雙峰寺水庫分層水溫預測分析

周 慧 ，武智宏 ，周 波

（1.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250；2.海河水利委員會水文局，天津300170）

雙峰寺水庫建庫蓄水運行后，庫區(qū)水位將明顯高于天然河道狀態(tài)［1-2]。水庫水深從庫尾至壩前斷面不斷增加，壩前水深變化最大，正常蓄水位389m情況下，壩前水深24m。水庫流速從庫尾至壩前斷面不斷減小。水庫壩址以下至第一道橡膠壩區(qū)間河段分布有魚類產卵場及索餌場。為保證魚類產卵的水溫刺激，水溫溫差應控制在1.5℃內，流速為0.5～0.8m/s。為了減輕水庫低溫水下泄對下游河道水生態(tài)的影響，采用分層取水［4-6]。制定科學合理的分層取水方案分析不同氣象和水文條件、運行方式等作用下的水庫水溫結構變化［7]。本文以雙峰寺水庫為研究對象，利用天然河道水溫和氣溫觀測系列分析水庫水溫結構，研究水庫水溫分層變化與水深的關系，為分層取水水工設計提供依據。

1 建庫后水溫分布分析

1.1 水庫水溫分布類型判別

依據《水利水電工程水文計算規(guī)范》水溫分析計算采用公式（1）判別水庫水溫分布類型［8］。

式中 α為判別系數(shù)（當α<10時為分層型；α>20時為混合型；10≤α≤20時為過渡型）；W為多年平均年徑流量（m3）； V總為總庫容（m3）。

雙峰寺水庫多年平均年徑流量2.42億m3，總庫容1.37億m3。由公式（1）判別，α=1.763<10，雙峰寺水庫為分層型。

1.2 垂向水溫分布計算

依據《水利水電工程水文計算規(guī)范》，垂向水溫分布可按經驗公式（2）～（5）計算［8]：

式中 Ty為從庫水面計水深為y處的月平均水溫（℃）；T0為庫表面月平均水溫（℃）；m為月份；n、x為與m有關的參數(shù)；Tb為庫底月平均水溫（℃）（對于分層型水庫，各月庫底水溫與其年值差別甚小，可用年值代替；對于過渡型和混合型水庫，各月庫底水溫可用式（5）計算，該式適用于23°～44°N地區(qū)）；N為大壩所在緯度；Tb′、K′為參數(shù)，其值見表1。

水庫的表層月平均水溫T0可由庫區(qū)年平均庫表水溫估算求得。根據武烈河承德市實測多年平均氣溫資料，利用年平均庫表水溫與氣溫關系折算，即：

表1 雙峰寺水庫水深與溫度關系

式中 Ia為年平均氣溫（℃）；Iw為年平均庫表水溫（℃）。

1.3 水庫底層月平均水溫估算方法

1.3.1 相關法

庫底平均水溫Tb，受地理緯度、水深、電站引水建筑物、泥沙淤積、海拔高度、庫底溫度等因素的影響，其中又以前兩項因素的影響最大?！端娝挠嬎阋?guī)范》根據10余座水庫的情況點繪了緯度、水溫和水深三因素相關圖，采用該圖查出擬建雙峰寺水庫的庫底年平均水溫為13℃。

假設不同的水深，按公式逐月計算水庫y～Ty關系，考慮溫度變化越大對環(huán)境及生物影響越不利，因此取溫度變化最劇烈的5月份作為水庫控制設計條件。按此方法雙峰寺水庫水深與溫度（y～Ty）關系見表2。

根據表1中水深與溫度（y～Ty）關系，若生態(tài)環(huán)境用水要求溫度變化小于1.5℃，則分層取水水深控制范圍為4.21m。

1.3.2 經驗估算法

由于庫底水溫較庫表水溫低，故庫底層水密度也較庫表層要大。對于分層型水庫來說，其冬季上游水溫度為年內最低，屆時水庫表層與底層水溫相差較?。?]。因此，庫底層水溫近似等于建庫前河道來水的最低月平均水溫。

