漫灣水庫運(yùn)行下庫內(nèi)洲灘潛流帶夏季熱傳輸特征

于丹青，陳求穩(wěn)，馬宏海，陳宇琛，孫洪波，施文卿

（1.南京水利科學(xué)研究院 生態(tài)環(huán)境研究中心，江蘇 南京 210029；2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074）

1 研究背景

潛流帶是河流地表水與地下水動(dòng)態(tài)交互混合的過渡區(qū)域，動(dòng)態(tài)交換頻繁，物質(zhì)循環(huán)活躍，是許多魚、蝦、蟹、貝類繁殖、索餌、育肥的重要場地，被譽(yù)為河流的“肝臟”［1-3］。目前，河流潛流區(qū)已成為國內(nèi)外生態(tài)水文研究的熱點(diǎn)區(qū)域。

溫度是水生態(tài)系統(tǒng)中的重要環(huán)境因子之一，對水生生物的生長、繁殖至關(guān)重要［4-5］。國內(nèi)外關(guān)于潛流帶的水熱交換研究已有大量報(bào)道［6］，但研究區(qū)域多為未受人為活動(dòng)影響的自然河道岸邊潛流帶［7-9］。Schmidt等［8］對天然河床垂面劃分了140個(gè)剖面進(jìn)行測量，根據(jù)不同的溫度分布分析潛流交換在不同深度的非勻質(zhì)性。朱靜思等［9］以河床溫度為示蹤變量，通過現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測河床垂向不同剖面溫度，探究了地下水溫度變化與潛流交換之間的關(guān)系。少量研究關(guān)注了人為活動(dòng)建庫影響下的潛流帶，且研究區(qū)域僅局限于壩下河道潛流帶［10-12］。朱蓓等［10］通過分析大壩下游潛流區(qū)水位和溫度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)受水庫下泄水流影響，河道水溫日波幅很小，河岸潛流區(qū)具有顯著的垂向溫度分層，并推測河道與河岸地下水存在熱量傳輸。劉東升等［11］在同一試驗(yàn)區(qū)域，對比了不同季節(jié)河岸帶潛流層水動(dòng)力交換特征及溫度場變化規(guī)律。目前，關(guān)于壩上庫內(nèi)潛流帶的相關(guān)研究較少。與壩下河道潛流帶相比，壩上庫內(nèi)潛流帶雖然也受人為建庫影響，但水文條件迥異，潛流帶質(zhì)地也不盡相同。壩下河道受下泄水影響水流較快，潛流帶在水流沖刷下多為粗沙礫、石塊［13］，而壩上庫內(nèi)流速較小，潛流帶多為淤積的細(xì)沙、黏土，其水熱交換、熱傳輸過程可能存在不同，但尚不清晰。

水力梯度是潛流帶發(fā)生潛流交換關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力［1］，水庫發(fā)電運(yùn)行下水庫水位往往波動(dòng)頻繁，水庫與岸邊潛流帶之間在水力梯度作用下可能發(fā)生著活躍的潛流交換；同時(shí)，水庫水體與岸邊潛流帶沉積物因比熱不同在夏季強(qiáng)太陽輻射作用下易產(chǎn)生溫度差。在潛流交換和溫度差共同驅(qū)動(dòng)下水庫與岸邊潛流帶之間可能進(jìn)行著熱量傳輸。本研究以瀾滄江漫灣水庫庫內(nèi)洲灘潛流帶為研究對象，利用原位自動(dòng)監(jiān)測傳感器連續(xù)49天監(jiān)測洲灘潛流帶夏季水位及水溫變化，分析水位波動(dòng)下洲灘潛流帶潛流交換與洲灘內(nèi)部溫度時(shí)空特征，闡明漫灣水庫運(yùn)行下洲灘潛流帶夏季熱傳輸量過程與驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以期為建庫河流潛流帶水熱交換過程研究提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況本研究區(qū)域是位于瀾滄江漫灣水庫的庫內(nèi)洲灘（圖1）。漫灣水庫位于云南省臨滄市云縣境內(nèi)，建于1993年，是瀾滄江干流第一座以發(fā)電為單一目標(biāo)的百萬千瓦級水電站。壩高132 m，壩址控制流域面積11.45 萬km2，正常蓄水位994 m，總庫容9.2 億m3，調(diào)節(jié)庫容2.58 億m3，為季調(diào)節(jié)水庫。研究的洲灘（24°43′44″N，100°23′05″E）位于壩前約30 km處，由河灣泥沙多年淤積而成，屬于典型的凸岸洲灘，呈現(xiàn)橢圓形，面積約為1.3萬m2、淤積深度58 m，含水層厚度約為40 m。水庫運(yùn)行下，洲灘周期性處于淹沒和落干兩種狀態(tài)。研究區(qū)域?qū)儆趤啛釒У途暥壬降丶撅L(fēng)氣候，夏季為4—9月［14］。

