汪青遼，陳媛媛

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)大型調(diào)水工程大部分干渠主要通過(guò)隧洞輸水，天然水體進(jìn)入隧洞后水溫變化主要受地?zé)嵊绊?，并且長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，埋深愈大，地?zé)釋?duì)水溫的增加作用也愈明顯[1]。同時(shí)，經(jīng)隧洞輸水并分水進(jìn)入深大水庫(kù)充蓄后調(diào)節(jié)供水，水庫(kù)的水位和水面面積將有大幅增加，庫(kù)區(qū)內(nèi)流速將減緩，往往出現(xiàn)垂向水溫分層結(jié)構(gòu)，深水水庫(kù)傳統(tǒng)底層取水口下泄的低溫水會(huì)對(duì)下游水生生物的生長(zhǎng)繁殖和農(nóng)業(yè)灌溉造成危害[2]。因此，開(kāi)展大型調(diào)水工程的輸水隧洞沿程水溫變化以及充蓄水庫(kù)下泄水溫預(yù)測(cè)研究，對(duì)于工程的環(huán)境保護(hù)具有重要意義[3]。

1 研究區(qū)概況

滇中引水工程從云南麗江市石鼓鎮(zhèn)金沙江干流右岸無(wú)壩取水，向昆明、麗江、玉溪、大理、紅河及楚雄6個(gè)市(州)35個(gè)縣(市、區(qū))供水，解決滇中地區(qū)的城鎮(zhèn)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水，多年平均引水規(guī)模34.03億m3。工程輸水干渠總長(zhǎng)661.06km，其中隧洞長(zhǎng)度占比為91.6%。輸水干渠沿程共布置分水口門25處，沿線受水區(qū)設(shè)有九龍甸水庫(kù)等16座充蓄水庫(kù)，對(duì)水量進(jìn)行調(diào)蓄后供出。

已建的九龍甸水庫(kù)壩高40.3m，正常蓄水位1907m，庫(kù)容7043萬(wàn)m3。是一座具有防洪、灌溉、城市供水等多功能的綜合性水利工程，年供農(nóng)業(yè)灌溉用水2500萬(wàn)m3，城市生活用水1500萬(wàn)m3。

2 輸水隧洞沿程水溫變化研究

2.1 研究進(jìn)展

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)隧洞水溫變化有少數(shù)研究。李然等[1]對(duì)目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)約18km埋深最大(2500m)的雅礱江錦屏二級(jí)水電站引水隧洞水溫變化進(jìn)行了分析，受深埋隧洞地?zé)嵩蛴绊懀?8km的最大增溫為0.051℃，水溫變化不明顯，表明地?zé)釋?duì)水體增溫作用不明顯。

2.2 隧洞水溫變化研究

(1)研究方法

由于滇中引水工程輸水隧洞平均埋深在500m以下，基本不具有地溫增溫效應(yīng)，而針對(duì)不具有地溫增溫效應(yīng)的隧洞水溫變化的相關(guān)文獻(xiàn)，則研究甚少。

本文采用類比實(shí)測(cè)法，通過(guò)測(cè)量具有已建類似條件隧洞的水溫變化率，來(lái)推求滇中引水輸水隧洞水溫沿程變化情況。

(2)類比工程水溫觀測(cè)結(jié)果

目前，與研究區(qū)域同在的云南省內(nèi)已建的輸水線路長(zhǎng)度超過(guò)100km、且埋深較淺的調(diào)水工程為牛欄江—滇池補(bǔ)水工程。該工程主要由德澤水庫(kù)水源樞紐工程、干河提水泵站及輸水線路工程組成。其中，德澤水庫(kù)總庫(kù)容4.48億m3，由干河泵站從德澤庫(kù)區(qū)提水送到輸水線路渠首，輸水線路總長(zhǎng)度為115.6km，其中隧洞長(zhǎng)度占比為90.16%。輸水線路落點(diǎn)在松花壩水庫(kù)下游2.2km處的盤龍江上。設(shè)計(jì)引水流量為23m3/s，多年平均向滇池補(bǔ)水5.72億m3。

滇中引水工程輸水總干渠與牛欄江—滇池補(bǔ)水工程輸水線路相比，具有如下相似點(diǎn)：①輸水線路長(zhǎng)度均為100km以上。重要的是滇中引水隧洞所占比例為91.6%，兩者隧洞占比相差不大；②線路埋深淺；③線路比降小，渠底縱坡i均<1/1000；④均采用無(wú)壓輸水方式。綜合以上工程相似特點(diǎn)，選取牛欄江—滇池補(bǔ)水工程輸水線路進(jìn)出口水溫觀測(cè)結(jié)果作為滇中引水工程輸水總干渠沿程水溫研究的類比資料。

