)，其中巴塘河段(從上游到下游)的葉巴灘、拉哇和巴塘(各壩址間距離分別為88km，18.5km)3個(gè)梯級(jí)因不涉及環(huán)境敏感對(duì)象，且建設(shè)條件較好、工程規(guī)模較大、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較優(yōu)被推薦為近期開(kāi)發(fā)工程。3級(jí)電站的開(kāi)發(fā)任務(wù)均以發(fā)電為主，同時(shí)兼顧保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等綜合效益。

圖1 金沙江上游流域水系圖Fig.1 Drainage map for the upstream of the Jinsha River

1.2 河段氣候特征

選距離巴塘、拉哇及葉巴灘電站較近的巴塘縣氣象站作為參證站，其海拔高程2 589.1m。據(jù)巴塘縣氣象站觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均降水量489.1mm，最大一日降水量42.3mm，降水量年內(nèi)分配極不均勻，5～10月降水量占全年降水量的94.9%，11月～翌年4月降水量?jī)H占5.1%。多年平均蒸發(fā)量為2 037mm(20cm蒸發(fā)皿)，其中5月份最大，為253.5mm。多年平均氣溫12.7℃，7月份平均氣溫19.7℃，12月份平均氣溫4.0℃，多年平均最高氣溫21.6℃，多年平均最低氣溫5.7℃，極端最高氣溫37.9℃，極端最低氣溫-12.8℃。多年平均相對(duì)濕度為47.0%。各電站庫(kù)區(qū)氣溫根據(jù)巴塘縣氣溫按照當(dāng)?shù)貧鉁刂睖p率(0.7℃/100m)換算到相應(yīng)的正常蓄水位使用。

1.3 水溫現(xiàn)狀

工程河段上、下游分別設(shè)有崗?fù)兴恼竞桶吞了恼?，各站均測(cè)有1960～2009年長(zhǎng)系列的河道水溫資料，兩水文站相距約300.4km，巴塘水文站水溫?cái)?shù)據(jù)根據(jù)其1960～2016年氣象-水溫相關(guān)關(guān)系進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)至2011年。根據(jù)兩站水溫資料分析，工程河段多年(1960～2011年)平均水溫為8.4℃，河段沿程增溫率約為0.23～0.73℃/100km。按工程河段增溫率推算出各梯級(jí)電站壩址天然月平均水溫見(jiàn)表1。其中巴塘壩址天然水溫在3～6月的月平均增溫速率為2.7℃/mon，與巴塘氣象站3～6月平均增溫速率為3.1℃/mon相比，存在高度相關(guān)，氣溫直接影響現(xiàn)狀水溫。河段冬季不會(huì)封凍，但存在岸冰現(xiàn)象。

表1 研究河段1960～2011年月均水溫統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The monthly average water temperature of the studied area in 1960～2011 (℃)

2 寬度平均的立面二維水溫模型及其求解方法

2.1 控制方程

采用寬度平均的立面二維水溫模型對(duì)水溫進(jìn)行預(yù)測(cè)。水動(dòng)力控制方程由連續(xù)方程和完整的動(dòng)量方程構(gòu)成，紊流模式采用雙方程k-ε模型。模型采用Boussinesq假定，在密度變化不大的浮力流問(wèn)題中，只在重力項(xiàng)中考慮密度的變化，而控制方程的其它項(xiàng)中不考慮浮力作用。

模型的水溫方程為：

(1)

式中T為水溫；u、w分別為縱向和垂向的速度；B為河寬；ve是綜合擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，v為分子粘性系數(shù)v和紊動(dòng)渦粘系數(shù)vt之和；σT是溫度普朗特?cái)?shù)，與密度梯度和流速梯度有關(guān)，通常取為0.85，Cp[J/kg·℃]為水的比熱；φz[W/m2]為穿過(guò)z平面的太陽(yáng)輻射通量。

