基于下游生境水溫需求的水庫(kù)分層取水調(diào)度研究

葉 舟，龔 夢(mèng) 園

(浙江海洋大學(xué) 海洋工程裝備學(xué)院，浙江 舟山 316022)

0 引 言

大型水庫(kù)蓄水后與天然河道相比，庫(kù)區(qū)表面積大，水流平緩且不易混合，在太陽(yáng)輻射及熱傳遞的作用下，導(dǎo)致水庫(kù)出現(xiàn)垂向季節(jié)性水溫分層現(xiàn)象[1-2]。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上，電站發(fā)電進(jìn)水口必須位于水庫(kù)死水位以下一定的深度，使得引水發(fā)電下泄水來(lái)自水庫(kù)深層，對(duì)于穩(wěn)定分層型水庫(kù)，會(huì)產(chǎn)生下泄低溫水，使得下游魚(yú)類(lèi)代謝減緩，產(chǎn)卵受到影響，降低物種多樣性，甚至造成庫(kù)區(qū)下游生態(tài)失衡[3]。近年來(lái)隨著中國(guó)對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的重視，對(duì)于水庫(kù)庫(kù)區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境改善的研究逐漸得到國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注[4-10]。陳求穩(wěn)等[11]梳理了水庫(kù)運(yùn)行下水生態(tài)效應(yīng)、底棲動(dòng)物生境和魚(yú)類(lèi)生境的影響，水生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程與非工程措施等方面的研究進(jìn)展。苗雨池[12]對(duì)遼寧省大型水庫(kù)分層取水方式下的下泄水溫進(jìn)行了分析，認(rèn)為相比于傳統(tǒng)單層取水方式，分層取水可縮短低溫水體恢復(fù)距離。常曉敏等[13]以汾河二庫(kù)為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)氣溫與庫(kù)面水溫之間存在良好的線性相關(guān)關(guān)系，全年整體庫(kù)面水溫最大值出現(xiàn)時(shí)間與氣溫最大值出現(xiàn)時(shí)間一致，可用來(lái)解決實(shí)測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)缺失問(wèn)題。黃廷林等[14]建立了黑河金盆水庫(kù)水溫模型，研究發(fā)現(xiàn)氣溫、太陽(yáng)短波輻射及入庫(kù)流量與水體熱分層的穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系，而入庫(kù)流量則與其呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。趙高磊等[15]研究表明河流梯級(jí)開(kāi)發(fā)帶來(lái)的水溫累積影響存在極限，梯級(jí)開(kāi)發(fā)使水溫分層現(xiàn)象弱化，但庫(kù)區(qū)水溫分層結(jié)構(gòu)不會(huì)消失。許尤等[16]分析了瀾滄江水溫的沿程變化，發(fā)現(xiàn)瀾滄江干流的全河段水溫與緯度、高程呈明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。高少澤等[17]在入庫(kù)水溫與氣溫相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，研究壩前水溫變化與天然河道水溫、氣溫變化的相關(guān)性，結(jié)果表明壩前水溫的年內(nèi)變化滯后于氣溫。這些成果大都從下泄水溫、水質(zhì)、水量等角度進(jìn)行分析，通過(guò)分層取水改變下泄水溫，而對(duì)于如何改善下游生境水溫的研究較少。為此，本文針對(duì)下游主要水生生物生存繁殖水溫需求，利用水庫(kù)現(xiàn)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立水溫?cái)?shù)學(xué)模型并進(jìn)行率定驗(yàn)證，分析水庫(kù)蓄水后對(duì)下泄水溫產(chǎn)生的影響；然后，利用分層取水的調(diào)度方式，改善下游河道水溫，以達(dá)到目標(biāo)水生生物水溫需求。研究成果對(duì)于水庫(kù)生態(tài)調(diào)度具有重要參考價(jià)值。

