基于下游生境水溫需求的水庫分層取水調度研究

葉 舟，龔 夢 園

(浙江海洋大學 海洋工程裝備學院，浙江 舟山 316022)

0 引 言

大型水庫蓄水后與天然河道相比，庫區表面積大，水流平緩且不易混合，在太陽輻射及熱傳遞的作用下，導致水庫出現垂向季節性水溫分層現象[1-2]。在傳統設計上，電站發電進水口必須位于水庫死水位以下一定的深度，使得引水發電下泄水來自水庫深層，對于穩定分層型水庫，會產生下泄低溫水，使得下游魚類代謝減緩，產卵受到影響，降低物種多樣性，甚至造成庫區下游生態失衡[3]。近年來隨著中國對生態文明建設的重視，對于水庫庫區及周邊生態環境改善的研究逐漸得到國內外許多學者的關注[4-10]。陳求穩等[11]梳理了水庫運行下水生態效應、底棲動物生境和魚類生境的影響，水生態環境保護工程與非工程措施等方面的研究進展。苗雨池[12]對遼寧省大型水庫分層取水方式下的下泄水溫進行了分析，認為相比于傳統單層取水方式，分層取水可縮短低溫水體恢復距離。常曉敏等[13]以汾河二庫為研究對象，發現氣溫與庫面水溫之間存在良好的線性相關關系，全年整體庫面水溫最大值出現時間與氣溫最大值出現時間一致，可用來解決實測水溫數據缺失問題。黃廷林等[14]建立了黑河金盆水庫水溫模型，研究發現氣溫、太陽短波輻射及入庫流量與水體熱分層的穩定性呈正相關關系，而入庫流量則與其呈負相關關系。趙高磊等[15]研究表明河流梯級開發帶來的水溫累積影響存在極限，梯級開發使水溫分層現象弱化，但庫區水溫分層結構不會消失。許尤等[16]分析了瀾滄江水溫的沿程變化，發現瀾滄江干流的全河段水溫與緯度、高程呈明顯的線性負相關關系。高少澤等[17]在入庫水溫與氣溫相關性分析的基礎上，研究壩前水溫變化與天然河道水溫、氣溫變化的相關性，結果表明壩前水溫的年內變化滯后于氣溫。這些成果大都從下泄水溫、水質、水量等角度進行分析，通過分層取水改變下泄水溫，而對于如何改善下游生境水溫的研究較少。為此，本文針對下游主要水生生物生存繁殖水溫需求，利用水庫現有實測數據，建立水溫數學模型并進行率定驗證，分析水庫蓄水后對下泄水溫產生的影響；然后，利用分層取水的調度方式，改善下游河道水溫，以達到目標水生生物水溫需求。研究成果對于水庫生態調度具有重要參考價值。

1 研究區域概況

灘坑水庫位于浙江省青田縣境內的甌江小溪中游河段，是一座擔負電力系統調峰、調頻、調相及事故備用任務，同時兼顧防洪及其他綜合利用效益的大型水庫，壩址以上集雨面積3 330 km2。樞紐主要建筑物由攔河壩、溢洪道、泄洪洞、引水系統、發電廠房等組成。總庫容41.9億m3，壩頂長度507.0 m，壩頂寬度12.0 m。甌江小溪流域主要水生生物種類有國家一級保護動物黿，國家二級保護動物大鯢、花鰻鱺，土著魚類香魚、黃顙魚等。根據庫容比、佛汝德數判別法及寬深比法對灘坑水庫水溫分類進行判定[18]，判定依據如表1所列。結果表明：該水庫水溫為穩定分層型，可能存在下泄低溫水現象并對下游水生生物的生存、繁殖等造成影響。為此，灘坑水庫采用疊梁門結構實現分層取水以改善下泄水溫。現有疊梁門槽置于進水口前緣，設有3個岸塔式進水口，并排布置。進水塔長16.2 m，寬77 m，高76 m，塔內布置疊梁門、門庫及攔污柵，頂部布置疊梁門及攔污柵啟閉設備。每個進水口各2孔，共布置有6孔疊梁門，每孔疊梁門沿垂向由8節組成，如圖1所示。

表1 水庫水溫結構判別結果Tab.1 Discriminant results of reservoir water temperature structure

圖1 分層取水疊梁門控制方案示意Fig.1 Schematic diagram of stoplog gate in the water level selection intake

2 研究方法

2.1 水溫預測模型

本文擬對水庫庫區采用三維水溫模型預測水溫分布，對下游河道采用一維水溫模型預測沿程水溫。采用靜水壓假設，數值模擬中忽略垂向加速度影響；Boussinesq假定，即在密度變化較小的浮力流問題中，只在重力項中考慮密度的變化，水流連續方程忽略密度變化[19-20]。水動力學方程及水溫方程如下。

水流連續性方程：

(1)

