譚 升 魁1，周 武1，黃 濱1，施 家 月1，鄧 云，脫 友 才

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014； 2.四川大學(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，四川 成都 610065)

大型水庫(kù)的修建，使得庫(kù)區(qū)河段水溫由原河道的混合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇瓜蚍謱?，壩址處水?kù)下泄出現(xiàn)低溫水和高溫水現(xiàn)象，并且其過(guò)程的相位發(fā)生移動(dòng)，升溫期和降溫期特征水溫值出現(xiàn)時(shí)間發(fā)生延遲。建庫(kù)河段熱力的時(shí)空改變，將直接影響水體中生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和其他水質(zhì)參數(shù)過(guò)程[1-2]，將對(duì)壩下河道魚(yú)類繁殖和灌區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)等產(chǎn)生直接影響[3-4]。

對(duì)于水庫(kù)修建引起的河道水溫變化，國(guó)外學(xué)者自20世紀(jì)60年代起就開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，早期的水溫研究主要為美國(guó)、日本等國(guó)家通過(guò)水庫(kù)原型觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)資料獲取基本規(guī)律，隨著熱力學(xué)、水力學(xué)、氣象學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，逐漸形成以數(shù)學(xué)模型為主流的研究方法[5-7]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了一批高壩大庫(kù)，其水溫影響已受到國(guó)家環(huán)保部門(mén)的高度關(guān)注，并持續(xù)開(kāi)展了多個(gè)200 m壩高、50億m3以上庫(kù)容的水庫(kù)實(shí)地調(diào)查[8-9]、預(yù)測(cè)模擬[10-11]和減緩措施效果研究[12]。盡管目前已對(duì)不同類型水庫(kù)水溫開(kāi)展了較為充分的研究工作，基本掌握了水溫影響程度和演變規(guī)律，但這些研究對(duì)象大多集中在溫帶和寒帶地區(qū)，而對(duì)熱帶地區(qū)的研究相對(duì)較少。熱帶地區(qū)具有太陽(yáng)輻射強(qiáng)、氣溫高的特點(diǎn)，加之徑流周期過(guò)程受臺(tái)風(fēng)、熱帶氣候的影響，其氣候和徑流過(guò)程與內(nèi)陸地區(qū)存在明顯的差異，將導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的水溫時(shí)空變化具有特異性[13-14]。

南渡江地處我國(guó)熱帶北部，為海南島第一大河，年均氣溫20℃以上，主要徑流量分布集中8～10月，占全年的50%以上[15]。該區(qū)域內(nèi)水資源的開(kāi)發(fā)利用，在改變南渡江天然河道的水文過(guò)程和水力學(xué)條件的同時(shí)，所產(chǎn)生的水溫影響也不可忽視[16-17]。因此，本文以海南省南渡江干流已建松濤水庫(kù)和某擬建水庫(kù)為例，采用實(shí)測(cè)水溫資料和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法預(yù)測(cè)分析熱帶地區(qū)水庫(kù)壩前垂向水溫分布及下泄水溫的時(shí)空變化規(guī)律，以期初步探索熱帶地區(qū)水庫(kù)的熱分層特征，并評(píng)估工程采取分層取水措施的水溫改善效果。

1 工程概況

擬建水庫(kù)位于海南省南渡江干流中游，上游為已建松濤水庫(kù)，下游為已建谷石灘水電站(見(jiàn)圖1)。工程任務(wù)以供水、防洪為主，兼顧發(fā)電，并為改善下游水生態(tài)環(huán)境和灌溉創(chuàng)造條件。水庫(kù)最大壩高71.5 m，裝機(jī)容量30.0萬(wàn)kW，壩址控制流域面積970.0 km2，多年平均流量34.9 m3/s，水庫(kù)正常蓄水位108.0 m，死水位72.0 m，總庫(kù)容6.62億m3，水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)作用。水庫(kù)庫(kù)水替換次數(shù)a為1.7，經(jīng)驗(yàn)判斷水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定分層型。

圖1 某擬建水庫(kù)位置示意Fig.1 Location diagram of a proposed reservoir

2 研究方法

2.1 數(shù)學(xué)模型選擇

對(duì)于湖泊型水庫(kù)的水溫研究，垂向一維水溫模型憑借其計(jì)算效率高、網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)便、模型參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，在黑河[18]、丹江口[19]、亭子口[20]、密云[21]和東江[22]等水庫(kù)中得到了廣泛應(yīng)用，在水庫(kù)垂向水溫結(jié)構(gòu)和下泄水溫過(guò)程方面具有較高精度的模擬效果。本文研究的擬建水庫(kù)庫(kù)區(qū)水系復(fù)雜、分岔支流眾多，庫(kù)區(qū)水面也較為開(kāi)闊，水面平均寬度達(dá)317.5 m，最寬處達(dá)1 190.7 m，庫(kù)容主要集中在壩前20 km范圍內(nèi)，且壩前平均流速小于0.004 m/s，屬于流動(dòng)相對(duì)較緩的湖泊型水庫(kù)。因此，本文選取垂向一維水溫模型來(lái)開(kāi)展熱帶地區(qū)庫(kù)區(qū)壩前水溫和壩址處下泄水溫的水溫演變規(guī)律研究。

