黃石盤水庫地表水環(huán)境中水溫影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

趙得珺

（1.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

0 前言

四川省巴中市黃石盤水庫位于渠江右岸巴河水系南江支流的恩陽河中游河段，壩址位于巴中市恩陽區(qū)兩路村與高岸村境內(nèi)。水庫工程所在恩陽河干流水域規(guī)模為中河。水庫具有年調(diào)節(jié)性能，對(duì)河流水文情勢(shì)、水溫改變較大。由于恩陽河上沒有水溫監(jiān)測(cè)資料，采用鄰近流域渠江主源州河上的東林水文站資料擬合黃石盤的入庫和壩址水溫。因?yàn)樗锓敝硨?duì)環(huán)境要求較高，必須滿足一定的水溫、水位、流速、流態(tài)、流程等水文條件才能完成繁殖和孵化[1]。產(chǎn)卵時(shí)除要求達(dá)到一定水溫外，還需要一定的漲水刺激。為了保護(hù)黃石盤水庫區(qū)域水生生物的繁殖，必須預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)水溫的影響。

本文主要研究的就是黃石盤水庫工程對(duì)水溫的影響，計(jì)算出水溫的分布，以及提出對(duì)水溫影響減緩的措施。

1 水庫水溫結(jié)構(gòu)

水庫水溫結(jié)構(gòu)類型分為分層型、過渡型、混合型，利用兩種方法研究。1）α-β法，結(jié)論是黃石盤水庫為分層型水庫；2）利用密度佛汝得數(shù)法，結(jié)論是黃石盤水庫是過渡型水庫。最后綜合判斷為季節(jié)分層型結(jié)構(gòu)庫水交換次數(shù)的方法僅考慮了庫容與來流量，用此類經(jīng)驗(yàn)判別法判斷水庫水溫結(jié)構(gòu)類型時(shí)考慮的因素比較單一，因此上述判定結(jié)果僅可作為是否開展進(jìn)一步計(jì)算的依據(jù)，水庫的逐月分層過程、下泄水溫等仍需要采用數(shù)學(xué)模型作進(jìn)一步分析。

2 水庫水溫預(yù)測(cè)

根據(jù)《水電水利建設(shè)項(xiàng)目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)指南（試行）》，采用二維水溫模型[2-5]對(duì)黃石盤庫區(qū)水溫進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.1 寬度平均的立面二維水溫?cái)?shù)學(xué)模型及其求解方法

對(duì)于常態(tài)下的水體，可忽略壓力變化對(duì)密度的影響，密度與溫度的關(guān)系可表示為：

式中：β[1/℃]為等壓膨脹系數(shù)；ρ[kg/m3]為密度；T[℃]為溫度；ρs[kg/m3]、Ts[℃]為參考狀態(tài)的密度和溫度。

2.2 模型范圍及網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格單元在主流方向上尺寸為5m～400 m，在水深方向上為0.5 m～1 m，在正常蓄水位下，黃石盤庫區(qū)離散為105×59個(gè)矩形網(wǎng)格。

2.3 模型驗(yàn)證

黃石盤水庫尚處設(shè)計(jì)階段，無法得到該水庫實(shí)測(cè)水溫資料對(duì)所用水溫?cái)?shù)值模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證。為此借用資料豐富的類似工程紫坪鋪水電站的現(xiàn)場(chǎng)水溫觀測(cè)資料，對(duì)二維水溫模型的應(yīng)用性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