2017年7月27日—29日，對(duì)牛欄江—滇池補(bǔ)水工程輸水線路進(jìn)出口水溫進(jìn)行觀測(cè)，共設(shè)置2個(gè)水溫觀測(cè)斷面：進(jìn)口(線路渠首)和出口(盤龍江邊)，斷面間距115.6km。觀測(cè)結(jié)果如表1。

由表1可知，牛欄江—滇池補(bǔ)水工程輸水線路出口水溫較進(jìn)口水溫略有降低，溫降0.06℃，折算后的沿程增溫率為-0.055℃/100km。

表1 牛欄江——滇池補(bǔ)水工程輸水線路水溫觀測(cè)結(jié)果

(3)滇中引水輸水隧洞水溫變化結(jié)果

引用上述增溫率計(jì)算得到滇中引水輸水總干渠的沿程水溫，預(yù)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表2。根據(jù)結(jié)果，以滇中引水輸水總干渠最末端分水口門——新坡背為例，新坡背水溫較石鼓水源區(qū)水溫略有降低，降低幅度為0.4℃。由此可見(jiàn)，滇中引水輸水干渠沿程水溫降低有限。

表2 滇中引水輸水干渠沿程水溫計(jì)算結(jié)果 (℃)

3 水庫(kù)充蓄后水溫變化影響研究

3.1 研究方法與計(jì)算條件

(1)研究方法

以滇中引水沿線最大充蓄水庫(kù)即已建的九龍甸水庫(kù)為例進(jìn)行分析。九龍甸水庫(kù)呈狹長(zhǎng)型，故寬度平均的立面二維模型可較好地模擬出水庫(kù)在縱向和垂向上的水溫時(shí)空分布，本文采用CE-QUAL-W2二維水溫水質(zhì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了預(yù)測(cè)。該軟件設(shè)定水體橫向參數(shù)均勻(流速、溫度、濃度等變化忽略)，通過(guò)對(duì)水體縱向分段和垂直分層來(lái)模擬水體的溫度梯度及水質(zhì)變化情況。

根據(jù)調(diào)查,九龍甸水庫(kù)回水區(qū)長(zhǎng)度達(dá)4.5km，底坡平緩，將整個(gè)庫(kù)區(qū)劃分45×40(縱向×垂向)個(gè)單元格，其中縱向單元格長(zhǎng)100m，垂向共分40層，每層厚1m。

影響水庫(kù)水溫分層時(shí)空特性的因素較多，為方便計(jì)算，簡(jiǎn)化為氣象、入流、出流、水庫(kù)形態(tài)等因素。CE-QUAL-W2模型涉及到水動(dòng)力主要參數(shù)及數(shù)值見(jiàn)表3。參數(shù)在模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不斷對(duì)比中進(jìn)行修改，直到精度滿足要求。

表3 水動(dòng)力參數(shù)值

(2)計(jì)算條件

水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度采用九龍甸水庫(kù)2040年平水年運(yùn)行時(shí)的流量、水位等調(diào)度過(guò)程。

由于九龍甸水庫(kù)所處河流沒(méi)有水溫監(jiān)測(cè)資料，采用鄰近流域小江的小江(二)水文站資料擬合水溫與氣溫的相關(guān)關(guān)系，推算得到了充蓄水庫(kù)的壩址各月天然水溫。

計(jì)算中采用實(shí)測(cè)大斷面資料，并根據(jù)水位～庫(kù)容～面積曲線進(jìn)行修正，以保證各水位下概化地形的庫(kù)容和面積與設(shè)計(jì)資料一致。采用楚雄市氣象站的多年逐月的氣象數(shù)據(jù)。

3.2 水庫(kù)充蓄后下泄水溫計(jì)算

平水年九龍甸水庫(kù)壩前水溫垂向分布見(jiàn)圖1，比較平水年月均下泄水溫、壩前表層水溫、庫(kù)底水溫、壩址處天然水溫年內(nèi)過(guò)程，見(jiàn)圖2和表4。

表4 平水年月均下泄水溫、表層水溫、庫(kù)底水溫、壩址天然水溫 (℃)

圖2 平水年月均下泄水溫、壩址處天然水溫比較

九龍甸水庫(kù)全年水位在1884.15～1903.87m變動(dòng)，壩前最大水深32m。由圖1可知，九龍甸水庫(kù)為季節(jié)性水溫分層型水庫(kù)，其中，3—8月隨著水深增加，水溫也逐步下降，其中5月表層和底層水溫相差最大，為5.2℃；其余月份垂向水溫不分層。太陽(yáng)輻射是造成水溫分層的最重要因素[4]。

