溪洛渡、向家壩庫區(qū)及壩下水溫分布特性及成因分析

程帥 左新宇 黃蕙 蘭峰

摘要：為研究庫區(qū)及壩下水溫分布情況，以溪洛渡、向家壩水庫為研究對象，從2016年8月至2017年7月對其進(jìn)行連續(xù)性的水溫監(jiān)測，分析了其表層水溫和垂向水溫的變化特性及成因。初步研究結(jié)果表明：各斷面表層水溫的特征值主要體現(xiàn)在年內(nèi)的變化，水溫和氣溫具有較好的正相關(guān)性;壩體附近斷面，壩下斷面表層水溫要明顯低于壩上斷面;兩庫區(qū)近壩段的溪洛渡壩上和向家壩壩上兩斷面水溫分層現(xiàn)象最為顯著，通常表現(xiàn)為春、夏季分層顯著，秋季分層較弱，冬季基本呈等溫分布。該研究可為梯級電站的分層取水和生態(tài)調(diào)度提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水溫分布特性;水溫分層;水溫監(jiān)測;梯級水庫;溪洛渡水庫;向家壩水庫

中圖法分類號：TV697.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.08.008

溪洛渡和向家壩水庫是金沙江下游江段兩座重要的梯級水庫。溪洛渡水庫上接白鶴灘電站尾水，下接向家壩水庫，控制流域面積45.44萬km2，水庫總庫容126.7億m3，正常蓄水位600 m;向家壩水庫控制流域面積45.88萬km2，水庫總庫容51.63億m3，正常蓄水位為380 m。水庫運(yùn)行不僅會改變庫區(qū)及壩下水體水溫的時空分布，而且對下游江段的生態(tài)系統(tǒng)也會產(chǎn)生較大影響[1-2]。

基于已有研究，許多學(xué)者采用疊梁門的運(yùn)行和水質(zhì)模型預(yù)測等方式對溪洛渡和向家壩水庫近壩段水體的水溫作了大量研究[3-6]。但對庫區(qū)內(nèi)表層水溫和垂向水溫的分布情況研究較少。本文基于溪洛渡、向家壩庫區(qū)及壩下2016年8月至2017年7月連續(xù)性水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，對水溫變化規(guī)律進(jìn)行了初步分析，對梯級電站分層取水和生態(tài)調(diào)度運(yùn)行具有一定的現(xiàn)實意義。

1 監(jiān)測方案

1.1 斷面布設(shè)

為監(jiān)測梯級水庫表層水溫，在溪洛渡、向家壩庫區(qū)至壩下江段共布設(shè)金陽河匯口下游（距溪洛渡壩址約-132 km）、美姑河匯口下游（距溪洛渡壩址約-35 km）、溪洛渡壩上（距溪洛渡壩址約-6 km）、溪洛渡壩下（距溪洛渡壩址約4 km）、綏江縣城（距溪洛渡壩址約98 km）、向家壩壩上（距溪洛渡壩址約148 km）和向家壩壩下（距溪洛渡壩址約152 km）共7處監(jiān)測斷面，各監(jiān)測斷面在水面下0.5 m處布設(shè)1個監(jiān)測點。

為研究溪洛渡和向家壩庫區(qū)垂向水溫的分布情況，分別在牛欄江支庫庫中（距牛欄江匯口下游約2 km）、金陽河支庫庫中（距金陽河匯口下游約2km）、金陽河匯口下游、美姑河支庫庫中、美姑河匯口下游、溪洛渡壩上、綏江縣城和向家壩壩上布設(shè)8處斷面監(jiān)測點，監(jiān)測垂線設(shè)置在斷面中泓處。

梯級水庫和水溫監(jiān)測斷面分布見圖1。

1.2 監(jiān)測方法

表層水溫采用水溫計進(jìn)行人工監(jiān)測，全年每日08：00監(jiān)測1次表層水溫，并同步記錄氣溫。

垂向水溫采用HY1200B型聲速剖面儀進(jìn)行巡測。由于庫表水溫僅在小范圍內(nèi)存在一定差異，庫底水溫變化幅度較小，故為研究垂向溫度梯度變化情況，在監(jiān)測垂線上按0.5，1，2，3，4m和5m水深布置測點，5m水深以下按5m間隔布置測點至庫底。相關(guān)儀器設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

2 表層水溫分布特性

2.1 年內(nèi)變化特征

為反映溪洛渡、向家壩庫區(qū)及壩下各斷面表層水溫的變化，通過統(tǒng)計2016年8月1日至2017年7月31日監(jiān)測時段表層水溫和氣溫的數(shù)據(jù)，得到各斷面的水溫和氣溫特征值，見表2～3?？傮w上看，各斷面特征值不盡相同，實測范圍主要體現(xiàn)在年內(nèi)的變化，年最低值主要出現(xiàn)在1～3月，最高值出現(xiàn)在7～9月。