2.2 邊界條件

邊界條件包括水氣界面熱交換、入出流和庫(kù)底的流速及水溫條件。水氣界面熱交換考慮凈太陽(yáng)短波輻射、凈長(zhǎng)波輻射、蒸發(fā)和熱傳導(dǎo)四個(gè)方面；進(jìn)口邊界的水溫可采用庫(kù)尾實(shí)測(cè)水溫、以沿程增溫率反推值(電站單獨(dú)運(yùn)行)或上游銜接梯級(jí)的下泄水溫(梯級(jí)電站運(yùn)行)，速度假定為均勻流速(本文采用平水年入流)，k、ε可分別由入流速度近似計(jì)算；出口斷面假定為充分發(fā)展的紊流；模型自由表面采用浮動(dòng)平面假定，水面位置據(jù)水量平衡確定；庫(kù)底和壩體表面采用無(wú)滑移的絕熱邊界。

模型參數(shù)得到了雅礱江二灘水庫(kù)水溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證[20]。

2.3 求解方法

對(duì)于每個(gè)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，每個(gè)計(jì)算單元網(wǎng)格都滿足水量平衡方程、動(dòng)量方程和熱量平衡方程，通過(guò)控制單個(gè)單元格的水量平衡實(shí)現(xiàn)計(jì)算域上的水量平衡。模型采用有限體積法和混合格式對(duì)微分方程進(jìn)行離散，通過(guò)SIMPLE算法求解差分方程，并采用交錯(cuò)網(wǎng)格避免出現(xiàn)棋盤式不均勻壓力場(chǎng)。

具體求解時(shí)，首先根據(jù)設(shè)計(jì)入、出庫(kù)流量差ΔQ計(jì)算該時(shí)刻運(yùn)行水位，以水位、入庫(kù)流量為邊界求解u(縱向)、w(垂向)動(dòng)量方程和k、ε方程。由于建模庫(kù)容與實(shí)際庫(kù)容存在偏差，此時(shí)計(jì)算得到的出庫(kù)流量與設(shè)計(jì)出庫(kù)流量是不一致的，計(jì)算中通過(guò)修正各時(shí)刻水位下的地形來(lái)消除庫(kù)容差帶來(lái)的下泄流量差，以此來(lái)保證水量平衡。在修正后地形基礎(chǔ)上，將水動(dòng)力方程與溫度方程耦合求解，用新的溫度值修正w和k方程的源項(xiàng)，重新計(jì)算水動(dòng)力學(xué)方程，直到各方程的誤差余量滿足精度要求。

3 單電站運(yùn)行時(shí)的水溫影響

3.1 巴塘電站單獨(dú)運(yùn)行的水溫影響

巴塘水庫(kù)正常蓄水位2 545m，水庫(kù)總庫(kù)容為1.55億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，進(jìn)水口地板高程為2 497m。巴塘水庫(kù)在正常蓄水位時(shí)，整個(gè)庫(kù)區(qū)離散為200×75個(gè)矩形網(wǎng)格。計(jì)算網(wǎng)格單元在主流方向上尺寸為10～200m，在水深方向上為0.5～1m。邊界條件采用庫(kù)尾斷面平水年天然逐日流量作為入庫(kù)流量，壩前水位常年保持在正常蓄水位2 545m，采用庫(kù)尾斷面逐日水溫作為入庫(kù)水溫，氣象條件均采用多年月均值，模擬巴塘電站單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的庫(kù)區(qū)水溫分布及下泄水溫過(guò)程。

