向家壩-清溪場江段沿程短時水溫影響因素分析

摘要：為深入了解金沙江下游的短時水溫變化及其影響因素，基于金沙江下游向家壩水文站至清溪場水文站江段2022年8月1日至2023年7月31日的干、支流水溫數(shù)據(jù)和各測點(diǎn)氣溫數(shù)據(jù)，建立了各江段下游水溫與上游水溫、匯入支流水溫和氣溫的多元回歸方程，定量分析了上游水溫、支流水溫和氣溫對下游水溫的影響程度。結(jié)果表明：① 上游水溫是影響下游水溫的最主要因素，影響程度最低為52.7%，最高接近100%；② 各江段匯入的支流水溫會對下游水溫產(chǎn)生較顯著的影響，如岷江、嘉陵江和烏江支流，其中岷江支流對下游李莊水位站水溫的影響程度高達(dá)45.1%；③ 氣溫對下游水溫的短時影響程度相對較弱，僅為0.4%～2.2%，遠(yuǎn)低于上游水溫和支流水溫的影響程度。研究成果可為下游江段水環(huán)境評價和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：水溫；氣溫；水溫變化；多元回歸方程；向家壩-清溪場江段；金沙江下游

中圖法分類號：TV697.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.08.004

0 引 言

水溫是河流水環(huán)境和水生態(tài)的重要指標(biāo)，對水體的物理、化學(xué)性質(zhì)和附近的生化好氧、復(fù)氧、魚類產(chǎn)卵都存在影響^［1-3］。在2021年4月白鶴灘水電站完成蓄水運(yùn)行后，金沙江下游進(jìn)入烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩四級聯(lián)合運(yùn)行期^［4-6］，梯級水庫聯(lián)合運(yùn)行后下游江段的水溫較天然狀態(tài)發(fā)生了改變^［7-8］。

金沙江下游的水溫變化及其影響因素是流域梯級開發(fā)中水環(huán)境評估的重要指標(biāo)，也是近年來國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的研究內(nèi)容之一^［9-11］。氣溫變化、水文過程和人類活動被認(rèn)為是導(dǎo)致水溫波動的主要原因^［12］。程帥等^［13］分析溪洛渡、向家壩庫區(qū)下游表層水溫的分布，得出氣溫對表層水溫變化影響較大的結(jié)論；魏希等^［14］采用多元線性回歸模型的方法研究氣溫和上游水溫對雅魯藏布江干流中段水溫的影響，得到氣溫是其中部分江段水溫主要影響因素的結(jié)論。隨著金沙江下游梯級水庫的逐步運(yùn)行，眾多學(xué)者對下游河段水溫的研究亦不斷增加^［15-16］。李雨等^［17］根據(jù)金沙江下游及川江段歷史水溫數(shù)據(jù)，得出金沙江下游江段水溫變化分別受到氣溫、支流匯入和水利工程的影響。由于支流水溫變化規(guī)律不同于干流水溫，支流的匯入會在一定程度上影響干流水溫的變化規(guī)律。徐火清等^［18］選取金沙江下游16個測站的流量及水溫實(shí)測資料，統(tǒng)計分析了各支流的流量占比，探討了岷江等較大流量支流匯入后下游水溫的變化規(guī)律，得出岷江對干流水溫影響最大，嘉陵江和烏江其次的結(jié)論。唐雨佳等^［19］通過比較宜昌和寸灘河段是否考慮流量的兩種模型的誤差，得到在忽略流量變化的條件下，僅靠氣溫數(shù)據(jù)可以獲得相對可信的分析結(jié)果。

目前，定量分析氣溫和支流匯入對金沙江下游江段水溫影響程度的研究尚少。本文選擇2022年8月1日至2023年7月31日金沙江下游向家壩水文站至清溪場水文站區(qū)域內(nèi)14個干、支流監(jiān)測點(diǎn)的水溫和干流監(jiān)測點(diǎn)附近氣象站的氣溫，采用氣溫-水溫多元回歸模型的方法，定量分析出研究區(qū)域內(nèi)各江段短期內(nèi)下游水溫分別受到上游水溫、匯入支流水溫和氣溫（含太陽輻射）的影響程度（比例），以期為下游江段水環(huán)境評價和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究概況

