熱帶地區水庫水溫分層特性研究

譚 升 魁1，周 武1，黃 濱1，施 家 月1，鄧 云，脫 友 才

(1.中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014； 2.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

大型水庫的修建，使得庫區河段水溫由原河道的混合狀態轉變為垂向分層，壩址處水庫下泄出現低溫水和高溫水現象，并且其過程的相位發生移動，升溫期和降溫期特征水溫值出現時間發生延遲。建庫河段熱力的時空改變，將直接影響水體中生態系統的發展和其他水質參數過程[1-2]，將對壩下河道魚類繁殖和灌區農作物生長等產生直接影響[3-4]。

對于水庫修建引起的河道水溫變化，國外學者自20世紀60年代起就開展了相關的研究工作，早期的水溫研究主要為美國、日本等國家通過水庫原型觀測現場資料獲取基本規律，隨著熱力學、水力學、氣象學等學科的發展，逐漸形成以數學模型為主流的研究方法[5-7]。近年來，國內開發了一批高壩大庫，其水溫影響已受到國家環保部門的高度關注，并持續開展了多個200 m壩高、50億m3以上庫容的水庫實地調查[8-9]、預測模擬[10-11]和減緩措施效果研究[12]。盡管目前已對不同類型水庫水溫開展了較為充分的研究工作，基本掌握了水溫影響程度和演變規律，但這些研究對象大多集中在溫帶和寒帶地區，而對熱帶地區的研究相對較少。熱帶地區具有太陽輻射強、氣溫高的特點，加之徑流周期過程受臺風、熱帶氣候的影響，其氣候和徑流過程與內陸地區存在明顯的差異，將導致該區域內的水溫時空變化具有特異性[13-14]。

南渡江地處我國熱帶北部，為海南島第一大河，年均氣溫20℃以上，主要徑流量分布集中8～10月，占全年的50%以上[15]。該區域內水資源的開發利用，在改變南渡江天然河道的水文過程和水力學條件的同時，所產生的水溫影響也不可忽視[16-17]。因此，本文以海南省南渡江干流已建松濤水庫和某擬建水庫為例，采用實測水溫資料和數學模型相結合的方法預測分析熱帶地區水庫壩前垂向水溫分布及下泄水溫的時空變化規律，以期初步探索熱帶地區水庫的熱分層特征，并評估工程采取分層取水措施的水溫改善效果。

1 工程概況

擬建水庫位于海南省南渡江干流中游，上游為已建松濤水庫，下游為已建谷石灘水電站(見圖1)。工程任務以供水、防洪為主，兼顧發電，并為改善下游水生態環境和灌溉創造條件。水庫最大壩高71.5 m，裝機容量30.0萬kW，壩址控制流域面積970.0 km2，多年平均流量34.9 m3/s，水庫正常蓄水位108.0 m，死水位72.0 m，總庫容6.62億m3，水庫具有多年調節作用。水庫庫水替換次數a為1.7，經驗判斷水庫水溫結構為穩定分層型。

圖1 某擬建水庫位置示意Fig.1 Location diagram of a proposed reservoir

2 研究方法

2.1 數學模型選擇

對于湖泊型水庫的水溫研究，垂向一維水溫模型憑借其計算效率高、網格劃分簡便、模型參數少等優點，在黑河[18]、丹江口[19]、亭子口[20]、密云[21]和東江[22]等水庫中得到了廣泛應用，在水庫垂向水溫結構和下泄水溫過程方面具有較高精度的模擬效果。本文研究的擬建水庫庫區水系復雜、分岔支流眾多，庫區水面也較為開闊，水面平均寬度達317.5 m，最寬處達1 190.7 m，庫容主要集中在壩前20 km范圍內，且壩前平均流速小于0.004 m/s，屬于流動相對較緩的湖泊型水庫。因此，本文選取垂向一維水溫模型來開展熱帶地區庫區壩前水溫和壩址處下泄水溫的水溫演變規律研究。

2.2 模型驗證

垂向一維水溫模型計算中，表面熱通量和垂向紊動擴散的合理取值是影響垂向水溫模擬效果的關鍵[23]。本文采用同流域緊臨擬建水庫上游約55 km的松濤水庫原型觀測資料(已開展為期4個月的水溫觀測，主要包括入出庫水溫過程、庫區垂向水溫分布)對數學模型進行參數率定，松濤水庫和擬建水庫工程特性對比見表1。模擬時段為2016年3月2日至2016年6月13日，以3月2日測量的垂線水溫成果為初始條件。經多次試算，模型參數取值分別為：太陽輻射水體表面吸收率β=0.65，太陽輻射在水體中的衰減系數η=0.35m-1，模型垂向擴散系數Dz=1.0×10-6m2/s。