1 研究區(qū)域概況

灘坑水庫(kù)位于浙江省青田縣境內(nèi)的甌江小溪中游河段，是一座擔(dān)負(fù)電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用任務(wù)，同時(shí)兼顧防洪及其他綜合利用效益的大型水庫(kù)，壩址以上集雨面積3 330 km2。樞紐主要建筑物由攔河壩、溢洪道、泄洪洞、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房等組成。總庫(kù)容41.9億m3，壩頂長(zhǎng)度507.0 m，壩頂寬度12.0 m。甌江小溪流域主要水生生物種類(lèi)有國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物黿，國(guó)家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物大鯢、花鰻鱺，土著魚(yú)類(lèi)香魚(yú)、黃顙魚(yú)等。根據(jù)庫(kù)容比、佛汝德數(shù)判別法及寬深比法對(duì)灘坑水庫(kù)水溫分類(lèi)進(jìn)行判定[18]，判定依據(jù)如表1所列。結(jié)果表明：該水庫(kù)水溫為穩(wěn)定分層型，可能存在下泄低溫水現(xiàn)象并對(duì)下游水生生物的生存、繁殖等造成影響。為此，灘坑水庫(kù)采用疊梁門(mén)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分層取水以改善下泄水溫?，F(xiàn)有疊梁門(mén)槽置于進(jìn)水口前緣，設(shè)有3個(gè)岸塔式進(jìn)水口，并排布置。進(jìn)水塔長(zhǎng)16.2 m，寬77 m，高76 m，塔內(nèi)布置疊梁門(mén)、門(mén)庫(kù)及攔污柵，頂部布置疊梁門(mén)及攔污柵啟閉設(shè)備。每個(gè)進(jìn)水口各2孔，共布置有6孔疊梁門(mén)，每孔疊梁門(mén)沿垂向由8節(jié)組成，如圖1所示。

表1 水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)判別結(jié)果Tab.1 Discriminant results of reservoir water temperature structure

圖1 分層取水疊梁門(mén)控制方案示意Fig.1 Schematic diagram of stoplog gate in the water level selection intake

2 研究方法

2.1 水溫預(yù)測(cè)模型

本文擬對(duì)水庫(kù)庫(kù)區(qū)采用三維水溫模型預(yù)測(cè)水溫分布，對(duì)下游河道采用一維水溫模型預(yù)測(cè)沿程水溫。采用靜水壓假設(shè)，數(shù)值模擬中忽略垂向加速度影響；Boussinesq假定，即在密度變化較小的浮力流問(wèn)題中，只在重力項(xiàng)中考慮密度的變化，水流連續(xù)方程忽略密度變化[19-20]。水動(dòng)力學(xué)方程及水溫方程如下。

水流連續(xù)性方程：

(1)

水流動(dòng)量方程：

(2)

溫度對(duì)流擴(kuò)散方程：

(3)

式中：ρ為水的密度；cs為水的狀態(tài)參數(shù)；ui為xi方向速度分量；p為壓力；Ωij為張量；νt為垂向紊動(dòng)黏性系數(shù)；δ為克羅內(nèi)克函數(shù)；k為紊動(dòng)動(dòng)能；gi為重力矢量；t為時(shí)間；T為水溫；σT為普朗特?cái)?shù)；QH為熱量交換量；Cp為水的比熱。

采用縱向一維水溫模型預(yù)測(cè)下游沿程水溫。主要由一維非恒定流方程與一維溫度對(duì)流擴(kuò)散方程組成[21]。水庫(kù)庫(kù)底與壩址表面采用無(wú)滑移邊界條件，庫(kù)區(qū)水面以下地形數(shù)據(jù)以實(shí)測(cè)斷面資料為基礎(chǔ)進(jìn)行插值，支流并入主庫(kù)區(qū)，采用庫(kù)容曲線校核，保證誤差小于5%。