為了研究氣溫和水溫的變化關(guān)系，采用了線性相關(guān)分析。雖然氣溫和水溫年最低值、年最高值出現(xiàn)的時間有所不同，但從相關(guān)性分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，氣溫和水溫具有較好的正相關(guān)性。溪洛渡、向家壩壩上與壩下相關(guān)性系數(shù)差別較大，這主要是由于壩上水體水溫受氣溫、太陽輻射以及蒸發(fā)量等因素的影響較大，壩下水體水溫受水庫低溫下泄水的影響較大[7]。

2.2 表層水溫、氣溫的沿程變化特征

干流沿程各斷面表層水溫和氣溫的月均值變化見圖2和圖3。

總體來看，該江段表層水溫的沿程變化在各月份呈小幅波動趨勢。從水溫的沿程變化來看，2017年6月，金陽河匯口下游至溪洛渡壩上江段上下游的水溫溫差最大，差值為4.2 ℃;該江段上下游氣溫溫差也最大，差值為3.7℃。

（1）溪洛渡壩上至壩下斷面表層水溫變化趨勢基本一致，均為壩上溫度明顯高于壩下溫度，壩上壩下最大溫差為4.1℃，最小為0.2℃，分別出現(xiàn)在升溫期（2017年7月）和降溫期（2017年2月）。這主要是由于溪洛渡水庫夏季分層明顯，冬季基本呈等溫分層狀態(tài)，而壩下庫表水溫受下泄低溫水的影響較大。

（2）溪洛渡壩下至綏江縣城斷面，水溫有小幅升高，為0.2 cC～1.9℃，這主要是由于氣溫要素對壩下水體的影響，壩下溫度較低的水體在流經(jīng)下游斷面的過程中，水溫又呈現(xiàn)回升的趨勢，說明水溫和氣溫具有較好的正相關(guān)性。

（3）綏江縣城至向家壩壩上斷面的表層水溫呈小幅波動狀態(tài)，波動幅度在0.5 ℃以內(nèi)。

（4）向家壩壩上與壩下斷面表層水溫變化與溪洛渡水庫水溫變化特點一致，即壩下水溫明顯低于壩上斷面，溫差為0.1℃～2.0℃。

由于溪洛渡、向家壩庫區(qū)及壩下江段空間跨度大，影響因素多且復(fù)雜，因而表層的水溫整體規(guī)律尚不明顯，但在局部具有一定規(guī)律性，主要體現(xiàn)在溪洛渡壩上至向家壩壩下江段。

3 垂向水溫分布特性

3.1 干流

干流各斷面全年垂向水溫分布見圖4。

（1）金陽河匯口下游斷面全年上下層水溫分布較均勻，溫度差異小，未監(jiān)測到分層現(xiàn)象。

（2）美姑河匯口下游在升溫季節(jié)（2017年5～8月）出現(xiàn)了顯著的分層現(xiàn)象，水體表底層溫差在5 ℃～7 ℃。2017年4月出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象;2016年9月和12月出現(xiàn)弱的分層現(xiàn)象;2016年10月、11月以及2017年1～3月，表底層水溫溫差較小，未觀測到分層現(xiàn)象。

（3）溪洛渡壩上的垂向水溫分層情況在la內(nèi)有周期性的循環(huán)變化趨勢，且1～12月表層水溫始終高于底層水溫。1～3月未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且表、底層水溫相差不大（小于1℃）。進(jìn)入4月后，表、底層溫差迅速增加，表層水溫由14.50C上升至17.4℃，但底層水溫維持在14℃左右。4～8月，表層水溫總體呈上升趨勢，8月升至最大值，約23 ℃，底層水溫變化不大，依然在14.5℃左右。8～10月的表層水溫總體呈下降趨勢，從23℃降至21℃，但垂向摻混加劇，底層水溫迅速上升，溫躍層不斷下移。11月，溫躍層繼續(xù)下移。進(jìn)入12月后，溪洛渡壩上水溫沿垂向基本呈等溫混合分布。

（4）綏江縣城斷面在2017年5月和6月有明顯的分層現(xiàn)象出現(xiàn)，溫躍層的深度在70～ 90 m;其他月份未觀測到明顯的分層現(xiàn)象。整體而言，春夏季出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，其他季節(jié)和月份未出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。