2.2 模型驗(yàn)證

垂向一維水溫模型計(jì)算中，表面熱通量和垂向紊動(dòng)擴(kuò)散的合理取值是影響垂向水溫模擬效果的關(guān)鍵[23]。本文采用同流域緊臨擬建水庫(kù)上游約55 km的松濤水庫(kù)原型觀測(cè)資料(已開(kāi)展為期4個(gè)月的水溫觀測(cè)，主要包括入出庫(kù)水溫過(guò)程、庫(kù)區(qū)垂向水溫分布)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)率定，松濤水庫(kù)和擬建水庫(kù)工程特性對(duì)比見(jiàn)表1。模擬時(shí)段為2016年3月2日至2016年6月13日，以3月2日測(cè)量的垂線水溫成果為初始條件。經(jīng)多次試算，模型參數(shù)取值分別為：太陽(yáng)輻射水體表面吸收率β=0.65，太陽(yáng)輻射在水體中的衰減系數(shù)η=0.35m-1，模型垂向擴(kuò)散系數(shù)Dz=1.0×10-6m2/s。

表1 主要工程特性對(duì)比Tab.1 Comparison of the main engineering features

圖2～3為松濤水庫(kù)垂向水溫和下泄水溫模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖?？梢钥闯觯韺铀疁氐哪M值與實(shí)測(cè)值差異在0.3 ℃(4月)～0.7 ℃(6月)之間，庫(kù)底水溫的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致(均為19.1 ℃)，垂向斜溫層位置、厚度及溫度梯度吻合較好。模型較好地模擬出在氣象和徑流的作用下，松濤水庫(kù)壩前從3月的同溫狀態(tài)逐漸發(fā)展為4月和6月的分層狀態(tài)。由于松濤水庫(kù)取水口高程較高，下泄水溫取得表層溫水，總體呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，局部時(shí)間段內(nèi)可能由于水位的變動(dòng)及氣溫的影響出現(xiàn)小幅度的下降。計(jì)算時(shí)段內(nèi)，下泄水溫模擬值較實(shí)測(cè)值偏高0.6℃，這可能與采用縣城氣象邊界條件的統(tǒng)計(jì)平均值有關(guān)?？傮w來(lái)看，模型可以很好地模擬在徑流、氣象、水庫(kù)特性等多個(gè)要素耦合作用下熱帶地區(qū)水庫(kù)水溫分層的形成與發(fā)展過(guò)程，模擬計(jì)算精度在可接受范圍內(nèi)。

圖2 松濤水庫(kù)垂向水溫模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.2 Comparison of the simulated and measured vertical water temperature in Songtao Reservoir

圖3 松濤水庫(kù)下泄水溫模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3 Comparison of the simulated and measured temperature of water discharged from Songtao Reservoir

3 水庫(kù)熱力特征分析

圖4與圖5為擬建水庫(kù)年內(nèi)垂向水溫分布與溫度梯度預(yù)測(cè)結(jié)果。總體來(lái)看，該擬建水庫(kù)的水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)季節(jié)性分層特征。水庫(kù)在1月由于冬季垂向?qū)α?、混合而趨于同溫，中旬垂向平均水溫?9.4 ℃。隨著氣溫的升高，2月垂向分層現(xiàn)象初現(xiàn)，垂向溫差為1.0 ℃。入春后氣溫持續(xù)上升，3～5月月均氣溫比2月提高5.8 ℃，日照增強(qiáng)，庫(kù)表吸收的熱輻射大大增加，同時(shí)水庫(kù)來(lái)流高溫水由于密度小在庫(kù)區(qū)上層水體中流動(dòng)，而水庫(kù)深層水體由于水的透光性差、傳熱難而升溫較慢，水溫垂向分層逐漸加強(qiáng)，至5月垂向溫差達(dá)到10.1 ℃。6～7月入流水溫和氣溫逐漸到達(dá)全年最高值，表層水溫進(jìn)一步升高，同時(shí)流動(dòng)引起的垂向摻混和上下層水體間的熱傳導(dǎo)使庫(kù)區(qū)中下層水體溫度有所升高。8月出庫(kù)流量加大，水位較7月降低3.9 m，水庫(kù)運(yùn)行進(jìn)一步加大了庫(kù)區(qū)中下層水體的摻混，其水溫整體有較大地提升，但庫(kù)底低溫層仍未被破壞，垂向溫差全年最大為11.8 ℃。入秋后，來(lái)流水溫和熱輻射值也開(kāi)始較大幅度地下降，庫(kù)表進(jìn)入失熱狀態(tài)，表層水溫下降發(fā)生垂向密度對(duì)流，導(dǎo)致表層一定深度同溫，出現(xiàn)底層溫躍層并逐漸向庫(kù)底移動(dòng)。受南海夏季風(fēng)南撤影響，9～10月南渡江進(jìn)入主汛期，其入流徑流量占全年徑流量的41.1%，水庫(kù)上下層水體間摻混強(qiáng)烈，庫(kù)底溫躍層消失，水體垂向趨于同溫狀態(tài)。冬季(11月至次年1月)氣溫持續(xù)降低，水庫(kù)持續(xù)處于失熱狀態(tài)，垂向密度對(duì)流占主導(dǎo)地位，使庫(kù)區(qū)水溫持續(xù)維持等溫狀態(tài)。