1.1 監(jiān)測設(shè)備選取及安裝

表層水溫的監(jiān)測采用北京基康生產(chǎn)的精度為0.1 ℃的鉑電阻溫度計，數(shù)據(jù)選用北京基康生產(chǎn)的40通道和32通道的MCUU進(jìn)行采集和傳輸，以中國移動的物聯(lián)卡為載體，傳輸?shù)皆O(shè)置在湖南省長沙市中國水利水電第八工程局總部的G云服務(wù)器。

表層水溫監(jiān)測設(shè)備的安裝主要有躉船安裝、浮漂船安裝和固定安裝3種方式，分別在不同的情況下使用：當(dāng)水溫測點(diǎn)有躉船時，直接將GM2采集終端固定在躉船護(hù)欄邊沿，溫度計穿鍍鋅鋼管保護(hù)并牢固的固定在躉船上；當(dāng)水溫測點(diǎn)沒有泵船時，采用直徑1.3 m、高1.4 m的浮漂船將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；當(dāng)水溫測點(diǎn)處水流湍急，無躉船可用也無法安裝浮漂時，采用固定支架安裝GM2終端，溫度計穿鍍鋅鋼管保護(hù)。通過以上安裝方式以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時效性。

1.2 研究區(qū)域及監(jiān)測點(diǎn)布置

長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護(hù)區(qū)干流主要為金沙江向家壩壩軸線下游1.8 km至重慶市馬桑溪江段，江段內(nèi)主要包括向家壩水文站、李莊水位站、合江水位站、朱沱水文站和江津5個水溫監(jiān)測點(diǎn)。位于自然保護(hù)區(qū)江段下游的寸灘水文站和清溪場水文站相距上游監(jiān)測斷面江津不遠(yuǎn)，距離下游三峽庫區(qū)較遠(yuǎn)，幾乎不受三峽庫區(qū)的調(diào)蓄影響，且寸灘水文站至清溪場水文站江段有嘉陵江和御臨河支流匯入，故將寸灘水文站和清溪場水文站一并選入研究區(qū)域，研究區(qū)域為向家壩水文站至清溪場水文站江段。

2022年8月1日至2023年7月31日，在金沙江下游流域布置表層水溫監(jiān)測點(diǎn)共14個，其中干流7個測點(diǎn)，從上游至下游依次為向家壩水文站、李莊水位站、合江水位站、朱沱水文站、江津、寸灘水文站、清溪場水文站；支流7個測點(diǎn)，從上游至下游依次為橫江水文站、高場水文站、富順?biāo)恼?、赤水河河口、北碚水文站、御臨河支庫、武隆水文站（分別對應(yīng)支流橫江、岷江、沱江、赤水河、嘉陵江、御臨河、烏江）。每日00：00～22：00每隔2 h監(jiān)測1次水溫，共計12次，各監(jiān)測點(diǎn)相對位置如圖1所示，且選取各干流監(jiān)測點(diǎn)附近氣象站（表1）的每日最高和最低氣溫的平均值作為氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 研究方法

由于金沙江下游江段水文條件復(fù)雜，沿程江段干流下游的水溫不僅受到干流上游水溫及支流匯水水溫的影響，還受到干流上游的氣溫的影響。假定A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為干流上游和干流下游的水溫監(jiān)測點(diǎn)，C點(diǎn)和D點(diǎn)分別為支流1和支流2的水溫監(jiān)測點(diǎn)，E點(diǎn)和F點(diǎn)分別為支流1和支流2匯入干流的河口位置（圖2）。

