北汝河汝州市城區段河道水溫觀測分析

左惠玲

(河南省平頂山水文水資源勘測局，河南 平頂山 466001)

1 觀測背景

北汝河是沙穎河的所屬水系，同時也是淮河較大的二級支流，北汝河發端于豫西伏牛山區嵩縣外方山跑馬嶺，最后在襄城縣丁營鄉崔莊村岔河口與沙河流域交匯。北汝河主河道長度為250km，所控制流域面積達0.608×104km2。北汝河流域在汝陽縣紫羅山以上的河段為典型的山區性河道，平均寬度為640m，河床質為卵石夾砂，河底坡度10‰-3.3‰；紫羅山以下的河段則屬于淺山丘陵區，河槽陡然變寬，最大河道行洪寬度均值為3500m，河床內富集卵石夾砂等沖積物，河底比降為3‰-1.7‰；襄城縣以下河段則為平原區，河道窄而順直，最窄處寬度僅100m，以砂為主要沖積物。

北汝河汝州市城區段為淺山丘陵區，植被較好，屬于輕度水土流失，河水清澈且常年基本不斷流。在汝州市城區段北汝河上建擋水壩，進行梯級蓄水，水量豐富，河道泥沙淤積量小，河水不受污染，水質良好，可以達到改善環境、凈化空氣、提高地下水位等綜合效益的目的。對提高汝州市城區段地下水位，補充市區水量，減少城市漏斗化，具有很重要的作用。

2 觀測方案

2.1 觀測方法

當前北汝河上游紫羅山水文站所測得水深294m，為進行本次水溫觀測，按照《水質水溫的測定-溫度計或顛倒溫度計測定法》(GB13195-91)中所規定的溫鹽深剖面儀(Conductivity Temperature Depth, CTD)展開觀測，該儀器液位精度可達到0.05%的測量深度，溫度精度可達0.03℃，溫度量程在-5℃-35℃之間[1-2]。

2.2 觀測范圍

觀測范圍為上游紫羅山水文站至汝州水文站，兩測站之間的河道長114km，總共設置5個觀測斷面，分別為紫羅山水文站斷面(與壩址相距102.7km)、妙水寺斷面(與壩址相距61.6km)、耿莊龍王廟斷面(與壩址相距1.49km)、張家灣斷面(與壩址相距18.32km)、砂鍋窯-寺溝斷面(與壩址相距34.7km。觀測時間定為2018年7月-2020年6月。觀測項目包括測站水溫觀測和河道水溫觀測兩項：①在紫羅山水文站斷面左中右分別設置3根垂線，采用溫鹽深剖面儀連續觀測，并隨著儀器緩慢下沉按照200-1000ms的時間間隔獲取數據，待完成觀測后從所收集到的數據序列中選擇不同測深所對應的水溫數據。②在妙水寺斷面、耿莊龍王廟斷面、張家灣斷面、砂鍋窯-寺溝斷面觀測水面以下0.5m處的水溫，考慮到其中耿莊龍王廟斷面水深較大，故僅設置1根垂線。

3 水溫觀測結果分析

3.1 日常觀測結果

經過對各觀測斷面日常水溫觀測結果的分析發現，各斷面水溫均表現出明顯的分層現象，具體間圖1，5月各斷面表層水溫高達24.1℃，而底層水溫僅為10.4℃，徑向溫差近14℃。5月是全年中陽光輻射最強烈的月份，溫度升高較快，在觀測時間紫羅山水文站環境溫度為25.6℃，觀測期間水流緩慢，表層水體能與環境發生充分的熱交換，且在這種作用下表層水體溫度和環境溫度較為接近。而深層水體因透光性差，陽光輻射很難到達水體深處，且水體垂向對流所引發的熱傳遞量較小，并在溫度分層作用的制約下水體表層熱量很難向深層擴散，導致深層水體溫度偏低。在水底15-35m范圍內是低水溫層，其水溫變動幅度僅為0.5℃-1.0℃；在低水溫層和表層之間存在15-20cm厚的溫躍層，溫差在10.8-14.0℃之間變化；表層水體密度小，溫度高，且不會下沉后與低溫水體摻混，該層水體在環境溫度升高的季節會吸收大量熱能后水溫不斷升高，故導致該斷面處出現穩定的熱分層現象。

