溪洛渡、向家壩庫區及壩下水溫分布特性及成因分析

程帥 左新宇 黃蕙 蘭峰

摘要：為研究庫區及壩下水溫分布情況，以溪洛渡、向家壩水庫為研究對象，從2016年8月至2017年7月對其進行連續性的水溫監測，分析了其表層水溫和垂向水溫的變化特性及成因。初步研究結果表明：各斷面表層水溫的特征值主要體現在年內的變化，水溫和氣溫具有較好的正相關性;壩體附近斷面，壩下斷面表層水溫要明顯低于壩上斷面;兩庫區近壩段的溪洛渡壩上和向家壩壩上兩斷面水溫分層現象最為顯著，通常表現為春、夏季分層顯著，秋季分層較弱，冬季基本呈等溫分布。該研究可為梯級電站的分層取水和生態調度提供重要依據。

關鍵詞：水溫分布特性;水溫分層;水溫監測;梯級水庫;溪洛渡水庫;向家壩水庫

中圖法分類號：TV697.21

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.08.008

溪洛渡和向家壩水庫是金沙江下游江段兩座重要的梯級水庫。溪洛渡水庫上接白鶴灘電站尾水，下接向家壩水庫，控制流域面積45.44萬km2，水庫總庫容126.7億m3，正常蓄水位600 m;向家壩水庫控制流域面積45.88萬km2，水庫總庫容51.63億m3，正常蓄水位為380 m。水庫運行不僅會改變庫區及壩下水體水溫的時空分布，而且對下游江段的生態系統也會產生較大影響[1-2]。

基于已有研究，許多學者采用疊梁門的運行和水質模型預測等方式對溪洛渡和向家壩水庫近壩段水體的水溫作了大量研究[3-6]。但對庫區內表層水溫和垂向水溫的分布情況研究較少。本文基于溪洛渡、向家壩庫區及壩下2016年8月至2017年7月連續性水溫監測數據，對水溫變化規律進行了初步分析，對梯級電站分層取水和生態調度運行具有一定的現實意義。

1 監測方案

1.1 斷面布設

為監測梯級水庫表層水溫，在溪洛渡、向家壩庫區至壩下江段共布設金陽河匯口下游（距溪洛渡壩址約-132 km）、美姑河匯口下游（距溪洛渡壩址約-35 km）、溪洛渡壩上（距溪洛渡壩址約-6 km）、溪洛渡壩下（距溪洛渡壩址約4 km）、綏江縣城（距溪洛渡壩址約98 km）、向家壩壩上（距溪洛渡壩址約148 km）和向家壩壩下（距溪洛渡壩址約152 km）共7處監測斷面，各監測斷面在水面下0.5 m處布設1個監測點。

為研究溪洛渡和向家壩庫區垂向水溫的分布情況，分別在牛欄江支庫庫中（距牛欄江匯口下游約2 km）、金陽河支庫庫中（距金陽河匯口下游約2km）、金陽河匯口下游、美姑河支庫庫中、美姑河匯口下游、溪洛渡壩上、綏江縣城和向家壩壩上布設8處斷面監測點，監測垂線設置在斷面中泓處。

梯級水庫和水溫監測斷面分布見圖1。

1.2 監測方法

表層水溫采用水溫計進行人工監測，全年每日08：00監測1次表層水溫，并同步記錄氣溫。

垂向水溫采用HY1200B型聲速剖面儀進行巡測。由于庫表水溫僅在小范圍內存在一定差異，庫底水溫變化幅度較小，故為研究垂向溫度梯度變化情況，在監測垂線上按0.5，1，2，3，4m和5m水深布置測點，5m水深以下按5m間隔布置測點至庫底。相關儀器設備主要技術指標見表1。

2 表層水溫分布特性

2.1 年內變化特征

為反映溪洛渡、向家壩庫區及壩下各斷面表層水溫的變化，通過統計2016年8月1日至2017年7月31日監測時段表層水溫和氣溫的數據，得到各斷面的水溫和氣溫特征值，見表2～3。總體上看，各斷面特征值不盡相同，實測范圍主要體現在年內的變化，年最低值主要出現在1～3月，最高值出現在7～9月。

