金沙江下游主要支流對干流水溫的影響

徐火清，趙紅紅，吳義軍

(1.中國三峽建工(集團(tuán))有限公司，四川 成都 610041； 2.日照市政務(wù)服務(wù)中心，山東 日照 276827；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水溫是水環(huán)境中最重要的影響因素之一，其對水的物理、化學(xué)性質(zhì)，水生生物的繁殖、生長和分布，以及水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等都存在直接或間接的影響[1-4]。水溫受人類活動和氣候變化等多因素影響，水溫的變化尤其涉及水生生物的生存與發(fā)展[5]。金沙江下游及川江段入?yún)R支流眾多，各支流自然環(huán)境復(fù)雜且存在明顯差異性，該江段含有魚類國家級自然保護(hù)區(qū)，支流的入?yún)R引起干流水溫變化，從而影響干流的水生態(tài)系統(tǒng)。三峽水庫蓄水后，下泄低溫水引起下游水溫出現(xiàn)升溫期滯冷、降溫期滯熱的溫度延遲現(xiàn)象，水溫的變化改變了四大家魚及中華鱘的繁殖條件，造成魚類的繁殖產(chǎn)卵時間有不同程度的推遲甚至產(chǎn)卵規(guī)模大幅下降[6-9]。作為水生物種生存的重要條件，長期的水溫變化可能會加快物種的進(jìn)化和更迭[10]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對河流水溫變化及其影響因素的研究熱度居高不下，氣候變化、水文過程和人類活動被認(rèn)為是導(dǎo)致水溫波動的主要誘因[1]。Peaker等[11]依據(jù)多瑙河長期水溫資料，確定了氣候變化是引起多瑙河水溫變化的主要因素，Zganec[12]認(rèn)為喀斯特地區(qū)諸河的水溫變化除了與氣候變化有關(guān)外，水電工程的影響也不容忽視。國內(nèi)眾多學(xué)者對河流水溫變化的研究也有相似結(jié)論，即水電工程和氣候變化是改變下游河道水溫的重要因素[13-14]。隨著梯級水電站的逐漸運行，其對河流水溫影響方面的研究也不斷增加[15-18]。由于支流與干流水溫不同，導(dǎo)致入?yún)R后干流水溫發(fā)生變化的研究也有許多案例，如蔣博等[19]采用原型觀測和數(shù)值模擬方法分析了瀾滄江支流補遠(yuǎn)江入?yún)R對干流的水溫影響。然而，目前針對長江各支流入?yún)R對干流水溫變化的影響研究鮮見報道。

本文分別選擇金沙江下游及川江段11個流量監(jiān)測點和11個表層水溫斷面共計16個測站的測量資料，采用線性函數(shù)擬合法，系統(tǒng)地進(jìn)行了干支流流量關(guān)系、各支流與干流的水溫關(guān)系以及干支流水溫流量相關(guān)性分析，可為該江段水環(huán)境影響評價和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 監(jiān)測點布置及采集頻率

2012—2017年，布置金沙江下游及川江段流域流量監(jiān)測點共計11個，其中長江干流有6個(三堆子、向家壩、朱沱、寸灘、清溪場、宜昌)，支流有5個(寧南、橫江、高場、赤水鎮(zhèn)、北碚)，流量資料為日均流量。2019年8月至2020年7月，布置金沙江下游及川江段流域表層水溫監(jiān)測點共計11個，其中長江干流有8個(向家壩、李莊、合江、朱沱、江津區(qū)、寸灘、清溪場、萬州)，支流有3個(高場、北碚、武隆)，每天0:00、2:00、4:00、8:00、12:00、14:00、16:00、20:00監(jiān)測溫度1次，共計8次，各監(jiān)測點位置見圖1。對于表層水溫監(jiān)測點，需要說明的是：向家壩、高場、李莊、合江、朱沱、北碚、武隆水文站為河流段監(jiān)測水溫；萬州水文站為水庫段監(jiān)測水溫；江津區(qū)、寸灘、清溪場在水庫蓄水期為水庫段監(jiān)測水溫，泄洪期為河流段河流監(jiān)測水溫。河流段監(jiān)測水溫由于河流水深較淺，水熱交換作用較多，水溫受氣溫影響明顯，而水庫段監(jiān)測水溫在一定程度上受水庫滯后效應(yīng)影響，且由于庫區(qū)水深，水熱交換作用較少，對研究結(jié)果有一定的影響。