水流動量方程：

(2)

溫度對流擴散方程：

(3)

式中：ρ為水的密度；cs為水的狀態參數；ui為xi方向速度分量；p為壓力；Ωij為張量；νt為垂向紊動黏性系數；δ為克羅內克函數；k為紊動動能；gi為重力矢量；t為時間；T為水溫；σT為普朗特數；QH為熱量交換量；Cp為水的比熱。

采用縱向一維水溫模型預測下游沿程水溫。主要由一維非恒定流方程與一維溫度對流擴散方程組成[21]。水庫庫底與壩址表面采用無滑移邊界條件，庫區水面以下地形數據以實測斷面資料為基礎進行插值，支流并入主庫區，采用庫容曲線校核，保證誤差小于5%。

2.2 模型驗證

模擬時段選取原型觀測資料較為完善的年份2017年1月1日至12月31日，初始水位為2017年水庫實際運行水位，初始流場按照靜止狀態給定，入庫水溫采用2017年初庫尾實測水溫。

三維水溫模擬率定主要考慮3個方面：水動力學參數cs，調試取0.5；k-ε湍流模型經驗參數Cμ=0.09，σk=1.00，σε=1.30，C1=1.44，C2=1.72；底摩擦率取其默認值0.05。下游一維水溫模型參數得到四川省石棉、沙坪水文站的水文實測數據驗證[21]。

采用建立的三維水溫模型計算庫區斷面垂向各層水溫，灘坑水庫壩前埋設有垂向測溫探頭，進行長時間連續觀測記錄，可測得高程90～165 m之間的水溫值。利用2017年實際監測水溫對計算結果進行驗證，5～8月份壩前垂向水溫模擬值和實測值對比如圖2所示，各月份代表水位水溫驗證結果如表2所列。

圖2 水庫壩前斷面垂向水溫驗證結果Fig.2 Verification rosults of water temperature at reservoir vertical section

表2 各月份水庫不同水位水溫驗證結果

由驗證結果得到，建立的水溫數學模型在庫區各月份水溫計算誤差在0.1～1.3 ℃之間，可認為模型符合區域水溫計算精度要求。由1～12月份斷面垂向水溫可得，灘坑水庫水溫分層呈現較為明顯的季節變化趨勢，水庫年內的熱分層結構一致，變化規律為“均混期-分層過渡期-穩定分層期-分層減弱期-均混期”。1～3月份水庫垂向平均溫差小于1.0 ℃，為均混期；4～6月隨著氣溫的升高，表層水體吸收的太陽輻射熱量增加，入庫水溫逐漸提高，導致水庫開始形成分層，為分層過渡期；7～8月水庫表層水溫接近氣溫，底層水體熱傳遞緩慢，水庫垂向溫差隨水深的加大而提高，為穩定分層期；9～10月氣溫降低，入庫水溫也逐漸下降，導致表層水溫下降，與庫底水溫溫差減小，熱分層結構開始退化，為分層減弱期；11～12月份水庫垂向平均溫差小于1.0 ℃，為均混期。

3 水庫下泄水溫預測

3.1 下泄水溫與天然水溫對比分析

研究結果表明：灘坑水庫為穩定分層型水庫，垂向上表現為穩定的水溫分層，尤其在春夏季水庫存在發電下泄低溫水問題。水溫作為水環境中最重要的影響因子之一，水庫下泄低溫水的影響是不可忽視的。根據灘坑水庫水溫模型計算結果，對比分析下泄水溫與天然水溫的溫差，結果如表3所列。

表3 底層取水方式下水庫下泄水溫Tab.3 The discharge water temperature under the bottom water intake method

采用傳統的底層取水方式，水庫各月份下泄水溫與天然水溫的溫差在-8.3～0.2 ℃之間，春夏季水庫對河流水溫影響大，下泄低溫水最大差異可達8.3 ℃，對下游水環境及土著魚類生境造成直接影響。傳統底層取水方式下取水深度為進水口中心高程，一般在60 m左右，3～4月份垂向溫差變化較小，下泄水溫差異相對較小；5～8月份，由于外界氣溫升高，太陽輻射增強及上游來水水溫升高，庫區水體表層水溫迅速升高，下層水體水溫逐漸升高，但幅度很小，形成持續的溫躍層，厚度在30 m左右，底層取水可導致持續下泄低溫水。9～10月份為降溫期，氣溫和入庫水溫下降，太陽輻射減弱，溫躍層逐漸減弱，下泄水溫溫差保持在3.8 ℃以內。春夏季下泄低溫水可影響大多數水生生物特別是魚類產卵期，對其正常生長繁殖造成明顯影響。

3.2 沿程水溫變化

下泄低溫水受太陽輻射及空氣熱交換影響，沿程水溫將逐漸升高并趨向天然水溫。根據模型計算，對比灘坑水庫壩址下游不同位置河道水溫與天然水溫，如圖3所示。

圖3 傳統底層取水方式下沿程水溫Fig.3 Water temperature along the river under the traditional bottom water intake method

