大型水庫(kù)分層取水方式對(duì)下游河道魚(yú)類生態(tài)環(huán)境影響研究

苗雨池

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

大型水庫(kù)下泄水體水溫受到其調(diào)度方式的影響，與天然水體存在明顯的溫差，而這種溫差對(duì)于下游河道魚(yú)類的生態(tài)環(huán)境影響十分明顯[1]。水溫過(guò)高或者過(guò)低，均不利于魚(yú)類的繁殖和生長(zhǎng)。大型水庫(kù)傳統(tǒng)的取水方式主要為單層取水方式，而這種方式的缺點(diǎn)在于夏季下泄水體溫度低于天然水體溫度，嚴(yán)重影響其下游河道魚(yú)類的繁殖生長(zhǎng)[2]。近些年來(lái)，對(duì)于水庫(kù)調(diào)度方式對(duì)下游河道魚(yú)類生態(tài)環(huán)境的影響逐步得到國(guó)內(nèi)許多學(xué)者的關(guān)注和研究[3- 9]，這些成果大都針對(duì)下泄水體水溫或者水量進(jìn)行分析，而對(duì)于取水方式的研究還較少，而多項(xiàng)研究表明[10- 15]，水庫(kù)不同取水方式對(duì)其下泄水溫產(chǎn)生直接影響，而水溫是影響下游河道魚(yú)類生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)。為此本文結(jié)合水庫(kù)下泄水溫?cái)?shù)值模擬方法，分析分層取水方式對(duì)其下泄水體溫差的效應(yīng)。研究成果對(duì)于水庫(kù)生態(tài)調(diào)度具有重要的參考價(jià)值。

1 大型水庫(kù)下泄水溫模擬方法

大型水庫(kù)水溫主要包含混合、過(guò)渡以及分層三類，庫(kù)區(qū)水溫主要采用庫(kù)容比以及弗汝德系數(shù)法，各系數(shù)的計(jì)算方程分別為：

(1)庫(kù)容比法判定系數(shù)的計(jì)算方程：

(1)

式中，a—判定系數(shù)；W—多年徑流量，m3；W總—水庫(kù)的總庫(kù)容，m3。

當(dāng)a<10則表示為水溫屬于分層類型；1020則表示屬于混合型。

(2)弗汝德判定系數(shù)計(jì)算方程為：

(2)

式中，F(xiàn)d—弗汝德數(shù)；L—水體縱向距離，m；H—水體平均深度，m；Q—下泄水體的流量，m3/s；V—計(jì)算水體的體積，m3；g—重力加速度，m2/s；ε—水體特征梯度。

當(dāng)Fd<0.1屬于穩(wěn)定分層類型；0.11.0屬于混合類型。

本文主要結(jié)合水溫?cái)?shù)值模擬模型對(duì)遼寧西部某大型水庫(kù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，首先建立水庫(kù)的熱量與水量平衡方程：

I(t)Δt-TO(t)Δt=ΔS(t)

(3)

T1(t)I(t)Δt-T0(t)O(t)Δt=ΔE(t)

(4)

式中，T1(t)—時(shí)段t入庫(kù)平均水溫，℃；T0(t)—時(shí)段t出庫(kù)平均水溫，℃；I(t)—時(shí)段t入庫(kù)平均流量，m3/s；O(t)—時(shí)段t出庫(kù)平均流量，m3/s；ΔS(t)—時(shí)段t水庫(kù)蓄水量的變化量，m3；ΔE(t)—t水庫(kù)熱量的變量，m3·℃。

ΔE(t)計(jì)算方程為：

(5)

式中，T(S)—單元體積為S的水體的溫度，℃；S(t)、S(t-Δt)分別表示不同時(shí)間步長(zhǎng)條件下的蓄水量，m3。

當(dāng)水庫(kù)呈現(xiàn)穩(wěn)定分層現(xiàn)象，水庫(kù)水溫呈現(xiàn)均勻混合，則其水溫垂向分布計(jì)算方程：

ΔE(t)=S(t)TR(t)-S(t-Δt)TR(t-Δt)

(6)

式中，TR(t)、TR(t-Δt)—不同時(shí)間步長(zhǎng)條件下的水庫(kù)水體溫度，℃。

結(jié)合式(5)和(6)可以計(jì)算水庫(kù)t時(shí)刻水溫TR(t)，計(jì)算方程為：

(7)

其中：

S(t)=I(t)Δt+S(t-Δt)-O(t)Δt

(8)

結(jié)合上述方程可以推求水庫(kù)下泄水體的溫度，計(jì)算方程為：

TO(t)=TR(t-Δt)

(9)

方程中的變量含義均同上述方程中的變量含義。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 水庫(kù)概況

