雅礱江二灘庫區及下泄水溫分布規律

蔣紅

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都　610072)

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雅礱江二灘庫區及下泄水溫分布規律

蔣紅

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

雅礱江二灘水庫為河道型深水水庫，壩前水深達188 m，1998年建成蓄水發電。目前國內已有的水庫水溫實測資料，多為水深100 m以下的水庫，百米以上水庫的水溫分布規律研究較少。通過實施原型觀測及收集后續原型觀測，同時收集壩址下游小得石水文站長系列水溫觀測資料的基礎上，對壩前、庫區縱向、下泄水溫進行多方面的歸納總結，得出二灘水庫庫區及下泄水溫分布特征，為揭示大型河道型水庫水溫分布規律提供基礎。

水庫水溫；垂向水溫結構；下泄水溫；水溫分布時間節律

雅礱江二灘水庫為河道型深水庫，其水溫特性及分層取水問題是水利水電工程及生態恢復學研究內容之一，也是進行生態保護和恢復的重要基礎。目前，我國水庫水溫及分層取水涉及技術問題時，主要基于20世紀60—80年代的研究成果[1-2]。由于受當時技術、經濟等條件的制約，研究成果多針對中小型和湖泊型水庫，與目前興建的工程存在較大差異[3-6]。隨著人們對環境和生態認識水平的提高，有關水庫水溫理論和實踐的研究均有待于進一步發展。為此，以二灘水庫為研究對象，開展了長期連續的水溫原型觀測研究，并選取同為河道型水庫的長江三峽水庫實測水溫進行了對比研究。

1　水溫觀測研究方法

1.1研究區域

雅礱江二灘水庫為典型的河道型深水庫，水庫正常蓄水位1 200 m，對應水庫面積101 km2，總庫容57.9億m3，最大水深188 m，干流庫區回水長145 km，平均寬度約400 m。依據庫水交換次數法，二灘水庫的年來水量與總庫容比值α為8.13，小于10，具備分層水庫的特征；7天洪量值β為0.54，小于1，洪水對其分層結構的破壞力有限。依據密度弗汝德指數法，二灘水庫枯水季節蓄水至正常水位1 200 m，入庫流量462 m3/s時，Fr值為0.06，小于0.1，表示庫水分層傾向明顯，而此時氣溫高于入庫水溫，水庫將發生分層現象；5月水庫降至死水位1 155 m，入庫流量956 m3/s時，Fr值為0.4，大于0.1小于0.5，表示庫水可能分層，同時因此時段太陽輻射強度較大，水庫也可能發生分層現象。上述兩種水庫水溫判別法均表明二灘水庫為穩定分層型水庫。

1.2研究方法

1.2.1水庫水溫觀測

(1)觀測布點

為保證監測斷面位置的準確性，庫區各監測斷面均結合已立牌布設的泥沙觀測斷面及現場查勘進行確定。共選取13個監測斷面，每個斷面的中部設置1條垂線進行庫區縱向水溫結構觀測；同時開展壩前垂向水溫結構觀測。垂線觀測點間距按0.2 m、0.7 m、1 m、2 m、庫底進行，遇溫躍層測點布設加密，遇恒溫層測點距離加大。監測斷面布設如表1所示。

表1　二灘庫區監測斷面位置

(2)觀測頻次

各斷面的監測時段略有不同，立面二維水溫分布的監測主要在2000年冬季、春季和夏季進行，壩前垂向水溫分布規律的監測連續進行了兩年，分別是1999年12月至2000年11月，以及2001年1月至12月。

(3)觀測步驟

對溶解氧測量儀、深水測溫儀及全站儀進行檢查；在左基點用全站儀控制各垂線的位置，測量人員指揮測船開到指定地點，并保持在5 m范圍內；觀測前必須對儀器進行校對，校對完成后進行測量，并記錄時間、氣溫等相關數據。

1.2.2下泄水溫觀測

二灘水電站壩址下游約12 km處分布有小得石水文站，該站建于1957年，至2010年已累積53年水文資料，其中水溫觀測資料累積26年。采用兩種方法對建庫前后的水溫進行對比，一是選取建庫前10年及建庫后10年的長系列觀測資料對建庫前后的水溫進行對比，二是利用水溫還原計算推測小得石水文站建成后天然水溫，將實測值與天然值進行對比，分析建成后水溫變化規律。

