水庫水溫結構影響因素及與下泄水溫的變化關系

薛聯芳，顏劍波

(1.水電水利規劃設計總院，北京　100011； 2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙　410014)

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水庫水溫結構影響因素及與下泄水溫的變化關系

薛聯芳1，顏劍波2

(1.水電水利規劃設計總院，北京100011； 2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

根據水庫壩前垂向水溫分布的特點，水庫水溫結構可分為分層型、過渡型和混合型。影響水庫水溫結構的因素很多，主要有來水水溫、氣象條件、徑流特征、水庫特性和運行方式。通過研究我國不同地域、不同規模的20多座水庫實測水溫資料，分析了水庫水溫結構變化規律。結果表明，徑流-庫容比(α值)是影響水庫水溫結構的最主要因素，并且與下泄水溫存在良好的對應關系，根據該值可初步估算下泄水溫變化范圍。

水庫水溫結構；下泄水溫；徑流-庫容比；取水口高程

目前，國內外對水庫水溫結構的研究大多是基于單個水庫水溫實測資料驗證或數學模型預測分析，對多個水庫水溫結構規律研究較少[1-2]。在環境影響評價中，對于水庫及其下泄水溫的變化，雖然都采用經驗公式或經過實測水溫資料驗證的數學模型進行預測計算，但對于預測結果的合理性、準確性往往難以判定。實際上，部分水庫建成后對水庫水溫及其下游水溫變化的觀測表明，預測結果與實測值存在較大差距。本文基于國內多個水庫壩前水溫的觀測數據，對水庫水溫結構及其影響因素進行分析研究，嘗試找出影響水庫水溫結構的主要因素及其量化指標，并建立該指標與水庫水溫結構及其下泄水溫影響的相關關系。通過分析這種一般性的規律，試圖找出快速判別水庫水溫結構及其下泄水溫變化幅度簡單有效的經驗方法。

1　資料來源

本文采用的國內20多座水庫覆蓋了不同調節性能(多年調節、年調節、季調節和日調節)和不同地區(北方和南方、東北和西部等)，具有一定代表性。研究采用的水庫水溫觀測數據均為水庫穩定運行后的全年逐月實測資料，有些是近壩區斷面中心線的典型年垂向水溫觀測資料，有些是壩面溫度計多年觀測的水溫資料，垂向水溫觀測的范圍從庫表至庫底(或接近庫底)。建庫前后出庫、入庫水溫選取控制水文站長期實測資料。

2　水庫水溫結構變化規律

影響水庫水溫結構的因素有很多，主要有來水水溫、氣象條件、徑流特征、水庫特性和運行方式，徑流-庫容比(α值)是影響水庫水溫結構的最主要因素。

2.1水庫水溫結構與α值相關關系

現有研究表明，水庫水溫在時間上以年為周期性變化[3-4]。在空間上，水庫水溫在縱向、橫向和垂向均呈現一定規律：一般的水庫水溫在橫向上變化較小，只有在庫岸、淺灘附近或洪水入庫擾動時，有一定差異[5]；縱向上，深泓線平均水溫一般在升溫期自庫尾向壩前沿程遞減，降溫期則沿程遞增，對于近壩區的水庫水體，不考慮洪水沖擊的特殊時刻，水庫等溫線基本是水平的；水庫垂向水溫分布最為復雜，也最能反映水庫水溫的空間分布特征。水庫水溫在空間的分布可近似簡化為沿水深分布的一維模型[6]。

通過研究國內20多個水庫的壩前水溫觀測資料發現，水庫水溫結構與α值關系基本符合水溫結構“α值判別法”表示的相關關系：α≤10時，水溫結構為分層型；α≥20時，水溫結構為混合型；10<α<20，水溫結構為過渡型。此外，對于α≤10的分層型水庫，α≤5時，水溫結構為穩定分層型，這類水庫一般為多年調節性水庫；5<α≤10時，水溫結構為較穩定分層型，這類水庫一般為不完全多年調節或年調節性水庫，不同水庫水溫類型與α值的關系見表1。

表1　水庫水溫結構與α值的關系

2.2α值與取水口高程相關關系

表1反映水庫水溫結構和α值有很高的相關關系，α值越大，水庫水體交換的次數越多，水體摻混程度越高，垂向水溫溫差越小。有研究認為，水庫水體交換首先發生在取水口以上部分，對同一水庫，取水口設置得越低，溫躍層分布越低[7-8]。針對不同α值的水庫，結合取水口分布，進一步驗證水庫水溫主要受α值影響。

當α≤5時，水體交換主要發生在取水口高程以上，因此變溫層基本分布在取水口高程以上，取水口高程以下水體水溫變化很小，這種水庫水溫呈現穩定分層的特征，例如東江水庫和光照水庫。

