三峽水庫水溫變化特性及影響分析

2017-07-24 17:40:24杜林霞牛蘭花

水利水電快報 2017年6期

杜林霞牛蘭花黃童

(長江水利委員會水文局長江三峽水文水資源勘測局，湖北宜昌 443000)

三峽水庫水溫變化特性及影響分析

杜林霞牛蘭花黃童

(長江水利委員會水文局長江三峽水文水資源勘測局，湖北宜昌 443000)

三峽水庫為年調節大型水庫，蓄水后改變了原有天然河道形態，同時也改變了河道徑流的年內分配，引起河道水溫發生了一定的變化?；?014年4～5月監測斷面垂向水溫數據和庫區多年水文站網水溫實測數據，分析了蓄水后庫區及壩下宜昌河道水溫變化的特點及影響因素，進而研究了水溫變化對下游水生生態的影響。實測結果表明：三峽水庫壩前水溫分層現象不穩定，水庫下泄水流在低溫水層以上，水庫蓄水對下游宜昌河道水溫有一定增溫效應和時空上滯后遲變現象，使四大家魚和中華鱘產卵繁殖時間出現推遲。研究結果可為今后開展生態補償調度提供一定參考。

水生生態；水溫分層；水溫變化；三峽水庫；四大家魚；中華鱘

三峽水利工程壩址位于湖北省宜昌市三斗坪鎮，下距葛洲壩水利樞紐約38 km，控制流域面積100萬km2，占長江流域面積的56%，水庫正常蓄水位高程為175 m，正常蓄水位下回水長度約660 km(江津附近)，其中變動回水區為江津至涪陵段，長約173.4 km，常年回水區為涪陵至大壩段，長約486.5 km。自2003年6月開始蓄水運行后，三峽水庫經歷了135～139 m圍堰發電期、156～145 m初期運行期，目前處于175 m試驗性蓄水運行期。水庫蓄水后改變了庫區的河型、河勢及邊界條件，庫區河段水面加寬，過水面積增大，水流流速變緩，水體滯留時間變長；蓄水后也改變了壩下徑流量年內分配，使枯期徑流量增加，汛期徑流量變小。由于庫區水流情勢的改變，影響水體的年內熱量分配，從而導致庫區及壩下水溫發生相應的改變，水溫變化又會影響水生生物的生存、繁殖、死亡、物種更替以及農業灌溉和植被生長[1]。因此，亟需對三峽水庫水溫變化及影響進行探討，為今后開展生態補償措施調度提供參考依據。

目前主要采用經驗法和數學模型的預測方式來研究三峽水庫水溫的變化及其影響程度，兩種方法都有局限性，預測結果的準確性需與長期原型觀測數據進行對比來評估。本文立足于2014年開展的三峽庫區沿程水溫觀測成果和歷年水文站網的水溫資料，通過實測成果來了解三峽水庫水溫分層、沿程水溫變化及對下游生態系統的影響。長系列連續水溫原型觀測成果分析是進行河流生態系統影響研究的基礎，具有一定的現實意義。

1 監測方案及數據收集

監測范圍從水庫庫尾朱沱水文站至壩下宜昌水文站，河道全長798.6 km，共設置19個斷面，具體斷面位置情況如圖1所示，每個斷面中泓位置布置一根垂線，從表層(水面下0.5 m)至底層測量各點水溫(表層、底層、相對水深位置0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8、0.9)，以觀測各斷面深泓處溫度梯度變化。觀測時間為2014年4月至5月上旬，監測儀器采用HY1200B型聲速剖面儀。