2　水溫觀測結果分析

2.1庫區水溫分布規律

2.1.1立面二維水溫觀測成果及分析

干流庫區共布設13個斷面進行水溫觀測，觀測結果統計分析如圖1所示。

圖1　二灘庫區立面水溫分布Fig.1　Two-dimensional water temperature distribution of Ertan Reservoir

根據圖1結果，可以總結出如下規律：

(1)入庫流量及水溫對水溫結構作用明顯。冬季入庫流量最小、水溫低，對水庫水溫結構影響較小，影響范圍主要在庫尾35 km庫段；春季入庫流量小，但入庫水溫明顯升高，入流對水庫水溫影響范圍擴大至庫尾70 km范圍內；夏季入庫流量大，水溫高，入流對全水庫水溫結構均造成一定影響。

(2)水庫呈現分段分層的現象。冬季除庫尾35 km庫段外，全庫區水溫明顯分層；春季水庫縱向可分為兩部分，壩前70 km為分層區域，其后約50 km庫段基本為混合區域；夏季壩前約50 km為分層區域，其后約70 km庫段基本為混合區域。

(3)冬季庫表與庫底溫差在3.7～4.9℃范圍內；春季庫表與庫底溫差在1.3～8.6℃范圍內；夏季庫表與庫底溫差在6.1～9.7℃范圍內。

2.1.2垂向水溫結構

干流庫區壩前水溫垂向分布見圖2。垂向水溫結構主要有3類，分別是兩層、三層和四層。冬季為典型的三層水溫結構，溫水層、溫躍層和滯溫層；春季呈現典型的兩層結構，溫躍層和滯溫層；夏季呈現四層水溫結構，雙溫躍層結構明顯，分別是溫躍層、溫水層、溫躍層和滯溫層；秋季因夏季蓄熱及水體摻混作用顯著，水溫再次呈現兩層結構，溫躍層和滯溫層。

圖2　二灘水庫壩前垂向水溫分布Fig.2　Vertical water temperature distribution in front of Ertan Reservoir

圖3　二灘建庫前后水溫分布范圍Fig.3　Water temperature distributions before and after building Ertan Reservoir

2.2下泄水溫變化分析

2.2.1建庫前后系列對比

采用1988—1997年觀測資料代表蓄水前水溫，2001—2010年觀測資料代表蓄水后水溫，進行對比，結果見圖3。

(1)平均水溫

水庫建成后，8月至次年2月水溫增高，12月增幅最大，為3.6℃；3—7月水溫降低，4月降幅最大，為1.2℃；建庫后水溫變化較小的是3月、6—9月，月平均水溫差別小于0.5℃，與建庫前天然狀態水溫基本一致。無論是時段還是幅度，增溫效應均強于降溫，年平均水溫也增加0.8℃；年較差變小，建庫前是11.1℃，建庫后是9℃。

(2)逐月平均水溫變幅

水庫形成前，逐月平均水溫歷年變幅介于2.0～4.0℃，夏季變幅較大，冬季較??；水庫形成后，逐月平均水溫歷年的變幅介于1.4～5.0℃，1—5月變幅增大，5—12月變幅減小。

2.2.2同步觀測系列對比

打羅和湖三灘水文站均位于二灘水庫庫尾，兩站集水面積分別為109 775 km2和110 117 km2，相差甚微，按照水溫規范相關規定，兩站資料可合并使用，簡稱打羅(湖三灘)站。湖山灘水文站收集有1995—1997年水溫觀測資料；打羅水文站收集有1999—2006年水溫觀測資料。

利用二灘建庫前打羅(湖三灘)站1995—1997年3年月平均河道水溫實測資料與小得石站的同步水溫觀測資料建立兩站的相關關系，分析表明兩者的相關系數高達0.993，具有很好的相關性。

利用該相關關系及打羅(湖三灘)站1999年和2006年二灘水庫建成后的水溫實測值，可推算得到小得石水文站天然河道水溫，即同步天然河道水溫。將該水溫與建庫后小得石水文站實測水溫進行對比，分析二灘水庫建成后河道天然水溫的變化情況，結果如表2所示。

