淺談梯級(jí)水庫(kù)低溫下泄水對(duì)下游河道水溫的影響

■陶美（中藍(lán)連海設(shè)計(jì)研究院環(huán)評(píng)室上海201204）

淺談梯級(jí)水庫(kù)低溫下泄水對(duì)下游河道水溫的影響

■陶美
（中藍(lán)連海設(shè)計(jì)研究院環(huán)評(píng)室上海201204）

本文介紹了水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的判別方法和水庫(kù)水溫的預(yù)測(cè)方法，分析了梯級(jí)水庫(kù)低溫下泄水對(duì)下游河道水溫的累積性影響，提出了相應(yīng)的緩解措施。

梯級(jí)水庫(kù) 下泄低溫水 累積影響 緩解措施

0　前言

河流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)提高了水資源的利用效率，增加了水域的綜合功能，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)危害[1～2]。電站建設(shè)改變了庫(kù)區(qū)和下泄水水溫時(shí)空分布，對(duì)河流水質(zhì)，水生生物的分布及農(nóng)作物生長(zhǎng)等會(huì)產(chǎn)生影響[3]；梯級(jí)水庫(kù)的建設(shè)由于對(duì)河流水動(dòng)力等條件形成了連續(xù)性的時(shí)空影響，而對(duì)河道及庫(kù)區(qū)水溫分布的影響更為嚴(yán)重[4]。

1　水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的判別

1.1水庫(kù)的分類(lèi)

根據(jù)水庫(kù)水溫不同的分布情況，將水庫(kù)分為三種類(lèi)型：穩(wěn)定分層型、混合型和過(guò)渡型。穩(wěn)定分層型水庫(kù)的水溫在垂向上分層明顯；混合型水庫(kù)無(wú)明顯分層；過(guò)渡型水庫(kù)水溫分層情況介于兩者之間。

1.2水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的判別方法

（1）徑流一庫(kù)容比數(shù)法

α=多年平均徑流量/水庫(kù)總庫(kù)容

β=一次洪水量/水庫(kù)總庫(kù)容

當(dāng)α<10時(shí)，為水溫穩(wěn)定分層型；當(dāng)α>20時(shí)，為混合型；當(dāng)10<α<20為過(guò)渡型。

對(duì)于分層型水庫(kù)（包括穩(wěn)定分層型和過(guò)渡型水庫(kù)），當(dāng)β>1時(shí)，洪水對(duì)水溫結(jié)構(gòu)有影響，為臨時(shí)混合型；當(dāng)β<0.5時(shí)，洪水對(duì)水溫結(jié)構(gòu)無(wú)影響；當(dāng)0.5<β<1，洪水對(duì)水溫結(jié)構(gòu)有一定影響，但未破壞水溫的分層結(jié)構(gòu)，仍為分層型水庫(kù)。

（2）密度佛汝德數(shù)法

Fr=（LQ/HV）（gG）～1/2

式中，F(xiàn)r為密度佛汝德數(shù)；L、H、V分別為水庫(kù)長(zhǎng)度、平均水深和庫(kù)容；Q為入庫(kù)流量；g為重力加速度；G為標(biāo)準(zhǔn)化的垂向密度梯度。

Fr<0.1時(shí)為穩(wěn)定分層型；0.11.0時(shí)為完全混合型。

2　水庫(kù)水溫預(yù)測(cè)的方法

2.1水庫(kù)一維垂向水溫預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)法

（1）東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院張大發(fā)的方法

式中Ty為水溫y處的月平均水溫；T0為月平均庫(kù)表水溫；Tb為月平均庫(kù)底水溫；m為月份。

（2）朱伯芳法

式中T(y,t)為任意深度y，t的水溫；Tm(y)為任意深度y的年平均水溫；A(y)為任意深度y的水溫變幅；ε為水溫相位差；Td為庫(kù)底水溫；b為庫(kù)表水溫；H為水庫(kù)深度；ω為水溫變化頻率，ω=2πγ/p；p為溫度變化周期（12個(gè)月）。

2.2數(shù)學(xué)模型法

（1）垂向一維數(shù)學(xué)模型：垂向一維水溫模型應(yīng)用最為廣泛，其代表有WRE模型，MIT模型以及“湖溫一號(hào)”模型；（2）寬度平均的立面二維水溫?cái)?shù)學(xué)模型：寬度平均的立面二維的水庫(kù)水溫模型主要差異在于垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的模化；（3）三維數(shù)學(xué)模型：EFDC模型被用于模擬水系統(tǒng)一維、二維和三維流場(chǎng)、物質(zhì)輸運(yùn)、生態(tài)過(guò)程以及淡水入流等；MIKE3是模擬水動(dòng)力、水質(zhì)、泥沙的專(zhuān)業(yè)工程軟件；主要應(yīng)用于港口、河流、湖泊、河口海岸和海洋。

