江西省贛江干流重要水利樞紐建設(shè)對(duì)流域水溫影響的研究

曹炳偉 雷 波 余錦龍

(江西省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，江西 南昌 330039)

0 前言

隨著贛江流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展、人口增長(zhǎng)和城市化水平的提高，經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)水資源綜合利用和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求和期望也越來(lái)越高。江西省對(duì)贛江干流的合理開發(fā)利用水能資源、改善流域沿岸城市居民用水和農(nóng)業(yè)灌溉條件、保護(hù)和改善河流水質(zhì)等進(jìn)行了系統(tǒng)的規(guī)劃和修編，一批重要水利樞紐的開發(fā)利用列入了相關(guān)規(guī)劃，這些重要水利樞紐的規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行對(duì)流域的水環(huán)境不可避免地產(chǎn)生了一定的影響。本研究重點(diǎn)就江西省贛江干流重要水利樞紐建設(shè)對(duì)贛江水環(huán)境的水溫變化影響進(jìn)行了研究。

1 水庫(kù)水溫的變化特性

1.1 影響水溫變化的因素

水庫(kù)蓄水以后,它不僅可以調(diào)節(jié)天然河流徑流量的變化,而且還對(duì)庫(kù)內(nèi)的熱量起到調(diào)節(jié)作用。由于水庫(kù)所處地理位置不同,所接受的太陽(yáng)輻射也就有一定的區(qū)別,同時(shí)由于各水庫(kù)的規(guī)模、水深等情況的差異,造成水體熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱等在時(shí)間和空間上又存在不同變化特性。水庫(kù)水體溫度變化既有共同遵循的原理和規(guī)律,又有各自獨(dú)特的熱力學(xué)特性。

水庫(kù)水體的熱量主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射、大氣輻射以及由于降雨、入流等所帶來(lái)的熱量;另一方面通過(guò)反射輻射、對(duì)流交換、水體增溫、蒸發(fā)和出流等吸收或消耗一部分熱量。

庫(kù)內(nèi)水體吸收的熱量與水庫(kù)所處地理位置、水庫(kù)特性、水文、氣象條件等因素有著密切關(guān)系,如水庫(kù)所處地理緯度、水庫(kù)水深、盛行風(fēng)級(jí)和風(fēng)向、氣溫、云量、入流量、出流量、降雨量和入流水量與庫(kù)容比等，此外還與水體的透明度有關(guān)。而水庫(kù)水體的透明度又隨氣候條件、降雨特性、入流、出流、水深和浮游生物的種類、組成及其數(shù)量的變化而改變。

1.2 水溫的變化特點(diǎn)

受以年為周期的水溫、入流水溫、氣象規(guī)律性變化的影響,樞紐水庫(kù)在沿水深方向上呈現(xiàn)出有規(guī)律的水溫分層,并且水溫分層情況在一年內(nèi)周期性地循環(huán)變化如下:

冬季,由于氣溫較低,水庫(kù)水體表面溫度也較低,水體內(nèi)部的對(duì)流摻混較好,這一時(shí)期水體溫度基本上是呈等溫狀態(tài)分布的。

春季,由于氣溫逐漸升高,太陽(yáng)輻射和大氣輻射對(duì)水體表面的加熱量亦逐漸增加,再加上水體表面對(duì)太陽(yáng)輻射能的吸收、穿透作用,故使庫(kù)面水體逐漸變暖;同時(shí)入庫(kù)河水的溫度比水庫(kù)原有水體的溫度高,密度較低,它們從庫(kù)表面流入水庫(kù),并與靠近水體表面的渦流進(jìn)行對(duì)流摻混,在以上諸因素的綜合作用下,庫(kù)面溫水層向平面方向擴(kuò)展,隨著時(shí)間的推移也向垂直的方向延伸,使溫水層的厚度加大,而且在溫水表層內(nèi)進(jìn)行著均勻的摻混作用,最后形成表面等溫水層,即水體表面的溫水層(表溫層)。在表溫層下,由于水體對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、穿透和水體內(nèi)部的對(duì)流熱交換、熱傳導(dǎo)作用,使庫(kù)水體溫度隨水深加大而發(fā)生水體表面受熱多、放熱少、水溫升高較快的現(xiàn)象，在水體內(nèi)就形成冷卻和加熱的交替過(guò)程,加上風(fēng)的摻混作用,使得表面溫水層與深水層的出現(xiàn)明顯溫差,出現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化激烈的溫度突變層,即為溫躍層。在溫躍層之下為深水等溫層,這一層水體由于受外界條件的影響較小,故水體溫度的變化較為緩慢,但由于水體儲(chǔ)熱累積效應(yīng)的影響,深水層的水溫較冬季有所提高。

夏季，隨著氣溫的持續(xù)上升,水體表面溫度也隨著升高,上述水體溫度的分層現(xiàn)象加劇,從而使整個(gè)水體處于溫度的高度分層狀態(tài),在此時(shí)期內(nèi),表溫層與深水層水溫相差較大,有時(shí)表層水溫可超出底部水溫20℃ 。