圖1 研究區(qū)域位置與洲灘及其監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意圖

2.2 原位自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備布設(shè)根據(jù)前期調(diào)研，針對本實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)原位自動(dòng)監(jiān)測裝置開展數(shù)據(jù)采集。裝置材質(zhì)為碳鋼，總長1.8 m，上部把手長0.2 m，主體長1.5 m，呈圓柱形，外徑6.0 cm，底部為圓錐體。主體為可拆卸的3層，每層設(shè)有長度為50.0 cm、內(nèi)徑為4.5 cm 的中空腔體放置傳感器，腔體四周各均勻?qū)ΨQ鑿設(shè)8個(gè)直徑為3 mm的圓形透水孔，確保水流交換通暢。沿洲灘岸邊至中心安裝5個(gè)原位自動(dòng)監(jiān)測裝置，離岸距離分別為0.5、10.5、20.5、30.5和40.5 m（圖2）。裝置安裝前利用高精度水準(zhǔn)儀（DSZ5，徠斯達(dá)，中國）測量各點(diǎn)位高程，確保所有裝置在同一基準(zhǔn)面上。裝置內(nèi)傳感器布設(shè)如下：表層（0 ～0.5 m）、中層（0.5 ～1.0 m）安裝有溫度自動(dòng)記錄儀（U22001，OneSetHoBo，USA），其測量精度和適用范圍分別為0.2℃和-40℃～50℃；底層（1.0 ～1.5 m）安裝有水溫和水位自動(dòng)記錄儀（U2000101，OneSetHoBo，USA），水位測量精度和適用范圍分別為0.5 cm 和0 ～9 m，水溫測量精度和適用范圍分別為0.1 ℃和-20 ℃～50 ℃，原位監(jiān)測裝置見圖3。設(shè)備于2018年夏季（6月28日—8月16日）運(yùn)行，水位和水溫自動(dòng)記錄儀每2 h自動(dòng)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)。

2.3 潛流交換量計(jì)算洲灘與水庫潛流交換量采用達(dá)西公式進(jìn)行計(jì)算：

圖2 洲灘原位監(jiān)測裝置布設(shè)（T和W分別指水溫和水位計(jì)）

圖3 原位監(jiān)測裝置

2.4 潛流交換寬度計(jì)算洲灘潛流交換寬度即時(shí)間尺度上的入滲距離，可根據(jù)達(dá)西滲透速率v（x，t）推算出孔隙水速率再對（t2-t1）時(shí)間段內(nèi)時(shí)間積分得出，計(jì)算公式為［16］：

2.5 熱傳輸計(jì)算洲灘與水庫熱傳輸?shù)挠?jì)算是基于潛流交換量及潛流交換前后溫度差，而在熱傳輸?shù)倪^程中伴隨著熱量的損失，主要為水分蒸發(fā)產(chǎn)生的潛熱通量及洲灘內(nèi)部熱通量Qg，計(jì)算洲灘與水庫熱傳輸量時(shí)應(yīng)給予去除，因此：

各熱通量計(jì)算公式如下［18-21］：

其中：Q（t）為洲灘與水庫某一時(shí)刻單位面積凈熱傳輸量，MJ/（m2·d）；Q為同一時(shí)刻洲灘與水庫之間的總熱傳輸量，MJ/（m2·d）；C為水體比熱容，4.2×103J/（kg·℃）；M為此時(shí)刻水體交換量，kg；Δt為水體交換前后的溫度差，℃；Qg為土壤熱通量，ks為洲灘各層之間的熱導(dǎo)率，則ks取值2.0W/（m·℃）［18］，dTe/dZ為洲灘各層之間的溫度梯度，℃/m；Qe為潛熱通量，MJ/（m2·d）；λ為汽化潛熱系數(shù)，內(nèi)陸地一般為2.45 MJ/kg［21］；ET0為洲灘表層蒸騰蒸發(fā)量，mm/d。ET0［21］計(jì)算公式如下：