模型中需要率定的參數(shù)只有熱通量計(jì)算中的太陽輻射表面吸收系數(shù)β1和太陽輻射在水體中的衰減系數(shù)η，分別為0.65和0.5。

2.4 取水方案

取水口設(shè)置在大壩左岸的廠房取水壩段內(nèi)，進(jìn)水口底板高程349 m，頂高程374.80 m，上游通過交通橋連接與左岸非溢流壩與右岸溢流壩段。取水壩段采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單機(jī)單引取水，引水隧洞為有壓隧洞，全長(zhǎng)240.61 m，洞徑D=5.6 m，縱坡i=3.07%。引水隧洞長(zhǎng)240.61 m，取水閘始端布置2孔攔污柵閘，每孔內(nèi)設(shè)攔污柵一扇，孔口8 m×4.6 m（寬×高）。其后接漸變段，寬度由20 m漸變至5.6 m。進(jìn)水閘工作門1孔，孔口5.6 m×5.6 m（寬×高），閘頂高程377.40 m。閘室長(zhǎng)26.50 m，閘墩厚5.0 m，底板厚5.0 m，采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.5 計(jì)算條件

水動(dòng)力條件：由電站運(yùn)行方式所確定的設(shè)計(jì)豐、平、枯水年水庫調(diào)度過程，給出水庫各設(shè)計(jì)代表年逐月水位、流量過程，設(shè)計(jì)豐、平、枯代表年如下：

豐水代表年：1964年5月～1965年4月（P=10%）

平水代表年：1969年5月～1970年4月（P=50%）

枯水代表年：1978年5月～1979年4月（P=90%）

水流邊界條件：上游邊界給來流流量過程、下游出口給水庫下泄流量過程，校核水庫壩前水位；水溫邊界條件：上游來流水溫由鄰近水質(zhì)監(jiān)測(cè)站觀測(cè)的水溫插值給出，水庫水面水溫參考巴中市氣象條件。

2.6 計(jì)算工況

對(duì)設(shè)計(jì)豐、平、枯水年的水力條件，多年平均氣象條件，單層取水和疊梁門分層取水[6-8]兩種方案進(jìn)行組合，形成6組計(jì)算工況。

2.7 計(jì)算結(jié)果與分析

2.7.1 壩前垂向水溫分布

以平水年為例，壩前水溫預(yù)測(cè)成果見圖1。

圖1 壩前垂向水溫分布（設(shè)計(jì)平水年）

根據(jù)水庫采用二維模型的計(jì)算結(jié)果，黃石盤水庫一般在3~8月存在一定的垂向溫差，部分月份存在較為明顯的表層溫躍層，而在9月~翌年2月混合較為均勻，據(jù)此可判斷黃石盤水庫水溫結(jié)構(gòu)為過渡型。

2.7.2 下泄水溫

圖2 比較了黃石盤電站各典型水文年的下泄水溫與壩址天然水溫的差值。各工況均存在春季低溫水和冬季高溫水問題。春季低溫水方面，平水年和枯水年的下泄低溫水現(xiàn)象相對(duì)豐水年較突出。冬季高溫水方面，枯水年相對(duì)平水年和豐水年較突出。圖3對(duì)比了各典型水文逐日下泄水溫與壩址天然水溫。

圖3 黃石盤電站各典型水文年單層取水時(shí)逐日下泄水溫與壩址天然水溫

2.7.3 壩下河道水溫預(yù)測(cè)

黃石盤下泄水溫作為研究河段的上游邊界，采用增溫率方法計(jì)算并計(jì)入支流入?yún)R影響可以得到黃石盤壩下的沿程水溫。為方便對(duì)比，也采用增溫率方法以壩址天然水溫為基礎(chǔ)計(jì)算了壩下各斷面的天然水溫[9]。

在壩下12 km（中華鱉保護(hù)區(qū)上邊界），單層取水時(shí)，與天然水溫相比，春季最大降溫2.6℃（枯水年4月）。疊梁門取水時(shí)，枯水年4月降溫0.9℃，最大溫降為枯水年3月的1.2℃，為9.3℃，春季低溫水現(xiàn)象得到有效緩解。

圖4是各斷面在水庫單層取水時(shí)的逐日變化過程，各斷面的低溫水降幅呈沿程減小趨勢(shì)，在保護(hù)區(qū)入口處的低溫水降幅最大。圖5是各斷面在水庫疊梁門取水時(shí)的逐日變化過程，在保護(hù)區(qū)入口處的低溫水降幅最大。

