氣候變暖趨勢下龍羊峽水庫水溫結(jié)構(gòu)模擬研究

高少澤 權(quán)全 魏顯貴 王炎 蔻曉梅

摘 要：在氣候變暖與高海拔水庫建設(shè)運行的共同作用下，區(qū)域性氣候環(huán)境對河道水溫的年內(nèi)變化作用明顯。以黃河上游多年調(diào)節(jié)水庫龍羊峽水庫為研究對象，在入庫水溫與氣溫相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，采取原型觀測方法研究壩前水溫變化與天然河道水溫和氣溫變化的相關(guān)性，通過建立三維水溫模型對庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化進行模擬。結(jié)果表明：壩前水溫的年內(nèi)變化滯后于氣溫的，龍羊峽水庫的興建改變了庫區(qū)水體的熱量分配，6—9月水庫表層水體吸收了大量熱量，和底層水體之間存在較大的溫度梯度并形成溫度分層，10月至次年3月上下層水體水溫近乎等溫狀態(tài);龍羊峽水庫地處高寒地區(qū)，在蓄水期形成水溫分層時，除在氣溫最高的月份形成較大斜溫層梯度外，沒有形成明顯溫躍層。

關(guān)鍵詞：水溫結(jié)構(gòu);原型觀測;氣候變化;龍羊峽水庫

中圖分類號：TV697.2

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.022

引用格式：高少澤，權(quán)全，魏顯貴，等.氣候變暖趨勢下龍羊峽水庫水溫結(jié)構(gòu)模擬研究[J].人民黃河，2021，43（9）：115-119.

Simulation Study on Water Temperature Structure of Longyangxia Reservoir Under Climate Warming Trend

GAO Shaoze1， QUAN Quan1， WEI Xiangui2， WANG Yan3， KOU Xiaomei4

（1.Xian University of Technology， Xian 710048， China; 2.Huanghe Hydropower Development Co.， Ltd.， Xining 810008， China;

3.Changjiang Institute of Survery， Planning， Design and Research， Wuhan 430015， China;

4.Northwest Engineering Corporation Limited of Power China， Xian 710061， China）

Abstract： Under the joint action of climate warming and the construction and operation of high altitude reservoir， the appearance of regional climate environment has an obvious effect on the annual variation of river water temperature. Taking the results of multi-year regulating storage reservoirs in the Yellow River upstream of the reservoir as the research object， through the analysis of the correlation between the storage temperature and temperature and on the basis of prototype observation methods， it studied the water temperature changes in the front of the dam and the correlation of natural river water temperature and the temperature change， through the establishment of 3-D temperature models of seasonal changes on the structure of the reservoir water temperature simulation. The results show that the annual change of water temperature in front of the dam is lagging behind the change of air temperature. The construction of Longyangxia Reservoir changes the heat distribution of the river， the surface water body of the reservoir absorbs a lot of heat from June to September， and there is a large temperature gradient between the bottom water body and the surface water body， the water temperature of the upper and lower water bodies is nearly isothermal from October to March of the following year. Because the Longyangxia Reservoir area is in an alpine and cold region， the surface water of the reservoir absorbs less heat during the storage period when the water temperature is stratified and there is no obvious thermocline except for the formation of a large thermocline gradient in the months with the highest temperature.

Key words：? water temperature structure; prototype observation; climate change; Longyangxia Reservoir

水電站在減排溫室氣體、應(yīng)對氣候變化、實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置等方面發(fā)揮了重要作用[1]。我國地勢西高東低，河流眾多、落差大，水能資源非常豐富，水能資源可開發(fā)裝機容量約為6.87億kW，年發(fā)電量約3萬億kW·h，居世界第一[2]。

氣候變化影響天然河道水溫和庫區(qū)水溫，溫度變化對水生生物的生長、繁殖、生存都會產(chǎn)生一定影響[3]。水電站開發(fā)建設(shè)在改變河道徑流年內(nèi)和年際分配的同時，改變了水體的年內(nèi)熱量分配，引起水溫在流域沿程和垂向上的梯度變化[4]。水體溫度垂向差異所形成的熱力分層引起水體溶解氧分布改變、底泥營養(yǎng)鹽釋放等理化過程，以及上下層水流混合、