根據(jù)模擬結(jié)果，庫(kù)區(qū)水溫在1月最低，水庫(kù)在4～6月存在明顯的雙溫躍層；冬季(12～翌年1月)水庫(kù)存在逆溫分布現(xiàn)象，水庫(kù)整體呈過(guò)渡型水溫結(jié)構(gòu)特征。圖2比較了巴塘電站單獨(dú)運(yùn)行時(shí)月均下泄水溫、壩前表層水溫、庫(kù)底水溫、壩址處天然水溫及氣溫年內(nèi)過(guò)程。就壩前表層水溫而言1月最低，為1.7℃，6月最高，為17.5℃，年內(nèi)變化15.8℃。水庫(kù)壩前不存在穩(wěn)定的庫(kù)底水溫。庫(kù)底水溫在12 ～翌年2月基本維持在2.4℃～3.0℃，從5月開(kāi)始入庫(kù)水溫迅速提高，到了6月來(lái)流量猛增，庫(kù)區(qū)流動(dòng)層加厚引起下層溫躍層下移，庫(kù)底低溫水層逐漸消失，至8月份由于庫(kù)區(qū)水體替換充分，垂向溫差較小，庫(kù)區(qū)基本同溫。庫(kù)底水溫在8月最高，為15.6℃，1月最低，為2.4℃，庫(kù)底水溫年內(nèi)變化為13.2℃。水庫(kù)部分月份表層與底層之間溫差較大，6月溫差最大，為10.2℃，2月、7月和11月溫差最小，垂向同溫。

圖2 巴塘電站單獨(dú)運(yùn)行下泄水溫過(guò)程Fig.2 Outflow temperature under single operation of Batang power station

巴塘電站單獨(dú)運(yùn)行對(duì)下游水溫過(guò)程影響較小，水庫(kù)年均下泄水溫與建壩前基本持平，延遲效應(yīng)不明顯。建庫(kù)前后壩址各月的月均水溫變化小于0.4℃。下泄水溫在2～5月較建壩前有所降低，平均降低了0.3℃，2、3月份降低最多，降幅為0.4℃。11月溫升幅度最大，變幅為0.3℃。全年出現(xiàn)月均最高溫度的月份建壩前后均為7月，出現(xiàn)月均最低溫度的月份建壩前后均為1月，月均最高、最低溫度基本與建壩前持平。建壩前后下游水溫過(guò)程整體變化不明顯。

3.2 拉哇電站單獨(dú)運(yùn)行的水溫影響

拉哇水庫(kù)正常蓄水位為2 702m，水庫(kù)總庫(kù)容為19.92億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，進(jìn)水口地板高程為2 645m。拉哇水庫(kù)庫(kù)區(qū)長(zhǎng)88.96km，計(jì)算網(wǎng)格單元在主流方向上尺寸為50～700m，在水深方向上為2～4m，在正常蓄水位下，拉哇庫(kù)區(qū)離散為184×60個(gè)矩形網(wǎng)格。入庫(kù)流量過(guò)程采用庫(kù)尾斷面平水年天然逐日流量，運(yùn)行調(diào)度方式見(jiàn)圖3。

圖3 拉哇電站運(yùn)行調(diào)度過(guò)程Fig.3 Regulation process of Lawa power station

拉哇電站3～6月存在顯著的低溫水效應(yīng)，在不采取低溫水影響減緩措施條件下，最大低溫水降幅達(dá)到4.0℃發(fā)生在4月。由于下游河段涉及到特有魚(yú)類的產(chǎn)卵場(chǎng)，為減緩水溫的不利生態(tài)影響，拉哇電站3～6月在進(jìn)水口采用了疊梁門的分層取水方式。

水庫(kù)整體呈穩(wěn)定分層型水溫結(jié)構(gòu)特征。圖4比較了拉哇電站(3～6月分層取水措施)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)月均下泄水溫、壩前表層水溫、庫(kù)底水溫、壩址處天然水溫及氣溫年內(nèi)過(guò)程。就壩前表層水溫而言2月最低，為5.1℃，7月最高，為17.9℃，年內(nèi)變化12.8℃。庫(kù)底水溫年內(nèi)變化為1.5℃。水庫(kù)部分月份表層與底層之間溫差較大，7月溫差最大，為13.9℃，2月最小，為0.9℃。

圖4 拉哇電站單獨(dú)運(yùn)下泄水溫過(guò)程Fig.4 Outflow temperature under single operation of Lawa power station