圖4 黃石盤壩下12.0 km處逐日水溫變化過程(單層取水)

圖5 黃石盤壩下12.0 km處逐日水溫變化過程(疊梁門取水)

2.8 庫區(qū)流場(chǎng)分析

為說明庫區(qū)垂向水溫變化與流動(dòng)的關(guān)系，圖6和圖7分別繪出了平水年低溫水降幅最大的5月和高溫水升幅最大的11月的溫度場(chǎng)疊加流場(chǎng)。

圖6 黃石盤水庫平水年5月壩前12 km流場(chǎng)

圖7 黃石盤水庫平水年11月壩前12 km流場(chǎng)

5月來流水溫為20.3℃，庫表水溫為21.4℃，與來流水溫較為接近，所以來流在庫表流動(dòng)，不能和庫底水體進(jìn)行摻混。可見，庫尾方向的流動(dòng)接近表層，而下泄水為水庫中偏下的較冷水體。11月流量為5月的2.5倍，雖水位抬升庫容增大，但來流水溫低于庫區(qū)水溫，流動(dòng)層靠近庫底。受出庫影響，水流在接近壩前時(shí)垂向流速逐漸加大，部分水流沿發(fā)電孔口出庫，部分形成庫表回流。

3 水溫影響減緩措施

由于黃石盤水庫在豐、平、枯典型水文年運(yùn)行時(shí)均對(duì)下游水溫存在明顯的低溫水效應(yīng)，本工程考慮采用分層取水措施來減緩下泄低溫水的影響。

據(jù)《恩陽河中華鱉國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)調(diào)整論證報(bào)告》，該河段魚類的產(chǎn)卵期主要集中為3月～7月，產(chǎn)卵水溫在16～32℃之間。黃石盤水庫采用單層取水方式時(shí)，2月水庫垂向水溫較為均勻，采用分層取水的效果極為有限，且下游無明顯的水生生物水溫需求；6月的水庫下泄水溫已充分滿足產(chǎn)卵水溫需求，無采取分層取水的必要性。因此綜合水庫水溫分布狀況與下游水溫需求，確定在3月～5月采用分層取水措施改善下泄低溫水的影響。

通過在發(fā)電進(jìn)水口前門槽中放置不同數(shù)目的疊梁門來滿足分層取水要求，本階段初步擬定的疊梁門分層取水方案為：3.4 m+3 m×3層(共 4層)，門頂高程 372.5 m，底板高程350.6 m。表1對(duì)比了黃石盤電站疊梁門方案的下泄水溫。

表1 疊梁門分層取水效果對(duì)比（℃）

采用分層取水措施后，黃石盤水庫建成后下泄水溫與天然水溫差異較小，同時(shí)豐、平、枯水年下泄水溫在5月分別為20.4℃、20.2℃、19.8℃，滿足作物要求溫度，基本不影響作物正常生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

（1）采用二維水溫模型對(duì)黃石盤庫區(qū)水溫進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立模型，網(wǎng)格劃分，模型驗(yàn)證，取水方案，計(jì)算條件和工況，計(jì)算壩前垂向水溫分布、下泄水溫、壩下河道水溫預(yù)測(cè)結(jié)果，并提出水溫影響減緩措施，最后進(jìn)行庫區(qū)流場(chǎng)分析。

（2）本工程考慮采用分層取水措施來減緩下泄低溫水的影響。綜合水庫水溫分布狀況與下游水溫需求，確定在3月～5月采用分層取水措施改善下泄低溫水的影響。由于疊梁門可保證在不同運(yùn)行水位下取得表層溫水，因此為了減緩黃石盤水庫運(yùn)行對(duì)下泄水溫過程的影響，考慮在低溫水影響較為突出的3月～5月采用疊梁門分層取水方案，達(dá)到取用上層溫水減緩下泄低溫水影響的目的。采用分層取水措施后，黃石盤水庫建成后下泄水溫與天然水溫差異較小，滿足作物要求溫度，基本不影響作物正常生長(zhǎng)。

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