出山店水庫(kù)垂向水溫監(jiān)測(cè)與分層特性研究

焦天藝

（鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 水溫測(cè)量方式

1.1 測(cè)量方式的選取

當(dāng)前，水溫測(cè)量方法有幾種方式，并有其各自的特點(diǎn)，本次水溫測(cè)量采用了一套自主設(shè)計(jì)的自主測(cè)量水域水文要素的測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由漂浮圈、支架、86 步進(jìn)電機(jī)和傳感器構(gòu)成，配有軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠自主測(cè)量水域水文要素的測(cè)量系統(tǒng)，可對(duì)水溫、含氧量、PH值等水文要素進(jìn)行測(cè)量，并利用單片機(jī)進(jìn)行管理和解析，使得采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)、豐富。

1.2 測(cè)量方式的特點(diǎn)

本次自主設(shè)計(jì)的測(cè)量方式由測(cè)量傳感器和單片機(jī)ADC通道配備軟件設(shè)施組成，可將測(cè)量數(shù)據(jù)直接傳入大數(shù)據(jù)云儲(chǔ)存，用于后期對(duì)水域水文要素的云計(jì)算，減少了人為野外作業(yè)受環(huán)境影響的局限性，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)獲取，能迅速計(jì)算出實(shí)時(shí)的水域情況，以提高水文監(jiān)管的效率和時(shí)效。同時(shí)，采用light BGM方法對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行特征選擇，再采用主成分分析法進(jìn)行特征選擇，從而減少環(huán)境影響因素?cái)?shù)據(jù)的冗余，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行異常值檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

出山店水庫(kù)壩前河道底部高程72.50 m，取水口底部高程為82.50 m，實(shí)測(cè)出水庫(kù)庫(kù)表與庫(kù)底溫差最大值為3.20 ℃，出現(xiàn)在6 月份，庫(kù)表與庫(kù)底溫差范圍為0.00～3.20 ℃；庫(kù)表水溫與引水洞底部82.50 m水位水溫溫差為1.00 ℃，出現(xiàn)在6月份，表水溫與引水洞底部82.50 m 水位水溫溫差范圍為0.20～1.04℃，結(jié)果見表1。

表1 出山店水庫(kù)溫差數(shù)值表 單位：℃

實(shí)測(cè)結(jié)果得出庫(kù)表與庫(kù)底溫差最大溫差3.20 ℃，庫(kù)表水溫與引水洞82.50 m水位水溫最大溫差1.04 ℃。

2.2 出山店水庫(kù)水溫分層結(jié)構(gòu)類型判別

大型水庫(kù)按水溫結(jié)構(gòu)類型來(lái)劃分，主要有三種類型：穩(wěn)定分層型、混合型和介于這兩者之間的過(guò)渡型。對(duì)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的判斷有多種方法，其中比較有代表性的有密度弗汝德數(shù)法、庫(kù)水交換次數(shù)法（也稱為α～β 法）和水庫(kù)寬深比判別法。

將出山店水庫(kù)實(shí)測(cè)結(jié)果代入α～β法判斷得出，該水庫(kù)日常屬于分層型水庫(kù)。從水庫(kù)水溫變化規(guī)律分析，每年1、2 月份，水庫(kù)上下層水溫達(dá)到低溫平衡，從3 月份開始受入庫(kù)水溫及氣溫抬高影響，水庫(kù)水溫將逐步抬升，庫(kù)表水溫抬升將快于庫(kù)底水溫，3-6月水庫(kù)水溫將逐步形成上下溫差，進(jìn)入7月份在大多數(shù)年份，由于上游入庫(kù)徑流遠(yuǎn)大于汛限庫(kù)容，水庫(kù)水體將被入庫(kù)水替換，水庫(kù)水溫將基本等同于河道水溫，只有在特枯年份，入庫(kù)徑流小于汛限庫(kù)容，水庫(kù)上下溫差能夠維持但會(huì)迅速弱化。9月份氣溫將開始呈下降趨勢(shì)，由于庫(kù)表水溫變化將快于庫(kù)底，水庫(kù)水溫將會(huì)出現(xiàn)逆溫結(jié)構(gòu)，下層水溫將高于上層水溫，至次年1月前后將再次達(dá)到低溫平衡。