考慮金沙江干流沿程水溫變化主要受上游來水水溫、支流匯水水溫、氣溫、太陽輻射和沿程熱量損耗影響，根據(jù)能量守恒方程有：

T_B=aT_氣溫+bT_A+cT_C+dT_D+ε （1）

式中：T_B為干流下游水溫監(jiān)測點(diǎn)的水溫;T_氣溫為氣溫（含太陽輻射）對水溫的影響；T_A為干流上游水溫監(jiān)測點(diǎn)的水溫；T_C和T_D分別為支流1和支流2水溫監(jiān)測點(diǎn)的水溫；ε為太陽輻射、蒸發(fā)損耗、大氣濕度等其他要素引起的水溫變化值。參考唐雨佳等^［19］和Toffolon等^［20］將太陽輻射近似地用氣溫來衡量的研究思路，我們將太陽輻射對水溫的影響包含在氣溫對水溫的影響中。

根據(jù)式（1），考慮到影響下游水溫的因素較多，故選用多元回歸方法對所有影響以江段下游水溫的因素建立氣溫-水溫數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。比較各個影響因素的P值是否小于0.1，以判斷各影響因素對干流水溫的影響是否顯著。若Plt;0.1，認(rèn)為顯著；若Pgt;0.1，則認(rèn)為不顯著。剔除該因素后，對其余水溫影響因素重新進(jìn)行多元回歸分析，最后通過均方根誤差RMSE和擬合優(yōu)度R²的值反映該回歸模型的擬合效果。RMSE值越小，R²越接近1，說明模型擬合效果越好，預(yù)測誤差越小。

選取向家壩水文站至清溪場水文站區(qū)域內(nèi)的5個江段：向家壩水文站至李莊水位站、李莊水位站至合江水位站、合江水位站至朱沱水文站、江津至寸灘水文站、寸灘水文站至清溪場水文站，分別運(yùn)用上述模型進(jìn)行多元回歸分析（因朱沱水文站測點(diǎn)上游附近及朱沱水文站至江津江段中均無支流匯入，故不選取此江段進(jìn)行分析）。

3 結(jié)果與分析

3.1 水溫和氣溫變化特征

在研究區(qū)域內(nèi)的各個江段中，下游水溫受到上游水溫、支流水溫和氣溫的共同影響（氣溫均選取干流上游測點(diǎn)附近氣象站的氣溫）。圖3為2022年8月1日至2023年7月31日各個江段的干流上、下游水溫、支流水溫和氣溫的變化規(guī)律。沿程江段各監(jiān)測點(diǎn)的水溫和氣溫均呈現(xiàn)出8月至次年1或2月降溫，次年2或3月至7月升溫的變化趨勢。全年的最高水溫出現(xiàn)在7月或8月，最低水溫出現(xiàn)在1月或2月。各江段干流斷面水溫和氣溫的變化特征和匯入的支流水溫的變化特征分別如表2和表3所列。

向家壩水文站至李莊水位站江段中，向家壩水文站和李莊水位站的水溫變化趨勢較接近，橫江和岷江支流的水溫在降溫期低于干流水溫，升溫期高于干流水溫，呈現(xiàn)出天然河道的顯著特征（圖3（a））。支流匯入后上游梯級庫區(qū)對金沙江干流水溫的平坦化效應(yīng)和延滯效應(yīng)受到削弱，導(dǎo)致李莊水位站水溫相較上游向家壩水文站，降溫期水溫略有降低，升溫期水溫略有升高。其余各江段干流的下游水溫和上游水溫的變化趨勢亦基本相同。

沿程各江段匯入的支流中，除烏江支流體現(xiàn)出水庫調(diào)蓄特征，水溫變化呈現(xiàn)平坦化趨勢外，其余江段匯入支流橫江、岷江、沱江、嘉陵江、御臨河均呈現(xiàn)出降溫期低于干流水溫，升溫期高于干流水溫的天然河道水溫的變化趨勢，且支流全年水溫變化幅度均大于干流水溫。氣溫的全年變化幅度和日波動幅度均顯著大于干流和支流水溫（圖3（b）～（e））。