滇中引水充蓄水庫(kù)后，受石鼓水源來(lái)流低溫以及水溫分層影響，平水年2—6月水庫(kù)下泄水溫比天然水溫低，平均降低了1.7℃，最大低2.7℃；而7月—次年1月較天然水溫略有偏高，平均偏高1.4℃，最大高2.8℃。

3.3 水庫(kù)充蓄前后的水溫對(duì)比

滇中引水后，因石鼓水源點(diǎn)“低溫水”效應(yīng)及水庫(kù)充蓄補(bǔ)水后較現(xiàn)狀年高水位運(yùn)行等因素引起的水庫(kù)低溫水加劇現(xiàn)象，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 九龍甸水庫(kù)充蓄前、后水庫(kù)下泄水溫對(duì)比 (℃)

滇中引水充蓄后，平水年1—3月未向九龍甸水庫(kù)補(bǔ)水，九龍甸水庫(kù)1—3月充蓄前后的下泄水溫未發(fā)生變化。而4—12月，滇中引水不同程度向九龍甸水庫(kù)補(bǔ)水，受石鼓水源來(lái)流低溫以及水庫(kù)運(yùn)行導(dǎo)致的水溫分層影響，4月水庫(kù)下泄水溫較充蓄前升高0.2℃，除此之外的其余月份下泄水溫較充蓄前普遍偏低，平均低0.5℃，最大偏低0.8℃?？梢?jiàn)，滇中引水充蓄對(duì)九龍甸水庫(kù)下泄水溫影響不大。

4 低溫水對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉影響

灌溉水的水溫對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)影響頗大，水溫偏低，抑制作物的生長(zhǎng)從而影響作物產(chǎn)量；水溫過(guò)高，會(huì)降低水中溶解氧的含量，破壞作物的正常生長(zhǎng)。因此，灌溉水要有適宜的水溫[5]。

云南滇中地區(qū)種植農(nóng)作物主要為水稻、玉米等喜溫性作物。因水稻灌溉單位面積需水量最大，水稻生長(zhǎng)受水溫影響也最大，故以水稻灌溉為例分析灌溉水溫影響。水稻分蘗期(5月)最低臨界水溫為17℃，最適水溫是32℃，水溫低于17℃分蘗停止。水稻生長(zhǎng)期(6月)最低水溫為18℃，最高水溫為38℃[6]。

根據(jù)上述預(yù)測(cè)，九龍甸水庫(kù)5月、6月輸水洞出水口水溫分別為19.7℃、22.0℃，水溫均在水稻分蘗期和生長(zhǎng)期的正常水溫承受范圍內(nèi)。因此，水稻灌溉期間水溫基本能滿足作物要求溫度，不影響作物正常生長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

滇中引水工程主要通過(guò)隧洞輸水并對(duì)沿線16座充蓄水庫(kù)進(jìn)行充蓄，通過(guò)對(duì)輸水隧洞水溫變化研究以及最大充蓄水庫(kù)九龍甸水庫(kù)水溫垂向分布特征進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)監(jiān)測(cè)類似工程隧洞輸水水溫沿程增溫率為-0.055℃/100km，并據(jù)此計(jì)算得到滇中引水工程輸水總干渠石鼓水源至終點(diǎn)新坡背水溫的水溫降低幅度為0.4℃。由此可見(jiàn)，滇中引水工程輸水干渠全段水溫變幅有限。

(2)滇中引水充蓄后，九龍甸水庫(kù)為季節(jié)性水溫分層型水庫(kù)。其中3—8月份隨著水深增加，水溫也逐步下降，其中5月份表層和底層水溫相差最大，為5.2℃。其余月份垂向水溫不分層。受石鼓水源來(lái)流低溫以及水溫分層影響，平水年2—6月水庫(kù)下泄水溫比天然水溫低，平均降低了1.7℃，最大低2.7℃。年均水溫變化0.2℃。

(3)充蓄后水庫(kù)下泄水溫，較充蓄前平均低0.5℃，最大偏低0.8℃。可見(jiàn)，滇中引水充蓄對(duì)九龍甸水庫(kù)下泄水溫影響不大。

(4)水稻分蘗期和生長(zhǎng)期的灌溉水溫均在水稻正常水溫承受范圍內(nèi)，水稻正常生長(zhǎng)不受影響。