2.2 模型驗(yàn)證

模擬時(shí)段選取原型觀測(cè)資料較為完善的年份2017年1月1日至12月31日，初始水位為2017年水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行水位，初始流場(chǎng)按照靜止?fàn)顟B(tài)給定，入庫(kù)水溫采用2017年初庫(kù)尾實(shí)測(cè)水溫。

三維水溫模擬率定主要考慮3個(gè)方面：水動(dòng)力學(xué)參數(shù)cs，調(diào)試取0.5；k-ε湍流模型經(jīng)驗(yàn)參數(shù)Cμ=0.09，σk=1.00，σε=1.30，C1=1.44，C2=1.72；底摩擦率取其默認(rèn)值0.05。下游一維水溫模型參數(shù)得到四川省石棉、沙坪水文站的水文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證[21]。

采用建立的三維水溫模型計(jì)算庫(kù)區(qū)斷面垂向各層水溫，灘坑水庫(kù)壩前埋設(shè)有垂向測(cè)溫探頭，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)記錄，可測(cè)得高程90～165 m之間的水溫值。利用2017年實(shí)際監(jiān)測(cè)水溫對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，5～8月份壩前垂向水溫模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖2所示，各月份代表水位水溫驗(yàn)證結(jié)果如表2所列。

圖2 水庫(kù)壩前斷面垂向水溫驗(yàn)證結(jié)果Fig.2 Verification rosults of water temperature at reservoir vertical section

表2 各月份水庫(kù)不同水位水溫驗(yàn)證結(jié)果

由驗(yàn)證結(jié)果得到，建立的水溫?cái)?shù)學(xué)模型在庫(kù)區(qū)各月份水溫計(jì)算誤差在0.1～1.3 ℃之間，可認(rèn)為模型符合區(qū)域水溫計(jì)算精度要求。由1～12月份斷面垂向水溫可得，灘坑水庫(kù)水溫分層呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)變化趨勢(shì)，水庫(kù)年內(nèi)的熱分層結(jié)構(gòu)一致，變化規(guī)律為“均混期-分層過(guò)渡期-穩(wěn)定分層期-分層減弱期-均混期”。1～3月份水庫(kù)垂向平均溫差小于1.0 ℃，為均混期；4～6月隨著氣溫的升高，表層水體吸收的太陽(yáng)輻射熱量增加，入庫(kù)水溫逐漸提高，導(dǎo)致水庫(kù)開(kāi)始形成分層，為分層過(guò)渡期；7～8月水庫(kù)表層水溫接近氣溫，底層水體熱傳遞緩慢，水庫(kù)垂向溫差隨水深的加大而提高，為穩(wěn)定分層期；9～10月氣溫降低，入庫(kù)水溫也逐漸下降，導(dǎo)致表層水溫下降，與庫(kù)底水溫溫差減小，熱分層結(jié)構(gòu)開(kāi)始退化，為分層減弱期；11～12月份水庫(kù)垂向平均溫差小于1.0 ℃，為均混期。

3 水庫(kù)下泄水溫預(yù)測(cè)

3.1 下泄水溫與天然水溫對(duì)比分析

研究結(jié)果表明：灘坑水庫(kù)為穩(wěn)定分層型水庫(kù)，垂向上表現(xiàn)為穩(wěn)定的水溫分層，尤其在春夏季水庫(kù)存在發(fā)電下泄低溫水問(wèn)題。水溫作為水環(huán)境中最重要的影響因子之一，水庫(kù)下泄低溫水的影響是不可忽視的。根據(jù)灘坑水庫(kù)水溫模型計(jì)算結(jié)果，對(duì)比分析下泄水溫與天然水溫的溫差，結(jié)果如表3所列。

表3 底層取水方式下水庫(kù)下泄水溫Tab.3 The discharge water temperature under the bottom water intake method