研究水庫(kù)屬于一座大(2)型水利樞紐工程，壩址以上流域面積3029km2。水庫(kù)樞紐工程等別為Ⅱ等，永久性水工建筑物級(jí)別為2級(jí)，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，采用高程基面為黃?；妗？値?kù)容為8.0億m3。樞紐主要建筑物由擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段、引水壩段及連接段等組成。壩總長(zhǎng)1148m。壩頂寬度11.4m。庫(kù)區(qū)主要的魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)主要位于水庫(kù)下游距離壩址4km處，產(chǎn)卵魚(yú)類主要為青、草、鰱、鳙四大家魚(yú)，適宜生長(zhǎng)的速度在0.2～1.1m/s之間，適宜生長(zhǎng)的水體深度為0.5～2.0m，各魚(yú)類主要產(chǎn)卵的敏感月份分布在3～6月。分別結(jié)合庫(kù)容比法判定系數(shù)、弗汝德判定系數(shù)對(duì)水庫(kù)水溫分類進(jìn)行判定，結(jié)果見(jiàn)表1—2，從判定結(jié)果可看出，研究水庫(kù)水溫均為穩(wěn)定的分層。

表1 基于庫(kù)容比法判定系數(shù)的庫(kù)區(qū)水溫分類結(jié)果

表2 基于弗汝德判定系數(shù)的庫(kù)區(qū)水溫分類結(jié)果

2.2 水溫計(jì)算驗(yàn)證

結(jié)合建立的水溫?cái)?shù)值模型對(duì)庫(kù)區(qū)3～12月份各分層水溫進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合庫(kù)區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)水溫對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3，并對(duì)庫(kù)區(qū)斷面垂向深度的平均氣溫進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

表3 各月份水庫(kù)不同層水溫驗(yàn)證結(jié)果 單位：℃

圖1 水庫(kù)斷面垂向平均氣溫驗(yàn)證結(jié)果

從驗(yàn)證結(jié)果可看出，建立的水溫?cái)?shù)值模型在研究庫(kù)區(qū)各分層的水溫計(jì)算絕望誤差在0.16～1.39之間，建立的模擬基本可滿足區(qū)域水溫計(jì)算精度要求。從圖1中可看出研究庫(kù)區(qū)水溫各分層水溫呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)變化趨勢(shì)。冬季水溫較低，夏季水溫可維持在20℃以上。進(jìn)入冬季后，由于垂向水溫?zé)峤粨Q較慢，使得其垂向水溫分布逐步趨于穩(wěn)定變化。從其驗(yàn)證結(jié)果還可看出，庫(kù)區(qū)表層溫度較低，隨著垂向深度的增加，其水溫呈現(xiàn)遞增變化，但遞增幅度較小。底層水溫由于熱交換的影響，使得其溫度高于表層溫度，而表層穩(wěn)定主要取決于空氣溫度。

表4 水庫(kù)壩前斷面垂向水溫計(jì)算結(jié)果

2.3 庫(kù)區(qū)水溫計(jì)算

對(duì)水庫(kù)壩前斷面不同垂向深度下的水溫進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

從計(jì)算結(jié)果可看出，研究水庫(kù)屬于典型的水溫分層類型，3～4月份水庫(kù)水溫較低，受到區(qū)域氣溫和太陽(yáng)輻射的影響，水溫呈現(xiàn)一定的遞增變化，但增幅較小。隨著氣溫和太陽(yáng)輻射的增加，進(jìn)入5～9月份后，水庫(kù)壩前垂向溫度逐步增加，庫(kù)區(qū)表層水溫遞增較為明顯。庫(kù)區(qū)水溫最高值出現(xiàn)在7月份，且從5月份開(kāi)始水庫(kù)水溫在22.0m深度處開(kāi)始出現(xiàn)逆水溫現(xiàn)象。隨著水庫(kù)入流水量、氣溫以及太陽(yáng)輻射的逐步增加，水體熱交換影響程度加大，使得水庫(kù)不同分層水溫躍層現(xiàn)象有所減少。

2.4 下泄水溫對(duì)比結(jié)果

結(jié)合不同取水方式，對(duì)比各取水方式下天然水溫與下泄水溫的溫度差，分析結(jié)果見(jiàn)表5—6。

表5 單層取水方式下的水庫(kù)下泄水溫溫差對(duì)比結(jié)果

表6 分層取水方式下的水庫(kù)下泄水溫溫差對(duì)比結(jié)果

采用傳統(tǒng)的單層取水方式，水庫(kù)各月份下泄水溫與天然水溫的溫度差在-0.93℃～3.12℃之間，而采用分層取水方式后，下泄水溫和天然水溫的溫差得到有效減低，水庫(kù)下泄水體和天然水體溫差可有效降低-0.3℃～1.5℃，兩種取水方式下的最大溫差主要集中在7月和8月。這主要是因?yàn)檫@兩個(gè)月份存在夏季氣溫最高的月份，由于外界氣溫和太陽(yáng)輻射的增加，使得7月和8月水體熱交換有所降低，使得其溫差加大。通過(guò)對(duì)比兩種取水方式，可以發(fā)現(xiàn)在夏季分層取水的方式可適當(dāng)增加水體各層溫度，降低和天然水溫的溫差，保持水體的天然生態(tài)效應(yīng)。

