托帕水庫(kù)建設(shè)對(duì)地表水環(huán)境的影響預(yù)測(cè)研究

(新疆農(nóng)牧區(qū)水利規(guī)劃總站，新疆 烏魯木齊 830000)

托帕水庫(kù)工程壩址位于烏恰縣境內(nèi)恰克馬克河上，距恰克馬克河攔河引水樞紐45 km，是恰克馬克河的控制性水利樞紐工程，控制灌溉面積14.13萬(wàn)畝。

水庫(kù)建成后，水庫(kù)的水域面積和深度有所增加，隨著水深的增加，水體溫度逐漸降低，庫(kù)區(qū)內(nèi)存在水溫分層現(xiàn)象[1]，水溫下泄低溫水對(duì)下游水生生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可能產(chǎn)生不利影響，表現(xiàn)為作物生長(zhǎng)期延長(zhǎng)、產(chǎn)量下降。本文將通過(guò)對(duì)托帕水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)，分析水庫(kù)壩前垂向水溫與水深的關(guān)系，進(jìn)一步論證水庫(kù)建設(shè)對(duì)壩前水溫、水庫(kù)下游河段水溫及水質(zhì)的影響，結(jié)論可為同類(lèi)型水庫(kù)的壩前垂向及壩下水溫預(yù)測(cè)分析提供參考。

1 托帕水庫(kù)工程建設(shè)對(duì)水溫的影響

1.1 對(duì)壩前水溫的影響預(yù)測(cè)

1.1.1 預(yù)測(cè)方法

托帕水庫(kù)最大壩高61.5 m，水庫(kù)總庫(kù)容6 098.93萬(wàn) m3，壩址斷面多年平均年徑流量1.65億 m3，水庫(kù)庫(kù)容系數(shù)0.15。根據(jù)水庫(kù)水溫α - β指數(shù)法判斷托帕水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)。

判別指標(biāo)計(jì)算式為

當(dāng)α<10時(shí)，水庫(kù)水溫為分層型；當(dāng)10<α<20時(shí)，水庫(kù)水溫為過(guò)渡型；當(dāng)α>20時(shí)，水庫(kù)水溫為混合型。經(jīng)計(jì)算，托帕水庫(kù)α=2.71，可判斷托帕水庫(kù)蓄水后水體水溫將出現(xiàn)分層。本次評(píng)價(jià)采用朱伯芳公式對(duì)托帕水庫(kù)庫(kù)區(qū)水溫進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算[2]，同時(shí)對(duì)下游河道水溫沿程恢復(fù)情況進(jìn)行分析。

朱伯芳公式：

T(y，τ)=Tm(y)+A(y)cosω(τ-τ0-ε)

式中：y為水深，m；τ為時(shí)間，月；T(y，τ)為水深y處在時(shí)間為時(shí)的溫度，℃；Tm(y)為水深y處的溫度平均溫度，℃；A(y)為水深y處的溫度年變幅，℃；ε為水溫與氣溫變化的相位差，月；ω為溫度變化的圓頻率，即ω=2π/P，P為溫度變化的周期(12個(gè)月)。

上述公式所需參數(shù)公式如下：

Tm(y)=c+(b-c)e-αy

A(y)=A0e-βy

ε=d-fe-γy

托帕水庫(kù)工程所在區(qū)域多年平均氣溫為9.1℃，小于10℃，屬于寒冷地區(qū)。工程所在區(qū)域月平均氣溫與修正平均氣溫見(jiàn)表1。根據(jù)北方河流及氣候的特點(diǎn)，確定上述公式中參數(shù)取值：α=0.04；β=0.018；γ=0.085；d=2.15；f=1.3

(見(jiàn)表2)。

1.1.2 壩前水溫預(yù)測(cè)

托帕水庫(kù)在7～8月維持在死水位2 373 m運(yùn)行，其他月份基本維持在2 393 m高水位運(yùn)行，采用朱伯芳公式對(duì)托帕水庫(kù)壩前水溫分布情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3和圖1。

圖1 托帕水庫(kù)逐月壩前水溫垂向分布

℃

表2 水溫計(jì)算中有關(guān)參數(shù)取值

表3 托帕水庫(kù)逐月壩前水溫垂向分布表 ℃

由表3和圖1預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出：托帕水庫(kù)壩前垂向水溫分層具有明顯的季節(jié)性特性，全年壩前水溫結(jié)構(gòu)中，4～6月、9～10月期間水溫隨水深增加而降低，且出現(xiàn)較為明顯的分層現(xiàn)象；7～8月期間水庫(kù)維持在死水位排沙運(yùn)行，且該時(shí)期上游徑流量較大，壩前垂向水溫隨水深增加而降低幅度不大；11月～次年3月期間出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。