圖1 監(jiān)測點布置

1.2 監(jiān)測設(shè)備及安裝

1.2.1監(jiān)測設(shè)備

表層水溫監(jiān)測采用由北京基康儀器有限公司生產(chǎn)的精度為0.1℃的鉑電阻溫度計(BGK3700P)，表層水溫數(shù)據(jù)采集及傳輸采用由北京基康儀器有限公司生產(chǎn)的BGK-GM2采集終端，數(shù)據(jù)的傳輸采用中國移動物聯(lián)卡為載體，傳輸?shù)皆O(shè)在湖南長沙的中國水利水電第八工程局有限公司總部的GIS地理信息系統(tǒng)。

1.2.2監(jiān)測儀器安裝方式

表層水溫監(jiān)測設(shè)備的安裝主要分為躉船安裝、浮漂船安裝和固定安裝3種方式：①在有躉船的河流部位直接將BGK-GM2采集終端固定在躉船護(hù)欄邊沿，溫度計用鍍鋅鋼管保護(hù)并牢固地固定在躉船上。②在沒有躉船的河流部位，采用寬1.3 m、高1.4 m的浮漂船將BGK-GM2采集終端和溫度計固定在浮漂船上，浮漂船下部懸掛配重塊，并用鋼絲繩牽引牢固。③在因水流湍急無法安裝浮漂船且距離壩址較近之處，認(rèn)為水溫不分層，觀測斷面任意深度處的水溫即為出庫平均水溫。從壩址到監(jiān)測斷面沿程環(huán)境因素對平均水溫的影響忽略不計，取任意深度點水溫代表斷面平均水溫。

利用無線終端等配套自動采集傳輸裝置實現(xiàn)自動化，并應(yīng)用于從金沙江下游烏東德水電站庫尾至長江大通水文站的表層水溫監(jiān)測中，以減少人工投入，確保采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和時效性。

2 結(jié)果與分析

2.1 金沙江下游干支流流量關(guān)系

圖2給出了2012—2017年金沙江下游及川江段各支流日均流量實測過程線，可以看出各支流的最大流量普遍出現(xiàn)在6—8月，1—4月和11—12月各支流下泄流量均較小，基本在1 500 m3/s以下，各支流的流量大小與其所在河段的水庫調(diào)度以及當(dāng)?shù)氐慕涤昵闆r密切相關(guān)[20-21]。嘉陵江日均流量在7月達(dá)到最大峰值，8月急劇下降后于9月有所回升，流量變化主要與山區(qū)河段特殊的自然地理和氣象條件，以及嘉陵江梯級水庫的水庫調(diào)度相關(guān)。黑水河、赤水河和橫江3條支流平均入?yún)R流量分別為75.7 m3/s、238.6 m3/s和273.5 m3/s，相對較小，對干流流量變化影響較微。利用各支流每月平均流量與宜昌站月均流量監(jiān)測資料，分析宜昌站各支流每月來流量占比變化(圖3)。從圖3(a)可以看出，岷江除5月和9月外全年占比始終保持最高，其中10月占比最高，達(dá)22.27%，可見岷江對干流流量變化有著重要影響。嘉陵江9月流量占比20.17%，與岷江相當(dāng)，嘉陵江和岷江9月流量合計占比高達(dá)40%，超過其他支流總和(14.51%)；此外，烏江-御臨河對宜昌站流量組成也有較大影響(因流量分析時僅有烏江和御臨河的合計流量，且御臨河流量較小，故將兩條支流合并分析)，4—6月烏江-御臨河合計流量與岷江基本相當(dāng)，5月甚至超過岷江，流量占比達(dá)17.33%，可見烏江-御臨河是該河段支流中流量變化幅度最大的支流。如圖3(b)所示，黑水河、赤水河和橫江合計占比基本維持在5%以下，因此這3條支流對宜昌站流量組成影響也相對較小。結(jié)合各支流整體來看，1—4月支流平均流量占比岷江最大，烏江-御臨河次之，嘉陵江第三；5月支流平均流量占比烏江-御臨河最大，岷江次之，嘉陵江排第三；6—12月支流平均流量占比岷江最大，嘉陵江次之，烏江-御臨河第三。上述分析表明不同月份宜昌站主要水體來源不同，也反映了宜昌站流量組成的復(fù)雜性。