2.5 下泄水溫沿程恢復(fù)對(duì)比結(jié)果

通過(guò)對(duì)水庫(kù)魚(yú)類生態(tài)環(huán)境的分析，將下泄溫差降低到-1℃和-0.5℃之間可為魚(yú)類提供一個(gè)適宜的生態(tài)環(huán)境，為此對(duì)比了兩種取水方式下水庫(kù)下泄水溫達(dá)到以上兩個(gè)溫差的沿程恢復(fù)距離，分析結(jié)果見(jiàn)表7—8。

表7 單層取水方式下水庫(kù)下泄水溫沿程恢復(fù)結(jié)果對(duì)比

表8 分層取水方式下水庫(kù)下泄水溫沿程恢復(fù)結(jié)果對(duì)比

從不同取水方式下的溫差分析結(jié)果可看出，溫差在-0.5℃主要集中在3～5月份，而溫差在-1℃的主要集中在6～9月份。采用傳統(tǒng)單層取水方式下水庫(kù)下泄溫度與天然水體溫差在-1℃的沿程恢復(fù)距離的最大值為18.23km，溫差恢復(fù)到-0.5℃的沿程距離的最大值為35.63km。而采用分層取水方式后，溫差恢復(fù)到-1℃和到-0.5℃的沿程距離的最大值分別為10.05km和24.33km，相比于傳統(tǒng)單層取水方式下，其恢復(fù)距離分別降低8.18km和11.30km。相比于傳統(tǒng)單層取水方式，分層取水方式可有效降低低溫水體恢復(fù)的距離。

2.6 下游河道魚(yú)類產(chǎn)卵影響變化度

針對(duì)水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)主要4大家魚(yú)種類的產(chǎn)卵期變化進(jìn)行分析，進(jìn)而分析對(duì)其下游河道魚(yú)類生態(tài)環(huán)境的影響，結(jié)果見(jiàn)表9。

通過(guò)分析，庫(kù)區(qū)內(nèi)主要4種家魚(yú)類的產(chǎn)卵期分別位于壩址15km處，產(chǎn)卵魚(yú)類主要為青、草、鰱、鳙四大家魚(yú)，適宜生長(zhǎng)的速度在0.2～1.1m/s之間，適宜生長(zhǎng)的水體深度為0.5～2.0m，各魚(yú)類主要產(chǎn)卵的敏感月份分布在3～6月。青魚(yú)、草魚(yú)產(chǎn)卵適宜溫度為11～16℃，其在天然條件下產(chǎn)卵期主要出現(xiàn)在5～6月，而采用單層取水方式下水庫(kù)下泄水溫使得青魚(yú)、草魚(yú)產(chǎn)卵推遲到7～8月，而采用分層取水方式后，其產(chǎn)卵推遲到6～7月，相比于單層取水方式，水溫影響有所減緩。從鰱魚(yú)、鳙魚(yú)產(chǎn)卵影響也可看出，鰱魚(yú)、鳙魚(yú)產(chǎn)卵適宜溫度為8～12℃，天然水體下其產(chǎn)卵主要為4～5月，而單層取水方式下其產(chǎn)卵期推遲到6～7月，而分層取水方式下其產(chǎn)卵和天然條件下一致。這主要是因?yàn)橄啾扔趥鹘y(tǒng)單層取水方式，采用分層取水方式后，和天然水體溫差得到有效降低，是得其利用魚(yú)類的產(chǎn)卵生態(tài)環(huán)境。

3 結(jié)論

(1)水庫(kù)垂向水溫呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性分層效應(yīng)，為降低與天然水體的溫差，應(yīng)改變傳統(tǒng)單層取水方式，結(jié)合垂向水溫進(jìn)行分層取水，建議分層取水深度不超過(guò)70m，可有效降低水庫(kù)下泄低溫引起的生態(tài)負(fù)面效應(yīng)。

表9 不同取水方式下水庫(kù)各魚(yú)類產(chǎn)卵期變化情況

(2)在分層取水中，由于表層受太陽(yáng)輻射影響，變幅較大，建議在分層取水過(guò)程中，重點(diǎn)取中層和底層的水體，可有效降低下泄水體低溫溫差和水溫恢復(fù)距離。

本文重點(diǎn)分析了下泄低溫對(duì)水庫(kù)四類家魚(yú)產(chǎn)卵影響，而對(duì)低溫對(duì)其生境影響分析還存在不足，在以后研究中通過(guò)加密水溫觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境的溫差影響進(jìn)行重點(diǎn)分析。