為了研究氣溫和水溫的變化關系，采用了線性相關分析。雖然氣溫和水溫年最低值、年最高值出現的時間有所不同，但從相關性分析結果可以發現，氣溫和水溫具有較好的正相關性。溪洛渡、向家壩壩上與壩下相關性系數差別較大，這主要是由于壩上水體水溫受氣溫、太陽輻射以及蒸發量等因素的影響較大，壩下水體水溫受水庫低溫下泄水的影響較大[7]。

2.2 表層水溫、氣溫的沿程變化特征

干流沿程各斷面表層水溫和氣溫的月均值變化見圖2和圖3。

總體來看，該江段表層水溫的沿程變化在各月份呈小幅波動趨勢。從水溫的沿程變化來看，2017年6月，金陽河匯口下游至溪洛渡壩上江段上下游的水溫溫差最大，差值為4.2 ℃;該江段上下游氣溫溫差也最大，差值為3.7℃。

（1）溪洛渡壩上至壩下斷面表層水溫變化趨勢基本一致，均為壩上溫度明顯高于壩下溫度，壩上壩下最大溫差為4.1℃，最小為0.2℃，分別出現在升溫期（2017年7月）和降溫期（2017年2月）。這主要是由于溪洛渡水庫夏季分層明顯，冬季基本呈等溫分層狀態，而壩下庫表水溫受下泄低溫水的影響較大。

（2）溪洛渡壩下至綏江縣城斷面，水溫有小幅升高，為0.2 cC～1.9℃，這主要是由于氣溫要素對壩下水體的影響，壩下溫度較低的水體在流經下游斷面的過程中，水溫又呈現回升的趨勢，說明水溫和氣溫具有較好的正相關性。

（3）綏江縣城至向家壩壩上斷面的表層水溫呈小幅波動狀態，波動幅度在0.5 ℃以內。

（4）向家壩壩上與壩下斷面表層水溫變化與溪洛渡水庫水溫變化特點一致，即壩下水溫明顯低于壩上斷面，溫差為0.1℃～2.0℃。

由于溪洛渡、向家壩庫區及壩下江段空間跨度大，影響因素多且復雜，因而表層的水溫整體規律尚不明顯，但在局部具有一定規律性，主要體現在溪洛渡壩上至向家壩壩下江段。

3 垂向水溫分布特性

3.1 干流

干流各斷面全年垂向水溫分布見圖4。

（1）金陽河匯口下游斷面全年上下層水溫分布較均勻，溫度差異小，未監測到分層現象。

（2）美姑河匯口下游在升溫季節（2017年5～8月）出現了顯著的分層現象，水體表底層溫差在5 ℃～7 ℃。2017年4月出現明顯的分層現象;2016年9月和12月出現弱的分層現象;2016年10月、11月以及2017年1～3月，表底層水溫溫差較小，未觀測到分層現象。

（3）溪洛渡壩上的垂向水溫分層情況在la內有周期性的循環變化趨勢，且1～12月表層水溫始終高于底層水溫。1～3月未出現分層現象，且表、底層水溫相差不大（小于1℃）。進入4月后，表、底層溫差迅速增加，表層水溫由14.50C上升至17.4℃，但底層水溫維持在14℃左右。4～8月，表層水溫總體呈上升趨勢，8月升至最大值，約23 ℃，底層水溫變化不大，依然在14.5℃左右。8～10月的表層水溫總體呈下降趨勢，從23℃降至21℃，但垂向摻混加劇，底層水溫迅速上升，溫躍層不斷下移。11月，溫躍層繼續下移。進入12月后，溪洛渡壩上水溫沿垂向基本呈等溫混合分布。