圖2 2012—2017年各支流日均流量

圖3 2012—2017年主要支流月均流量

為得出各支流在該江段的流量組成分布，以宜昌站流量監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析流量來源比例。金沙江上游(干流)來水占比最多，占宜昌站流量的25.53%；各支流中岷江占比最多，為18.83%，其次是嘉陵江(14.19%)和烏江-御臨河(10.79%)，黑水河、赤水河和橫江占比較小，分別為0.56%、1.77%、2.03%，合計僅為4.36%。需要說明的是，三堆子至宜昌江段還有眾多流量較小的支流(如白水河、普渡河、牛欄江、澎溪、沱江等)，其多年平均流量明顯小于岷江、嘉陵江和烏江，因為這些支流沒有流量及水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文暫不考慮其對干流水溫的影響。

根據(jù)支流各月平均流量與支流入?yún)R后匯口上游測站的平均流量實測數(shù)據(jù)，可得支流流量占匯口下游合計流量之比(表1)。由表1可知，各支流入?yún)R干流的流量不斷變化，最大值普遍出現(xiàn)在5—7月，其中岷江6月占比最大，岷江入?yún)R流量占匯口下游的47%，即支流與干流流量基本相當(dāng)；嘉陵江7月占比最大，占匯口下游流量的24.3%；烏江5月占比最大，為25.3%。綜合來看岷江高場站流量占岷江匯口下游流量30%以上，嘉陵江北碚站流量占嘉陵江匯口下游流量約13%～25%，烏江流量占下游清溪場水文站流量比值變化較大，在2.9%～25%之間，烏江平均流量占匯口下游13.7%，對干流流量組成也有較大影響。

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表1 2012—2017年各支流月均流量占匯口下游流量比例 單位：%

2.2 各支流與干流的水溫關(guān)系

匯口下游的水溫與入?yún)R支流和上游支流的水溫密切相關(guān)，兩股水流匯聚后共同影響下游水溫。圖4、圖5、圖6分別為岷江、嘉陵江和烏江2019年8月至2020年7月與匯口上下游測站的水溫關(guān)系曲線。可見水溫變化趨勢總體呈先降溫后升溫的趨勢，表層水溫的年內(nèi)變化規(guī)律與氣溫變化規(guī)律一致，氣溫變化特性較好地反映了表層水溫年內(nèi)分布特征。

圖4 岷江與上下游測站的水溫關(guān)系曲線

圖5 嘉陵江與上下游測站的水溫關(guān)系曲線

圖6 烏江與上下游測站的水溫關(guān)系曲線

岷江是該江段最大的支流，其入?yún)R流量占下游匯口流量年均值超過38%，對下游水溫影響明顯。岷江高場水文站全年平均水溫為17.35℃，日均水溫在11.4～23.5℃之間變化，單日溫度在-2～1.8℃之間變化。從圖4可以看出，2019年9月至2020年1月岷江入?yún)R水溫整體呈下降趨勢，2020年2—7月水溫整體呈回升趨勢，其中最高溫度為23.5℃，出現(xiàn)在5月。岷江高場水文站月平均水溫1月最低，為11.9℃，上游向家壩水文站1月平均水溫為16.38℃，岷江入?yún)R后，匯口下游李莊水文站1月平均水溫僅為13.97℃，岷江入?yún)R后，干流水溫下降了2.4℃；5月岷江平均水溫為21.03℃，上游向家壩平均水溫為17.98℃，下游李莊平均水溫為19.82℃，岷江入?yún)R后，干流水溫上升了1.84℃。結(jié)合局部放大圖可知，向家壩水文站水溫日波動幅度較小，岷江相對較大，匯流后李莊水文站到清溪場水文站均出現(xiàn)輕微的日波動，其溫度波動主要受岷江下泄水體影響，萬州水文站也出現(xiàn)相似的水溫日波動，但其波動具有相對的滯后性，主要是因為萬州水文站與岷江匯口距離較遠(yuǎn)，可見岷江入?yún)R后對李莊至萬州段干流水溫具有明顯的影響。結(jié)合李莊水文站到萬州沿程各水溫監(jiān)測站點的全年水溫變化曲線可以看出，向家壩下泄低溫水與岷江下泄低溫水混合后，其水溫一直保持到清溪場水文站，即李莊水文站到清溪場水文站之間的監(jiān)測點水溫變化不大。伴隨著沿程氣溫上升，李莊到清溪場測站的水溫也在逐步上升，但水溫日波動與岷江保持著相同的趨勢。萬州屬于三峽庫區(qū)范圍，結(jié)合萬州水溫變化曲線可以看出，清溪場水文站之前江段水溫受向家壩和岷江影響顯著，過清溪場后與三峽庫區(qū)水體摻混，水溫波動規(guī)律逐漸接近三峽庫區(qū)水溫變化規(guī)律。