當α>5時，取水口高程以下水體也頻繁參與水體交換，變溫層發展到取水口高程以下，取水口高程以下水體水溫變化顯著增大，例如柘溪水庫和安康水庫。水庫壩前水溫分布與取水口高程的關系見圖1。

圖1　水庫壩前水溫分布與取水口高程的關系Fig.1　Relationship between water temperature distribution in front of the reservoir and the elevation of water intake

2.3不同α值水庫下泄水溫變化分析

通過收集國內多座水電站建庫前后入庫水溫、出庫水溫資料進行對比分析，得到水庫下泄水溫變化計算公式：

ΔT=(Toa-Tob)-(Tia-Tib)

式中，Tob、Toa分別為建庫前、后出庫水溫；Tib、Tia分別為建庫前、后入庫水溫。

計算得到幾個典型水庫出庫水溫變化值見表2。對比α值發現，水庫下泄水溫變幅與水庫α值也有較好的對應關系，α值很小的穩定分層型水庫，夏季降溫幅度和冬季升溫幅度相對較大，下泄水溫年內變化比較穩定。隨著α值增大，水溫結構由分層型逐漸向過渡型轉變，夏季降溫幅度和冬季升溫幅度相對較小，出庫水溫年內變化接近天然水溫變化。

表2　幾個典型水庫α值與出庫水溫變化值

3　結論

(1)入庫年徑流量與水庫庫容比值(α值)的大小是影響水庫水溫分布的主要因素。α值與水庫水溫分層強弱具有很好的對應關系，α值越大，水庫水溫分層結構越弱，反之則越強。當α≤5時，水庫水溫結構經常表現為穩定分層型，這類水庫一般為多年調節型，由于取水口高程以上庫容一般較大，取水口高程以下水體很難被交換，其水溫變化很小；當5<α≤10時，水庫水溫結構往往為較穩定分層型，這類水庫一般為不完全多年調節或年調節型，由于取水口高程以下水體頻繁參與水體交換，變溫層發展到進水口高程以下，進水口高程以下水體水溫變化明顯增大。

(2)α值與下泄水溫也有較好的相關關系。α值越小的水庫，下泄水溫年內變化越小，與天然河流水溫相比，出庫水溫改變越大；α值越大的水庫，下泄水溫年變化越接近天然水溫的年變化，與天然河流水溫相比，出庫水溫改變越小。

(3)根據本文研究成果，可以利用水庫徑流量與庫容的比值快速判斷水庫水溫結構及其對出庫水溫的影響，能夠為水利水電工程水溫影響預測提供有益參考。但本文采用的是統計學分析方法，由于樣本主要為我國中東部地區的水庫實測水溫，西南地區樣本較少，尤其缺乏高海拔地區的水庫實測水溫，因此應用于西南、高海拔地區時，存在一定的局限性。

[1]陶美, 逄勇, 王華, 等. 洪水對水庫水溫分層結構的影響[J]. 水資源保護, 2013, 29(3): 38-44.

[2]鄧云, 李嘉, 李克鋒, 等. 紫坪鋪水庫水溫預測研究[J]. 水利水電技術, 2003, 34(9): 50-52.

[3]張大發. 水庫水溫分析及估算[J]. 水文, 1984(1): 19-27.

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[5]中國水電顧問集團成都勘測設計研究院. SDJ 214—83水利水電工程水文計算規范[S]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

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[7]郝紅升, 李克鋒, 李然, 等. 取水口高程對過渡型水庫水溫分布結構的影響[J]. 長江流域資源與環境, 2007，16(1): 21-25.

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Study on the Influencing Factors of Reservoir Water Temperature Structure and the Relationship with Discharge Water Temperature

XUE Lian-fang1, YAN Jian-bo2

(1.China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100011, China; 2.PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

According to the characteristics of the vertical water temperature distribution in the reservoir, the water temperature structure can be divided into three types: the layered, the transitional, and the mixed type. There are many factors affecting the reservoir water temperature structure, mainly including inflow water temperature, weather conditions, runoff characteristics, reservoir characteristics, and operation scheme. This paper studied the water temperature data of more than twenty reservoirs in different regions and different scales in China, and analyzed the change rule of water temperature structure. Analysis results showed that the ratio of runoff and reservoir capacity (α value) is a critical influencing factor of the reservoir water temperature structure, and it has a good corresponding relationship with reservoir discharge water temperature. According to the α value, we can estimate the approximate range of discharge water temperature.

reservoir water temperature structure; discharge water temperature; the ratio of runoff and reservoir capacity; elevation of water intake

2016-02-18

薛聯芳(1964—)，男，福建上杭縣人，教授級高級工程師，碩士，主要研究方向為水電環境保護，E-mail：xuelianfang@263.net

10.14068/j.ceia.2016.03.008

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0029-03