2 三峽水庫水溫變化分析

2.1 垂向水溫分布特征

2014年4月至5月上旬朱沱至宜昌段垂向梯度水溫監測結果見圖2～4，各斷面表、底層水溫監測數據統計見表1。觀測距離較長，各處水溫垂向變化不盡相同：①庫尾朱沱站位于不受水庫回水影響的天然河道，水溫未受水庫蓄水影響，該斷面深泓處水深約12 m，垂向上水溫沒有變化；②庫中斷面深泓表層至底層水溫略微下降，下降幅度在0.3℃以內，沒有水溫分層現象；③庫前(30 km范圍)斷面水溫垂向上有一定的變化，但溫差不大，最大溫差1.6 ℃，且水溫隨水深增加下降非常緩慢，梯度變化幅度小于0.1 ℃/m，沒有水溫劇烈變化的溫躍層存在，垂向水溫變化最大的廟河斷面也僅表現出微弱分層，廟河斷面的微弱分層在深度100 m以下水體區域。

圖1 三峽水庫及壩下游水溫監測斷面示意

斷面名稱距樞紐大壩里程/km2014年4月上旬水溫/℃2014年4月中旬水溫/℃2014年4月下旬水溫/℃2014年5月上旬水溫/℃表層底層差值表層底層差值表層底層差值表層底層差值宜昌葛洲壩下游13.012.90.113.713.60.115.014.90.116.416.30.1黃陵廟兩壩間12.612.50.113.513.5015.015.0016.816.80S30+10.814.312.71.613.713.50.215.314.90.417.016.60.4廟河1413.312.80.513.913.00.915.514.51.017.115.61.5S42-120.613.512.80.714.114.00.115.615.50.117.317.20.1S4830.414.112.81.314.414.00.415.815.30.517.817.20.6S5340.313.412.80.614.514.20.316.015.80.217.517.40.1S58-151.213.413.20.214.814.60.216.116.1017.617.50.1S62-159.613.413.30.114.814.70.116.216.2018.017.60.4巴東7113.613.30.315.214.80.416.316.20.118.017.70.3S71-181.113.613.50.115.215.10.116.416.4017.917.90S76-190.613.913.80.115.215.2016.516.40.118.017.90.1S8199.913.913.9015.315.3016.516.5018.018.00S131199.117.617.30.3萬縣289.217.517.50S227+1400.319.118.70.4清溪場476.918.918.80.1寸灘605.719.319.20.1朱沱754.618.718.70

圖2 三峽水庫庫尾斷面水溫垂向分布

圖3 三峽水庫庫中斷面水溫垂向分布

從2004年起，每月上、中、下旬在壩前廟河斷面深泓處均對水溫梯度進行了監測(見圖5)，分析2004～2015年實測水溫資料可知：2004年與2005年壩前各個月份表層至底層水體處于等溫狀態，沒有分層現象；2006～2015年壩前水體表現出弱分層特點，水溫分層發生在春夏之交，分層現象始于4月上旬，至6月上旬逐漸消失，垂向水溫差值范圍1.5℃～10.3℃。

圖5 2007年三峽水庫壩前廟河斷面水溫全年垂向分布

2006～2015年壩前廟河斷面深泓處表層與底層溫差最大的垂向分布見圖6。2006～2013年每年4～6月間壩前約90～130 m水深處，高程約為20～75 m之間的水層垂向水溫變化劇烈，有較為明顯的溫躍層，溫躍層下部至庫底為滯溫層，滯溫層水溫基本恒定，其中2007年溫躍層最明顯，水溫變幅最大達10.3℃。2014年與2015年壩前水溫分層現象不明顯，高程80 m以下隨水深增加，水溫有一定幅度的降低，但變化僅2℃左右，其原因可能是在2014年與2015年春夏之交的4～6月水體表面溫度不高，且該時期氣溫增速不劇烈，水庫下泄至防洪水位的過程中形成的動力足夠上、下水體混合交換，水庫在壩前沒有形成水溫分層的條件。