嘉陵江下游北碚水文站全年平均水溫為20.06℃，日均水溫在11.9～31.0℃之間變化，單日溫度變化在-2.2～1.1℃之間。如圖5所示，嘉陵江夏季水溫相對較高，冬季水溫相對較低，年均水溫(20℃)高于下游川江干流水溫(寸灘水文站年均水溫19.4℃)，嘉陵江入?yún)R后，較高的水溫將會影響干流的水溫分布，帶動下游一定范圍內(nèi)的水體溫度上升。2019年9月至2020年2月嘉陵江水溫整體呈下降趨勢，2020年3—6月水溫整體呈上升趨勢，進(jìn)入7月后出現(xiàn)小幅度降溫趨勢(約下降2.3℃)。與上游江津區(qū)水溫相比，嘉陵江2019年8—9月中旬和2020年5月中旬至7月水溫相對較高，在2019年12月至2020年3月中旬水溫相對較低。從上游江津區(qū)和下游寸灘水溫曲線對比來看，兩者水溫也略有差異，具體表現(xiàn)為冬季寸灘水文站水溫略低于江津區(qū)，夏季寸灘水文站水溫略高于江津，與嘉陵江和干流的水溫對比規(guī)律基本一致。嘉陵江流量相對較大，對干流水溫有一定的影響，在嘉陵江水溫高于干流時有助于提高水溫，在嘉陵江水溫低于干流時會助力降低水溫。

烏江武隆水文站全年平均水溫為18.82℃，日均水溫在13.3～25.2℃之間變化，單日溫度變化在-1.2～0.5℃之間。如圖6所示，2019年9月至2020年2月，武隆水文站月均水溫從最高24.6℃逐月下降，2月時月均水溫降至最低值13.7℃，其中9月和2月水溫分布較為集中，日均變化幅度較小；2020年3—7月月均水溫逐月升高，3月月均水溫僅為14.1℃，至7月時月均水溫已升高至20.5℃，表層水溫變化主要受當(dāng)?shù)貧鉁赜绊憽?019年9月中旬至2020年1月烏江水溫略高于干流水溫，而在2020年3—7月低于干流水溫，年最低和最高水溫出現(xiàn)日期相對滯后，具有水庫下泄低溫水水溫變化特征。結(jié)合匯口上下游測站水溫變化曲線來看，烏江會拉低干流該江段升溫期的水溫，抬升該江段降溫期的水溫，與嘉陵江作用相反，兩支流匯入并充分摻混后進(jìn)入三峽庫區(qū)，與庫區(qū)水溫再次摻混，結(jié)合萬州水溫變化曲線來看，萬州的水溫日波動幅度相比上游清溪場有所減小，水溫變化特征趨于庫區(qū)水溫特征，所以烏江對該江段水溫有一定影響。烏江和嘉陵江的共同影響導(dǎo)致該江段沿程水溫變化并不明顯。

2.3 干支流水溫流量相關(guān)性分析

支流的流量是干支流水溫關(guān)系分析中最關(guān)鍵的因素之一，假定A、B和C點分別為干流上游、干流下游和支流監(jiān)測點位，O點為C支流入干流河口點位，不考慮沿程熱能轉(zhuǎn)換損失，根據(jù)熱能守恒可得

FB=FA+FC+fAO+CO+OB

(1)

式中：FA為干流上游監(jiān)測點儲蓄的熱能；FB為干流下游監(jiān)測點儲蓄的熱能；FC為支流監(jiān)測點儲蓄的熱能；fAO+CO+OB為AO段、CO段和OB段沿程吸收的熱能。

各監(jiān)測點儲蓄的熱能與它的流量和溫度成正比，根據(jù)溫度熱能轉(zhuǎn)換公式可得

FB=cMΔT

(2)

(3)

式中：c為水的比熱容；ΔT為溫度變化；M為水的質(zhì)量；Q為流量；t為時間。

將式(2)(3)代入式(1)可得

QBTB=QATA+QCTC+C1fAO+CO+OB

(4)

(5)

式中：C1為綜合系數(shù)；TA、TB、TC分別為A點、B點和C點的溫度。A點和B點之間不考慮其他支流匯入，即QB=QA+QC，代入式(4)可得

QA(TB-TA)=QC(TC-TB)+C1fAO+CO+OB

(6)