本次計算取月平均水溫最小值近似代替最低月平均水溫值。計算方法見表2。

1.3.3 緯度與水庫底層水溫相關法

表2 5月份溫差水深計算（1.5℃）

水庫水溫與地理緯度的關系與氣溫相似，亦可根據《水利水電工程水文計算規(guī)范》中庫底水溫計算公式中的參數(shù)計算水庫各月底平均水溫，本方法適用于23°～44°N地區(qū)的過渡型和混合型水庫。

由于承德處于北緯40°58′且按100a一遇一次洪水總量分析，水庫會出現(xiàn)臨時混合現(xiàn)象。計算方法如表2。1.3.4 底層水溫代替法

水庫的水溫受庫區(qū)地形、氣象條件、水文條件、泄水口布置、水庫淤積形態(tài)及水庫調度運行方式等多種因素的影響，尤其在冬季嚴寒地區(qū)甚至會出現(xiàn)溫度逆轉現(xiàn)象［10]。用長系列天然河道實測月平均水溫代替擬建水庫的底層水溫更能體現(xiàn)水庫水溫的季節(jié)性變化。故采用武烈河承德站1956～1991年月平均水溫長系列進行水溫計算，采用4種方法進行計算成果分析。

（1）相關法。庫底各月平均水溫與庫底年平均水溫差異較小，庫底水溫依據緯度、水溫和水深三因素相關圖所得，計算成果較準確可靠。

（2）經驗估算法。缺少最低月平均水溫實測數(shù)據，采用月平均水溫最小值來代替，導致庫底水溫計算結果偏小。

（3）緯度與水庫底層水溫相關法。該方法適用于23°～44°N地區(qū)的過渡型和混合型水庫，而雙峰寺水庫為分層型水庫，導致計算結果有誤差。

（4）底層水溫代替法。與相關法計算成果較接近，側面驗證了計算成果的準確性和可靠性。

綜合比較4種計算成果，本工程推薦相關法方案，即假定溫差1.5℃時水位差為4.21m。結合水溫變化范圍和取水建筑物的優(yōu)化設計考慮，推薦假定溫差1.5℃時分層取水的水位差取4m。

2 結語

利用天然河道水溫和氣象觀測系列對水庫垂向水溫分布進行了分析，在此基礎上，從下游河道生態(tài)環(huán)境出發(fā)，確定了分層取水的水位差。

（1）雙峰寺水庫為分層型水庫，影響雙峰寺水庫水溫結構的因素主要有氣象因素、庫區(qū)來水流量和水溫度等。

（2）結合雙峰寺水庫自然地理條件和水庫特性，通過對水庫底層水溫的4種計算方法類比，推薦采用相關法，該成果合理、可靠，目前已用于雙峰寺水庫分層取水型式選取和確定取水口位置的設計中。

［1］國家環(huán)境保護總局環(huán)境影響評價管理司.水利水電開發(fā)項目生態(tài)環(huán)境保護研究與實踐 ［C］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2006.

［2］河北省水利水電勘測設計研究院.河北省承德市雙峰寺水庫可行性研究［R］.2010.

［3］武智宏.興建雙峰寺水庫解決承德市防洪及供水的意義［J］.水科學與工程技術，2007（2）：10-12.

［4］關于印發(fā)水電水利建設項目水環(huán)境與水生生態(tài)保護技術政策研討會會議紀要的函［Z］.環(huán)辦函［2006]11號.

［5］中國水利水電科學研究院，承德市水務局.河北省承德市雙峰寺水庫環(huán)境影響報告書［R］.2009.

［6］中國水利水電科學研究院.糯扎渡水電站分層取水水溫預測數(shù)值研究報告［R］.2008.

［7］張士杰，彭文啟.二灘水庫水溫結構及其影響因素研究［J］.水利學報，2009（10）：1254-1258.

［8］SL278—2002，水利水電工程水文計算規(guī)范［S］.

［9］陳永燦，張寶旭，李玉梁.密云水庫垂向水溫模型研究［J］.水利學報，1998（9）：14-20.

［10］蔣紅.水庫水溫計算方法探討［J］.水力發(fā)電學報，1999（2）：39-41.