拉哇電站(3～6月分層取水措施)單獨(dú)運(yùn)行與壩址水溫相比，下泄水溫在3～6月比建壩前壩址水溫有所降低，平均降低了0.9℃，較單層取水時(shí)平均水溫提高了1.3℃，3～6月分別提高了0.7℃，2.6℃，1.4℃和0.3℃，疊梁門改善效果明顯。8～翌年2月，下泄水溫平均上升1.7℃，12月溫升幅度最大，為3.7℃。以4月壩址天然水溫9.2℃為特征水溫統(tǒng)計(jì)延遲時(shí)間，天然水溫在4月16日達(dá)到9.2℃，單層取水時(shí)下泄水溫在5月11日達(dá)到9.2℃，延遲了25天，在疊梁門分層取水方式下4月30日達(dá)到9.2℃，延遲了14天，較單層取水方案提前了11天。當(dāng)水庫(kù)單層取水時(shí)，水庫(kù)對(duì)下游水溫有較大影響，延遲效應(yīng)顯著，而采取疊梁門分層取水方式對(duì)低溫水改善效果明顯，有效地減緩了低溫水效應(yīng)對(duì)下游保留河段的影響。

3.3 葉巴灘電站單獨(dú)運(yùn)行的水溫影響

葉巴灘水庫(kù)為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，為減緩低溫水效應(yīng)，葉巴灘電站采用疊梁門分層取水措施。其單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，水庫(kù)整體呈穩(wěn)定分層型水溫結(jié)構(gòu)。下泄水溫延遲效應(yīng)較明顯。葉巴灘4月的下泄水溫較壩址天然水溫最大降低了1.4℃，11月下泄水溫較壩址天然水溫最大高了3.5℃。

4 聯(lián)合運(yùn)行時(shí)的水溫影響

因巴塘、葉巴灘及拉哇水電站下閘蓄水時(shí)間分別為2023、2024和2025年。故按照梯級(jí)電站建成順序，考慮不同梯級(jí)電站聯(lián)合調(diào)度對(duì)巴塘河段的水溫累積影響，本文將研究葉巴灘和巴塘電站(兩級(jí))，葉巴灘、拉哇和巴塘電站(三級(jí))兩種聯(lián)合調(diào)度情況下的水溫變化。

4.1 葉巴灘和巴塘電站聯(lián)合運(yùn)行的水溫影響

葉巴灘電站建成后，將采用疊梁門分層取水措施，巴塘電站的入庫(kù)水溫將發(fā)生變化。水溫通過(guò)葉巴灘調(diào)節(jié)，經(jīng)88km天然河道恢復(fù)后的水溫作為巴塘電站入庫(kù)水溫，入庫(kù)流量采用經(jīng)葉巴灘調(diào)節(jié)后的流量并考慮區(qū)間匯流。模擬兩級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)巴塘電站庫(kù)區(qū)水溫分布及下泄水溫過(guò)程。

