不同類型水庫對庫區(qū)及河道水溫的影響

唐 旺，周孝德，袁 博

（西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安710048）

水庫為了滿足防洪、發(fā)電和供水等多功能的要求而設定了不同的運行方式，通過對天然徑流的調控實現了水資源的充分利用，然而，水庫運用在改變了天然河流的水文情勢同時也對熱量進行了時空分配，引起了水溫在流域沿程和水深上的梯度變化［1］，進而對水生生態(tài)系統(tǒng)產生了不同程度的影響。因此，水庫水溫變化與水庫運行方式密切相關。在影響水庫水溫分布的諸多因素中，水庫運行方式是人為可控因素，水庫調度是依據水庫不同用水目標而設置用水過程，不同的出入庫流量及運行水位和取水口位置的改變都會對庫體內水溫分布及下泄水溫產生不同影響。Neumann［2］提出了一套決策支持系統(tǒng)對水庫下泄水體進行調控，并在秘魯的Truckee河上進行應用以保障夏季下游河道水溫滿足魚類生存和繁殖的要求。鄧云［3］等分析了水庫調度方案調整對下游河道水溫的不同影響，研究表明在4—6月升溫期加大泄流量，引水口可獲得更多的表層溫水，從而提高下游水溫避免對魚類生存的不利影響。陸俊卿［4］等對比了各典型年在不同取水口高程條件下水庫下泄水溫的差別，為該電站運行方式設定提供依據；郝紅升［5］等探討了不同的取水口高程對水庫水溫結構的影響，指出庫區(qū)水溫分布結構隨著取水口高程的變化而不同，通過水庫分層取水可以減輕水庫下泄低溫水的不利影響。張士杰［6］等模擬水庫出水位置下移對的水溫結構的改變，其結果顯示中層均溫層垂向厚度增加對庫底水溫的干擾增強。水庫按運行特性通常劃分為多年、年、季及月、日等調節(jié)方式，水庫的調節(jié)程度愈高，對天然水溫過程的影響就越大［7］，對于水溫年周期的變化規(guī)律，年際調節(jié)和年調節(jié)（包括不完全年調節(jié)）的水庫對水溫的影響是最為顯著的［8］。因此，本研究選用這兩種類型的水庫為例，通過已有實測水溫資料和模擬的庫區(qū)垂向水溫分布結果，分析不同的運行方式對庫區(qū)的水溫變化以及下游水溫的影響特征，為兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)需求的水庫調度提供依據。

1 工程概況及水庫運行特征

多年調節(jié)型水庫以黃河干流的龍羊峽水電站為例，該水庫具有約20a的水庫運行資料，其上下游水文站均有水溫觀測；對于年調節(jié)型水庫選取黃河干流已規(guī)劃的寧木特水電站，其運行條件依據工程設計給出的水文調度過程。

1.1 工程概況

龍羊峽水電站位于青海省共和與貴南兩縣交界的龍羊峽峽谷進口約2km處，壩址處天然年平均徑流量2.08×1010m3，壩高178m，水庫正常蓄水位為2 600m，對應庫容2.47×1010m3，回水長度108km，死水位2 530m，發(fā)電引水口高程2 512m，壩前正常蓄水位對應水深154m，水庫主要承擔發(fā)電、防洪、防凌和供水等綜合用水任務。寧木特水電站位于青海省河南縣寧木特鄉(xiāng)和瑪沁縣黃河干流界河上，距下游龍羊峽水電站515km，壩址處天然年平均徑流量1.50×1010m3，最大壩高139m，水庫正常蓄水位3 410m，相應庫容4.46×109m3，年調節(jié)性能，水庫回水長度157.3km，發(fā)電引水口高程3 360m，壩前正常蓄水位對應水深130m。

