(新疆農(nóng)牧區(qū)水利規(guī)劃總站，新疆 烏魯木齊 830000)

托帕水庫工程壩址位于烏恰縣境內(nèi)恰克馬克河上，距恰克馬克河攔河引水樞紐45 km，是恰克馬克河的控制性水利樞紐工程，控制灌溉面積14.13萬畝。

水庫建成后，水庫的水域面積和深度有所增加，隨著水深的增加，水體溫度逐漸降低，庫區(qū)內(nèi)存在水溫分層現(xiàn)象[1]，水溫下泄低溫水對下游水生生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可能產(chǎn)生不利影響，表現(xiàn)為作物生長期延長、產(chǎn)量下降。本文將通過對托帕水庫水溫結構的預測，分析水庫壩前垂向水溫與水深的關系，進一步論證水庫建設對壩前水溫、水庫下游河段水溫及水質(zhì)的影響，結論可為同類型水庫的壩前垂向及壩下水溫預測分析提供參考。

1 托帕水庫工程建設對水溫的影響

1.1 對壩前水溫的影響預測

1.1.1 預測方法

托帕水庫最大壩高61.5 m，水庫總庫容6 098.93萬 m3，壩址斷面多年平均年徑流量1.65億 m3，水庫庫容系數(shù)0.15。根據(jù)水庫水溫α - β指數(shù)法判斷托帕水庫水溫結構。

判別指標計算式為

當α<10時，水庫水溫為分層型；當10<α<20時，水庫水溫為過渡型；當α>20時，水庫水溫為混合型。經(jīng)計算，托帕水庫α=2.71，可判斷托帕水庫蓄水后水體水溫將出現(xiàn)分層。本次評價采用朱伯芳公式對托帕水庫庫區(qū)水溫進行預測計算[2]，同時對下游河道水溫沿程恢復情況進行分析。

朱伯芳公式：

T(y，τ)=Tm(y)+A(y)cosω(τ-τ0-ε)

式中：y為水深，m；τ為時間，月；T(y，τ)為水深y處在時間為時的溫度，℃；Tm(y)為水深y處的溫度平均溫度，℃；A(y)為水深y處的溫度年變幅，℃；ε為水溫與氣溫變化的相位差，月；ω為溫度變化的圓頻率，即ω=2π/P，P為溫度變化的周期(12個月)。

上述公式所需參數(shù)公式如下：

Tm(y)=c+(b-c)e-αy

A(y)=A0e-βy

ε=d-fe-γy

托帕水庫工程所在區(qū)域多年平均氣溫為9.1℃，小于10℃，屬于寒冷地區(qū)。工程所在區(qū)域月平均氣溫與修正平均氣溫見表1。根據(jù)北方河流及氣候的特點，確定上述公式中參數(shù)取值：α=0.04；β=0.018；γ=0.085；d=2.15；f=1.3

(見表2)。

1.1.2 壩前水溫預測

托帕水庫在7～8月維持在死水位2 373 m運行，其他月份基本維持在2 393 m高水位運行，采用朱伯芳公式對托帕水庫壩前水溫分布情況進行了預測，預測結果見表3和圖1。

圖1 托帕水庫逐月壩前水溫垂向分布

℃

表2 水溫計算中有關參數(shù)取值

表3 托帕水庫逐月壩前水溫垂向分布表 ℃

由表3和圖1預測結果可以看出：托帕水庫壩前垂向水溫分層具有明顯的季節(jié)性特性，全年壩前水溫結構中，4～6月、9～10月期間水溫隨水深增加而降低，且出現(xiàn)較為明顯的分層現(xiàn)象；7～8月期間水庫維持在死水位排沙運行，且該時期上游徑流量較大，壩前垂向水溫隨水深增加而降低幅度不大；11月～次年3月期間出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。

1.2 對水庫下泄水溫影響分析

托帕水庫下泄水溫過程與天然水溫過程對比見表4和圖2。

圖2 托帕水庫下泄水溫過程與天然水溫對比圖

由表4和圖2預測結果可以看出：3～8月水庫下泄水溫

均低于建庫前天然水溫，最大溫差為-1.7℃，出現(xiàn)在4月；9月～次年2月水庫下泄水溫均高于建庫前天然水溫，最大溫升為3.35℃，出現(xiàn)在11月。

從托帕水庫下泄水溫與天然水溫對比中可以看出，水庫下泄水溫在春夏兩季低于水庫上游來水水溫，在秋冬兩季則高于上游來水水溫。從對比圖中可以看出，兩條水溫曲線基本呈現(xiàn)一種“錯峰”的狀態(tài)，主要是因為水庫蓄水后，庫區(qū)內(nèi)水體體積增加，熱容量加大，上游來水對水庫泄水口水溫的影響需要一定的時間。

1.3 對水庫下游河道水溫影響分析

水庫下游河道水溫主要受水庫下泄水溫及河道水體表面熱交換的影響。托帕水庫位于恰克馬克河中低山區(qū)段，其壩址下游45 km處為已建恰克馬克河渠首，現(xiàn)狀條件下，托帕水庫壩址處河水水溫與恰克馬克河渠首處河水水溫對比結果見表5和圖3。

