大型水庫分層取水方式對下游河道魚類生態環境影響研究

苗雨池

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

大型水庫下泄水體水溫受到其調度方式的影響，與天然水體存在明顯的溫差，而這種溫差對于下游河道魚類的生態環境影響十分明顯[1]。水溫過高或者過低，均不利于魚類的繁殖和生長。大型水庫傳統的取水方式主要為單層取水方式，而這種方式的缺點在于夏季下泄水體溫度低于天然水體溫度，嚴重影響其下游河道魚類的繁殖生長[2]。近些年來，對于水庫調度方式對下游河道魚類生態環境的影響逐步得到國內許多學者的關注和研究[3- 9]，這些成果大都針對下泄水體水溫或者水量進行分析，而對于取水方式的研究還較少，而多項研究表明[10- 15]，水庫不同取水方式對其下泄水溫產生直接影響，而水溫是影響下游河道魚類生態環境的重要指標。為此本文結合水庫下泄水溫數值模擬方法，分析分層取水方式對其下泄水體溫差的效應。研究成果對于水庫生態調度具有重要的參考價值。

1 大型水庫下泄水溫模擬方法

大型水庫水溫主要包含混合、過渡以及分層三類，庫區水溫主要采用庫容比以及弗汝德系數法，各系數的計算方程分別為：

(1)庫容比法判定系數的計算方程：

(1)

式中，a—判定系數；W—多年徑流量，m3；W總—水庫的總庫容，m3。

當a<10則表示為水溫屬于分層類型；1020則表示屬于混合型。

(2)弗汝德判定系數計算方程為：

(2)

式中，Fd—弗汝德數；L—水體縱向距離，m；H—水體平均深度，m；Q—下泄水體的流量，m3/s；V—計算水體的體積，m3；g—重力加速度，m2/s；ε—水體特征梯度。

當Fd<0.1屬于穩定分層類型；0.11.0屬于混合類型。

本文主要結合水溫數值模擬模型對遼寧西部某大型水庫進行預測，首先建立水庫的熱量與水量平衡方程：

I(t)Δt-TO(t)Δt=ΔS(t)

(3)

T1(t)I(t)Δt-T0(t)O(t)Δt=ΔE(t)

(4)

式中，T1(t)—時段t入庫平均水溫，℃；T0(t)—時段t出庫平均水溫，℃；I(t)—時段t入庫平均流量，m3/s；O(t)—時段t出庫平均流量，m3/s；ΔS(t)—時段t水庫蓄水量的變化量，m3；ΔE(t)—t水庫熱量的變量，m3·℃。

ΔE(t)計算方程為：

(5)

式中，T(S)—單元體積為S的水體的溫度，℃；S(t)、S(t-Δt)分別表示不同時間步長條件下的蓄水量，m3。

當水庫呈現穩定分層現象，水庫水溫呈現均勻混合，則其水溫垂向分布計算方程：

ΔE(t)=S(t)TR(t)-S(t-Δt)TR(t-Δt)

(6)

式中，TR(t)、TR(t-Δt)—不同時間步長條件下的水庫水體溫度，℃。

結合式(5)和(6)可以計算水庫t時刻水溫TR(t)，計算方程為：

(7)

其中：

S(t)=I(t)Δt+S(t-Δt)-O(t)Δt

(8)

結合上述方程可以推求水庫下泄水體的溫度，計算方程為：

TO(t)=TR(t-Δt)

(9)

方程中的變量含義均同上述方程中的變量含義。

2 實例應用

2.1 水庫概況

研究水庫屬于一座大(2)型水利樞紐工程，壩址以上流域面積3029km2。水庫樞紐工程等別為Ⅱ等，永久性水工建筑物級別為2級，為多年調節水庫，采用高程基面為黃海基面。總庫容為8.0億m3。樞紐主要建筑物由擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段、引水壩段及連接段等組成。壩總長1148m。壩頂寬度11.4m。庫區主要的魚類產卵場主要位于水庫下游距離壩址4km處，產卵魚類主要為青、草、鰱、鳙四大家魚，適宜生長的速度在0.2～1.1m/s之間，適宜生長的水體深度為0.5～2.0m，各魚類主要產卵的敏感月份分布在3～6月。分別結合庫容比法判定系數、弗汝德判定系數對水庫水溫分類進行判定，結果見表1—2，從判定結果可看出，研究水庫水溫均為穩定的分層。

表1 基于庫容比法判定系數的庫區水溫分類結果

表2 基于弗汝德判定系數的庫區水溫分類結果

2.2 水溫計算驗證

結合建立的水溫數值模型對庫區3～12月份各分層水溫進行計算，并結合庫區內監測水溫對結果進行驗證，驗證結果見表3，并對庫區斷面垂向深度的平均氣溫進行分析，分析結果見圖1。

表3 各月份水庫不同層水溫驗證結果 單位：℃

圖1 水庫斷面垂向平均氣溫驗證結果

從驗證結果可看出，建立的水溫數值模型在研究庫區各分層的水溫計算絕望誤差在0.16～1.39之間，建立的模擬基本可滿足區域水溫計算精度要求。從圖1中可看出研究庫區水溫各分層水溫呈現較為明顯的季節變化趨勢。冬季水溫較低，夏季水溫可維持在20℃以上。進入冬季后，由于垂向水溫熱交換較慢，使得其垂向水溫分布逐步趨于穩定變化。從其驗證結果還可看出，庫區表層溫度較低，隨著垂向深度的增加，其水溫呈現遞增變化，但遞增幅度較小。底層水溫由于熱交換的影響，使得其溫度高于表層溫度，而表層穩定主要取決于空氣溫度。