葉巴灘建設(shè)前后巴塘電站壩前水溫分布對(duì)比圖見(jiàn)圖5。庫(kù)區(qū)水溫在2月最低，較單獨(dú)運(yùn)行時(shí)延遲了1個(gè)月，壩前垂向斷面上平均水溫為2.5℃，較單獨(dú)運(yùn)行時(shí)最低水溫提高了0.7℃。這是由于受葉巴灘影響，1月入庫(kù)水溫較天然水溫高了1.1℃，庫(kù)區(qū)受來(lái)流影響，1月逆溫分布現(xiàn)象消失，水庫(kù)垂向同溫，而2月入庫(kù)水溫較天然水溫低(全年下泄水溫最低)，且2月氣溫和太陽(yáng)輻射較1月高，巴塘庫(kù)區(qū)水體垂向同溫，2月水溫全年最低但高于單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的1月水溫；水庫(kù)在4～6月存在明顯的溫躍層，但由于4月入庫(kù)水溫比天然水溫低，入庫(kù)水流下潛至同密度層，底部溫躍層消失，只存在表層溫躍層(對(duì)比見(jiàn)圖6)；12月由于入庫(kù)水溫較天然水溫高了2.2℃，表層水體混合后，表層水體升溫，庫(kù)區(qū)逆溫現(xiàn)象減弱，存在較弱的逆溫分布現(xiàn)象，水庫(kù)整體呈過(guò)渡型水溫結(jié)構(gòu)特征。圖7比較了兩級(jí)運(yùn)行時(shí)巴塘電站月均下泄水溫、壩前表層水溫、庫(kù)底水溫、壩址處天然水溫及氣溫年內(nèi)過(guò)程。就壩前表層水溫而言2月(延遲了1個(gè)月)最低，為2.5℃，6月最高，為17.0℃，年內(nèi)變化14.5℃，溫差變幅變小，較巴塘單獨(dú)運(yùn)行時(shí)減小了3.0℃。水庫(kù)部分月份表層與底層之間溫差較大，受上游入庫(kù)水溫的影響，年內(nèi)溫差變幅變小，6月溫差最大，為9.6℃，較單獨(dú)運(yùn)行時(shí)減小了0.6℃，庫(kù)區(qū)水溫存在同溫化效應(yīng)[17]，多個(gè)月份垂向同溫。

兩級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)對(duì)下游水溫存在影響。水庫(kù)年均下泄水溫比兩級(jí)運(yùn)行前降低0.1℃。下泄水溫在2 ～7月、9月比兩級(jí)運(yùn)行前壩址水溫有所降低，平均降低了1.3℃，4月份降低最多，達(dá)2.3℃。10～翌年1月，下泄水溫平均上升1.9℃，11月溫升幅度最大，為2.5℃。月均最高溫度兩級(jí)運(yùn)行前為15.7℃，運(yùn)行后為15.6℃，月均最低溫度從運(yùn)行前的1.9℃升為運(yùn)行后的2.6℃，溫差減小了0.8℃，變幅為13.0℃，水溫變幅縮窄，下泄水溫存在平坦化效應(yīng)[17]。

兩級(jí)運(yùn)行對(duì)水溫延遲效應(yīng)影響顯著，全年出現(xiàn)月均最高溫度的月份兩級(jí)運(yùn)行前為7月，運(yùn)行后為8月；全年出現(xiàn)月均最低溫度的月份兩級(jí)運(yùn)行前為1月，運(yùn)行后為2月，相比于巴塘單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，均延遲了1個(gè)月。

圖5 巴塘庫(kù)區(qū)壩前垂向水溫分布對(duì)比圖Fig.5 The comparison figures for vertical temperature distribution in front of dam of Batang reservoir

圖6 巴塘庫(kù)區(qū)4月立面水溫分布對(duì)比圖Fig.6 The comparison figures for vertical water temperature distribution of Batang reservoir in April

4.2 葉巴灘、拉哇和巴塘電站聯(lián)合運(yùn)行的水溫影響

葉巴灘和拉哇電站均建成后，上游梯級(jí)均采用疊梁門分層取水措施，巴塘電站的入庫(kù)水溫將發(fā)生變化，水溫通過(guò)葉巴灘和拉哇調(diào)節(jié)，經(jīng)1km天然河道恢復(fù)后的水溫作為巴塘電站入庫(kù)水溫，入庫(kù)流量采用經(jīng)拉哇電站調(diào)節(jié)后的流量。模擬三級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)巴塘電站庫(kù)區(qū)水溫分布及下泄水溫過(guò)程。

圖7 兩級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)巴塘電站下泄水溫過(guò)程Fig.7 Outflow temperature under tow-level joint operation of Batang power station