1.2 水庫運行特征

水庫運行方式是根據水庫來流量變化考慮其綜合用水要求進行設定，水庫入流水文條件和運行水位是水庫對徑流調控的基本參數。為對比不同水庫的運行方式對水庫水溫分布影響的特征，將龍羊峽水庫運行方式表征為水庫典型運行水位，寧木特水庫為3種典型年來水條件組合工況。兩個水庫不同典型年水庫運行特征詳見表1，年內不同典型年水位變化過程如圖1所示。龍羊峽水庫由于建庫后黃河來水較枯，基本在較低水位運行，僅有4a水量超出多年平均徑流量，直至2005年底水庫蓄至歷史最高水位2 596m。考慮到已有的水文和水溫資料，水庫來水條件選取水庫相對豐、平和枯的3個典型年［9］，各運行條件下出水均用于發(fā)電。同時，這3個年份水庫運用過程也可對應水庫從低水位向中、高水位過渡的過程。寧木特水電站是年調節(jié)類型，調度規(guī)則是汛前12月—5月水庫從正常蓄水位3 410m逐漸放水至死水位3 380m，汛期水庫蓄水逐漸從最低水溫3 380m升至正常蓄水位3 410m。3種典型年出入庫用水過程年內出入庫水量平衡，在豐水年和平水年汛期有一定棄水，基本為發(fā)電出水，枯水年無棄水。

2 研究方法

龍羊峽水電站庫區(qū)水溫分布特征以1992和2006年兩個典型年實測水溫結構來分析，兩個典型年水庫運行水位相差大，由于水溫資料不全，2006年給出3—10月庫區(qū)水溫分布。同時，為反映水庫下泄水流對河道水溫的不同影響效應，選取3個典型年運行工況下其下游的貴德水文站斷面的觀測水溫與建庫前天然水溫進行對比，觀測水溫可以代表龍羊峽水電站下泄水溫的特征，天然水溫以當年水庫上游唐乃亥水文站的水溫值按水庫建庫前唐乃亥站與貴德站多年水溫數據的相關分析推求同期貴德站的水溫值。

表1 不同典型年水庫運行參數

圖1 水庫不同典型年水庫水位變化過程

寧木特水電站庫區(qū)水溫分布采用三維數學模型進行水庫建模模擬。模型主要控制方程包括水流連續(xù)、動量、能量傳輸、溫度對流擴散和狀態(tài)方程。水動力學計算采用交替方向隱式迭代法（ADI）對質量及動量守恒方程進行積分，對其產生的數學矩陣將采用雙精度掃描法進行求解。計算模擬范圍為壩址至庫區(qū)回水末端（壩址以上約157km），采用三維矩形網格，尺寸為800m×100m×5m（縱向×橫向×垂向），計算區(qū)域網格數共8 092個，計算時間步長30s。模擬時段為各工況庫區(qū)全年內水溫計算。

上游邊界條件采用年內各月入庫流量，下游邊界條件依據年內各月水庫發(fā)電引水量和水庫棄水量給定，氣象邊界條件采用該地區(qū)氣象站多年月平均資料，氣象條件和入庫水溫見表2。

寧木特水電站下游515km是龍羊峽，以2006年在龍羊峽水庫壩前作了9次實測水溫為參照，調試參數，主要考慮兩個方面，其一是紊動閉合模型的參數Cs，其二是水面和大氣的熱量交換模型內的參數。大氣的熱量交換考慮對流產生熱量、蒸發(fā)潛在的熱量、凈短波輻射和凈長波輻射等4個方面作用，依據當地氣象資料和水體特征設定水庫表面與大氣的熱量交換熱量經驗常數值［8］，道爾頓常數a1和b1為0.7和0.9，埃斯特朗太陽系數a2和b2為0.295和0.451，吸收的光能系數為0.5，消光系數0.6。初始流場為靜止狀態(tài)，初始溫度場設定為典型年4月初，假定水庫垂向水溫為4℃分布均勻場。