表4 水庫壩前斷面垂向水溫計算結果

2.3 庫區水溫計算

對水庫壩前斷面不同垂向深度下的水溫進行計算，結果見表4。

從計算結果可看出，研究水庫屬于典型的水溫分層類型，3～4月份水庫水溫較低，受到區域氣溫和太陽輻射的影響，水溫呈現一定的遞增變化，但增幅較小。隨著氣溫和太陽輻射的增加，進入5～9月份后，水庫壩前垂向溫度逐步增加，庫區表層水溫遞增較為明顯。庫區水溫最高值出現在7月份，且從5月份開始水庫水溫在22.0m深度處開始出現逆水溫現象。隨著水庫入流水量、氣溫以及太陽輻射的逐步增加，水體熱交換影響程度加大，使得水庫不同分層水溫躍層現象有所減少。

2.4 下泄水溫對比結果

結合不同取水方式，對比各取水方式下天然水溫與下泄水溫的溫度差，分析結果見表5—6。

表5 單層取水方式下的水庫下泄水溫溫差對比結果

表6 分層取水方式下的水庫下泄水溫溫差對比結果

采用傳統的單層取水方式，水庫各月份下泄水溫與天然水溫的溫度差在-0.93℃～3.12℃之間，而采用分層取水方式后，下泄水溫和天然水溫的溫差得到有效減低，水庫下泄水體和天然水體溫差可有效降低-0.3℃～1.5℃，兩種取水方式下的最大溫差主要集中在7月和8月。這主要是因為這兩個月份存在夏季氣溫最高的月份，由于外界氣溫和太陽輻射的增加，使得7月和8月水體熱交換有所降低，使得其溫差加大。通過對比兩種取水方式，可以發現在夏季分層取水的方式可適當增加水體各層溫度，降低和天然水溫的溫差，保持水體的天然生態效應。

2.5 下泄水溫沿程恢復對比結果

通過對水庫魚類生態環境的分析，將下泄溫差降低到-1℃和-0.5℃之間可為魚類提供一個適宜的生態環境，為此對比了兩種取水方式下水庫下泄水溫達到以上兩個溫差的沿程恢復距離，分析結果見表7—8。

表7 單層取水方式下水庫下泄水溫沿程恢復結果對比

表8 分層取水方式下水庫下泄水溫沿程恢復結果對比

從不同取水方式下的溫差分析結果可看出，溫差在-0.5℃主要集中在3～5月份，而溫差在-1℃的主要集中在6～9月份。采用傳統單層取水方式下水庫下泄溫度與天然水體溫差在-1℃的沿程恢復距離的最大值為18.23km，溫差恢復到-0.5℃的沿程距離的最大值為35.63km。而采用分層取水方式后，溫差恢復到-1℃和到-0.5℃的沿程距離的最大值分別為10.05km和24.33km，相比于傳統單層取水方式下，其恢復距離分別降低8.18km和11.30km。相比于傳統單層取水方式，分層取水方式可有效降低低溫水體恢復的距離。

2.6 下游河道魚類產卵影響變化度

針對水庫庫區內主要4大家魚種類的產卵期變化進行分析，進而分析對其下游河道魚類生態環境的影響，結果見表9。

通過分析，庫區內主要4種家魚類的產卵期分別位于壩址15km處，產卵魚類主要為青、草、鰱、鳙四大家魚，適宜生長的速度在0.2～1.1m/s之間，適宜生長的水體深度為0.5～2.0m，各魚類主要產卵的敏感月份分布在3～6月。青魚、草魚產卵適宜溫度為11～16℃，其在天然條件下產卵期主要出現在5～6月，而采用單層取水方式下水庫下泄水溫使得青魚、草魚產卵推遲到7～8月，而采用分層取水方式后，其產卵推遲到6～7月，相比于單層取水方式，水溫影響有所減緩。從鰱魚、鳙魚產卵影響也可看出，鰱魚、鳙魚產卵適宜溫度為8～12℃，天然水體下其產卵主要為4～5月，而單層取水方式下其產卵期推遲到6～7月，而分層取水方式下其產卵和天然條件下一致。這主要是因為相比于傳統單層取水方式，采用分層取水方式后，和天然水體溫差得到有效降低，是得其利用魚類的產卵生態環境。

3 結論

(1)水庫垂向水溫呈現明顯的季節性分層效應，為降低與天然水體的溫差，應改變傳統單層取水方式，結合垂向水溫進行分層取水，建議分層取水深度不超過70m，可有效降低水庫下泄低溫引起的生態負面效應。

表9 不同取水方式下水庫各魚類產卵期變化情況

(2)在分層取水中，由于表層受太陽輻射影響，變幅較大，建議在分層取水過程中，重點取中層和底層的水體，可有效降低下泄水體低溫溫差和水溫恢復距離。

本文重點分析了下泄低溫對水庫四類家魚產卵影響，而對低溫對其生境影響分析還存在不足，在以后研究中通過加密水溫觀測點，對其生長環境的溫差影響進行重點分析。