圖1 5月各斷面垂線水溫分布

對于紫羅山水文站斷面而言，通過分析其斷面二維水溫分布圖(圖2)可以看出，隨著水位的升高，水體溫度中低于12℃的溫度逐漸升高，但高于12℃的溫度并未發生明顯改變，簡單而言就是水位越高，水體溫度越高，但水位超出327m后的水體溫度較為穩定。其余觀測斷面二維水溫分布情況與紫羅山水文站斷面基本一致。

圖2 5月紫羅山水文站斷面二維水溫分布

3.2 表層水溫沿程變化

通過對觀測期間各斷面實測水體表層溫度的對比分析發現，越靠近河道上游則表層水溫提升速度越快，紫羅山水文站斷面-妙水寺斷面表層水溫提升速率為0.05-0.15℃/km，而耿莊龍王廟斷面-砂鍋窯-寺溝斷面表層水溫提升速率為0.02-0.08℃/km。進一步分析發現，河道表層水溫變化和環境溫度變化存在較大的相關性：11月-次年2月，河道水溫表現出單溫躍層分布狀態；3月因環境溫度較為穩定，水溫也基本無溫躍層；5月隨著環境溫度的持續升高，表層水體迅速升溫，溫躍層寬度拉大(具體見表1)；6月-8月水溫垂直分層更加明顯，且表現出雙溫躍層形式；9月-10月逐漸過渡為單溫躍層形式。

表1 5月北汝河汝州市城區段河道沿程水溫參數

3.3 常見干擾分析

3.3.1 水位變化干擾

北汝河汝州市城區段河道水溫動態值成因復雜，且在不同水位情況下成因不同，在水面下20-30m范圍內主要受到陽光輻射的影響較大，并表現為較為明顯的日變化和季節性變化；而在水面100m以下主要受水動力條件的影響，因為在該較深水位處存在水交替變化特征，并在水溫梯度的作用下導致水體溫度下降。

3.3.2 氣氡干擾

北汝河汝州市城區段河道水溫觀測各整時值前后均存在明顯的鋸齒狀脈沖干擾，并嚴重影響水溫觀測質量。經分析發現，水溫、氣氡共用同一數采供電觀測是造成這一現象的主要原因[3]。氣氡整時觀測前5min開始預熱，并待負高壓達950V時施測，施測時間持續20min，這一時間與水溫突變時間吻合，且氣氡對水溫觀測的干擾主要通過水溫地線反饋至溫鹽深剖面儀。為有效解決該問題，可在水溫地線接入地網之前增設一電感，使該電感與電容共同形成LC濾波電路，且通過電容的阻直流、通交流作用以及電感的通直流、阻交流作用，將交流干擾信號轉變為熱能，從而有效抑制和規避高頻率信號的干擾。經過改造后，北汝河汝州市城區段河道水溫觀測各整時值前后的臺階形畸變不再出現，曲線變得光滑流暢。

4 結 論

通過文章分析可知，北汝河汝州市城區段河道水溫呈穩定垂向分層結構，且在水氣熱交換等的綜合作用下，5月份表層水體能與環境發生充分的熱交換，且在這種作用下表層水體溫度和環境溫度較為接近。而深層水體因透光性差，陽光輻射很難到達水體深處，且水體垂向對流所引發的熱傳遞量較小，并在溫度分層作用的制約下水體表層熱量很難向深層擴散，導致深層水體溫度偏低。北汝河汝州市城區段河道水溫觀測具有較高的靈敏度，且受觀測環境影響較大，為保證觀測結果的真實準確，應采用高精度觀測儀，并盡可能縮短觀測線路，接入地線時最好隔離處理水溫及其余設備的地線設置。