3.2 水溫影響因素分析

通過多元回歸分析，建立上述5個江段下游水溫與上游水溫、匯入支流水溫和氣溫的多元回歸模型，各江段模擬水溫與實(shí)測水溫的擬合效果如圖4所示。

對向家壩水文站至李莊水位站江段初步建模后得出橫江支流的水溫對李莊水文站水溫影響的P值為0.39，說明橫江支流水溫對李莊水位站水溫的影響不顯著。剔除橫江支流水溫后重新建立的多元回歸方程為

T_李莊水溫=0.0233T_水富氣溫+0.4817T_{向家壩水溫}+0.4121T_岷江水溫+2.0329（2）

其均方根誤差RMSE為0.439 9，擬合優(yōu)度R²為0.980 7。由式（2）可知李莊水位站水溫主要受向家壩水文站水溫和岷江支流水溫的影響，其中向家壩水文站水溫是最主要影響因素（圖4（a））。向家壩水文站水溫、岷江水溫和氣溫分別變化1 ℃，將導(dǎo)致李莊水位站水溫分別變化約0.48，0.41，0.02 ℃。

對李莊水位站至合江水位站江段建立的多元回歸方程為

T_合江水溫=0.0119T_宜賓氣溫+0.8757T_李莊水溫+0.1065T_沱江水溫+0.0291T_{赤水河水溫}-0.1254（3）

其均方根誤差RMSE為0.292 5，擬合優(yōu)度R²為0.993 8。由式（3）可知：合江水位站水溫主要受李莊水位站水溫和沱江支流水溫的影響，其中李莊水位站水溫是最主要影響因素（圖4（b））。李莊水位站水溫、沱江支流水溫、赤水河支流水溫和氣溫分別變化 1 ℃將導(dǎo)致合江水位站水溫分別變化約0.88，0.11，0.03，0.01 ℃。

對合江水位站至朱沱水文站江段建立的多元回歸方程為

T_朱沱水溫=0.0040T_合江氣溫+0.9953T_合江水溫-0.0150（4）

其均方根誤差RMSE為0.1527，擬合優(yōu)度R²為0.998 3。此江段無支流匯入。由式（4）可知：朱沱水文站水溫主要受合江水位站水溫的影響（圖4（c））；合江水位站水溫和氣溫分別變化1 ℃將導(dǎo)致朱沱水文站水溫分別變化約1 ℃和0.004 ℃。

對江津至寸灘水文站江段初步建模后得出氣溫對寸灘水文站水溫影響的P值為0.47，說明氣溫對寸灘水文站水溫的短時影響不顯著。剔除氣溫后重新建立的多元回歸方程為

T_寸灘水溫=0.6732T_江津水溫+0.2743T_{嘉陵江水溫}+1.3016（5）

其均方根誤差RMSE為0.449 2，擬合優(yōu)度R²為0.989 0。由式（5）可知：寸灘水文站水溫主要受江津水溫和嘉陵江支流水溫的影響，其中江津水溫是最主要影響因素（圖4（d））。江津水溫和嘉陵江支流水溫變化1 ℃將導(dǎo)致寸灘水文站水溫分別變化約0.67 ℃和0.27 ℃。

對寸灘水文站至清溪場水文站江段初步建模后得出氣溫對清溪場水文站水溫影響的P值為0.65，說明氣溫對清溪場水文站水溫的短時影響不顯著。剔除氣溫后重新建立的多元回歸方程為

T_{清溪場水溫}=0.8389T_寸灘水溫+0.0404T_{御臨河水溫}+0.1280T_烏江水溫-0.2143（6）

其均方根誤差RMSE為0.446 5，擬合優(yōu)度R²為0.989 1。由式（6）可知：清溪場水文站水溫主要受寸灘水文站水溫和烏江支流水溫的影響，其中寸灘水文站水溫是最主要影響因素（圖4（e））。寸灘水文站水溫、烏江支流水溫、御臨河支流水溫變化1 ℃將導(dǎo)致清溪場水文站水溫分別變化約0.84，0.13，0.04 ℃。