表2為水庫(kù)壩址附近不同特征水溫與氣溫的對(duì)比。壩址天然水溫與氣溫相比，年均值高2.0 ℃，且各月的幅度在1.8 ℃～2.1 ℃之間，表明海南氣候條件下由于水體長(zhǎng)時(shí)段在高氣溫和強(qiáng)輻射作用下具有明顯的吸熱作用，水溫背景值較高。水庫(kù)修建后，表層繼續(xù)保持顯著的吸熱和蓄熱作用，其水溫范圍為19.1 ℃～31.0 ℃，且年內(nèi)均不同程度地高于氣溫(幅度為0.5 ℃～3.5 ℃)。由于水庫(kù)取水口位置較低(底板高程為70.0 m)，取水深度約為32.0 m，而壩前水深平均為48 m，將導(dǎo)致水庫(kù)長(zhǎng)時(shí)段取用底層低溫水，1～8月的水庫(kù)下泄水溫較壩址天然平均偏低5.5 ℃，尤其升溫期(5～6月)最為顯著，平均偏低9.6℃。盡管水庫(kù)低溫水現(xiàn)象比較顯著，但9～12月并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的高溫水現(xiàn)象，平均水溫僅高于天然狀態(tài)0.7 ℃。水庫(kù)下泄水溫呈現(xiàn)出春夏季強(qiáng)低溫水、秋冬季弱高溫水的規(guī)律，還主要與年內(nèi)徑流分配及由此產(chǎn)生的熱效應(yīng)有關(guān)。由圖3可知，主汛期9～10月的大徑流過(guò)程帶走了水庫(kù)在夏季通過(guò)入流和大氣積蓄的熱量，庫(kù)區(qū)形成以9～10月入流水溫為背景值的熱量基礎(chǔ)，大大減弱了11月后冬季的高溫水影響。

4 疊梁門(mén)分層取水效果研究

擬建水庫(kù)下游分布有灌區(qū)及魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)，下泄和取用低溫水可能導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)、魚(yú)類生長(zhǎng)發(fā)育變慢，繁殖期推遲，因此，有必要采取工程措施盡可能取用表層水體以減緩低溫水的影響。根據(jù)工程樞紐布置條件，擬采取疊梁門(mén)進(jìn)行分層取水。擬建水庫(kù)疊梁門(mén)層高為5 m，層數(shù)為7層，最大擋水高程為105 m，最小淹沒(méi)深度為4.1 m。預(yù)測(cè)年全年平均水位為105.9 m，范圍為104.4～107.3 m，根據(jù)疊梁門(mén)的調(diào)度原則，預(yù)測(cè)年全年可采用6層疊梁門(mén)，取水深度較底層取水口上沿高程抬高26.2 m。

表2 水庫(kù)不同特征水溫與氣溫統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of various characteristics water temperature and air temperature

疊梁門(mén)運(yùn)行后，疊梁門(mén)將庫(kù)區(qū)100 m高程以下的冷水層阻擋在壩前，主要流動(dòng)層為疊梁門(mén)頂100 m高程以上的表層溫水層，使得疊梁門(mén)高程附近形成溫度梯度較大的溫躍層，進(jìn)而抑制表層熱量向庫(kù)底傳遞。工程有無(wú)疊梁門(mén)措施取水過(guò)程示意圖見(jiàn)圖6。由于取水結(jié)構(gòu)和取水口高程發(fā)生較大變化，水庫(kù)壩前垂向水溫結(jié)構(gòu)由底層取水方式的季節(jié)性分層型變?yōu)榀B梁門(mén)運(yùn)行方式的穩(wěn)定分層型。同時(shí)，兩種取水方式下，垂向溫躍層位置和梯度也有顯著的變化，底層取水口方案下的溫躍層高程變化范圍較大，從春季初期形成分層后的90～100 m變?yōu)檠雌诤蟮?0～100 m，而疊梁門(mén)運(yùn)行方式下的垂向溫差相當(dāng)集中在80～100 m高程之間。