表2　小得石水文站水溫同步觀測結果對照

水溫對比結果表明，水庫下泄水溫與天然水溫相比，10月至次年1月為升溫期，3—7月為降溫期，水溫變化較小的是2月、8月、9月共3個月，從溫度變幅方面分析，增溫效應強于降溫效應。年較差變小，建庫前是11.2℃，建庫后是9℃。

3　與三峽水庫的對比研究

三峽水庫位于長江干流，同為河道型水庫。與二灘水庫相同，其壩前水深超過百米，水庫水體交換次數約十倍。兩者的水庫水溫分布規律及下泄水溫的變化節律是否類似，水溫變化機理是否相同等問題，擬通過對比分析得到初步結論。

3.1水庫水溫特點比較

(1)二灘水庫特點

二灘庫區氣候具有干、雨季分明的特點，干季為11月至次年5月，雨季為6—10月。庫區多年平均氣溫19.2℃，年日照時數2 300～2 700 h，熱量資源豐富且主要集中在3—5月。水庫開發任務主要為發電。按照供電需求及工程發電效益綜合考慮，水庫運行方式為汛期6月或7月蓄水，一般至7月中旬蓄滿，然后按照電網調峰要求盡量維持正常蓄水位1 200 m運行；12月至次年5月供水，水庫水位消落至死水位1 155 m，最大消落深度為45 m。主庫區年來水量與總庫容比α值為8.13；7天洪量β值為0.54；枯水季節蓄水至正常水位1 200 m時，Fr值為0.06；5月水庫降至死水位時，Fr值為0.4，具有較明顯的分層特征。水體平均滯留時間為45 d，是天然河道的23倍。

(2)三峽水庫特點

三峽水庫長660 km，面積1 084 km2，平均水深41 m，壩前水深150 m。庫區屬亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫17～19℃，年日照時數1 300～1 700 h，與二灘庫區相比熱量資源不豐富。三峽工程開發任務為防洪、航運和發電。水庫運行方式與二灘水庫有所不同，其正常蓄水位為175 m，防洪限制水位145 m，枯季消落水位155 m；每年5月末至6月初，留出防洪庫容，壩前水位降至汛期防洪限制水位145 m；汛期6月至9月，水庫保持汛限水位；汛末10月，水庫蓄水至正常蓄水位175 m；12月至次年4月，按電網調峰要求運行，水庫盡量維持在較高水位；1月至4月水庫供水，4月末以前水位最低高程不低于枯水季消落低水位155 m。三峽水庫α值約為11，略大于10；枯水季節蓄水至正常水位175 m時，Fr值為0.46，不會形成穩定的溫度分層結構，但也不排除出現弱分層現象。水庫水體平均滯留時間為33 d，是天然河道的7倍。

(3)水庫水溫特點比較

二灘水庫干流庫區沿縱向可分為兩個區域：分層庫段和混合庫段，且隨著入庫流量的不同各庫段的長度不同，夏季壩前約50 km庫段為分層庫段，冬季壩前約85 km庫段為分層庫段；壩前垂向水溫分布結構主要有3類，分別是兩層、三層和四層，水溫分布沿縱向也存在滯后現象，壩前斷面比距壩31 km的勝利斷面庫底升溫滯后約1個月。

三峽水庫干流水體整體垂向混合較好，底層水溫隨表層水溫同步變化，主庫水體未出現大范圍內穩定的溫度分層結構，但在局部時段(4—6月)和局部區域(如近壩區、支流匯口下游)存在一定范圍的水溫分層現象。庫區寸灘(距壩址606 km)至巴東(距壩址78 km)河段水氣熱交換較弱，出現沿程降溫的現象。巴東站蓄水前后表層年均水溫基本不變，但年內水溫分布出現滯后現象，試驗性蓄水期(2008—2012年)峰值滯后約1個月，谷值滯后約1.5個月。

3.2下泄水溫分布特點

(1)二灘水庫下泄水溫

二灘水庫形成后，下泄水溫較天然水庫增溫效應均強于降溫，8月至次年2月共7個月水溫增高，3—7月共5個月水溫降低，其中7—9月水溫變幅小，月平均水溫差別小于0.3℃，與天然狀態水溫基本一致；水溫的年較差變小。

