水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)影響因素及與下泄水溫的變化關(guān)系

薛聯(lián)芳，顏劍波

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京　100011； 2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙　410014)

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水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)影響因素及與下泄水溫的變化關(guān)系

薛聯(lián)芳1，顏劍波2

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100011； 2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014)

根據(jù)水庫(kù)壩前垂向水溫分布的特點(diǎn)，水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)可分為分層型、過(guò)渡型和混合型。影響水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的因素很多，主要有來(lái)水水溫、氣象條件、徑流特征、水庫(kù)特性和運(yùn)行方式。通過(guò)研究我國(guó)不同地域、不同規(guī)模的20多座水庫(kù)實(shí)測(cè)水溫資料，分析了水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。結(jié)果表明，徑流-庫(kù)容比(α值)是影響水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的最主要因素，并且與下泄水溫存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)該值可初步估算下泄水溫變化范圍。

水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)；下泄水溫；徑流-庫(kù)容比；取水口高程

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的研究大多是基于單個(gè)水庫(kù)水溫實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證或數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)分析，對(duì)多個(gè)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)規(guī)律研究較少[1-2]。在環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，對(duì)于水庫(kù)及其下泄水溫的變化，雖然都采用經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)水溫資料驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，但對(duì)于預(yù)測(cè)結(jié)果的合理性、準(zhǔn)確性往往難以判定。實(shí)際上，部分水庫(kù)建成后對(duì)水庫(kù)水溫及其下游水溫變化的觀測(cè)表明，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在較大差距。本文基于國(guó)內(nèi)多個(gè)水庫(kù)壩前水溫的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及其影響因素進(jìn)行分析研究，嘗試找出影響水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的主要因素及其量化指標(biāo)，并建立該指標(biāo)與水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及其下泄水溫影響的相關(guān)關(guān)系。通過(guò)分析這種一般性的規(guī)律，試圖找出快速判別水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及其下泄水溫變化幅度簡(jiǎn)單有效的經(jīng)驗(yàn)方法。

1　資料來(lái)源

本文采用的國(guó)內(nèi)20多座水庫(kù)覆蓋了不同調(diào)節(jié)性能(多年調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)和日調(diào)節(jié))和不同地區(qū)(北方和南方、東北和西部等)，具有一定代表性。研究采用的水庫(kù)水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)均為水庫(kù)穩(wěn)定運(yùn)行后的全年逐月實(shí)測(cè)資料，有些是近壩區(qū)斷面中心線的典型年垂向水溫觀測(cè)資料，有些是壩面溫度計(jì)多年觀測(cè)的水溫資料，垂向水溫觀測(cè)的范圍從庫(kù)表至庫(kù)底(或接近庫(kù)底)。建庫(kù)前后出庫(kù)、入庫(kù)水溫選取控制水文站長(zhǎng)期實(shí)測(cè)資料。

2　水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

影響水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的因素有很多，主要有來(lái)水水溫、氣象條件、徑流特征、水庫(kù)特性和運(yùn)行方式，徑流-庫(kù)容比(α值)是影響水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的最主要因素。

2.1水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)與α值相關(guān)關(guān)系

現(xiàn)有研究表明，水庫(kù)水溫在時(shí)間上以年為周期性變化[3-4]。在空間上，水庫(kù)水溫在縱向、橫向和垂向均呈現(xiàn)一定規(guī)律：一般的水庫(kù)水溫在橫向上變化較小，只有在庫(kù)岸、淺灘附近或洪水入庫(kù)擾動(dòng)時(shí)，有一定差異[5]；縱向上，深泓線平均水溫一般在升溫期自庫(kù)尾向壩前沿程遞減，降溫期則沿程遞增，對(duì)于近壩區(qū)的水庫(kù)水體，不考慮洪水沖擊的特殊時(shí)刻，水庫(kù)等溫線基本是水平的；水庫(kù)垂向水溫分布最為復(fù)雜，也最能反映水庫(kù)水溫的空間分布特征。水庫(kù)水溫在空間的分布可近似簡(jiǎn)化為沿水深分布的一維模型[6]。

通過(guò)研究國(guó)內(nèi)20多個(gè)水庫(kù)的壩前水溫觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)與α值關(guān)系基本符合水溫結(jié)構(gòu)“α值判別法”表示的相關(guān)關(guān)系：α≤10時(shí)，水溫結(jié)構(gòu)為分層型；α≥20時(shí)，水溫結(jié)構(gòu)為混合型；10<α<20，水溫結(jié)構(gòu)為過(guò)渡型。此外，對(duì)于α≤10的分層型水庫(kù)，α≤5時(shí)，水溫結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定分層型，這類水庫(kù)一般為多年調(diào)節(jié)性水庫(kù)；5<α≤10時(shí)，水溫結(jié)構(gòu)為較穩(wěn)定分層型，這類水庫(kù)一般為不完全多年調(diào)節(jié)或年調(diào)節(jié)性水庫(kù)，不同水庫(kù)水溫類型與α值的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1　水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)與α值的關(guān)系

2.2α值與取水口高程相關(guān)關(guān)系

表1反映水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)和α值有很高的相關(guān)關(guān)系，α值越大，水庫(kù)水體交換的次數(shù)越多，水體摻混程度越高，垂向水溫溫差越小。有研究認(rèn)為，水庫(kù)水體交換首先發(fā)生在取水口以上部分，對(duì)同一水庫(kù)，取水口設(shè)置得越低，溫躍層分布越低[7-8]。針對(duì)不同α值的水庫(kù)，結(jié)合取水口分布，進(jìn)一步驗(yàn)證水庫(kù)水溫主要受α值影響。