表1 主要工程特性對比Tab.1 Comparison of the main engineering features

圖2～3為松濤水庫垂向水溫和下泄水溫模擬值與實測值的對比圖。可以看出，表層水溫的模擬值與實測值差異在0.3 ℃(4月)～0.7 ℃(6月)之間，庫底水溫的計算值與實測值一致(均為19.1 ℃)，垂向斜溫層位置、厚度及溫度梯度吻合較好。模型較好地模擬出在氣象和徑流的作用下，松濤水庫壩前從3月的同溫狀態逐漸發展為4月和6月的分層狀態。由于松濤水庫取水口高程較高，下泄水溫取得表層溫水，總體呈現逐漸上升的趨勢，局部時間段內可能由于水位的變動及氣溫的影響出現小幅度的下降。計算時段內，下泄水溫模擬值較實測值偏高0.6℃，這可能與采用縣城氣象邊界條件的統計平均值有關。總體來看，模型可以很好地模擬在徑流、氣象、水庫特性等多個要素耦合作用下熱帶地區水庫水溫分層的形成與發展過程，模擬計算精度在可接受范圍內。

圖2 松濤水庫垂向水溫模擬值與實測值對比Fig.2 Comparison of the simulated and measured vertical water temperature in Songtao Reservoir

圖3 松濤水庫下泄水溫模擬值與實測值對比Fig.3 Comparison of the simulated and measured temperature of water discharged from Songtao Reservoir

3 水庫熱力特征分析

圖4與圖5為擬建水庫年內垂向水溫分布與溫度梯度預測結果。總體來看，該擬建水庫的水庫水溫結構呈現季節性分層特征。水庫在1月由于冬季垂向對流、混合而趨于同溫，中旬垂向平均水溫為19.4 ℃。隨著氣溫的升高，2月垂向分層現象初現，垂向溫差為1.0 ℃。入春后氣溫持續上升，3～5月月均氣溫比2月提高5.8 ℃，日照增強，庫表吸收的熱輻射大大增加，同時水庫來流高溫水由于密度小在庫區上層水體中流動，而水庫深層水體由于水的透光性差、傳熱難而升溫較慢，水溫垂向分層逐漸加強，至5月垂向溫差達到10.1 ℃。6～7月入流水溫和氣溫逐漸到達全年最高值，表層水溫進一步升高，同時流動引起的垂向摻混和上下層水體間的熱傳導使庫區中下層水體溫度有所升高。8月出庫流量加大，水位較7月降低3.9 m，水庫運行進一步加大了庫區中下層水體的摻混，其水溫整體有較大地提升，但庫底低溫層仍未被破壞，垂向溫差全年最大為11.8 ℃。入秋后，來流水溫和熱輻射值也開始較大幅度地下降，庫表進入失熱狀態，表層水溫下降發生垂向密度對流，導致表層一定深度同溫，出現底層溫躍層并逐漸向庫底移動。受南海夏季風南撤影響，9～10月南渡江進入主汛期，其入流徑流量占全年徑流量的41.1%，水庫上下層水體間摻混強烈，庫底溫躍層消失，水體垂向趨于同溫狀態。冬季(11月至次年1月)氣溫持續降低，水庫持續處于失熱狀態，垂向密度對流占主導地位，使庫區水溫持續維持等溫狀態。

表2為水庫壩址附近不同特征水溫與氣溫的對比。壩址天然水溫與氣溫相比，年均值高2.0 ℃，且各月的幅度在1.8 ℃～2.1 ℃之間，表明海南氣候條件下由于水體長時段在高氣溫和強輻射作用下具有明顯的吸熱作用，水溫背景值較高。水庫修建后，表層繼續保持顯著的吸熱和蓄熱作用，其水溫范圍為19.1 ℃～31.0 ℃，且年內均不同程度地高于氣溫(幅度為0.5 ℃～3.5 ℃)。由于水庫取水口位置較低(底板高程為70.0 m)，取水深度約為32.0 m，而壩前水深平均為48 m，將導致水庫長時段取用底層低溫水，1～8月的水庫下泄水溫較壩址天然平均偏低5.5 ℃，尤其升溫期(5～6月)最為顯著，平均偏低9.6℃。盡管水庫低溫水現象比較顯著，但9～12月并沒有出現明顯的高溫水現象，平均水溫僅高于天然狀態0.7 ℃。水庫下泄水溫呈現出春夏季強低溫水、秋冬季弱高溫水的規律，還主要與年內徑流分配及由此產生的熱效應有關。由圖3可知，主汛期9～10月的大徑流過程帶走了水庫在夏季通過入流和大氣積蓄的熱量，庫區形成以9～10月入流水溫為背景值的熱量基礎，大大減弱了11月后冬季的高溫水影響。

