多沙河流水庫(kù)排沙期下游水溫演變規(guī)律

摘要： 多沙河流水庫(kù)排沙期會(huì)有大量低溫水伴隨著泥沙向下游排放，改變了下游河道水溫的前期分布狀態(tài)，對(duì)水生生物及其棲息環(huán)境產(chǎn)生潛在影響。為探究水庫(kù)排沙期下游水溫的演變規(guī)律，本文修正了含沙水流與空氣熱交換系數(shù)的計(jì)算公式，構(gòu)建了一維非恒定水-沙-溫耦合傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，以小浪底水庫(kù)為例開(kāi)展了排沙期下游水溫傳導(dǎo)過(guò)程的模擬與分析。結(jié)果表明：①出庫(kù)水溫是影響水庫(kù)排沙期下游水溫的主要因素，下泄流量的增加和出庫(kù)含沙量的降低會(huì)加劇低溫水下泄的影響程度；②下游水溫對(duì)小浪底出庫(kù)水溫的敏感度沿程遞減，出庫(kù)水溫變化時(shí)利津斷面水溫的平均變化幅度僅為花園口斷面的27.5%；③下游水溫對(duì)下泄流量和出庫(kù)含沙量的敏感度均為沿程先增大后減小，前者在艾山斷面達(dá)到最大，后者在夾河灘斷面達(dá)到最大；④下泄流量和出庫(kù)含沙量對(duì)下游水溫影響程度相當(dāng)，在小浪底水庫(kù)現(xiàn)行排沙調(diào)度方案下，二者對(duì)下游水溫的最大影響幅度都在2 ℃ 左右。

關(guān)鍵詞： 水溫演變；多沙河流；排沙期；水庫(kù)調(diào)度；熱交換

中圖分類(lèi)號(hào)： TV122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1001-6791（ 2024） 05-0843-10

多沙河流上修建水庫(kù)會(huì)使壩前水位抬高、流速減緩，造成泥沙淤積[1]。為了減緩水庫(kù)淤積，長(zhǎng)期保持水庫(kù)有效庫(kù)容，充分發(fā)揮水庫(kù)的綜合效益，通常會(huì)對(duì)多沙河流水庫(kù)進(jìn)行排沙設(shè)計(jì)[2]。針對(duì)三門(mén)峽水庫(kù)提出的“蓄清排渾”運(yùn)用和針對(duì)小浪底水庫(kù)提出的“調(diào)水調(diào)沙”運(yùn)用等，其核心思想都是利用水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容，有計(jì)劃地控制水庫(kù)的蓄泄水時(shí)間、方式和體量，通過(guò)明流或異重流的形式集中將泥沙排出庫(kù)外[3]。以小浪底水庫(kù)為例，2020 年調(diào)水調(diào)沙的45d 內(nèi)（6 月24 日至8 月7 日）共排出泥沙2.85 億t，占全年出庫(kù)泥沙總量的86.89%[4-5]。由于水庫(kù)排沙通常在汛期，此時(shí)低溫水多集中在庫(kù)區(qū)底部[6]，因此開(kāi)底孔排沙后會(huì)有大量低溫水伴隨著泥沙向下排放。低溫水和泥沙的共同作用會(huì)使下游水溫在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大波動(dòng)，影響水生生物及其棲息環(huán)境[7]，甚至可能導(dǎo)致該流域原有土著魚(yú)類(lèi)物種的滅絕[8]，因此在多沙河流水庫(kù)排沙調(diào)度時(shí)需對(duì)下游水溫演變引起足夠重視[9]。

河道水溫演變受自然條件與人為因素共同影響。其中，自然條件主要包括氣候、水沙情勢(shì)以及河勢(shì)的變化，Wade 等[10] 采用隨機(jī)森林模型分析了410 個(gè)流域的河流水溫與氣溫、水文參數(shù)以及流域特征之間的定量關(guān)系，提出了氣候是影響河道水溫的首要自然因素；徐燦[11] 研究發(fā)現(xiàn)年內(nèi)極端高流量變化和泥沙情勢(shì)變化都會(huì)對(duì)水溫產(chǎn)生影響；Ouellet 等[12] 將河流水溫對(duì)宏觀(guān)驅(qū)動(dòng)因素的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。人為因素主要指水庫(kù)、大壩等水利設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)用，Daniels 等[13] 研究發(fā)現(xiàn)影響大壩下游河道水溫演變的主要物理驅(qū)動(dòng)因素為出庫(kù)水溫、氣溫以及太陽(yáng)輻射；宋策等[14] 通過(guò)20a 的觀(guān)測(cè)資料分析了龍羊峽水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)演變對(duì)下游河道水溫的影響規(guī)律，并從月尺度上闡明了下游河道水溫的變化趨勢(shì)；楊世偉等[15] 建立數(shù)學(xué)模型模擬了江家口水庫(kù)不同水平年壩下河道的水溫變化，發(fā)現(xiàn)了由于水庫(kù)水溫分層導(dǎo)致的下游河道水溫“滯冷”和“滯熱”現(xiàn)象；Jiang 等[16] 基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)向家壩水電站下游河道水溫的影響因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)河道水溫貢獻(xiàn)度最大的3 個(gè)因子分別為時(shí)間、氣溫和流量。當(dāng)前針對(duì)少沙河流（及河段）水溫的研究成果已經(jīng)較為豐富，但是對(duì)多沙河流水庫(kù)排沙期下游水溫演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)仍然不足，主要的原因有2 點(diǎn)：一是過(guò)去多沙河流水庫(kù)的排沙調(diào)度更關(guān)注減淤效果，對(duì)下游水溫不夠重視，缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)積累；二是排沙期內(nèi)大流量的低溫水伴隨著高濃度泥沙同時(shí)向下游河道排放，使得河床調(diào)整迅速、低溫水流動(dòng)邊界難以準(zhǔn)確追蹤，而且泥沙的存在改變了水流與外界環(huán)境的熱交換速率，使得傳統(tǒng)的河道水溫傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型不再適用。

本文建立針對(duì)性的水-沙-溫耦合傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，探究多沙河流水庫(kù)排沙期下游水溫的時(shí)空演變規(guī)律和影響因素，以期為多沙河流水庫(kù)的排沙調(diào)度提供理論參考和技術(shù)支撐。