采用傳統(tǒng)的底層取水方式，水庫(kù)各月份下泄水溫與天然水溫的溫差在-8.3～0.2 ℃之間，春夏季水庫(kù)對(duì)河流水溫影響大，下泄低溫水最大差異可達(dá)8.3 ℃，對(duì)下游水環(huán)境及土著魚(yú)類(lèi)生境造成直接影響。傳統(tǒng)底層取水方式下取水深度為進(jìn)水口中心高程，一般在60 m左右，3～4月份垂向溫差變化較小，下泄水溫差異相對(duì)較??；5～8月份，由于外界氣溫升高，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)及上游來(lái)水水溫升高，庫(kù)區(qū)水體表層水溫迅速升高，下層水體水溫逐漸升高，但幅度很小，形成持續(xù)的溫躍層，厚度在30 m左右，底層取水可導(dǎo)致持續(xù)下泄低溫水。9～10月份為降溫期，氣溫和入庫(kù)水溫下降，太陽(yáng)輻射減弱，溫躍層逐漸減弱，下泄水溫溫差保持在3.8 ℃以?xún)?nèi)。春夏季下泄低溫水可影響大多數(shù)水生生物特別是魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期，對(duì)其正常生長(zhǎng)繁殖造成明顯影響。

3.2 沿程水溫變化

下泄低溫水受太陽(yáng)輻射及空氣熱交換影響，沿程水溫將逐漸升高并趨向天然水溫。根據(jù)模型計(jì)算，對(duì)比灘坑水庫(kù)壩址下游不同位置河道水溫與天然水溫，如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)底層取水方式下沿程水溫Fig.3 Water temperature along the river under the traditional bottom water intake method

相比于天然水溫，水庫(kù)下游不同位置3～10月份河道水溫溫差在1.5～16.5 ℃之間，最大降幅出現(xiàn)在7～8月，春季下泄平均水溫推遲了27 d，直接影響了河道土著魚(yú)類(lèi)的生存繁殖，甚至導(dǎo)致庫(kù)區(qū)河道生態(tài)系統(tǒng)失衡。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，傳統(tǒng)底層取水方式下，5～9月至5 km處，下泄水溫在10.5～14.7 ℃，與天然河道水溫相差10.8～16.5 ℃；10 km處溫差仍在5.0 ℃以上；7.5 km處為國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物黿實(shí)驗(yàn)區(qū)，年平均水溫僅15.0 ℃，遠(yuǎn)低于黿棲息的適宜水溫，實(shí)驗(yàn)區(qū)將不再適宜黿的生存繁殖。

4 水庫(kù)分層取水調(diào)度方案研究

4.1 河道水溫需求

春夏季水庫(kù)下泄低溫水對(duì)其下游河道水生生物尤其是國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物黿將帶來(lái)明顯的不利影響。對(duì)于灘坑水庫(kù)，由于小溪河段較長(zhǎng)，區(qū)間支流水量不大，依賴(lài)自然恢復(fù)或人工恢復(fù)均難以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)考慮分層取水調(diào)度方案來(lái)解決下泄低溫水問(wèn)題。在灘坑水庫(kù)下游7.5 km處設(shè)有青田黿自然保護(hù)區(qū)，水電站建成后導(dǎo)致保護(hù)區(qū)河段水溫下降，8月份水溫在18.0 ℃以下，不利于黿生存繁殖。大多數(shù)魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵期在春夏季，其對(duì)水溫較為敏感。為保障河道水生生物生存環(huán)境，根據(jù)灘坑水庫(kù)下游主要水生生物產(chǎn)卵場(chǎng)分布劃定水溫需求，如表4所列。

表4 水生生物產(chǎn)卵期水溫需求Tab.4 Water temperature demand of aquatic organisms during spawning period ℃