如表4所列：向家壩水文站水溫、岷江支流水溫、氣溫對李莊水位站水溫的影響程度分別為52.7%、45.1%、2.2%；李莊水位站水溫、沱江支流水溫、赤水河支流水溫、氣溫對合江水位站的影響程度分別為85.4%、10.7%、2.9%、1.0%；合江水位站水溫和氣溫對朱沱水文站的影響程度分別為99.6%和0.4%；江津區(qū)水溫和嘉陵江支流水溫對寸灘水文站的影響程度分別為71.3%和28.7%；寸灘水文站水溫、烏江支流水溫和御臨河支流水溫對清溪場水文站的影響程度分別為83.2%、12.9%和3.9%。研究區(qū)域內(nèi)短期內(nèi)各江段的下游水溫的各個影響因素均呈現(xiàn)出上游水溫影響程度最大，支流水溫其次，氣溫影響程度最小的規(guī)律。其中，江津至寸灘水文站江段和寸灘水文站至清溪場水文站江段中，氣溫對下游水溫的短時影響不顯著，下游水溫只受到上游水溫和匯入的支流水溫的影響。

4 結(jié) 論

對金沙江下游向家壩水文站至清溪場水文站區(qū)域內(nèi)分不同江段進(jìn)行短時水溫影響因素量化分析，結(jié)論如下：

（1）上游水溫是影響下游水溫的最主要因素，影響程度最低為52.7%，最高接近100%。

（2）各江段匯入的支流水溫會對下游水溫產(chǎn)生較顯著的影響，如岷江、嘉陵江和烏江支流，其中岷江支流對下游李莊水位站水溫的影響程度高達(dá)45.1%。

（3）氣溫（含太陽輻射）對下游水溫的短時影響程度僅為0.4%～2.2%，遠(yuǎn)低于上游水溫和支流水溫的影響程度。

未來將對金沙江下游梯級庫區(qū)兩級水電聯(lián)合運(yùn)行期和四級水電聯(lián)合運(yùn)行期下游水溫的變化進(jìn)行比較研究，更為深入地了解四級水電聯(lián)合運(yùn)行后水溫的影響因素和變化特征，為下游江段水環(huán)境評價和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

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（編輯：劉 媛）

Quantitative analysis of short-term water temperature influencing factors in lower reaches of

Jinsha River from Xiangjiaba Hydrological Station to Qingxichang Hydrological Station

XING Xiwang¹，TANG Yuchuan¹，BI Mingliang¹，ZHANG Yong¹，WANG Lei¹，XIE Changjiang²

（1.River Basin Hub Operation and Management Center，China Three Gorges Corporation，Yichang 443000，China; 2.China Water Resources and Hydropower Eighth Engineering Bureau Limited Company，Changsha 410004，China）

Abstract：To gain a deeper understanding of the short-term water temperature variations and influencing factors in the lower reaches of the Jinsha River，and to quantify their impact，we established a multiple regression model to quantify the influence of upstream water temperature，tributary water temperature，and air temperature on downstream water temperature.The research information includes the water temperature data of the mainstream and tributaries from August 1，2022，to July 31，2023，in the section from Xiangjiaba Hydrological Station to Qingxichang Hydrological Station in the lower reaches of the Jinsha River and the air temperature data from nearby meteorological stations.The results show that：① Upstream water temperature is the primary factor affecting downstream water temperature，with an influence ranging from a minimum of 52.7% to nearly 100%;② The water temperature from tributaries flowing into various river sections significantly impacts downstream water temperature.For example，the tributaries of the Minjiang River，Jialing River，and Wujiang River notably influence downstream water temperatures，with the Minjiang tributary affecting the water temperature at the Lizhuang Water Level Station by up to 45.1%;③ Air temperature has a relatively weak short-term effect on downstream water temperature，ranging from only 0.4% to 2.2%，which is significantly lower than the influence of upstream water temperature and tributary water temperature.

Key words：water temperature; air temperature; water temperature variation; multiple regression; Xiangjiaba to Qingxichang river section; downstream of the Jinsha River