（4）綏江縣城斷面在2017年5月和6月有明顯的分層現象出現，溫躍層的深度在70～ 90 m;其他月份未觀測到明顯的分層現象。整體而言，春夏季出現了明顯的分層現象，其他季節和月份未出現明顯的分層現象。

（5）向家壩壩上斷面在2017年5～7月出現顯著的分層現象，最大表底層溫差達6.9℃。2017年4月有較明顯的分層現象出現，其他月份未觀測到分層現象。4～7月，溫躍層有逐漸下移的趨勢。

（6）從干流各斷面垂向水溫的沿程分布上來看，金陽河匯口下游斷面距兩壩最遠，全年未監測到分層現象。隨著距壩里程的逐步減少，美姑河匯口下游斷面和綏江縣城斷面則出現一定的水溫分層現象，其中以溪洛渡壩上斷面和向家壩壩上為代表的近壩水體水溫分層現象最為顯著。

3.2 支流

支流各斷面全年的垂向水溫.監測結果如圖5所示。

（1）牛欄江支庫庫中在2016年12月以及2017年4月和5月有弱分層現象出現，表底層溫差分別為1.0 ℃、1.9℃、1.2 ℃，溫躍層分別為25～35 m、5-20 m、5～10 m，其他月份未監測到明顯分層現象。

（2）金陽河支庫庫中斷面各月上下層水溫分布均比較均勻，上下層溫度差異較小，均小于1.0 ℃，未監測到明顯的分層現象。整體上，水溫隨季節變化，水體上下層未出現明顯分層現象。

（3）美姑河支庫庫中在2017年4～6月有明顯的分層現象，水體表底層溫差分別達到4.8℃、5.7 ℃、6.5℃。2016年9月有較明顯的分層現象出現，2016年8，10，11月和12月，以及2017年7月有弱分層現象出現，2017年1～3月未監測到明顯分層現象。總體上看，4～6月溫躍層較淺，均處于70 m以上;8～ 12月，溫躍層基本上處于100 m以下;春夏季節水溫分層較明顯，冬季水溫分層現象不明顯。

3.3 成因分析

通過分析溪洛渡、向家壩庫區垂向水溫分布規律可知，兩庫區近壩段水體在垂向水溫的分布上易產生分層現象，而壩前水體水溫分層現象最為顯著。具體表現為：春、夏季易產生分層現象，特別是夏季，在風力、熱對流等因素的共同影響下，隨著庫表溫度的升高，熱量從庫表逐漸傳至庫中或庫底，水體易形成穩定的分層結構;秋季庫表水溫隨氣溫下降而逐漸降低，其溫躍層在一定范圍內也不斷下移;冬季由于庫表溫度再度降低，水庫水溫在垂向上基本呈等溫混合狀態[8-10]。溪洛渡水庫自蓄水以后，影響其水溫結構的因素主要有來流水溫、氣象因素、人流和出流條件、水庫調度等[11-12]。然而向家壩水庫受上游溪洛渡水庫調度的影響，其上游來水流量和水溫影響著庫區內水溫結構的形成。總之，水庫水溫結構的形成是外部熱量的輸入和庫區流態共同作用的結果[13]。

4 結論

根據溪洛渡、向家壩庫區及壩下的水溫監測結果，對表層水溫及垂向水溫年內分布特性進行分析，得出以下結論。

（1）各斷面表層水溫的特征值各有差異，但時間變化規律相似;水溫與氣溫具有較好的正相關性。

（2）在表層水溫的沿程分布上，整體規律尚不明顯，但壩上斷面的表層水溫明顯高于壩下;隨著與大壩距離的增加，水溫又逐漸回升;氣溫對表層水溫的變化有較大影響。

（3）庫區內干流和支流各斷面全年的垂向水溫監測結果表明，溪洛渡壩上和向家壩壩上2個斷面有較為顯著的水溫分層現象出現。

（4）庫區垂向水溫的分布和監測斷面的水深、監測時間以及距大壩的距離等因素有關。水深越深，表底層溫差越大;距壩段越近，垂向水溫分布特征越顯著。

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