（5）向家壩壩上斷面在2017年5～7月出現(xiàn)顯著的分層現(xiàn)象，最大表底層溫差達(dá)6.9℃。2017年4月有較明顯的分層現(xiàn)象出現(xiàn)，其他月份未觀測到分層現(xiàn)象。4～7月，溫躍層有逐漸下移的趨勢。

（6）從干流各斷面垂向水溫的沿程分布上來看，金陽河匯口下游斷面距兩壩最遠(yuǎn)，全年未監(jiān)測到分層現(xiàn)象。隨著距壩里程的逐步減少，美姑河匯口下游斷面和綏江縣城斷面則出現(xiàn)一定的水溫分層現(xiàn)象，其中以溪洛渡壩上斷面和向家壩壩上為代表的近壩水體水溫分層現(xiàn)象最為顯著。

3.2 支流

支流各斷面全年的垂向水溫.監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

（1）牛欄江支庫庫中在2016年12月以及2017年4月和5月有弱分層現(xiàn)象出現(xiàn)，表底層溫差分別為1.0 ℃、1.9℃、1.2 ℃，溫躍層分別為25～35 m、5-20 m、5～10 m，其他月份未監(jiān)測到明顯分層現(xiàn)象。

（2）金陽河支庫庫中斷面各月上下層水溫分布均比較均勻，上下層溫度差異較小，均小于1.0 ℃，未監(jiān)測到明顯的分層現(xiàn)象。整體上，水溫隨季節(jié)變化，水體上下層未出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

（3）美姑河支庫庫中在2017年4～6月有明顯的分層現(xiàn)象，水體表底層溫差分別達(dá)到4.8℃、5.7 ℃、6.5℃。2016年9月有較明顯的分層現(xiàn)象出現(xiàn)，2016年8，10，11月和12月，以及2017年7月有弱分層現(xiàn)象出現(xiàn)，2017年1～3月未監(jiān)測到明顯分層現(xiàn)象?？傮w上看，4～6月溫躍層較淺，均處于70 m以上;8～ 12月，溫躍層基本上處于100 m以下;春夏季節(jié)水溫分層較明顯，冬季水溫分層現(xiàn)象不明顯。

3.3 成因分析

通過分析溪洛渡、向家壩庫區(qū)垂向水溫分布規(guī)律可知，兩庫區(qū)近壩段水體在垂向水溫的分布上易產(chǎn)生分層現(xiàn)象，而壩前水體水溫分層現(xiàn)象最為顯著。具體表現(xiàn)為：春、夏季易產(chǎn)生分層現(xiàn)象，特別是夏季，在風(fēng)力、熱對流等因素的共同影響下，隨著庫表溫度的升高，熱量從庫表逐漸傳至庫中或庫底，水體易形成穩(wěn)定的分層結(jié)構(gòu);秋季庫表水溫隨氣溫下降而逐漸降低，其溫躍層在一定范圍內(nèi)也不斷下移;冬季由于庫表溫度再度降低，水庫水溫在垂向上基本呈等溫混合狀態(tài)[8-10]。溪洛渡水庫自蓄水以后，影響其水溫結(jié)構(gòu)的因素主要有來流水溫、氣象因素、人流和出流條件、水庫調(diào)度等[11-12]。然而向家壩水庫受上游溪洛渡水庫調(diào)度的影響，其上游來水流量和水溫影響著庫區(qū)內(nèi)水溫結(jié)構(gòu)的形成。總之，水庫水溫結(jié)構(gòu)的形成是外部熱量的輸入和庫區(qū)流態(tài)共同作用的結(jié)果[13]。

4 結(jié)論

根據(jù)溪洛渡、向家壩庫區(qū)及壩下的水溫監(jiān)測結(jié)果，對表層水溫及垂向水溫年內(nèi)分布特性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

（1）各斷面表層水溫的特征值各有差異，但時間變化規(guī)律相似;水溫與氣溫具有較好的正相關(guān)性。

（2）在表層水溫的沿程分布上，整體規(guī)律尚不明顯，但壩上斷面的表層水溫明顯高于壩下;隨著與大壩距離的增加，水溫又逐漸回升;氣溫對表層水溫的變化有較大影響。

（3）庫區(qū)內(nèi)干流和支流各斷面全年的垂向水溫監(jiān)測結(jié)果表明，溪洛渡壩上和向家壩壩上2個斷面有較為顯著的水溫分層現(xiàn)象出現(xiàn)。

（4）庫區(qū)垂向水溫的分布和監(jiān)測斷面的水深、監(jiān)測時間以及距大壩的距離等因素有關(guān)。水深越深，表底層溫差越大;距壩段越近，垂向水溫分布特征越顯著。

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