3　梯級(jí)水庫(kù)低溫下泄水對(duì)下游河道水溫的影響分析

3.1水庫(kù)下游河道水溫預(yù)測(cè)

低溫下泄水縱向沿程變化常用水溫一維縱向經(jīng)驗(yàn)公式：

無(wú)支流匯入段：

式中：L為影響長(zhǎng)度，m；c為水的比熱，J/(kg/K)；ρ為水的密度kg/m3；v為L(zhǎng)區(qū)間的平均流速，m/s；d為L(zhǎng)區(qū)間內(nèi)平均水深，m；Δθ為水庫(kù)下泄水溫與天然河道的溫差，℃；、a、b為比例系數(shù)，取a=41. 868J/(m2·K·S)；b=2093.4～4186.8 J/(m2·K·S)；θ∞，θt，θ分別為平衡水溫、主流水溫、支流水溫，℃。

3.2梯級(jí)水庫(kù)低溫下泄水對(duì)下游河道的影響

梯級(jí)水庫(kù)中上游水庫(kù)的下泄水溫直接影響下游水庫(kù)的入庫(kù)水溫，從而影響下游水庫(kù)庫(kù)區(qū)的水溫分布，同理將繼續(xù)影響下一梯級(jí)水庫(kù)的水溫分布，因此，梯級(jí)水庫(kù)對(duì)河道水溫的影響是所有水庫(kù)共同作用的結(jié)果，是具有累積性的。

下泄低溫水對(duì)庫(kù)區(qū)、下游河段的水生生物、農(nóng)田灌溉和生活用水等會(huì)產(chǎn)生重大影響，如魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵對(duì)水溫的要求極為嚴(yán)格，當(dāng)水溫達(dá)不到適宜產(chǎn)卵溫度時(shí)，產(chǎn)卵場(chǎng)會(huì)消失，魚(yú)類(lèi)產(chǎn)量會(huì)降低；當(dāng)農(nóng)田灌溉從水庫(kù)引水時(shí)，農(nóng)作物對(duì)水溫很敏感，水溫的高低會(huì)直接影響其產(chǎn)量。

4　減緩梯級(jí)水庫(kù)低溫下泄水不利影響的措施

由于梯級(jí)水庫(kù)的建成對(duì)水庫(kù)下游天然河道生態(tài)系統(tǒng)造成了不可逆轉(zhuǎn)的影響，為了減緩各種不利影響，必須采取一定的措施來(lái)改善水庫(kù)的下泄低溫水。主要改善措施如下：

（1）對(duì)于梯級(jí)水庫(kù)群，首先需要結(jié)合河流的天然情況和水庫(kù)的功能性及聯(lián)合調(diào)度情況，綜合考慮各個(gè)水庫(kù)的位置布局，尤其是對(duì)下游天然河道生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大影響的大型水庫(kù)的位置；（2）采取分層取水的工程措施。對(duì)于大型深水庫(kù)，在進(jìn)行取水構(gòu)筑物設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮分層取水方案，設(shè)置不同取水高程，根據(jù)下游敏感目標(biāo)對(duì)溫度的要求在不同取水高程處泄水，盡量減少下泄水溫度與天然水溫的溫差，降低對(duì)敏感目標(biāo)受到的不利影響。

5　結(jié)語(yǔ)與展望

目前國(guó)內(nèi)對(duì)梯級(jí)水庫(kù)下泄低溫水影響的研究相對(duì)單庫(kù)而言比較少，仍處在起步階段，梯級(jí)水庫(kù)對(duì)下游河道的疊加影響需要通過(guò)更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行分析總結(jié)，在得到更多研究成果的同時(shí)提出合理可行的緩解措施，在發(fā)揮水庫(kù)最大功能的同時(shí)將對(duì)天然河道的生態(tài)影響降到最低。

[1]劉蘭芬.河流水電開(kāi)發(fā)的環(huán)境效益及主要環(huán)境問(wèn)題研究 [J].水利學(xué)報(bào)，2002， (8)：121～128.

[2]麻澤龍，譚小琴，周偉，程根偉.河流水電開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響及其對(duì)策研究 [J]廣西水利水電，2006， (1)：24～28.

[3]陳凱麒，王東勝，劉蘭芬，等.水電梯級(jí)規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)的特征及研究方向 [J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2005，3(2)：79～84.

[4]張靜波，張洪泉.流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)的綜合環(huán)境效應(yīng) [J].水資源保護(hù)，1996，3(3)：30～ 35.

X[文獻(xiàn)碼]B

1000～405X（2016）～4～91～1