式中：Te為平均溫度，℃；Temax為最高溫度，℃；Temin為最低溫度，℃；Ra［19］為地外輻射，MJ/（m2·d），計(jì)算公式如下：

式中：dr為地球繞日軌道偏心率；Ws為日落時(shí)角，rad；φ為緯度；δ 為太陽傾角，rad。

2.6 敏感性分析根據(jù)以往大量數(shù)值模擬研究表明交換體積與水庫水位振幅A 或周期T 呈正相關(guān)［22-23］，而熱傳輸量與交換體積及溫差呈正相關(guān)，因而設(shè)定熱傳輸量Q（t）與水庫水位變化振幅A、周期T及洲灘和水庫之間的溫差ΔTe的關(guān)系式為式（11），選取50天水庫水位數(shù)據(jù)，求得相應(yīng)水位對應(yīng)的振幅A和周期T，擬合出相應(yīng)關(guān)系式。進(jìn)一步對水位波動(dòng)的周期T、振幅A及溫差ΔTe這3個(gè)影響熱量傳輸?shù)闹饕蛩剡M(jìn)行敏感性分析：選取周期T、振幅A 和溫度差ΔTe的初始參考值，其中周期T 為5.00 d，振幅A 為2.10 m，溫度差ΔTe為1.38 ℃，每次計(jì)算改變其中一個(gè)參數(shù)10%，其余參量保持不變，對3個(gè)因素各做20次計(jì)算，比較單個(gè)因素對熱傳輸量Q（t）的影響程度。計(jì)算公式為式（12）［24］。

式中：Xi、影響因子和熱量的相對變化值；xi、為影響因子和熱量的結(jié)果真實(shí)值；x0、Q0為影響因子和熱量的初始參考值。

3 結(jié)果

3.1 水位波動(dòng)與潛流交換在監(jiān)測過程中，洲灘內(nèi)部水位隨水庫水位出現(xiàn)周期性波動(dòng)，但洲灘內(nèi)部水位波動(dòng)相對于水庫水位具有明顯的“衰減”和“滯后”現(xiàn)象。在第0、7、12、16、23、32、39、43和49天水庫水位和洲灘內(nèi)部水位出現(xiàn)峰值；水庫水位最大漲幅達(dá)5.15 m，洲灘內(nèi)部水位最大漲幅衰減為2.30 m；滯后時(shí)間約為4 h（圖4（a））。根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算洲灘與水庫之間潛流交換量，得出監(jiān)測時(shí)間內(nèi)單位寬度上平均側(cè)向潛流交換量為-0.12 ～0.06 m2/d，單位寬度上側(cè)向潛流交換體積為12.36 m3，單位寬度上洲灘流向庫區(qū)的潛流交換體積為6.08 m3（圖4（b））。單位潛流寬度為15.7 m，根據(jù)含水層厚度得出，監(jiān)測時(shí)段內(nèi)單位潛流交換面積為628 m2。

3.2 水溫變化監(jiān)測過程中，洲灘內(nèi)部溫度分層明顯，總體上呈現(xiàn)表層＞中層＞底層的趨勢。洲灘表層水溫發(fā)生劇烈波動(dòng)，變化范圍為20.74 ～25.47 ℃，在第4天16∶00時(shí)、第9天18∶00時(shí)、第21天18∶00 時(shí)、第24 天18∶00 時(shí)、第41 天16∶00 時(shí)、第47 天12∶00 時(shí)達(dá)到峰值，峰值溫度分別為22.63、23.25、25.47、24.70、23.14 和22.66 ℃（圖5（a））；中層和底層波動(dòng)相對較小，溫度變化范圍分別為20.68 ～22.18 ℃、20.48 ～21.28 ℃。庫區(qū)水溫波動(dòng)較小，波動(dòng)區(qū)間僅為20.08 ～20.96 ℃，總體上低于洲灘內(nèi)部溫度。監(jiān)測時(shí)段內(nèi)，氣溫變化幅度較大，最高氣溫31.5 ℃，最低氣溫18.50 ℃，平均氣溫22.20 ℃。相關(guān)性分析表明，洲灘表層水溫與氣溫顯著不相關(guān)（圖5（b）），而與水位呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)（圖5（c））。