1.2 對(duì)水庫(kù)下泄水溫影響分析

托帕水庫(kù)下泄水溫過(guò)程與天然水溫過(guò)程對(duì)比見(jiàn)表4和圖2。

圖2 托帕水庫(kù)下泄水溫過(guò)程與天然水溫對(duì)比圖

由表4和圖2預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出：3～8月水庫(kù)下泄水溫

均低于建庫(kù)前天然水溫，最大溫差為-1.7℃，出現(xiàn)在4月；9月～次年2月水庫(kù)下泄水溫均高于建庫(kù)前天然水溫，最大溫升為3.35℃，出現(xiàn)在11月。

從托帕水庫(kù)下泄水溫與天然水溫對(duì)比中可以看出，水庫(kù)下泄水溫在春夏兩季低于水庫(kù)上游來(lái)水水溫，在秋冬兩季則高于上游來(lái)水水溫。從對(duì)比圖中可以看出，兩條水溫曲線基本呈現(xiàn)一種“錯(cuò)峰”的狀態(tài)，主要是因?yàn)樗畮?kù)蓄水后，庫(kù)區(qū)內(nèi)水體體積增加，熱容量加大，上游來(lái)水對(duì)水庫(kù)泄水口水溫的影響需要一定的時(shí)間。

1.3 對(duì)水庫(kù)下游河道水溫影響分析

水庫(kù)下游河道水溫主要受水庫(kù)下泄水溫及河道水體表面熱交換的影響。托帕水庫(kù)位于恰克馬克河中低山區(qū)段，其壩址下游45 km處為已建恰克馬克河渠首，現(xiàn)狀條件下，托帕水庫(kù)壩址處河水水溫與恰克馬克河渠首處河水水溫對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5和圖3。

表4 托帕水庫(kù)下泄水溫與天然水溫對(duì)比結(jié)果表 ℃

表5 托帕水庫(kù)建設(shè)前壩址水溫與恰克馬克河渠首水溫對(duì)比結(jié)果表 ℃

圖3 托帕水庫(kù)建設(shè)前壩址水溫與恰克馬克河渠首水溫對(duì)比圖

由表5和圖3預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出：托帕水庫(kù)建設(shè)前，其壩址下泄河水水溫在水體表面熱交換效應(yīng)作用下，經(jīng)45 km河道沿程增溫0.1℃～2.6℃，其中3～8月沿程增溫0.6℃～2.6℃。根據(jù)托帕水庫(kù)下泄水溫預(yù)測(cè)結(jié)果，3～8月水庫(kù)下泄水溫均低于建庫(kù)前天然水溫，溫差0.05℃～1.7℃，最大溫差出現(xiàn)在4月。由現(xiàn)狀年水溫沿程恢復(fù)情況可以推斷，托帕水庫(kù)運(yùn)行后，其下泄低溫水在經(jīng)45 km河道沿程恢復(fù)后，基本可恢復(fù)至天然水溫。

2 托帕水庫(kù)工程建設(shè)對(duì)水質(zhì)的影響

2.1 庫(kù)區(qū)水質(zhì)變化分析

2.1.1 水庫(kù)初期蓄水對(duì)水質(zhì)影響

托帕水庫(kù)蓄水時(shí)將淹沒(méi)人工林地15.31 hm2，草地144.62 hm2，住宅用地0.44 hm2，交通運(yùn)輸用地3.81 hm2，水域及水利設(shè)施用地61.11 hm2。水庫(kù)蓄水初期，由于庫(kù)盤(pán)淹沒(méi)，少量有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體，在短期內(nèi)會(huì)造成庫(kù)區(qū)水體中N、P等有機(jī)物含量有所增高。但水庫(kù)蓄水前會(huì)進(jìn)行清庫(kù)工作，不存在大量有機(jī)物質(zhì)在庫(kù)中腐爛而導(dǎo)致水庫(kù)水質(zhì)劣質(zhì)，同時(shí)水庫(kù)正常運(yùn)行后，通過(guò)水體替換以及水體的自凈作用，水中有機(jī)物含量將逐漸降低并趨近來(lái)水水質(zhì)，上述輕微不利影響將在短時(shí)間內(nèi)逐漸消失。