(2)三峽水庫下泄水溫

壩下黃陵廟(壩下2 km)斷面蓄水前期(1984—2003年)水溫年均18.5℃，最高出現在7月下旬，為26.2℃，最低出現在1月下旬，為10.6℃；175 m蓄水期(2008—2013年)年均18.9℃，最高出現在8月下旬，為25.7℃，最低出現在3月上旬，為11.6℃；水溫峰值滯后1個月，谷值滯后約1.5個月；年均水溫增加0.4℃；年較差減小1.5℃。

三峽壩下水溫過程發生明顯的春夏季低溫水和秋冬季高溫水現象。對比黃陵廟斷面175 m蓄水期與蓄水前期，8月中旬至次年2月下旬水溫升高，12月下旬增幅最大為4.5℃；3月上旬至8月上旬水溫降低，4月中旬降低最多為5.1℃。

3.3結論

二灘水庫和三峽水庫均為典型的河道型水庫，均有狹長、水體體積增大、滯留時間加長的特點，且二灘水庫增加幅度大于三峽水庫。

兩個水庫的水溫分布結構有所不同，庫尾段均為全混合狀態，壩前段二灘水庫全年均有分層現象，三峽水庫僅在4月、5月出現分層現象。二灘水庫為典型水溫分層型水庫，三峽水庫為水溫混合型，僅局部一些時段出現分層現象。這與兩個水庫的特性指標一致。

從下泄水溫變化來看，雖然兩水庫的垂向水溫分布結構不同，但下泄水溫均呈現出春夏季降溫、冬季升溫的現象；水溫年分布曲線均有滯后現象，谷值滯后略明顯于峰值；由于最低溫度升高，導致年較差減少，水溫分布曲線平坦化。

二灘水庫水體是原天然河道水體的23倍，水體滯留時間也達到45 d，加之庫區的熱量資源豐富，天然河道全年具有沿程增溫的特點，水庫水體的蓄熱效應明顯，多年平均年均下泄水溫增加0.7℃，最大升溫達到3.8℃，降溫為1.3℃，其水溫分布曲線也呈現出整體升溫效應強于降溫。

三峽水庫于2008年開始試驗性蓄水，僅就現有資料來看，水庫水體是原天然河道水體的7倍，水體滯留時間為33 d，庫區的熱量資源不豐富，日照時間為二灘庫區的60%，加之兩岸高山林立，對太陽輻射遮蔽作用等方面的原因，天然狀態下水溫沿程1—5月呈現出降溫狀態，7—11月出現升溫狀態，升溫及降溫幅度均較小。水庫形成后，下泄水溫與天然水溫發生較為顯著的改變，最大增幅及降幅均大于二灘水庫下泄水溫，其原因及機理有待進一步監測和研究。

無論是二灘水庫還是三峽水庫建成后都對下游河道水溫產生影響，使天然河道水溫分布節律發生變化，二灘水庫因水溫分布結構與三峽不同，其下泄水溫改變的規律和機理也不同，但呈現出的結果仍有相似之處，即春夏季降溫和冬季升溫的現象，對水生生態系統及水生生物的影響需進一步開展相關研究。

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The Study on Water Temperature Distribution of Discharge Water at Ertan Reservoir on Yalong River

JIANG Hong

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation, Chengdu 610072, China)

Ertan Reservoir on Yalong River is a river-type reservoir, built in 1998 with a water depth of 188 m. At present, the measured data of reservoir water temperature are mostly from reservoirs with water depth of less than 100 m, and those above 100 m are rarely studied. Through the field observation on water temperature in Ertan Reservoir and collection of water temperature observation data of Xiaodeshi hydrological station at downstream of the dam, this paper summed up water temperature distribution in front of the dam, the reservoir portrait and discharge water. In addition, this paper can offer the basis for revealing the water temperature distribution of large river-type reservoirs.

reservoir water temperature; vertical structure; temperature of water discharge; time rhythm of water temperature distribution

2015-10-17

“十二五”科技支撐計劃重大水利水電工程生態保護技術及標準規范研究(2012BAC06B01)

蔣紅(1967—)，女，浙江人，教授級高級工程師，博士，研究方向為環境水力學，E-mail：jianghong83411@126.com

10.14068/j.ceia.2016.03.004

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0013-05