圖4 庫內(nèi)洲灘水位波動(dòng)與潛流交換量

圖5 洲灘溫度變化

3.3 熱傳輸量與敏感性分析洲灘與水庫熱量輸送核算得知，洲灘向水庫熱量輸送呈現(xiàn)“脈沖式”，表層、中層和底層熱傳輸速率極大值分別為121.96 MJ/（m2·d）、55.02 MJ/（m2·d）和10.49 MJ/（m2·d）；均值分別為37.16 MJ/（m2·d）、18.09 MJ/（m2·d）和2.82 MJ/（m2·d）；方差分別為921.64、158.93和6.33。在監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)，表、中、底層分別向庫區(qū)熱傳輸總量表現(xiàn)為：表層＞中層＞底層（圖6（a）），分別是1635.21 MJ、730.68 MJ和104.49 MJ。通過擬合得出熱傳輸量與水位、振幅及溫差關(guān)系式為：Q（t）=0.0127 A1.202T0.611ΔTe1.015，進(jìn)一步敏感性分析得知：水位波動(dòng)振幅對熱傳輸?shù)挠绊懽顬槊黠@，振幅增加1 倍時(shí)，熱傳輸量增加14.94%；溫差影響次之，溫差增加1 倍時(shí)，熱傳輸量增加11.72%；水位波動(dòng)周期對熱傳輸影響最小，周期增加1倍時(shí)，熱傳輸量增加6.05%。

圖6 洲灘與水庫熱量傳輸核算與敏感性分析

3.4 洲灘橫斷面溫度場時(shí)空特征洲灘受太陽輻射，并與水庫發(fā)生側(cè)向潛流交換，從而產(chǎn)生熱量交換，洲灘內(nèi)部溫度場隨水位波動(dòng)發(fā)生規(guī)律性變化。在第22天（2018年7月20日）10∶00—18∶00落水期間（圖7（a）），洲灘內(nèi)部溫度逐漸升高，其中，表層溫度升高最為明顯，升高幅度達(dá)1.96 ℃；中層次之，升高幅度為0.66 ℃；底層最小，升高幅度僅為0.31 ℃。表層和底層溫差最大達(dá)到4.14 ℃。相比較而言，洲灘水平方向各層溫差較小，表、中、底層溫差最大分別為1.04 ℃、0.56 ℃、0.38 ℃。在第22天（2018年7月20日）20∶00—24∶00漲水期間（圖7（b）），洲灘內(nèi)部溫度逐漸降低，表層溫度降幅最大，達(dá)到2.16 ℃，中層次之，降幅為0.72 ℃，底層最小，降幅為0.32 ℃。表層和底層溫差最大為5.13 ℃。洲灘內(nèi)部各層溫度水平空間特征與落水期相似，溫差較小，表、中、底層溫差最大分別為1.78 ℃、0.68 ℃、0.38 ℃。

圖7 水位漲落過程中洲灘剖面夏季溫度變化特征

4 討論

在未受人為調(diào)控河流中，因受雪山融水和大氣降雨補(bǔ)給影響，河流水位波動(dòng)通常呈現(xiàn)出季節(jié)性變化。在水電梯級開發(fā)河流，水位基本受水庫調(diào)節(jié)調(diào)控。由于用電需求的動(dòng)態(tài)變化，水庫水位波動(dòng)頻繁，而在庫容較小的水庫中作用更加明顯。本研究監(jiān)測周期內(nèi)，水庫水位共經(jīng)歷多個(gè)水位波動(dòng)周期，水位振幅達(dá)5.15 m。在水庫水位波動(dòng)下，洲灘內(nèi)部水位隨之波動(dòng)，但表現(xiàn)出一定的滯后性，水位波動(dòng)振幅也產(chǎn)生衰減，因而水庫與洲灘之間形成水力梯度，促使洲灘與水庫發(fā)生頻繁潛流交換［10］。監(jiān)測周期內(nèi)，洲灘與水庫之間單位寬度上平均側(cè)向潛流交換量為-0.12 ～0.06 m2/d，單位寬度上洲灘流向庫區(qū)的潛流交換總量達(dá)6.08 m3。

相比于瀾滄江干流其他水庫，漫灣水庫庫容較小，體積為9.2×108m3，屬季調(diào)節(jié)水庫。本研究洲灘處于漫灣深切峽谷型水域，受兩岸地表徑流影響較小，水文特征主要受上游大型水庫小灣（最大庫容為151.3×108m3）影響。在小灣恒定低溫水下泄影響下，漫灣水庫內(nèi)水溫相對穩(wěn)定，維持在20.08 ～20.96 ℃以內(nèi)［25-26］。劉蘭芬等［27］也證實(shí)，漫灣水庫水溫常年保持穩(wěn)定，且未出現(xiàn)分層現(xiàn)象。另外，洲灘是由泥沙淤積而成，質(zhì)地較為均一，以粉沙為主，其中黏土、粉沙和沙分別占27.2%、67.7%和5.1%，平均粒徑為10 μm。因此，洲灘溫度異質(zhì)性主要受表層太陽輻射及其內(nèi)部水熱交換影響。在太陽輻射作用下，洲灘沉積物因比熱容相對較低，表層溫度迅速上升，與水庫水溫形成溫度差。在整個(gè)監(jiān)測周期內(nèi)洲灘內(nèi)部溫度均高于水庫水溫，最大溫差達(dá)到4.73 ℃。因洲灘表層受太陽輻射影響較大，洲灘內(nèi)垂向溫度分層明顯，表層溫度明顯高于中層和底層（圖5（a））。