表4 托帕水庫下泄水溫與天然水溫對比結果表 ℃

表5 托帕水庫建設前壩址水溫與恰克馬克河渠首水溫對比結果表 ℃

圖3 托帕水庫建設前壩址水溫與恰克馬克河渠首水溫對比圖

由表5和圖3預測結果可以看出：托帕水庫建設前，其壩址下泄河水水溫在水體表面熱交換效應作用下，經(jīng)45 km河道沿程增溫0.1℃～2.6℃，其中3～8月沿程增溫0.6℃～2.6℃。根據(jù)托帕水庫下泄水溫預測結果，3～8月水庫下泄水溫均低于建庫前天然水溫，溫差0.05℃～1.7℃，最大溫差出現(xiàn)在4月。由現(xiàn)狀年水溫沿程恢復情況可以推斷，托帕水庫運行后，其下泄低溫水在經(jīng)45 km河道沿程恢復后，基本可恢復至天然水溫。

2 托帕水庫工程建設對水質(zhì)的影響

2.1 庫區(qū)水質(zhì)變化分析

2.1.1 水庫初期蓄水對水質(zhì)影響

托帕水庫蓄水時將淹沒人工林地15.31 hm2，草地144.62 hm2，住宅用地0.44 hm2，交通運輸用地3.81 hm2，水域及水利設施用地61.11 hm2。水庫蓄水初期，由于庫盤淹沒，少量有機營養(yǎng)物質(zhì)進入水體，在短期內(nèi)會造成庫區(qū)水體中N、P等有機物含量有所增高。但水庫蓄水前會進行清庫工作，不存在大量有機物質(zhì)在庫中腐爛而導致水庫水質(zhì)劣質(zhì)，同時水庫正常運行后，通過水體替換以及水體的自凈作用，水中有機物含量將逐漸降低并趨近來水水質(zhì)，上述輕微不利影響將在短時間內(nèi)逐漸消失。

2.1.2 水庫正常運行對庫區(qū)水質(zhì)的影響

水庫富營養(yǎng)化是庫區(qū)水動力條件、營養(yǎng)鹽類、光照及氣溫等多種因素綜合作用的結果。水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，河段TP、TN等營養(yǎng)鹽類背景值較低。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，庫區(qū)河段內(nèi)無工礦企業(yè)污染源分布，托帕水庫建成運行后，庫區(qū)水體各月水溫均低于藻類繁殖的適宜溫度25℃。高溫期7、8月水庫處于低水位運行，庫區(qū)流態(tài)近似于河道，流速較快，水生環(huán)境不適宜藻類的大量生長繁殖。因此，托帕水庫運行期間水庫出現(xiàn)富營養(yǎng)化的可能性不大。

2.1.3 工程管理區(qū)生活污水排放影響

工程運行期產(chǎn)生的生活污水主要為托帕水庫工程管理處工作人員日常生活產(chǎn)生的生活污水。運行期水庫每天產(chǎn)生最大污水量約3.64 m3。托帕水庫工程管理處恰克馬克河河段水體水質(zhì)要求為Ⅱ類，生活污水必須經(jīng)處理后用于管理處綠化，禁止排入河道。

2.2 出庫水質(zhì)變化分析

托帕水庫庫區(qū)及上游河段無入河污染源分布，根據(jù)水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，托帕水庫來水水質(zhì)較好，滿足水環(huán)境功能區(qū)Ⅱ類水質(zhì)目標要求。工程建設運行后，來水在庫區(qū)河段停留時間增加，庫區(qū)內(nèi)水流對污染物的衰減作用得到增強，水體中COD、NH3-N等污染物濃度將呈下降趨勢。因此，托帕水庫出庫水質(zhì)較現(xiàn)狀情況有所改善。

2.3 下游河段水質(zhì)變化分析

托帕水庫至下游恰克馬克河渠首區(qū)間45 km河段無入河污染源分布，水庫建成后壩址斷面下泄水量減少，水體自凈能力有所下降，但由于河段內(nèi)無污染物分布，且水庫建成后，壩址斷面下泄水質(zhì)有所改善，因此工程建成后該河段水質(zhì)無明顯變化。

恰克馬克河渠首下游河段無工業(yè)、生活污水等入河點源分布，灌區(qū)退水不直接入河，僅沿河分布少量農(nóng)村居民，汛期可能存在少量農(nóng)村面源污染入河。但由于水庫建成后壩址斷面下泄水量減少，水體自凈能力有所下降，汛期少量面源污染入河將對恰克馬克河渠首以下河段水質(zhì)造成一定影響，水體中N、P、糞大腸桿菌群等含量短時間內(nèi)會有所增高。非汛期，該河段無污染源入河，且河道水文情勢變化不大，河流水質(zhì)較現(xiàn)狀年變化不明顯。

3 結語

托帕水庫建設運行后，通過水庫調(diào)蓄使得區(qū)域地表水水溫和水質(zhì)發(fā)生變化。

(1)托帕水庫壩前垂向水溫分層具有明顯的季節(jié)性特性，全年壩前水溫結構中，4～6月、9～10月期間水溫隨水深增加而降低，且出現(xiàn)較為明顯的分層現(xiàn)象；7～8月期間水庫維持在死水位運行，且該時期上游徑流量較大，壩前垂向水溫隨水深增加而降低幅度不大；11月～次年3月期間出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。

(2)托帕水庫下泄水經(jīng)45 km河道水體表面熱交換，至恰克馬克河渠首斷面水溫可基本恢復至天然水溫。

(3)托帕水庫蓄水對水質(zhì)影響較小，水庫出庫水質(zhì)較現(xiàn)狀年變化不明顯。

(4)托帕水庫至下游恰克馬克河渠首區(qū)間河段水質(zhì)較現(xiàn)狀年無明顯變化。在汛期恰克馬克河渠首以下河段水體中N、P、糞大腸桿菌群等含量短時間內(nèi)有所增高。