由式(6)可知，在不考慮沿程溫升(溫降)影響時，干流和支流的水溫關(guān)系由干流上游來流量和支流流量決定，因此可以由干支流流量比值和水溫變化的相關(guān)性來衡量各支流與干流水溫的關(guān)系。

金沙江下游及川江段水溫監(jiān)測段流量較大的3條支流分別為岷江、嘉陵江和烏江，這3條支流年均流量分別占宜昌站流量的18.83%、14.19%和10.79%。由年均流量占比確定本文主要分析的3條支流為岷江、嘉陵江和烏江，在分析支流對干流的水溫作用時著重考慮支流在匯口下游的流量變化影響，依據(jù)各支流每月占匯口下游流量比值數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

分別統(tǒng)計岷江、嘉陵江、烏江，以及干流匯口上下游監(jiān)測點的水溫，分析支流對干流沿程水溫的影響，根據(jù)入?yún)R口上下游沿程溫差和干支流溫差繪制這3條支流與干流溫差相關(guān)曲線(圖7)。由圖7可以看出，岷江、嘉陵江和烏江干支流溫差和匯口上下游沿程溫差的相關(guān)方程分別見式(7)(8)(9)，相關(guān)系數(shù)分別為0.950 2、0.884 5和0.786 3。

圖7 各支流與干流溫差相關(guān)曲線

y=1.172 6x+0.748 3

(7)

y=0.403 2x+0.258 7

(8)

y=0.19x+0.019

(9)

式中：y為匯口上下游沿程溫差；x為支流與干流溫差。

根據(jù)上述方程可知，岷江、嘉陵江和烏江支流流量與匯口上游流量的比值分別為1.172 6、0.403 2和0.19。岷江高場站流量占岷江匯口下游流量30%以上，且月均流量占比波動幅度較小，月均流量占比標(biāo)準(zhǔn)差為0.042，因此對岷江進(jìn)行相關(guān)性分析時點數(shù)據(jù)更加集中，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.950 2，岷江對干流沿程水溫的變化起到關(guān)鍵作用；嘉陵江占匯口下游13%～25%，月均流量占比波動幅度略大于岷江，標(biāo)準(zhǔn)差為0.055，點數(shù)據(jù)相對岷江也略分散，相關(guān)系數(shù)為0.884 5，對干流水溫同樣具有重要影響；烏江占匯口下游的比值相對較小，且月均流量占比波動幅度相對較大，波動幅度達(dá)22.4%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.063，相關(guān)系數(shù)也較前兩者小，僅為0.786 3，對干流水溫影響相對較弱，這也與武隆水文站距匯口距離較遠(yuǎn)相關(guān)。由此可見，在不考慮沿程升(降)溫影響時，支流流量越大，對干流水溫的影響也越大。沿程升(降)溫與大氣溫度、太陽輻射、光照條件、兩岸地形、沿程流長、水深和流量等因素有關(guān)，還受降雨、空氣濕度、風(fēng)速等氣象因素影響。

3 結(jié) 語

對金沙江下游及川江段16個測站的流量和表層水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：各支流的最大流量均出現(xiàn)在6—8月，其中岷江對干流流量影響最大，多年平均流量占下游宜昌站達(dá)18.8%，其次是嘉陵江和烏江。各支流的水溫變化規(guī)律同當(dāng)?shù)貧鉁刈兓?guī)律相同，均為2019年8月開始降溫，2020年2月左右溫度開始回升直至當(dāng)年7月。岷江入?yún)R流量較大，對干流水溫影響距離較遠(yuǎn)，直到下游清溪場水溫日波動幅度還保持和岷江相同的變化趨勢；嘉陵江流量相對較大，在嘉陵江水溫高于干流時會助力提升水溫，而嘉陵江水溫低于干流時會助力降低水溫；與嘉陵江作用相反，烏江會拉低干流該江段升溫期的水溫，抬升該江段降溫期的水溫，兩支流匯入并充分摻混后進(jìn)入三峽庫區(qū)，與庫區(qū)水溫再次摻混，導(dǎo)致該江段沿程水溫變化并不明顯。通過對干支流水溫流量的相關(guān)性分析可知，岷江對干流水溫影響最大，其次是嘉陵江和烏江。因此，在對金沙江下游及川江段進(jìn)行水電開發(fā)時，不僅要考慮梯級水庫調(diào)度對下游水溫的影響，也應(yīng)考慮岷江、嘉陵江和烏江等主要支流對干流水溫的影響。