在潛流交換和溫度差共同作用下，洲灘向水庫發(fā)生熱量傳輸。落水期間，洲灘內(nèi)部水位下降，洲灘表層逐漸裸露，在太陽輻射作用下，洲灘的溫度逐漸升高，其中洲灘表層和中層升溫最為明顯，在此過程中，熱量隨著洲灘排水向水庫傳輸。而漲水周期時(shí)，水庫低溫水流向洲灘，吸收洲灘內(nèi)部熱量，洲灘內(nèi)部溫度隨之下降（圖7），吸收的熱量隨下一落水周期向水庫輸送。因此，在監(jiān)測周期內(nèi)，洲灘內(nèi)部溫度與水位表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)（圖5（c））。洲灘表層因接受太陽輻射最強(qiáng)烈，故向水庫的熱傳輸量最大。洲灘向水庫的熱傳輸量也因洲灘表層接受大量太陽輻射而向水庫熱傳輸量最大（圖6（a））。本研究區(qū)熱傳輸與自然河道岸邊潛流區(qū)及受大壩下泄水影響的河道岸邊潛流區(qū)相比，雖然機(jī)制均為在潛流交換驅(qū)動(dòng)下因溫度差異而進(jìn)行的熱量傳輸，但可能存在一定差異，這是因?yàn)樽匀缓拥罎摿鲄^(qū)不受人為活動(dòng)建壩影響，屬于自然節(jié)律；而大壩下泄水影響的河道岸邊潛流區(qū)和本研究區(qū)雖然同受人為活動(dòng)建壩影響，但研究區(qū)水文以及地質(zhì)特點(diǎn)存在不同，壩下河道受下泄水影響水流較快，潛流區(qū)在水流沖刷下多為粗沙礫、石塊，而本研究為庫內(nèi)水體，水流較緩，潛流區(qū)為淤積的致密細(xì)沙、黏土。未來在此方面進(jìn)一步開展對比研究。熱敏感性分析進(jìn)一步證實(shí)，在夏季，洲灘向水庫熱傳輸受水位波動(dòng)振幅最大，這主要是因?yàn)樗徊▌?dòng)振幅越大，產(chǎn)生的水力梯度越大，潛流交換越強(qiáng)，可在單個(gè)水位波動(dòng)周期中最大量地將洲灘熱量輸送至水庫。另外，水庫水位波動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)易受地下水位的影響，為了避免地下水位的影響，在未來的研究中，還需進(jìn)一步開展長周期觀測，選取每個(gè)完整水位波動(dòng)周期進(jìn)行分析。

5 結(jié)論

本研究以瀾滄江漫灣水庫庫內(nèi)洲灘為研究對象，通過原位連續(xù)監(jiān)測水庫和洲灘內(nèi)部水位、水溫變化，分析了夏季洲灘潛流區(qū)和水庫之間熱傳輸過程，發(fā)現(xiàn)：

水庫運(yùn)行下，庫內(nèi)和洲灘內(nèi)部水位頻繁波動(dòng)，洲灘內(nèi)部水位波動(dòng)具有“滯后性”、振幅具有一定衰減，進(jìn)而產(chǎn)生水力梯度，促進(jìn)水庫與洲灘之間潛流交換，潛流交換量為-0.12 ～0.06 m2/d

在太陽輻射作用下，洲灘沉積物因比熱容低，升溫速度高于水庫水溫，使洲灘與水庫之間產(chǎn)生0.26 ℃～4.80 ℃溫度差；

在洲灘與水庫潛流交換與溫度差共同作用下，洲灘向水庫發(fā)生“脈沖式”熱量輸送；洲灘表層輸送量最高、中層次之、底層最低，分別為1635.21、730.68和104.49 MJ；熱傳輸量受水位波動(dòng)振幅影響最大，溫差次之，周期影響最小。