秋季,水體表面溫度又隨著氣溫的逐漸下降而冷卻,水體開始了降溫的變化過(guò)程:表面冷卻了的水逐漸下沉,并與下層溫水進(jìn)行對(duì)流摻混,直到水的密度均勻?yàn)橹?此時(shí)庫(kù)表又形成了新的等溫層,該層的厚度隨時(shí)間的推移而變化。此時(shí)入庫(kù)水流流向與其本身密度相同的水層,該水層的位置取決于入庫(kù)水流和庫(kù)水之間的相互摻混情況。在秋季和冬季,水庫(kù)水體不斷地進(jìn)行著水體的上下對(duì)流換熱,直至再一次形成全庫(kù)等溫狀態(tài)。

1.3 水庫(kù)水溫垂直結(jié)構(gòu)形式

水庫(kù)水溫分層的變化取決于各水庫(kù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、入流水溫、水庫(kù)的運(yùn)行管理方式、取水口的位置和形式、進(jìn)出水量等各方面的情況,因此水庫(kù)表現(xiàn)出不同的水溫分布形式。按水庫(kù)水溫垂直結(jié)構(gòu)形式來(lái)分,大致有三種類型:即混合型、分層型和界于這兩者之間的過(guò)渡型。

混合型(又稱等溫型):年內(nèi)任意時(shí)刻,庫(kù)內(nèi)不同水深的溫度分布比較均勻,水溫梯度很小,庫(kù)底水溫隨庫(kù)表層的水溫而變化,年較差可達(dá)15—24℃,水體與庫(kù)底之間有明顯的熱量交換。水深較淺、調(diào)節(jié)能力低的水庫(kù)多屬于這一類型。

分層型:在水庫(kù)水溫的升溫期,水庫(kù)表面水溫明顯地高于中下層水溫,出現(xiàn)了溫度分層,在水面以下某一部位存在水溫劇變的溫躍層,其溫度梯度可達(dá)1.5℃/ m以上。庫(kù)底水溫的年較差一般不超過(guò)10℃,有的只有幾度,甚至小于1℃;水深在40米以上,調(diào)節(jié)能力大的水庫(kù)多屬于這種類型。

過(guò)渡型:有些水庫(kù)的水溫結(jié)構(gòu)同時(shí)兼有混合型和分層型兩種水溫分布的特征，這樣的水庫(kù)稱為過(guò)渡型。

2 水庫(kù)水溫變化的環(huán)境影響分析

水溫是水環(huán)境中最重要的影響因子之一,水的物理和化學(xué)性質(zhì)以及及水生生物和農(nóng)作物的生長(zhǎng)對(duì)水溫都很敏感,水溫的變化對(duì)其產(chǎn)生較大的影響。

2.1 對(duì)水質(zhì)的影響

水溫對(duì)水的物理和化學(xué)性質(zhì)影響較大。水中溶解氧的含量是確定水質(zhì)好壞的重要指標(biāo)之一。在天然河流中水體一般含有足夠的溶解氧,濃度約為5—10mg/L 。水庫(kù)蓄水后,表面溫水層內(nèi)的浮游植物在光合作用下釋放出氧氣,使該層內(nèi)的溶解氧濃度基本保持在近飽和狀態(tài)。斜溫層之下,很少發(fā)生摻混,溶解氧不能傳遞下來(lái),光合作用所需的陽(yáng)光也不能到達(dá),而死亡的水生動(dòng)植物沉積下來(lái),在分解中將深水層中的氧氣消耗殆盡。當(dāng)水體中溶解氧含量達(dá)不到水生生物的需要時(shí),水生生物將大量死亡,使水質(zhì)嚴(yán)重惡化。

水溫分層會(huì)引起深水層水質(zhì)惡化。深水層中溫度低,溶解氧含量低,同時(shí)二氧化碳濃度增加,形成還原環(huán)境,引起底部沉積物分解出錳和鐵,還常含有高濃度的磷酸鹽、硅及二價(jià)鈣鹽、碳酸鹽,同時(shí)水體內(nèi)有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生厭氧分解,釋放出甲烷、硫化氫、氨等物質(zhì)。

由于水庫(kù)的溫度分層、化學(xué)分層使水庫(kù)從不同高程出流的水質(zhì)有很大的差別。在夏季從分層水庫(kù)表層下泄的水體溶解氧高,水溫較高,水質(zhì)較好,但營(yíng)養(yǎng)貧乏。而從深水層下泄的水多為含有大量離子成分、溶解氧低的低溫水,使下游水質(zhì)變壞,過(guò)多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可使下游富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重。