對流等現(xiàn)象產(chǎn)生[5-6]，水體中這些理化過程和現(xiàn)象隨著高壩大庫的建設(shè)運行而更加明顯[7]。針對特大型水庫的水熱循環(huán)，水流水溫數(shù)值耦合計算得到了廣泛應(yīng)用[8]，應(yīng)用計算得到的數(shù)據(jù)，輔以實測數(shù)據(jù)，壩前垂向水溫分布特征方面的研究工作得以展開[9]。MIKE3軟件在水庫低溫水下泄對農(nóng)業(yè)生態(tài)和水生態(tài)影響研究方面的作用不可小覷[10]，是目前應(yīng)用最廣泛的水溫結(jié)構(gòu)模擬研究軟件。本研究中，首先通過原型水溫觀測方法分析龍羊峽水庫水體年內(nèi)水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫變化特性[11-12]，再應(yīng)用MIKE3軟件建立三維水溫模型對庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)的季節(jié)性變化進行模擬研究，以探究氣候變暖趨勢下高海拔水庫水溫結(jié)構(gòu)變化。

1 研究區(qū)概況

龍羊峽水庫位于黃河上游，于1986年下閘蓄水，總庫容247億m3，調(diào)節(jié)庫容194億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫，多年平均流量為650 m3/s。龍羊峽壩址以上流域面積13.142萬km2，氣候條件復(fù)雜。龍羊峽水電站是黃河上游第一座大型梯級水電站，其流量變化可代表黃河上游水資源狀況的變化[13]。

2 研究方法

2.1 庫區(qū)原型觀測

距離龍羊峽壩址最近的上游水文站為唐乃亥水文站，距壩約110 km，唐乃亥水文站以上是黃河上游的主要產(chǎn)流區(qū)。唐乃亥水文站徑流量占龍羊峽入庫水量的90%以上。龍羊峽水庫作為黃河上游已建的典型高寒地區(qū)大型多年調(diào)節(jié)水庫，在庫區(qū)、壩前、尾水均布設(shè)有水溫監(jiān)測點，已經(jīng)積累了較長時間的水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，但是受高寒地區(qū)氣壓低、空氣稀薄、晝夜溫差大等特殊氣候條件影響，庫區(qū)水溫監(jiān)測屬于間歇性監(jiān)測，間歇周期與水文站同步?；谑占降膲吻八疁乇O(jiān)測點的長期水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，垂向上采集高程2 550 m處的溫度值作為壩前水溫原型監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 庫區(qū)水溫模型

采用丹麥水力研究所開發(fā)的MIKE3模型建立庫區(qū)水溫三維數(shù)學(xué)模型，模型主要包括水動力模塊和溫鹽模塊[14-16]。水動力模塊通過解算不可壓縮流體沿水深積分的雷諾平均Navier Stokes方程模擬河道水深、流速、渦量的沿程變化[14]。在水動力模塊基礎(chǔ)上，搭建基于MIKE 3FM溫鹽模塊的水庫溫度場模型，并考慮溫度隨水流的遷移、擴散和大氣熱量交換等，計算梯級水庫不同調(diào)度方案下的溫度場。計算范圍為龍羊峽壩址至庫區(qū)回水末端（壩址以上約108 km處），壩前最大水深154 m。為滿足計算要求，平面上采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格布置方案，計算區(qū)域總面積346.85 km2，南北方向約53 km，東西方向約60 km。網(wǎng)格邊長為50～700 m，網(wǎng)格單元數(shù)2 158個，最大單元面積為20萬m2;垂向上采用Sigma方法變間距分為30層，每層高度為1～5 m。為更準(zhǔn)確模擬流態(tài)和水溫變化過程，在表面和底部以及發(fā)電機引水口位置進行網(wǎng)格加密，見圖1。水溫模型中水平和垂直方向分別采用不同的紊流模型，水平方向為Smagorinsky模型、垂直方向為k-ε模型[17]。

