水庫水溫分層時空特征及對農業灌溉影響

劉向楠

（秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000）

1 水庫概況

桃林口水庫壩址位于秦皇島市青龍滿族自治縣三道河村青龍河上，工程總投資18.04億元，控制流域面積5060km2，總庫容8.59億m3，主要為秦皇島、唐山兩市提供農業和城市用水，是一座具備供水、發電、旅游、養殖等綜合功能的現代化大型水利樞紐，工程等級Ⅱ等，大壩為2級建筑。桃林口水庫正常蓄水位143.3m，洪水設計100年一遇，洪水校核1000年一遇。

2 水庫水溫分層時空特征分析

2.1 水庫水溫分層模擬模型的建立

2.1.1 模型概述

本項目選用CE-QUAL-W2模型來模擬桃林口水庫的水溫分層情況。該軟件設定水體橫向參數均勻（流速、溫度、濃度等變化忽略），通過對水體縱向分段和垂直分層來模擬水體的溫度梯度及水質變化情況[1]。

根據調查顯示桃林口水庫回水區長度達100km，底坡平緩，因此將整個庫區劃分100×80（縱向×垂向）個單元格，其中縱向單元格長1000m，垂向共分80層，每層厚1m。

2.1.2 參數選取

影響水庫水溫分層時空特性的因素有很多，為方便計算，簡化為氣象、入流、出流、水庫形態等因素。CE-QUAL-W2模型涉及到水動力主要參數及數值如表1。參數在模擬和實測數據不斷對比中進行修改，直到精度滿足要求[2]。

表1 水動力參數值

2.1.3 模擬過程

本項目模擬最大計算時間步長600s，最小時間步長1s，根據實際模擬進行實時調整。選取2014年桃林口水庫庫灣處實測數據（4月24日升溫期；8月15日汛期；12月17日降溫期）與模擬數據對比，擬合圖如圖1[3]。

圖1 水庫實測和模擬數據擬合

由圖1可知，模擬和實測數據擬合度較好，模擬精度完全滿足使用要求。

2.2 水庫水溫分層時空特征分析

2.2.1 水庫水溫分層時間分布

2.2.1.1 壩前表層和入流水溫變化

相關學者運用率定好的桃林口水庫立面二維CEQUAL-W2水溫模型對其進行模擬，結合入流及壩前表層水溫的變化，模擬結果顯示：桃林口水庫庫首和庫尾水溫符合“春夏升溫、秋冬降溫”特征，其中庫首水溫較庫尾平均高3 ℃；壩前表層水溫基本和上游入流水溫相當，且變化率一致（如圖2）；水庫蓄水使水溫進一步升高[4]。

圖2 壩前表層和上游入流水溫變化曲線

2.2.1.2 2015年同一個月份水庫垂向水溫變化

通過對桃林口水庫2015年同一個月份、不同深度水溫進行測定，得出圖3曲線圖。

圖3 壩前垂向水溫分布曲線

由圖3可知，1～3月份各深度水溫幾乎一致，垂向水溫曲線呈豎直狀態；4～8月份隨著深度增加，水溫也逐步下降，其中5月份表層和底層水溫相差最大，為6 ℃；9～12月份又回歸為豎直狀態。由此可知：太陽輻射是造成水溫分層的最重要因素[5]。

2.2.2 水庫水溫分層空間分布

以2015年統計數據為標準，通過模擬得出桃林口水庫4～8月份水溫呈現明顯分層狀態，9月～次年3月水溫不分層（在此不作研究），圖4是4～7月份水庫水溫空間分布模擬云圖。

圖4 水庫4～7月份水溫空間分布

由圖4可知：①進入4月份，隨著氣溫上升，入流水溫和表層水溫均升高，水溫分層逐步顯現，表底最大溫差達到5～6 ℃；②進入7～8月份汛期，入流量增大，水庫中水體交換速率增加，位于底層的低溫水體厚度逐步減小，同時水溫被入流水帶動升溫至20 ℃，而表層水體受太陽輻射影響，溫度可達25 ℃。9月份以后水庫蓄水，水溫分層現象逐步消除[6]。

3 水庫水溫分層對農業灌溉的影響

根據現場測定，桃林口水庫在灌溉供水期間水溫始終保持在6～10 ℃，溫度偏低，而灌溉對象主要是小麥和玉米，在此主要針對這兩種作物的影響進行分析。

3.1 低溫水對小麥生長影響

3.1.1 長苗期

在小麥播種前用低溫水灌溉，可增加農田底墑，大概在24h后土壤溫度就會升高到適宜播種溫度，因此在該階段低溫水不會產生不良影響。

3.1.2 孕穗期

小麥孕穗期的需水量占整個生育期總需水量的30%以上，該階段對產量有著決定性影響。該階段一般要求水溫在12～15 ℃，且光照和養分充足。研究表明：用低溫水灌溉會對小麥抗倒伏能力產生影響，進而影響產量，影響程度可達8%。

3.1.3 開花期

開花期小麥對水溫要求是10～12 ℃，低溫水會使土壤溫度下降，經3d恢復正常溫度，該過程會抑制籽粒灌漿及干物質向籽粒積累，從而影響產量。

3.1.4 成熟期

成熟期小麥對水溫要求是15～20 ℃，低溫水灌溉會造成小麥灌漿期較短，顆粒不飽滿，且容易產生早熟、銹病等問題。相關數據表明：在其他條件一致前提下，低溫水灌溉相對于適溫水灌溉會影響小麥10%產量。

3.2 低溫水對玉米生長影響

玉米是喜溫作物，發芽期適宜溫度在18～22 ℃，開花期最適溫度要求達25～28 ℃，結粒期要求溫度在20～24 ℃。用低溫水灌溉會瞬間降低土壤溫度，影響淀粉酶活性，進而影響養分合成，干物質積累速度減慢，玉米成熟延遲，玉米籽力度飽滿度不好。相關數據表明：在其他條件一致前提下，低溫水灌溉相對于適溫水灌溉會影響小麥15%左右的產量，影響程度比小麥更大。

4 結語

桃林口水庫作為秦皇島地區最大的水庫，在城市供水、養殖、灌溉、旅游等方面起著無法替代的作用。通過對水庫水溫分層時空特性研究分析，主要得出以下結論。

（1）庫首水溫較庫尾平均高3 ℃，壩前表層水溫主要受上游入流水溫影響。

（2）桃林口水庫水溫分層空間分布過程為：4月份開始逐步明顯（表層和底部水體溫差5 ℃），6～8月份整體溫度高（底層水體溫度也能達到20 ℃），8月底分層逐步消失。

（3）低溫水灌溉對小麥的影響主要在孕穗期、開花期、成熟期，會使總產量降低10%；對玉米影響貫穿整個生長期，會使總產量降低15%。因此灌溉時應盡量避免在土壤和灌溉水溫差較大情況，夏季可建議晚上灌溉，溫差過大會影響作物的產量。