4.2 分層取水方案

灘坑水庫(kù)采用疊梁門(mén)工程措施來(lái)實(shí)現(xiàn)分層取水，設(shè)有3個(gè)岸塔式進(jìn)水口，并排布置，間距30 m。根據(jù)進(jìn)水口初期發(fā)電需求及淹沒(méi)深度，疊梁門(mén)設(shè)置高程范圍95～135 m，可確保疊梁門(mén)頂?shù)娜∷穸仍?0 m以上。每個(gè)進(jìn)水口分3層取水，即底層取水口底板高程為95 m，中層取水口底板高程為115 m，頂層取水口底板高程為135 m。頂部布置啟閉機(jī)排架和啟閉設(shè)備，根據(jù)取水深度要求可吊起疊梁門(mén)，共8節(jié)，每節(jié)5.0 m，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可控制取水深度。例如，關(guān)閉頂層、底層取水口，啟閉機(jī)吊起前2節(jié)疊梁門(mén)5 m，打開(kāi)中層取水口即可取得水深115～130 m處的水體。依據(jù)河道目標(biāo)魚(yú)類(lèi)水溫需求，設(shè)計(jì)分層取水方案如表5所列。

表5 分層取水方案設(shè)計(jì)Tab.5 The stratified water intake method

4.3 下泄低溫水改善效果分析

采用疊梁門(mén)分層取水方案，預(yù)測(cè)結(jié)果表明：4～9月下游5.0 km處取水水溫上升為13.4～23.4 ℃，但仍與天然河道水溫相差4.1～7.1 ℃，無(wú)法達(dá)到黃顙魚(yú)產(chǎn)卵水溫需求，模型預(yù)測(cè)5月底可達(dá)到需求；至7.5 km黿自然保護(hù)區(qū)處夏季各月下泄水溫在18.0 ℃以上，可使國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物黿產(chǎn)卵期恢復(fù)到6～8月份，基本滿(mǎn)足黿的活動(dòng)周期和繁殖期水溫需求；至10.0 km處9月份水溫已經(jīng)接近天然水溫，適宜目標(biāo)魚(yú)類(lèi)香魚(yú)生存繁殖，如圖4所示。

圖4 分層取水方式下沿程水溫Fig.4 Water temperature along the river under the stratified water intake method

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，4～5月中旬無(wú)法滿(mǎn)足目標(biāo)魚(yú)類(lèi)黃顙魚(yú)產(chǎn)卵水溫需求，故需調(diào)整取水深度。計(jì)算結(jié)果表明春季取水深度不宜過(guò)小，因?yàn)椴捎梅謱尤∷?，春季下泄水量較大，水溫較高，從而改變?cè)瓗?kù)區(qū)的水溫結(jié)構(gòu)，受太陽(yáng)輻射及熱傳遞作用導(dǎo)致下泄水溫偏低，甚至引起連鎖反應(yīng)，致使夏季下泄水溫大大降低。對(duì)比分析不同取水深度下泄水溫變化，分層取水方案下取水效果最佳。

5 結(jié) 論

(1) 本文建立了灘坑水庫(kù)水溫模型，并用實(shí)測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，結(jié)果表明，模型能較好的模擬庫(kù)區(qū)垂向水溫分布及壩址下游河道縱向水溫，可用于實(shí)際水庫(kù)水溫預(yù)測(cè)。

(2) 根據(jù)預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)底層取水方式下，水庫(kù)各月份下泄水溫與天然水溫的溫差在-8.3～0.2 ℃之間，春夏季水庫(kù)對(duì)下游河流水溫影響大，下泄低溫水最大差異可達(dá)8.3 ℃，對(duì)下游土著魚(yú)類(lèi)的生存繁殖產(chǎn)生不利影響。

(3) 采用分層取水調(diào)度方案可以有效緩解灘坑水庫(kù)下游河道目標(biāo)魚(yú)類(lèi)的產(chǎn)卵期水溫需求，可使得國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物黿產(chǎn)卵期恢復(fù)到6～8月份，基本滿(mǎn)足黿的活動(dòng)周期和繁殖期水溫需求，使得9月份水溫接近天然水溫，適宜目標(biāo)魚(yú)類(lèi)香魚(yú)生存繁殖。