結(jié)合唐乃亥水文站實測流量數(shù)據(jù)與上游支流匯流實測流量數(shù)據(jù)，得到上游入流流量，模型入流邊界設(shè)置為開邊界流入方式，下游邊界采用龍羊峽計算水位邊界。其他各支流入流采用點源模擬。羊曲天然河道氣象數(shù)據(jù)與龍羊峽庫區(qū)相近，多年平均水面蒸發(fā)量約為1 400 mm，蒸發(fā)量按照不同月份分配，并假設(shè)多年平均蒸發(fā)量不變。

為率定模型各項參數(shù)，模擬龍羊峽水庫水動力過程，將計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相比較得到水位率定曲線，見圖2。模型計算得到水位與實測水位最大偏差絕對值不超過0.5 m，相對誤差不超過允許誤差的5%。為進一步驗證模型的合理性和可靠性，比較龍羊峽水庫實測水位—庫容曲線與模型計算得到的水位—庫容曲線，見圖3，可以看出二者曲線總體趨勢吻合度較高。率定結(jié)果表明，模型的精確度達到實際應(yīng)用要求。

3 結(jié)果與討論

3.1 入庫水溫和氣溫相關(guān)性分析

入庫水溫變化是影響庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)的重要因素，因此有必要對庫區(qū)水溫和氣溫的變化進行分析?；谂d海氣象站（距離唐乃亥水文站約18 km）1996—2020年多年平均氣溫和龍羊峽入庫控制站唐乃亥水文站實測水溫，分析龍羊峽水庫建成后氣溫的變化以及氣溫與入庫水溫之間的相關(guān)性。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）具有自適性、后驗性，并能對信號進行平穩(wěn)化處理，在氣象要素分析中被廣泛應(yīng)用。集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）是針對EMD方法的不足提出的一種噪聲輔助數(shù)據(jù)分析方法[18]。采用EEMD對氣溫分解后顯示，龍羊峽水庫建成后庫區(qū)氣溫存在周期為3.16～29.87 a的年際波動，研究區(qū)氣溫具有長期升高趨勢。經(jīng)計算，氣溫相較于水溫，具有較高的標(biāo)準(zhǔn)偏差（STD）和均方根（RMS），兩者之間相關(guān)指數(shù)（COR）為0.968。入庫水溫與氣溫變化曲線見圖4，可以看出，氣溫和水溫均呈較緩慢上升趨勢，且水溫的變化略滯后于氣溫。

3.2 壩前水溫和氣溫相關(guān)性分析

根據(jù)資料的完整性和合理性，選取2006—2020年壩前（高程2 550 m）水溫、天然河道水溫和庫區(qū)氣溫的多年平均值分析壩前水溫與氣溫之間的關(guān)系。壩前水溫的波動幅度最大為9 ℃，且呈現(xiàn)出明顯的年內(nèi)變化，年際變化并不明顯，見圖5。壩前水溫變化呈現(xiàn)出明顯的滯后性，且壩前水溫的變化幅度遠小于天然河道水溫和氣溫的，見圖6。天然河道水溫以及氣溫在1—7月持續(xù)上升，而壩前水溫上升于4月，并于10月結(jié)束。壩前水溫與天然河道水溫以及氣溫在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)，確定系數(shù)分別為0.850、0.982。

通過對壩前水溫數(shù)據(jù)的分析可以得到，龍羊峽庫區(qū)呈現(xiàn)夏秋季水溫升高、春冬季水溫下降的變化規(guī)律。入庫水溫和氣溫的升高對庫區(qū)水體產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在蓄水期的6—9月，在此期間壩前水溫上升。10月至次年4月水庫攔截了秋季溫度較高的來水，水庫水溫高于天然河道水溫和氣溫。龍羊峽水庫回水末端距離壩約108 km，壩前水溫變化不足以代表整個庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)的變化情況，為進一步分析龍羊峽水庫水溫結(jié)構(gòu)變化情況，應(yīng)對整個庫區(qū)垂向水溫結(jié)構(gòu)進行建模分析。