圖7為采取疊梁門(mén)分層取水前、后年內(nèi)壩前垂向水溫結(jié)構(gòu)的變化對(duì)比。疊梁門(mén)的采用，抬高了取水高程，使得水庫(kù)能夠連續(xù)取用水庫(kù)表層溫水，底層取水口方案的下泄低溫水現(xiàn)象得到明顯的改善。表3為水庫(kù)疊梁門(mén)運(yùn)行前后下泄低溫水和高溫水對(duì)比。疊梁門(mén)方案下1～8月的下泄水溫較底層取水口方案提高了0.1℃～9.5℃，平均提高4.6℃，其中6月改善效果最明顯，提高了9.5℃，最大水溫降幅從底層取水口方案的9.7℃(6月)提高至疊梁門(mén)方案的2.3℃(3，4月)。

水庫(kù)的修建改變了河流天然水溫過(guò)程，而生態(tài)系統(tǒng)中已經(jīng)建立基于原天然河道和氣候的固有生態(tài)規(guī)律，因此水庫(kù)下泄水溫過(guò)程及生態(tài)敏感時(shí)期特征水溫的延遲幅度是水溫研究的重要方面之一。圖8為疊粱門(mén)運(yùn)行前后下泄水溫延遲情況。

圖6 有無(wú)疊梁門(mén)措施取水過(guò)程示意Fig.6 Comparision of the water intaking processes by bottom gate and stoplog gate

圖7 疊梁門(mén)運(yùn)行前后壩前水溫結(jié)構(gòu)分布Fig.7 Distribution of the water temperature structure in front of the dam before and after the stoplog gate running

水庫(kù)修建前，壩址處天然水溫到達(dá)25 ℃和30 ℃的時(shí)間分別在3月下旬和5月下旬，而底層取水方案下水庫(kù)下泄水溫延遲幅度較大，在8月上旬和9月中旬才分別達(dá)到25 ℃和30 ℃，而實(shí)施疊梁門(mén)后，下泄水溫年內(nèi)變化規(guī)律與天然過(guò)程基本一致，僅2～5月較天然略微偏低，水溫的延遲性現(xiàn)象基本消除，從而可以較好地消除水庫(kù)修建帶來(lái)的水溫變化對(duì)下游農(nóng)作物和魚(yú)類生長(zhǎng)繁殖、生活習(xí)性產(chǎn)生不利影響。

表3 疊梁門(mén)運(yùn)行前后下泄低溫水和高溫水對(duì)比Tab.3 Comparison of the low and high temperature water discharged before and after the stoplog gate running ℃

圖8 下泄水溫延遲情況Fig.8 Delayed situation of the discharged water temperature

5 結(jié) 論

本文開(kāi)展了垂向一維水溫?cái)?shù)值模型在熱帶地區(qū)的適應(yīng)性研究，采用海南南渡江干流上游已建松濤水庫(kù)的實(shí)測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定，模型參數(shù)取值情況為：水體表面吸收率β=0.65，太陽(yáng)輻射在水體中的衰減系數(shù)η=0.35 m-1，垂向擴(kuò)散系數(shù)Dz=1.0×10-6m2/s。由于松濤水庫(kù)缺乏完整系列的年內(nèi)水溫資料，故采用同流域、同類型某擬建水庫(kù)開(kāi)展熱帶地區(qū)水庫(kù)水溫特征研究。數(shù)值模擬研究表明，熱帶地區(qū)水庫(kù)仍具有與亞熱帶、溫帶等地區(qū)類似的水溫分層結(jié)構(gòu)，主要分層時(shí)期主要為4～8月，最大垂向溫差高達(dá)11.8 ℃，但全年的表層水溫均高于氣溫過(guò)程，其幅度達(dá)到2.2 ℃。由于南海氣候引起的流域主汛期發(fā)生在9～10月，主汛期的大徑流過(guò)程帶走了水庫(kù)夏季存儲(chǔ)的熱量，使得水庫(kù)冬季下泄水溫呈現(xiàn)高溫水較弱的特征。由于水庫(kù)具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力及取水深度較大，水庫(kù)存在較為明顯的低溫水影響。本文探討了采取疊梁門(mén)分層取水對(duì)春夏季低溫水的改善效果，由于疊梁門(mén)的實(shí)施，水庫(kù)由中底層取水變?yōu)楸韺尤∷?，?kù)區(qū)水溫結(jié)構(gòu)也相應(yīng)從季節(jié)性分層型改變?yōu)榉€(wěn)定分層型，下泄水溫最大降幅由9.6 ℃提高至2.3 ℃，延遲現(xiàn)象基本消除。