三級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)巴塘庫(kù)區(qū)總體呈過(guò)渡型水溫結(jié)構(gòu)特征，三級(jí)聯(lián)合運(yùn)行后巴塘電站壩前水溫分布見(jiàn)圖8。由于受上游兩梯級(jí)電站調(diào)節(jié)后的入庫(kù)流量過(guò)程比與葉巴灘聯(lián)合運(yùn)行時(shí)更為均勻，巴塘水庫(kù)3～5月流量增大，枯期垂向溫差更小，枯期的調(diào)節(jié)能力相對(duì)較弱，庫(kù)區(qū)水溫混合均勻，4月底部溫躍層消失，5月表層溫躍層消失。另一方面三級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，拉哇的最低下泄水溫比兩級(jí)運(yùn)行時(shí)的來(lái)流水溫提高了2.6℃，最高下泄水溫也比兩級(jí)運(yùn)行時(shí)降低了0.2℃，導(dǎo)致來(lái)流年內(nèi)溫差比無(wú)拉哇時(shí)縮小了2.8℃，因而冬季庫(kù)區(qū)不再出現(xiàn)逆溫分布現(xiàn)象，庫(kù)區(qū)水溫全年均超過(guò)4.0℃，庫(kù)區(qū)溫差和下泄水溫溫差進(jìn)一步縮小。就表層水溫而言2月最低水溫進(jìn)一步提高，為5.2℃，6月最高為16.7℃(略微降低)，年內(nèi)變化11.5℃，溫差變幅進(jìn)一步減小，較兩級(jí)運(yùn)行時(shí)減小了3.0℃。水庫(kù)不存在穩(wěn)定的庫(kù)底水溫，庫(kù)底水溫變幅10.5℃。水庫(kù)部分月份表層與底層之間存在一定的溫差，6月溫差最大，為7.1℃，表底溫差進(jìn)一步減小，減小了2.5℃，庫(kù)區(qū)水體同溫化效果更加明顯，多個(gè)月份垂向同溫。

圖8 三級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)巴塘電站的水溫過(guò)程Fig.8 Outflow temperature under three-level joint operation of Batang power station

圖9比較了三級(jí)聯(lián)合、二級(jí)聯(lián)合和單獨(dú)運(yùn)行時(shí)巴塘電站下泄水溫變化過(guò)程圖。三級(jí)聯(lián)合運(yùn)行對(duì)下游水溫過(guò)程存在較大影響。水庫(kù)年均下泄水溫比三級(jí)運(yùn)行前升高0.8℃，較兩級(jí)運(yùn)行提高了0.8℃。下泄水溫在3～8月比三級(jí)運(yùn)行前壩址水溫有所降低，平均降低了1.4℃，4月份降低最多，達(dá)2.3℃。9 月～翌年2月，下泄水溫平均上升3.0℃，12月溫升幅度最大，為5.3℃，高溫水現(xiàn)象更加明顯。月均最高溫度從三級(jí)運(yùn)行前的15.7℃降為運(yùn)行后的15.4℃，月均最低溫度從三級(jí)運(yùn)行前的1.9℃升為運(yùn)行后的5.2℃，溫差減小了3.6℃，變幅為10.2℃，水溫變幅進(jìn)一步縮窄，下泄水溫平坦化效應(yīng)更加明顯。

全年出現(xiàn)月均最高溫度的月份三級(jí)運(yùn)行前為7月，運(yùn)行后為8月；全年出現(xiàn)月均最低溫度的月份三級(jí)運(yùn)行前為1月，運(yùn)行后為2月，相比于單獨(dú)運(yùn)行延遲了1個(gè)月。隨梯級(jí)電站的增加，延遲效應(yīng)更加明顯。

圖9 巴塘單獨(dú)、兩級(jí)聯(lián)合及三級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)巴塘電站下泄水溫過(guò)程對(duì)比圖 Fig.9 Outflow temperature under single operation, two-level and three-level joint operation of Batang power station

4.3 聯(lián)合運(yùn)行時(shí)巴塘電站對(duì)水溫累積的貢獻(xiàn)