庫(kù)區(qū)水體水溫受上游來(lái)水水溫變化及外界氣象條件的影響明顯，由于水庫(kù)水深較淺，庫(kù)表與庫(kù)底溫差最大溫差3.20 ℃，庫(kù)表水溫與引水洞82.50 m水位水溫最大溫差1.04 ℃。

3 水庫(kù)水溫預(yù)測(cè)計(jì)算

3.1 垂向水溫計(jì)算方法的選取

現(xiàn)行的水庫(kù)水溫預(yù)測(cè)計(jì)算的方法總體上大致分為經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)學(xué)模型法兩大類，計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式（1）（2）（3）中：T（y，t）為庫(kù)面向下水深Y處t月的多年平均水溫（℃）；T0（t）為庫(kù)表t 月的多年平均水溫（℃）；Tb（t）為庫(kù)底t月的多年平均水溫（℃）；y為水深（m）；m為月份；N為大壩所在緯度（32°14N）。

3.2 公式參數(shù)的確定

出山店水庫(kù)屬于分層型水庫(kù)，當(dāng)洪水入庫(kù)時(shí)，出山店水庫(kù)屬于混合型水庫(kù)。對(duì)于水深20.00 m左右的分層型水庫(kù)，1、2月份庫(kù)底、庫(kù)表同溫，因此1、2 月份Tb=T0，分別為5.60 ℃和5.60 ℃。由于淮河流域年6-8 月屬于豐水季節(jié)的河道徑流量特性，出山店水庫(kù)出現(xiàn)混合型的垂向水溫規(guī)律特征。6月水庫(kù)庫(kù)底溫度按公式計(jì)算得到21.86 ℃，再根據(jù)水庫(kù)升溫和降溫規(guī)律按庫(kù)表水溫變化規(guī)律和幅度計(jì)算得到1-8月份的庫(kù)底溫度，計(jì)算結(jié)果詳見表2。又由于大型水庫(kù)自身的蓄熱作用，9-12份水庫(kù)水溫降溫比河道水溫降溫速率慢。按歷史以往實(shí)測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)此時(shí)段下泄水溫高于天然河道水體，無(wú)低溫水影響，由此可省略分析9-12月份的水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)。

運(yùn)用水溫東勘院法，出山店水庫(kù)水溫計(jì)算參數(shù)結(jié)果見表2。

表2 出山店水庫(kù)水溫計(jì)算東勘院法參數(shù)表

3.3 規(guī)律性水溫結(jié)構(gòu)結(jié)果

根據(jù)上表參數(shù)，運(yùn)用東勘院法計(jì)算，可預(yù)測(cè)得出出山店水庫(kù)年內(nèi)月平均水溫結(jié)構(gòu)見表3，5-8月份水溫結(jié)構(gòu)圖見圖1。

表3 出山店水庫(kù)88 m蓄水水位水溫結(jié)構(gòu)東勘院法計(jì)算結(jié)果表單位：（℃）

圖1 出山店水庫(kù)月平均水溫結(jié)構(gòu)圖（5、6、7、8月）

4 水庫(kù)分層現(xiàn)象的影響

水庫(kù)水溫分層現(xiàn)象對(duì)水庫(kù)的水質(zhì)產(chǎn)生影響，特別是影響到水中溶解氧的分布，進(jìn)而會(huì)對(duì)水庫(kù)水生生物產(chǎn)生不利影響，極端可導(dǎo)致水生生物中主要物種魚類的死亡。同時(shí)，水溫分層也會(huì)影響到水生植物的生長(zhǎng)，有些水生植物數(shù)量會(huì)大幅度減少，有的水生生物可能滅絕。而且水庫(kù)下泄水的水溫與天然河道水溫的時(shí)空不一致，會(huì)導(dǎo)致下游河道水生生物、植物的減少，并引起下游水庫(kù)灌區(qū)農(nóng)作物的減產(chǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)出山店水庫(kù)開展垂向水溫在線監(jiān)測(cè)測(cè)量，能夠準(zhǔn)確地反映出山店水庫(kù)壩前水溫分布，通過(guò)對(duì)分層水溫的自然因素定性分析和數(shù)值公式理論擬合，對(duì)庫(kù)區(qū)垂向水溫分布進(jìn)行了規(guī)律性總結(jié)和合理預(yù)測(cè)，科學(xué)分析研判水溫分層對(duì)庫(kù)區(qū)生物和生態(tài)等方面的影響，對(duì)于大型水庫(kù)的水環(huán)境保護(hù)具有指導(dǎo)意義。