表2 寧木特水電站氣象參數及入庫水溫

3 結果與分析

3.1 龍羊峽水電站水溫分析

由1992和2006年庫區(qū)水溫分布情況可以看出，相對正常蓄水位2 600m，1992年為低水位運行，由于水庫處于高寒地區(qū)，入流水溫較低，非汛期來流量較少，庫區(qū)呈現低溫水的混合型分布，6月初水位處于全年最低，水面距發(fā)電引水口位置較近，表層水平流動較強，此時表層水面以下近20m為15℃恒定的表溫層，7月入庫流量顯著增大，入流水溫進一步升高，溫躍層下移，對應的溫度梯度降低。8月入庫流量有所下降，入流水溫為全年最高，垂向水溫呈現上部水溫對底部水溫的干擾增強，庫底部沒有明顯的滯溫層，9月后來流量與上月相當，而入流水溫進入降溫期，隨著表層水溫與底部水溫逐步接近，分層減弱，10月向混合狀態(tài)轉變?？傮w看來，1992年5—10月水庫為穩(wěn)定分層，其它月份為混合型分布，由于汛期水庫運用為蓄水過程，水位變化大，水庫水溫變化受入流水溫影響顯著，水溫分層結構為表溫層和溫躍層兩分層分布，由發(fā)電引水口高程對應水溫過程來看，下泄水體水溫依然為正弦分布規(guī)律。2006年水庫在高水位運行，由于底部蓄存大量較低溫水體，5月前基本為混合型分布，6月表面等溫層較薄，以下為較厚的溫躍層，底部水溫僅有6℃左右；7月入庫水溫為全年最高，由于水位波動較小，入流熱能和表面熱通量不足以改變表層與下部水溫的交換，溫躍層隨著表溫的升高有一定下移，溫度梯度增大；8月進入降溫期，表溫層水溫降低，溫躍層繼續(xù)下移，9—10月入庫水溫降溫明顯，表層水溫顯著增厚，溫躍層下移加快，隨著表溫與底部水溫接近，溫躍層變薄，溫躍層底部水溫有所上升。可以看出，水庫在高水位運行，水深較大，水位變幅小，庫區(qū)垂向水溫分布在6—10月為穩(wěn)定的3分層，由發(fā)電引水口高程對應水溫過程來看，下泄水體水溫變幅在3℃左右，徹底改變了天然河道水溫季節(jié)性高低分明的正弦分布規(guī)律。

龍羊峽水電站3個典型年工況條件下，其下游的貴德水文站的觀測水溫與天然水溫變化如圖2所示。從圖2可以看出，各工況天然水溫僅在7月份水溫有較大差異，呈現為明顯的正弦分布規(guī)律。平水年低水位運行時，觀測水溫與天然水溫相比，年內水溫變幅減少了4.7℃，最低溫升幅和最高溫降幅基本相同；在3—8月河道水溫升溫延遲的現象顯著，觀測水溫低于天然水溫，最大溫差值出現在5月為4.6℃；其余月份相反，冬季下泄水體的升溫體現了水庫的調蓄儲熱作用。豐水年中水位運行時，觀測水溫年內變幅比天然水溫減少1／2以上，各月水溫趨于均化；在4—9月，觀測水溫低于天然溫水，最大溫差值出現在7月為7.4℃，升溫延遲的現象比平水年工況更為明顯；其余月份相反，最大溫差值出現在12月為8.1℃，可以判定豐水年的水文條件和汛期蓄存大量較高溫水體是導致冬季水體升溫更為顯著的根本原因。與平水年工況相比，其對下游水溫影響效應有所增大?？菟旮咚贿\行時，最高水溫在9月，出現相位偏移，延遲時間達2個月，觀測水溫年內變化范圍為5.2～8.7℃，年內水溫變幅降低不足天然水溫的1／5，反映出水庫運用對天然水溫的坦化現象非常顯著，在4—10月，觀測水溫低于天然河道水溫，最大溫差值高達11.4℃；其余月份觀測水溫高于天然溫水，最大溫差值為6.9℃，可見枯水年高水位運行對天然河道水溫的影響效應最為顯著。

圖2 不同典型年貴德水文站的觀測水溫與天然水溫變化

3.2 寧木特水電站水溫分析

利用已經參數率定過的水溫模型模擬寧木特水電站庫區(qū)3種典型年工況下水溫分布，分別提取3種典型年各月壩前垂向水溫值。分析得出，9—12月入流水溫、氣溫和太陽輻射的逐漸降低，庫區(qū)垂向水溫表層也隨之降低，但底部水溫變化不大；1，4月庫區(qū)垂向水溫分布處于混和型，水溫表層、底層差異很?。?—3月氣溫為全年最低，庫區(qū)表層水體水溫較低在2℃左右，底部水溫仍維持在4℃；5月庫區(qū)水位到達全年最低值，隨著入流水溫、氣溫和太陽輻射的逐漸升高，表層水溫迅速增長，壩前水溫逐漸過渡到分層型；6—8月，庫區(qū)水體呈現穩(wěn)定分層狀態(tài)。各工況同時段相比，枯水年和平水年水庫入庫水量較小，水溫垂向對流交換作用較弱，溫度梯度較?。回S水年入庫水量較大，表溫層隨時間推移厚度增大，溫度梯度逐漸增大。5—9月是各工況入庫來流及水位顯著變化時段，致使表層升溫變化很大，5—6月枯水年、平水年與豐水年相比，庫體水溫均呈現一定滯后狀態(tài)，表溫也低于了近1℃；7月豐水年入庫流量遠遠大于平水年和枯水年，豐水年水位已回升至3 405m，而平水年和枯水年分別為3 390和3 395m，表溫也較平水年和枯水年高約1.2℃；8—10月進入主汛期，均維持在3 410m，水庫呈現穩(wěn)定分層，表溫層水溫在14.5～16℃之間；11—4月期間水位從3 410m逐漸降為3 380m，表溫降溫幅度明顯。可見水電站運行方式變化對水溫的影響較大，其中枯水年工況對水溫的影響最大。