相比于天然水溫，水庫下游不同位置3～10月份河道水溫溫差在1.5～16.5 ℃之間，最大降幅出現在7～8月，春季下泄平均水溫推遲了27 d，直接影響了河道土著魚類的生存繁殖，甚至導致庫區河道生態系統失衡。根據預測結果，傳統底層取水方式下，5～9月至5 km處，下泄水溫在10.5～14.7 ℃，與天然河道水溫相差10.8～16.5 ℃；10 km處溫差仍在5.0 ℃以上；7.5 km處為國家一級保護動物黿實驗區，年平均水溫僅15.0 ℃，遠低于黿棲息的適宜水溫，實驗區將不再適宜黿的生存繁殖。

4 水庫分層取水調度方案研究

4.1 河道水溫需求

春夏季水庫下泄低溫水對其下游河道水生生物尤其是國家一級保護動物黿將帶來明顯的不利影響。對于灘坑水庫，由于小溪河段較長，區間支流水量不大，依賴自然恢復或人工恢復均難以實現，應考慮分層取水調度方案來解決下泄低溫水問題。在灘坑水庫下游7.5 km處設有青田黿自然保護區，水電站建成后導致保護區河段水溫下降，8月份水溫在18.0 ℃以下，不利于黿生存繁殖。大多數魚類的產卵期在春夏季，其對水溫較為敏感。為保障河道水生生物生存環境，根據灘坑水庫下游主要水生生物產卵場分布劃定水溫需求，如表4所列。

表4 水生生物產卵期水溫需求Tab.4 Water temperature demand of aquatic organisms during spawning period ℃

4.2 分層取水方案

灘坑水庫采用疊梁門工程措施來實現分層取水，設有3個岸塔式進水口，并排布置，間距30 m。根據進水口初期發電需求及淹沒深度，疊梁門設置高程范圍95～135 m，可確保疊梁門頂的取水厚度在10 m以上。每個進水口分3層取水，即底層取水口底板高程為95 m，中層取水口底板高程為115 m，頂層取水口底板高程為135 m。頂部布置啟閉機排架和啟閉設備，根據取水深度要求可吊起疊梁門，共8節，每節5.0 m，進而實現可控制取水深度。例如，關閉頂層、底層取水口，啟閉機吊起前2節疊梁門5 m，打開中層取水口即可取得水深115～130 m處的水體。依據河道目標魚類水溫需求，設計分層取水方案如表5所列。

表5 分層取水方案設計Tab.5 The stratified water intake method

4.3 下泄低溫水改善效果分析

采用疊梁門分層取水方案，預測結果表明：4～9月下游5.0 km處取水水溫上升為13.4～23.4 ℃，但仍與天然河道水溫相差4.1～7.1 ℃，無法達到黃顙魚產卵水溫需求，模型預測5月底可達到需求；至7.5 km黿自然保護區處夏季各月下泄水溫在18.0 ℃以上，可使國家一級保護動物黿產卵期恢復到6～8月份，基本滿足黿的活動周期和繁殖期水溫需求；至10.0 km處9月份水溫已經接近天然水溫，適宜目標魚類香魚生存繁殖，如圖4所示。

圖4 分層取水方式下沿程水溫Fig.4 Water temperature along the river under the stratified water intake method

根據預測結果，4～5月中旬無法滿足目標魚類黃顙魚產卵水溫需求，故需調整取水深度。計算結果表明春季取水深度不宜過小，因為采用分層取水后，春季下泄水量較大，水溫較高，從而改變原庫區的水溫結構，受太陽輻射及熱傳遞作用導致下泄水溫偏低，甚至引起連鎖反應，致使夏季下泄水溫大大降低。對比分析不同取水深度下泄水溫變化，分層取水方案下取水效果最佳。

5 結 論

(1) 本文建立了灘坑水庫水溫模型，并用實測水溫數據對模型進行率定驗證，結果表明，模型能較好的模擬庫區垂向水溫分布及壩址下游河道縱向水溫，可用于實際水庫水溫預測。

(2) 根據預測，傳統底層取水方式下，水庫各月份下泄水溫與天然水溫的溫差在-8.3～0.2 ℃之間，春夏季水庫對下游河流水溫影響大，下泄低溫水最大差異可達8.3 ℃，對下游土著魚類的生存繁殖產生不利影響。

(3) 采用分層取水調度方案可以有效緩解灘坑水庫下游河道目標魚類的產卵期水溫需求，可使得國家一級保護動物黿產卵期恢復到6～8月份，基本滿足黿的活動周期和繁殖期水溫需求，使得9月份水溫接近天然水溫，適宜目標魚類香魚生存繁殖。