為分離聯(lián)合運(yùn)行時(shí)巴塘電站的水溫影響貢獻(xiàn)程度，將兩級(jí)運(yùn)行時(shí)葉巴灘的下泄水溫和三級(jí)運(yùn)行時(shí)拉哇的下泄水溫按照天然河道計(jì)算到巴塘壩址處，對(duì)比巴塘建庫(kù)后的下泄水溫與受上游梯級(jí)影響的巴塘壩址處水溫(未建巴塘)，詳見(jiàn)表2，可知兩級(jí)運(yùn)行時(shí)巴塘水庫(kù)在累積水溫影響中對(duì)低溫水降幅最大僅有0.2℃的貢獻(xiàn)，對(duì)高溫水升幅最大僅有0.3℃的貢獻(xiàn)。三級(jí)運(yùn)行時(shí)，巴塘各月的貢獻(xiàn)均不超過(guò)0.2℃。因而梯級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)巴塘電站對(duì)水溫累積影響的貢獻(xiàn)是極為有限的。

表2 梯級(jí)電站運(yùn)行時(shí)巴塘電站水溫累積影響表Tab.2 The Cumulative impact of cascade power stations joint operation on water temperature of Batang reservoir (℃)

5 結(jié) 論

采用立面二維水溫模型，以庫(kù)區(qū)水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫為特征指標(biāo)，對(duì)金沙江上游葉巴灘、拉哇及巴塘電站聯(lián)合調(diào)度的水溫的累積影響進(jìn)行了研究：

5.1 巴塘水庫(kù)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)低溫水效應(yīng)不明顯；拉哇水庫(kù)采取單層取水時(shí)，3～6月存在顯著的低溫水效應(yīng)，下泄水溫較壩址天然水溫分別降低了2.0℃，4.0℃，2.1℃和0.8℃，采取疊梁門分層取水措施后，3～6月分別提高了0.7℃，2.6℃，1.4℃和0.3℃，有效減緩了低溫水效應(yīng)對(duì)下游保留河段的影響。

5.2 巴塘電站單獨(dú)運(yùn)行和聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，水庫(kù)均呈過(guò)渡型水溫結(jié)構(gòu)特征，但聯(lián)合運(yùn)行時(shí)更趨于混合型特征。單獨(dú)運(yùn)行時(shí)庫(kù)區(qū)水溫在1月最低，聯(lián)合運(yùn)行時(shí)庫(kù)區(qū)水溫在2月最低，延遲了1個(gè)月，且最低水溫隨梯級(jí)個(gè)數(shù)增多而上升。兩級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，4月的雙溫躍層結(jié)構(gòu)消失，只存在表層溫躍層；三級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)4、5月雙溫躍層消失，5月只存在底部溫躍層；兩級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，由于受上游單梯級(jí)下泄水溫影響，1月逆溫分布現(xiàn)象消失，12月逆溫分布現(xiàn)象減弱；三級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，水庫(kù)逆溫分布現(xiàn)象消失。庫(kù)區(qū)水體隨著梯級(jí)電站的增加，水體同溫化效果更明顯。

5.3 下泄水溫隨梯級(jí)電站增加，延遲效應(yīng)和平坦化效應(yīng)越明顯。巴塘電站單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，下泄水溫基本與建庫(kù)前持平，延遲效應(yīng)不明顯；兩級(jí)和三級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，全年出現(xiàn)月均最低溫度的月份均為聯(lián)合運(yùn)行前為1月，運(yùn)行后為2月，相比于巴塘單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，延遲了1個(gè)月；兩級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，月均最高溫度運(yùn)行前為15.7℃，運(yùn)行后為15.6℃，月均最低溫度從運(yùn)行前的1.9℃升為運(yùn)行后的2.6℃，溫差減小了0.8℃，變幅為13.0℃，存在平坦化效應(yīng)；三級(jí)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)月均最高溫度從運(yùn)行前的15.7℃降為運(yùn)行后的15.4℃，月均最低溫度從運(yùn)行前的1.9℃升為運(yùn)行后的5.2℃，溫差減小了3.6℃，變幅為10.2℃，下泄水溫平坦化效應(yīng)更明顯。

5.4 上游電站聯(lián)合運(yùn)行對(duì)下游水溫過(guò)程存在較大影響，其中巴塘電站對(duì)水溫累積影響的貢獻(xiàn)極為有限。

參考文獻(xiàn)：

[1] Diao W, Cheng Y G, Zhang C Z. et al.Three-dimensional prediction of reservoir water temperature by the lattice Boltzmann method: validation[J].Journal of Hydrodynamics, Series B, 2015, 27(2): 248-256.