3.3 庫區(qū)垂向水溫結(jié)構(gòu)變化

根據(jù)已有水環(huán)境、氣象、水文資料，將2014年6月至2015年5月作為模擬時段，模擬計算龍羊峽庫區(qū)垂向水溫變化，并對大壩建成前測得的海拔2 538 m處的水溫以及唐乃亥水文站水溫與模擬計算水溫進行比較，以驗證水溫模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。從圖7可以看出，水溫模擬計算結(jié)果與實測水溫變化情況一致，該模擬結(jié)果是可靠的。

在對水溫模型可靠性驗證的基礎(chǔ)上，沿河道縱向中心線剖面分析庫區(qū)垂向水溫時空變化，龍羊峽水庫典型月份水溫年內(nèi)垂向結(jié)構(gòu)見圖8。水庫垂向水溫結(jié)構(gòu)主要分為混合型、過渡型（水溫分層現(xiàn)象較弱）、分層型（水溫分層現(xiàn)象明顯）3種。龍羊峽4—9月水庫庫區(qū)水溫呈穩(wěn)定分層狀態(tài)。4月之后受氣溫和光照影響，水庫表面水體溫度不斷升高，而水深30 m處水溫變化不大，為滯溫層。此階段水庫水溫出現(xiàn)明顯分層的原因是，水庫表層溫度較高，密度較小，難以與下層密度較大的冷水層產(chǎn)生水體交換，受太陽輻射影響隨著深度增加水溫迅速減小，表層溫度高，底層溫度低，產(chǎn)生了較為明顯的分層。10月至次年3月水庫水溫在垂直方向上差別不大，近乎等溫分布狀態(tài)，原因是，水庫表層水體受氣溫下降影響密度增大，與下層溫度較高、密度較小的暖水產(chǎn)生對流運動，表層較低水溫水體可以不斷與下層水體交換，使得整個水庫的水溫趨于均勻。

龍羊峽水庫水溫垂向分布見圖9。4—9月水溫結(jié)構(gòu)為存在明顯正向斜溫層的分層型，從高程2 552.85 m到水體表面為正向斜溫層，溫度梯度為0.049～0.160 ℃/m，7月溫度梯度達到最大值，但根據(jù)對溫躍層厚度的定義[6，19]（水深≤200 m，溫度梯度>0.2 ℃/m），龍羊峽水庫在水溫分層時期無明顯溫躍層。1—3月和10—12月，水庫垂向水溫結(jié)構(gòu)為存在明顯逆向斜溫層的分層型。龍羊峽水庫處于高寒地區(qū)，氣溫年均值較低，年內(nèi)最高氣溫不超過17 ℃，庫區(qū)表層水體吸收熱量較少，而且龍羊峽水庫壩前蓄水深度較深，一般在150 m左右，水體熱傳遞性能較差，從而造成庫區(qū)水體上下層溫差較小，即使是在水溫分層期也無明顯溫躍層[20]。

4 結(jié) 論

獨特的氣候條件和地理位置以及水庫特性對龍羊峽水庫水溫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重要影響，通過分析入庫水溫和氣溫年際變化情況、壩前水溫和氣溫年內(nèi)變化情況，以及庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)模擬得到以下結(jié)論：受氣候變暖影響，龍羊峽水庫入庫控制斷面水溫和氣溫均呈上升趨勢，而水溫年際變幅較小且變化滯后于氣溫;龍羊峽水庫的興建改變了庫區(qū)水體的熱量分配，水溫年內(nèi)變化和氣溫相關(guān)性較強，壩前水溫和氣溫的變化趨勢一致，6—9月表層水體吸收了大量熱量，和底層水體之間存在較大的溫度梯度并形成溫度分層，10月至次年3月上下層水體水溫近乎等溫狀態(tài);龍羊峽水庫地處高寒地區(qū)，其多年平均氣溫較低、水庫容量大、年內(nèi)最高氣溫不超過17 ℃，引起水庫表層水體在蓄水期吸收熱量較少，難以產(chǎn)生較大的溫度梯度，沒有形成明顯的溫躍層。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】