圖6 三峽水庫壩前廟河斷面多年最大表層與底層溫差水溫垂向分布

圖7 三峽水庫蓄水前后沿程水溫變化

壩前多年垂向水溫變化分析表明，三峽水庫壩前雖有可能出現溫躍層，但低溫水處于深層水底區域。大壩泄洪深孔底板高程為90 m，電站取水口高程為110 m，底板90 m高程以上有多層泄水口，泄洪孔口和發電引水均高于溫躍層和滯溫層，除了壩前水體對流以外，三峽水庫基本上沒有出現下泄低溫水現象。

2.2 沿程水溫變化特征

從三峽庫尾朱沱站至壩下游宜昌站河道沿程各處氣候有一定的差異，大量研究顯示，水溫變化不僅受水庫建設和運行帶來的邊界環境變化影響，還受氣象要素變化的影響，包括氣溫、風速、相對濕度等，其中氣溫對水溫的影響程度最大[2]。本文主要分析水庫蓄水后對庫區及壩下游水溫的影響，為了準確真實地反映水庫蓄水的影響情況，盡量消除氣溫對水溫的影響，選取庫尾天然河道朱沱站為參照站，通過對比朱沱站水溫變化值來定量反映水庫蓄水后的凈影響。

由于蓄水前各站水溫監測起始年并不相同，為了同步對比沿程水溫，從葛洲壩蓄水后(1981年)開始進行統計，見圖7～9。蓄水前(1981～2003年)，朱沱站、寸灘站、黃陵廟站、宜昌站多年平均水溫分別為17.8℃，18.4℃，18.4℃和18.2℃，蓄水后(2004～2015年)，朱沱站、寸灘站、巴東站、黃陵廟站、宜昌站各站平均水溫分別為18.2℃，18.8℃，18.9℃，19.0℃和18.9℃。對比蓄水前后水溫可知，蓄水后朱沱站平均水溫上升了0.4℃，庫區寸灘站水溫上升幅度與朱沱站相同，但黃陵廟站、宜昌站水溫增幅比朱沱站分別高出0.2℃和0.3℃。蓄水前壩下宜昌站年均水溫略低于庫區，蓄水后庫水溫上升稍高于天然河道，壩下游宜昌站與庫區寸灘站、巴東站年均水溫基本相同。

圖8 三峽水庫蓄水前后各站月水溫變化對比

圖9 三峽水庫蓄水后對寸灘站、宜昌站水溫影響

三峽水庫蓄水前沿程水溫變化規律如下：1～5月朱沱站-寸灘站水溫略微升高，隨后寸灘站-宜昌站水溫開始下降；6～7月朱沱站-寸灘站水溫升高，隨后寸灘站-宜昌站水溫持平；9～12月朱沱站-宜昌站水溫持續升高。三峽水庫蓄水后全年沿程水溫變化規律如下：2～6月朱沱站-寸灘站水溫持平，寸灘站-宜昌站水溫開始下降；6～8月朱沱站-寸灘站水溫升高，寸灘站-宜昌站水溫持平；8月至次年1月朱沱站-宜昌站水溫持續升高。

三峽水庫朱沱站至壩下宜昌站相距較遠，水庫蓄水后對沿程水溫的影響程度不一。蓄水前、后寸灘站與朱沱站水溫變化基本上保持一致；而宜昌站與朱沱站水溫變化有明顯的差異，在升溫期宜昌站水溫的降溫效果比較明顯，月均降溫最大達2.7℃，而降溫期水溫的增溫效應較明顯，月均增溫最大達2.9℃，蓄水后宜昌站年均水溫總體上升0.3℃，蓄水以來庫區巴東站和壩下宜昌站水體溫度基本相同，水溫變化也基本同步，說明低溫水下泄影響程度很小，但蓄水后對庫區水溫有一定程度的增溫效應，因而壩下水溫也相應有一定的升高。