當(dāng)α≤5時(shí)，水體交換主要發(fā)生在取水口高程以上，因此變溫層基本分布在取水口高程以上，取水口高程以下水體水溫變化很小，這種水庫(kù)水溫呈現(xiàn)穩(wěn)定分層的特征，例如東江水庫(kù)和光照水庫(kù)。

當(dāng)α>5時(shí)，取水口高程以下水體也頻繁參與水體交換，變溫層發(fā)展到取水口高程以下，取水口高程以下水體水溫變化顯著增大，例如柘溪水庫(kù)和安康水庫(kù)。水庫(kù)壩前水溫分布與取水口高程的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1　水庫(kù)壩前水溫分布與取水口高程的關(guān)系Fig.1　Relationship between water temperature distribution in front of the reservoir and the elevation of water intake

2.3不同α值水庫(kù)下泄水溫變化分析

通過(guò)收集國(guó)內(nèi)多座水電站建庫(kù)前后入庫(kù)水溫、出庫(kù)水溫資料進(jìn)行對(duì)比分析，得到水庫(kù)下泄水溫變化計(jì)算公式：

ΔT=(Toa-Tob)-(Tia-Tib)

式中，Tob、Toa分別為建庫(kù)前、后出庫(kù)水溫；Tib、Tia分別為建庫(kù)前、后入庫(kù)水溫。

計(jì)算得到幾個(gè)典型水庫(kù)出庫(kù)水溫變化值見(jiàn)表2。對(duì)比α值發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)下泄水溫變幅與水庫(kù)α值也有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，α值很小的穩(wěn)定分層型水庫(kù)，夏季降溫幅度和冬季升溫幅度相對(duì)較大，下泄水溫年內(nèi)變化比較穩(wěn)定。隨著α值增大，水溫結(jié)構(gòu)由分層型逐漸向過(guò)渡型轉(zhuǎn)變，夏季降溫幅度和冬季升溫幅度相對(duì)較小，出庫(kù)水溫年內(nèi)變化接近天然水溫變化。

表2　幾個(gè)典型水庫(kù)α值與出庫(kù)水溫變化值

3　結(jié)論

(1)入庫(kù)年徑流量與水庫(kù)庫(kù)容比值(α值)的大小是影響水庫(kù)水溫分布的主要因素。α值與水庫(kù)水溫分層強(qiáng)弱具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，α值越大，水庫(kù)水溫分層結(jié)構(gòu)越弱，反之則越強(qiáng)。當(dāng)α≤5時(shí)，水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)經(jīng)常表現(xiàn)為穩(wěn)定分層型，這類水庫(kù)一般為多年調(diào)節(jié)型，由于取水口高程以上庫(kù)容一般較大，取水口高程以下水體很難被交換，其水溫變化很??；當(dāng)5<α≤10時(shí)，水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)往往為較穩(wěn)定分層型，這類水庫(kù)一般為不完全多年調(diào)節(jié)或年調(diào)節(jié)型，由于取水口高程以下水體頻繁參與水體交換，變溫層發(fā)展到進(jìn)水口高程以下，進(jìn)水口高程以下水體水溫變化明顯增大。

(2)α值與下泄水溫也有較好的相關(guān)關(guān)系。α值越小的水庫(kù)，下泄水溫年內(nèi)變化越小，與天然河流水溫相比，出庫(kù)水溫改變?cè)酱?；α值越大的水?kù)，下泄水溫年變化越接近天然水溫的年變化，與天然河流水溫相比，出庫(kù)水溫改變?cè)叫　?/p>

(3)根據(jù)本文研究成果，可以利用水庫(kù)徑流量與庫(kù)容的比值快速判斷水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及其對(duì)出庫(kù)水溫的影響，能夠?yàn)樗姽こ趟疁赜绊戭A(yù)測(cè)提供有益參考。但本文采用的是統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，由于樣本主要為我國(guó)中東部地區(qū)的水庫(kù)實(shí)測(cè)水溫，西南地區(qū)樣本較少，尤其缺乏高海拔地區(qū)的水庫(kù)實(shí)測(cè)水溫，因此應(yīng)用于西南、高海拔地區(qū)時(shí)，存在一定的局限性。

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Study on the Influencing Factors of Reservoir Water Temperature Structure and the Relationship with Discharge Water Temperature

XUE Lian-fang1, YAN Jian-bo2

(1.China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100011, China; 2.PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

According to the characteristics of the vertical water temperature distribution in the reservoir, the water temperature structure can be divided into three types: the layered, the transitional, and the mixed type. There are many factors affecting the reservoir water temperature structure, mainly including inflow water temperature, weather conditions, runoff characteristics, reservoir characteristics, and operation scheme. This paper studied the water temperature data of more than twenty reservoirs in different regions and different scales in China, and analyzed the change rule of water temperature structure. Analysis results showed that the ratio of runoff and reservoir capacity (α value) is a critical influencing factor of the reservoir water temperature structure, and it has a good corresponding relationship with reservoir discharge water temperature. According to the α value, we can estimate the approximate range of discharge water temperature.

reservoir water temperature structure; discharge water temperature; the ratio of runoff and reservoir capacity; elevation of water intake

2016-02-18

薛聯(lián)芳(1964—)，男，福建上杭縣人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樗姯h(huán)境保護(hù)，E-mail：xuelianfang@263.net

10.14068/j.ceia.2016.03.008

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0029-03