4 疊梁門分層取水效果研究

擬建水庫下游分布有灌區及魚類產卵場，下泄和取用低溫水可能導致農作物減產、魚類生長發育變慢，繁殖期推遲，因此，有必要采取工程措施盡可能取用表層水體以減緩低溫水的影響。根據工程樞紐布置條件，擬采取疊梁門進行分層取水。擬建水庫疊梁門層高為5 m，層數為7層，最大擋水高程為105 m，最小淹沒深度為4.1 m。預測年全年平均水位為105.9 m，范圍為104.4～107.3 m，根據疊梁門的調度原則，預測年全年可采用6層疊梁門，取水深度較底層取水口上沿高程抬高26.2 m。

表2 水庫不同特征水溫與氣溫統計Tab.2 Statistics of various characteristics water temperature and air temperature

疊梁門運行后，疊梁門將庫區100 m高程以下的冷水層阻擋在壩前，主要流動層為疊梁門頂100 m高程以上的表層溫水層，使得疊梁門高程附近形成溫度梯度較大的溫躍層，進而抑制表層熱量向庫底傳遞。工程有無疊梁門措施取水過程示意圖見圖6。由于取水結構和取水口高程發生較大變化，水庫壩前垂向水溫結構由底層取水方式的季節性分層型變為疊梁門運行方式的穩定分層型。同時，兩種取水方式下，垂向溫躍層位置和梯度也有顯著的變化，底層取水口方案下的溫躍層高程變化范圍較大，從春季初期形成分層后的90～100 m變為汛期后的60～100 m，而疊梁門運行方式下的垂向溫差相當集中在80～100 m高程之間。

圖7為采取疊梁門分層取水前、后年內壩前垂向水溫結構的變化對比。疊梁門的采用，抬高了取水高程，使得水庫能夠連續取用水庫表層溫水，底層取水口方案的下泄低溫水現象得到明顯的改善。表3為水庫疊梁門運行前后下泄低溫水和高溫水對比。疊梁門方案下1～8月的下泄水溫較底層取水口方案提高了0.1℃～9.5℃，平均提高4.6℃，其中6月改善效果最明顯，提高了9.5℃，最大水溫降幅從底層取水口方案的9.7℃(6月)提高至疊梁門方案的2.3℃(3，4月)。

水庫的修建改變了河流天然水溫過程，而生態系統中已經建立基于原天然河道和氣候的固有生態規律，因此水庫下泄水溫過程及生態敏感時期特征水溫的延遲幅度是水溫研究的重要方面之一。圖8為疊粱門運行前后下泄水溫延遲情況。

圖6 有無疊梁門措施取水過程示意Fig.6 Comparision of the water intaking processes by bottom gate and stoplog gate

圖7 疊梁門運行前后壩前水溫結構分布Fig.7 Distribution of the water temperature structure in front of the dam before and after the stoplog gate running

水庫修建前，壩址處天然水溫到達25 ℃和30 ℃的時間分別在3月下旬和5月下旬，而底層取水方案下水庫下泄水溫延遲幅度較大，在8月上旬和9月中旬才分別達到25 ℃和30 ℃，而實施疊梁門后，下泄水溫年內變化規律與天然過程基本一致，僅2～5月較天然略微偏低，水溫的延遲性現象基本消除，從而可以較好地消除水庫修建帶來的水溫變化對下游農作物和魚類生長繁殖、生活習性產生不利影響。

表3 疊梁門運行前后下泄低溫水和高溫水對比Tab.3 Comparison of the low and high temperature water discharged before and after the stoplog gate running ℃

圖8 下泄水溫延遲情況Fig.8 Delayed situation of the discharged water temperature

5 結 論

本文開展了垂向一維水溫數值模型在熱帶地區的適應性研究，采用海南南渡江干流上游已建松濤水庫的實測水溫數據對模型進行參數率定，模型參數取值情況為：水體表面吸收率β=0.65，太陽輻射在水體中的衰減系數η=0.35 m-1，垂向擴散系數Dz=1.0×10-6m2/s。由于松濤水庫缺乏完整系列的年內水溫資料，故采用同流域、同類型某擬建水庫開展熱帶地區水庫水溫特征研究。數值模擬研究表明，熱帶地區水庫仍具有與亞熱帶、溫帶等地區類似的水溫分層結構，主要分層時期主要為4～8月，最大垂向溫差高達11.8 ℃，但全年的表層水溫均高于氣溫過程，其幅度達到2.2 ℃。由于南海氣候引起的流域主汛期發生在9～10月，主汛期的大徑流過程帶走了水庫夏季存儲的熱量，使得水庫冬季下泄水溫呈現高溫水較弱的特征。由于水庫具有較強的調節能力及取水深度較大，水庫存在較為明顯的低溫水影響。本文探討了采取疊梁門分層取水對春夏季低溫水的改善效果，由于疊梁門的實施，水庫由中底層取水變為表層取水，庫區水溫結構也相應從季節性分層型改變為穩定分層型，下泄水溫最大降幅由9.6 ℃提高至2.3 ℃，延遲現象基本消除。