不同典型年工況下水庫下泄水溫年內變化如圖3所示。由圖3可以看出，4—7月寧木特水電站3種工況的下泄水溫均低于天然水溫，9月至次年2月，其下泄水溫均高于天然水溫，3和8月其下泄水溫與天然水溫基本一致。3種典型年，豐水年下泄水溫與天然最為接近，其次是平水年，相差最大是枯水年，說明了水庫枯水年運行下泄低溫水流的影響較為顯著，這與枯水年在此期間用水過程直接相關。由于枯水年入庫流量較小，意味著入庫的熱能較低；從水位變化來看，1—4月水位下降期豐水年、平水年和枯水年工況水位變化基本相同，至4月初降至最低水位3 380m，而平水年和枯水年在升溫期較高溫的入流與庫內低溫水體對流交換較弱，水位下降較慢又導致了庫內低溫水出流滯后；5—6月為漲水期，枯水年庫區(qū)水位較其余兩種工況低，庫區(qū)水體升溫較滯后；然而由于水位接近出流位置，水庫處于全年最小的庫容，漲水期時段較短，漲幅大，致使各典型年工況出流溫差逐漸減小，8月后下泄水溫基本相同，后期各典型年工況水位維持在高水位，水位變幅小，入流條件對庫體水溫分布和出流水溫影響小。因此，寧木特水電站枯水年運行下泄低溫水流的影響較為顯著。

圖3 不同典型年寧木特水電站下泄水流各月水溫變化

4 結論

（1）不同運行特征對庫區(qū)垂向水溫分布及下游水溫的影響規(guī)律差異顯著。多年調節(jié)水庫在枯水年高水位運行汛期庫水溫垂向分布為穩(wěn)定3分層，底部滯溫層的水溫變幅很小，而在平水年低水位運行時，汛期為兩分層分布，下部水溫依然為正弦分布規(guī)律。從水庫下泄水體水溫對河道的影響來看，枯水年高水位運行影響最大，豐水年中水位時次之，平水年低水位時影響最小。同時，年調節(jié)水庫在豐水年和平水年下垂向水溫分布及對下泄水流水溫的影響差異較小，而在枯水年入庫水量較小的升溫期，水位升降過程相比豐水年和平水年較為遲緩，下泄水溫變化明顯的滯后，也決定了下泄水溫較低的情形。因此，在分析水庫運行方式對水溫影響效應時，應特別關注多年調節(jié)型水庫在枯水年高水位運行和年調節(jié)型水庫枯水年升溫期用水過程。

（2）多年調節(jié)水庫在枯水年高水位運行時，庫區(qū)水溫分布不受當年入流水溫過程的影響，其對下游水溫影響效應最大，特別是夏季低溫水影響效應極為顯著，水庫在高水位運行應適當考慮降低水位和加大表層出流以減輕對下游河道的水溫影響。對于年調節(jié)水庫運行時，在枯水年升溫期運行水位降低時，在兼顧其他用水條件的前提下，盡快將水庫蓄存的低溫水下泄，并通過增加表層的較高溫出流，提前由最低水位開始漲水，以提高升溫期入流對庫體水溫的貢獻，減輕水庫下泄低溫水的對河道水生生態(tài)的不利影響。因此，設置合理的水庫運行方式避免水庫下泄低溫水影響將為實際工程中待建水庫的規(guī)劃、調度以及合理開發(fā)和利用提供一定的參考和依據。

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