2.2 對(duì)水生生物群落的影響

溫度變化影響水生生物群落組成。在水溫分層的水體中,浮游生物也常呈現(xiàn)分層分布,庫(kù)表溫水層中的浮游生物可能較深水層多幾百倍。魚類通常生活在15—30℃的水域中,水溫超過(guò)這個(gè)范圍就會(huì)導(dǎo)致魚不進(jìn)食,新陳代謝減緩。很多魚類產(chǎn)卵時(shí)對(duì)水溫的要求很嚴(yán)格,鯉、卿等魚類在春季水溫升到14℃左右才開始產(chǎn)卵,而產(chǎn)漂浮性卵的魚類則需要到18℃才開始產(chǎn)卵。如果水溫不能到達(dá)魚產(chǎn)卵生長(zhǎng)所需溫度,產(chǎn)卵場(chǎng)就可能消失,魚產(chǎn)量降低。水庫(kù)下泄水溫往往是夏季比原天然河流情況低,冬季比天然情況高,且溶解氧含量低,改變了水庫(kù)下游河段水生生物的生存條件,導(dǎo)致生物群落的變異。

2.3 對(duì)農(nóng)作物的影響

灌溉引水的水溫將直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。水稻對(duì)水溫很敏感,水溫過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生明顯影響。例如,我國(guó)長(zhǎng)江流域中下游的雙季稻種植區(qū),在早稻稻株生長(zhǎng)前期經(jīng)常受低溫天氣的影響,如果再取用水庫(kù)中的低溫水來(lái)進(jìn)行灌溉,就會(huì)造成對(duì)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量更不利的影響;在北方,大部分水稻種植區(qū)的氣溫都比較低,如果取用水庫(kù)中的低溫水進(jìn)行灌溉,則對(duì)水稻生長(zhǎng)的危害性也就更為嚴(yán)重。因此,選取水庫(kù)中適宜溫度的水進(jìn)行灌溉就顯得十分重要。

總之,水溫的變化會(huì)給樞紐庫(kù)區(qū)及下游河道的水質(zhì)、水生生物的生長(zhǎng)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)一系列的影響,因此對(duì)贛江干流重要水利樞紐規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行對(duì)流域水溫影響進(jìn)行研究并加以控制,對(duì)改善環(huán)境、保護(hù)生態(tài)和發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大意義。

3 贛江干流重要樞紐對(duì)水溫的變化影響

3.1 重要樞紐概況

重要樞紐是指流域內(nèi)干支流上具有防洪、灌溉、供水、航運(yùn)、發(fā)電等開發(fā)任務(wù)，且規(guī)模較大或?qū)Φ貐^(qū)(區(qū)域)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展意義重大的水利樞紐工程。贛江干流涉及的重要樞紐主要為：老虎頭、禾坑口、澄江、躍洲、峽山、茅店、泰和(井岡山)、石虎塘、峽江、永太和龍頭山等樞紐工程。本次重點(diǎn)對(duì)贛江干流的峽山、茅店、萬(wàn)安、井岡山、石虎塘、峽江和永太樞紐7個(gè)重要樞紐工程的規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行對(duì)水溫的變化影響進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

3.2 評(píng)價(jià)方法

我國(guó)現(xiàn)行的水庫(kù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中普遍采用交換次數(shù)法和密度佛諾德數(shù)法這兩種經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)判斷水庫(kù)是否分層及分層強(qiáng)度。本次采用庫(kù)水交換次數(shù)法對(duì)7個(gè)重要樞紐工程水庫(kù)分層類型進(jìn)行判別，其判別指標(biāo)為:

當(dāng)α<10時(shí),為分層型;10< α<20時(shí),為過(guò)渡型; α>20時(shí),為混合型。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果和分析

根據(jù)贛江干流7個(gè)重要樞紐工程規(guī)劃和建設(shè)情況，按照庫(kù)水交換次數(shù)法進(jìn)行了計(jì)算，判別結(jié)果如下表1：

表1 各重要樞紐工程庫(kù)水交換次數(shù)及水溫結(jié)構(gòu)

從上述判別結(jié)果可知，贛江干流7個(gè)重要樞紐除萬(wàn)安水庫(kù)處于過(guò)渡型水溫結(jié)構(gòu)外，其余6個(gè)均為混合型水溫結(jié)構(gòu)?；旌闲退畮?kù)庫(kù)區(qū)水深較淺，來(lái)水量較大，水體交換頻繁，停留時(shí)間短，水庫(kù)的形成對(duì)入庫(kù)水體水文變化影響較小，庫(kù)內(nèi)水體溫度與天然狀態(tài)下相差不大，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水及水生生物生存條件影響較小，下泄水和灌區(qū)引水的水溫影響問(wèn)題不大。但萬(wàn)安水利樞紐屬于過(guò)渡型水溫結(jié)構(gòu)，需要重點(diǎn)關(guān)注水溫變化對(duì)庫(kù)區(qū)及下游河道的水質(zhì)、水生生物的生長(zhǎng)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)一系列的影響，并采取措施將影響進(jìn)一步減小。

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