2.1.2 水庫(kù)正常運(yùn)行對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)的影響

水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化是庫(kù)區(qū)水動(dòng)力條件、營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)、光照及氣溫等多種因素綜合作用的結(jié)果。水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，河段TP、TN等營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)背景值較低。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，庫(kù)區(qū)河段內(nèi)無(wú)工礦企業(yè)污染源分布，托帕水庫(kù)建成運(yùn)行后，庫(kù)區(qū)水體各月水溫均低于藻類(lèi)繁殖的適宜溫度25℃。高溫期7、8月水庫(kù)處于低水位運(yùn)行，庫(kù)區(qū)流態(tài)近似于河道，流速較快，水生環(huán)境不適宜藻類(lèi)的大量生長(zhǎng)繁殖。因此，托帕水庫(kù)運(yùn)行期間水庫(kù)出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化的可能性不大。

2.1.3 工程管理區(qū)生活污水排放影響

工程運(yùn)行期產(chǎn)生的生活污水主要為托帕水庫(kù)工程管理處工作人員日常生活產(chǎn)生的生活污水。運(yùn)行期水庫(kù)每天產(chǎn)生最大污水量約3.64 m3。托帕水庫(kù)工程管理處恰克馬克河河段水體水質(zhì)要求為Ⅱ類(lèi)，生活污水必須經(jīng)處理后用于管理處綠化，禁止排入河道。

2.2 出庫(kù)水質(zhì)變化分析

托帕水庫(kù)庫(kù)區(qū)及上游河段無(wú)入河污染源分布，根據(jù)水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，托帕水庫(kù)來(lái)水水質(zhì)較好，滿足水環(huán)境功能區(qū)Ⅱ類(lèi)水質(zhì)目標(biāo)要求。工程建設(shè)運(yùn)行后，來(lái)水在庫(kù)區(qū)河段停留時(shí)間增加，庫(kù)區(qū)內(nèi)水流對(duì)污染物的衰減作用得到增強(qiáng)，水體中COD、NH3-N等污染物濃度將呈下降趨勢(shì)。因此，托帕水庫(kù)出庫(kù)水質(zhì)較現(xiàn)狀情況有所改善。

2.3 下游河段水質(zhì)變化分析

托帕水庫(kù)至下游恰克馬克河渠首區(qū)間45 km河段無(wú)入河污染源分布，水庫(kù)建成后壩址斷面下泄水量減少，水體自凈能力有所下降，但由于河段內(nèi)無(wú)污染物分布，且水庫(kù)建成后，壩址斷面下泄水質(zhì)有所改善，因此工程建成后該河段水質(zhì)無(wú)明顯變化。

恰克馬克河渠首下游河段無(wú)工業(yè)、生活污水等入河點(diǎn)源分布，灌區(qū)退水不直接入河，僅沿河分布少量農(nóng)村居民，汛期可能存在少量農(nóng)村面源污染入河。但由于水庫(kù)建成后壩址斷面下泄水量減少，水體自凈能力有所下降，汛期少量面源污染入河將對(duì)恰克馬克河渠首以下河段水質(zhì)造成一定影響，水體中N、P、糞大腸桿菌群等含量短時(shí)間內(nèi)會(huì)有所增高。非汛期，該河段無(wú)污染源入河，且河道水文情勢(shì)變化不大，河流水質(zhì)較現(xiàn)狀年變化不明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

托帕水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行后，通過(guò)水庫(kù)調(diào)蓄使得區(qū)域地表水水溫和水質(zhì)發(fā)生變化。

(1)托帕水庫(kù)壩前垂向水溫分層具有明顯的季節(jié)性特性，全年壩前水溫結(jié)構(gòu)中，4～6月、9～10月期間水溫隨水深增加而降低，且出現(xiàn)較為明顯的分層現(xiàn)象；7～8月期間水庫(kù)維持在死水位運(yùn)行，且該時(shí)期上游徑流量較大，壩前垂向水溫隨水深增加而降低幅度不大；11月～次年3月期間出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。

(2)托帕水庫(kù)下泄水經(jīng)45 km河道水體表面熱交換，至恰克馬克河渠首斷面水溫可基本恢復(fù)至天然水溫。

(3)托帕水庫(kù)蓄水對(duì)水質(zhì)影響較小，水庫(kù)出庫(kù)水質(zhì)較現(xiàn)狀年變化不明顯。

(4)托帕水庫(kù)至下游恰克馬克河渠首區(qū)間河段水質(zhì)較現(xiàn)狀年無(wú)明顯變化。在汛期恰克馬克河渠首以下河段水體中N、P、糞大腸桿菌群等含量短時(shí)間內(nèi)有所增高。