[2] 曹廣晶，惠二青，胡興娥.三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)近壩區(qū)水溫垂向結(jié)構(gòu)分析[J].水利學(xué)報(bào)，2012，43(10)：1254-1259.

[3] 陸俊卿，張小峰，強(qiáng)繼紅,等.水庫(kù)水溫?cái)?shù)學(xué)模型及其應(yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2008，27(5)：123-129.

[4] 任華堂.大型水庫(kù)水溫?cái)?shù)值模擬研究[M].北京，海洋出版社，2010.

[5] Prats J, Val R, Armengol J, et al.Temporal variability in the thermal regime of the lower Ebro River (Spain) and alteration due to anthropogenic factors [J]. Journal of Hydrology, 2010, 1(387): 105-118.

[6] 顏劍波，楚凱鋒，張德見(jiàn),等.兩種常用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算水庫(kù)水溫效果比較研究[J].四川環(huán)境，2015，34(7)：117-122.

[7] Caissie D. The thermal regime of rivers: A review [J]. Freshwater Biology, 2006, 51(8): 389-1406.

[8] 李褆來(lái)，陳黎明，王向明.梯級(jí)水電站對(duì)庫(kù)區(qū)和河道水溫的影響預(yù)測(cè)[J].水利水電科技進(jìn)展，2013，33(3)：23-28.

[9] 紀(jì)道斌，龍良紅，徐 慧,等.梯級(jí)電站建設(shè)對(duì)水環(huán)境的累積影響研究進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展，2017，37(3)：8-14.

[10] 陳凱麒，王東勝，劉芬蘭,等.流域梯級(jí)規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)的特征及研究方向[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2005，3(2)：79-84.

[11] 郭文獻(xiàn)，王鴻翔，夏自強(qiáng),等.三峽—葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)水溫影響研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009，28(119)：182-187.

[12] 蔡玉鵬，楊 志，徐 薇.三峽水庫(kù)蓄水后水溫變化對(duì) 四大家魚(yú)自然繁殖的影響[J].工程科學(xué)與技術(shù)，2017，49(1)：182-187.

[13] 彭期冬，廖文根，李 翀,等.三峽工程蓄水以來(lái)對(duì)長(zhǎng)江中游四大家魚(yú)自然繁殖影響研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2012，44(2)：228-232.

[14] 胡 平，劉 毅，唐忠敏,等.水庫(kù)水溫?cái)?shù)值預(yù)測(cè)方法[J].水利學(xué)報(bào)，2010，41(9)：1045-1053.

[15] Mihailova P, Traykov I, Tosheva A, et al.Changes in biological and physicochemical parameters of river water in a small hydropower reservoir cascade[J].Bulgarian Journal of Agricultural Science, 2013, 19(2): 286-289.

[16] 黃 峰，魏 浪，李 磊,等.烏江干流中上游水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)水溫累積效應(yīng)[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2009，18(4)：337-342.

[17] 梁瑞峰，鄧 云，脫友才,等.流域水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)水溫累積影響特征分析[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2012(增刊2)，221-227.

[18] 郝紅升，鄧 云，李克峰,等.有“龍頭水庫(kù)”的河流引水式梯級(jí)開(kāi)發(fā)的水溫累積影響[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2009，41(2)：29-34.

[19] 鄭江濤，王麗萍，周 婷,等.怒江梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)對(duì)水溫的影響及對(duì)策研究[J].水力發(fā)電，2012，38(6)：1-3，21.

[20] 鄧 云，李 嘉，羅 麟.河道型深水庫(kù)的溫度分層模擬[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯)，2004，19(5)：604-609.