2.3 水庫水溫變化的影響因素

三峽水庫位于東亞熱帶季風區，庫區氣溫年內季節性分布特征顯著，水溫隨氣溫上升而相應升高，隨氣溫下降而降低，圖10顯示水溫與氣溫具有較好的正相關性，水溫也表現明顯的季節性變化，從圖8可看出春、夏季水溫升高至8月左右達到最高值，秋、冬季水溫降低至最低值。除受氣象因素的氣溫影響外，影響水溫變化的氣象條件還有太陽輻射、風速風向、相對濕度等，而三峽水庫運行不同時期水庫的幾何特征、水文水力因素不同也是水溫變化的影響因素。

圖10 三峽水庫近壩區多年水溫、氣溫變化過程線

三峽水庫目前處于175 m試驗性蓄水期，隨著蓄水位的抬高庫區水深不斷增加，庫容增加，調節能力增大，正常蓄水位175 m時庫區水深最大處超過200 m，水體平均滯留時間為33 d，是天然時期的7倍，水體內部摻混時間相應延長。若某個時期氣象因素變化較大，同時入出庫流量沒有形成足夠的動力使水庫上、下層水體混合流動來完成熱量交換，就會形成自上而下的溫度梯度，從而產生分層現象。根據水溫垂向梯度分布特點，水庫可分為分層型、混合型和過渡型3種。水庫水溫分層類型一般采用公式加經驗方法進行判別，主要方法有α法、Norton密度佛汝德數法及水庫寬深比法。三峽水庫蓄水初期采用α法計算，判別值大于20，水庫水溫的分布類型為混合型[3]；而2008年試驗性蓄水運行后，水庫蓄水至正常蓄水位175 m時，水庫庫容393億m3，蓄水位水面面積1 084 km2，蓄水后多年(2003～2015年)入庫平均徑流量3 583億m3，采用α法計算，判別值9.1<10，但考慮氣象因素變化劇烈時，水庫4～5月期間容易形成水溫分層，此時三峽水庫水位在150～165 m區間，庫容比正常蓄水位庫容小，采用相應期間水位對應庫容計算得10<α<20，水庫水溫分布類型應為不穩定分層型，不排除在滿足影響水溫變化因素時會出現弱分層現象。

3 水溫變化對下游河道生態系統的影響

三峽水庫蓄水后對朱沱站、寸灘站水溫的影響較輕微，但對壩下游水溫在時空上帶來一定程度的變化，使其呈現升溫期間滯冷、降溫期間滯溫的延遲現象。三峽水庫蓄水后下游水溫時空變化相應改變了壩下游水生態環境，從而對壩下水生生物的產卵繁殖產生一定影響。

三峽水庫下游宜昌江段分布有重要的經濟魚類四大家魚產卵場，同時也是長江洄游性珍稀水生動物中華鱘唯一產卵場所在江段[4-5]。長江四大家魚的繁殖季節為每年4～7月，繁殖的最低溫度為18℃，最適宜繁殖的水溫范圍為20℃～24℃。中華鱘生殖季節一般為每年的10～11月，自然產卵水溫范圍為16.1℃～20.6 ℃，最適宜產卵水溫范圍為17℃～20.2 ℃[6]。

依據四大家魚和中華鱘產卵適宜溫度特點，以升溫期18℃和降溫期20℃作為指標，統計了蓄水前后水溫達到的時間范圍，對蓄水前后朱沱站、寸灘站、黃陵廟、宜昌站多年水溫特征值進行了統計。從蓄水前后水溫特征值統計情況來看，蓄水后朱沱站、寸灘站水溫升溫期至18℃未有滯遲，降溫期至20℃分別推遲了12 d；蓄水后黃陵廟站、宜昌站水溫升溫期至18℃的時間推遲了19 d，降溫期水溫至20℃的時間推遲了27 d。該結果進一步說明，三峽水庫蓄水后對朱沱站、寸灘站水溫的影響較小，升溫期未有滯遲，降溫期滯后時間比壩下游短，而壩下游黃陵廟站、宜昌站在春夏之交的升溫期和秋冬之交的降溫期均存在延遲現象。