丹江口水庫大壩加高對漢江干流水溫影響評價

王遠坤,王一旭,孟長青,張驗科

(華北電力大學水利與水電工程學院,北京 102206)

水溫對維持水生態系統的穩定有重要作用,其變化將影響水生生物的生存繁衍[1-2]。大型水利工程的修建運行將改變河流天然水文情勢[3],其表現之一為河流水溫與天然水溫的差異[4-6],水溫的改變會使魚類產卵場出現遷移、破碎化甚至消失的現象[7-8],嚴重威脅河流生態安全。因此,筑壩河流水溫研究對流域生態安全具有重要意義。

近年來筑壩河流水溫變化對水環境、水生態的影響研究受到廣泛關注[9-12]。眾多專家學者從不同角度對水溫進行了研究。水溫模型研究方面,李褆來等[13]構建了一維和三維水動力與水溫模型,對典型平水年下游河道水溫進行預測,發現梯級電站建設后庫區表層與底層溫差加大,下泄水流全年平均水溫降低、年內水溫變幅減小;邱如健等[14]采用MIKE11模型模擬宜昌壩下江段水溫,指出三峽水庫蓄水后宜昌至城陵磯河段升溫期降溫、降溫期升溫效應明顯,且越靠近大壩河段水溫較蓄水前變化越大。水溫評價指標研究方面,宋策等[15]構建了具有一定普適性的水庫下游河道水溫影響評價指標,以量化識別水庫對河流水溫的季節性波動;陶雨薇等[16]利用水溫指標分析三峽水庫對下泄水溫的影響,三峽水庫蓄水顯著改變了壩下水溫過程,壩下水溫的變化使中華鱘的繁殖時間推遲29d。相較于水溫模型,水溫指標方法具有所需資料較少、計算簡便等優點。已有水溫指標研究主要關注年尺度水溫變化分析,未考慮年內不同季節變化特征。

丹江口水庫運行后漢江水文過程發生了顯著改變,其對漢江流域生態環境的影響受到了廣泛關注,相關研究主要集中在丹江口水庫對漢江中下游水文情勢變化的影響上[3,17],而對水溫的研究探索較少,特別是丹江口水庫大壩加高后漢江中下游水溫變化特征規律尚未見定量化研究。本文基于丹江口水庫大壩加高前后實測水溫資料,分析漢江水溫變化趨勢及水溫周期性變化特征,并在年尺度水溫指標基礎上進一步提出季尺度水溫指標,開展不同尺度漢江水溫變化評價,以期為漢江丹江口水庫生態調度提供科學支撐。

1 研究區概況

漢江發源于秦嶺地區,是長江最大的一級支流,也是我國魚類重要繁殖河流之一[18]。丹江口水利樞紐建成于1974年,建設地點為湖北省丹江口市、河南省南陽市,集防洪、發電、灌溉、航運、養殖等綜合效益于一身,是國家南水北調中線工程的水源地。丹江口水庫以下至漢口為中下游河段,該河段有黃家港、襄陽等重要水文站[19]。水庫大壩及水文站分布如圖1所示。

圖1 研究區概況及水文站分布

研究區概況圖由中國科學院地理空間數據云平臺(http://www/gscloud.cn/)的30m分辨率GDEMV3數據制作而成。氣溫數據來自中國氣象數據網,水溫數據來自長江水文年鑒。

為滿足調洪發電與航運需求,丹江口水庫大壩于2006—2012年進行了加高建設,加高后正常蓄水位由157m變為170m,相應蓄水量也由174.5億m3增至290.5億m3?，F階段丹江口水庫水面面積1050km2,庫區已具有明顯的水溫分層結構[20]。近年來隨著漢江流域梯級水利樞紐不斷開發,其對河流生態環境的影響愈發顯著,特別是水庫加高后其下游河流生態系統受到嚴峻挑戰。

2 研究方法

白河水文站位于陜西省白河縣,是漢江上游控制站,也是丹江口水庫的入庫控制站。黃家港站位于丹江口水庫下游6km,為水庫的出庫控制站。襄陽站距丹江口水庫111km,是漢江中游干流控制站[19]。以大壩加高為時間節點,將研究時段劃分為丹江口水庫大壩加高前(1975—2005年)、加高期間(2006—2012年)與加高后(2013—2019年)3個時段。丹江口水庫初期工程于1974年全部完成[21],1975—2005年均為大壩加高前的時間段。為排除大壩加高期間的影響,將白河站1975—1986年、黃家港站1975—2005年、襄陽站1981—1986年(襄陽站于1981年建站)作為未受大壩加高影響的基準期,由于時間較早、數據獲取受到限制,均選取月水溫數據進行分析。大壩加高期間與加高后時段為2006—2019年,采用日水溫數據進行計算。

本文對丹江口水庫大壩加高前后的水溫變化趨勢進行分析,在宋策等[15]提出的年水溫指標基礎上,提出季尺度水溫指標,基于水庫干擾后的河流水溫變化特征,量化分析大壩加高后水溫變化程度。季尺度水溫指標以季內數據進行計算與對比,可刻畫年內不同季節水溫變化特征。

2.1 基線偏離指標

基線偏離指標為大壩加高后河流水溫與大壩加高前未經加高影響的河流基準水溫的偏離相對值,是偏離量(建庫后的河流水溫與基準水溫差值的平方和)與基線量(基準水溫與其年均值的差值平方和)的比值,范圍在0～1之間,其表達式為

(1)

宋策等[15]更改式(1)以得到冷季、暖季偏離指標值,使兩者之和等于年偏離指標值。但實際研究在進行時間劃分時,指標值的起始月序沒有明確統一,無法四季相加得到年偏離指標值。本文基于式(1)提出季節性基線偏離指標,以對受大壩影響不同季節的水溫變化特征進行分析,表達式為

(2)

2.2 相位偏移指標

相位偏移指標是大壩加高后河流水溫與大壩加高前未經加高影響的河流基準水溫的相位差絕對值。陶雨薇等[16]對相位偏移指標進行了修改,將1年當作1個360°的圓形并平分為12個部分,依次代表1年的12個月,每部分的矢量大小為當月水溫矢量模。各月水溫矢量的合矢量方向即為水溫集中期,受加高影響后的河流水溫集中期與加高前水溫集中期的差值即為峰值的相位偏移值。滯遲效應會使相位偏移指標值為正值,相位超前則會得到負值,表達式為

表1 3站各季節水溫集中期平均偏移時間

(3)

其中

Dc=arctan(Tx,c/Ty,c)

Dn=arctan(Tx,n/Ty,n)

基于式(3)提出季節性相位偏移指標表達式:

IPSs=(Dcs-Dns)m/360

(4)

其中

Dcs=arctan(Tx,cs/Ty,cs)

Dns=arctan(Tx,ns/Ty,ns)

2.3 極值變幅指標

極值變幅指標為大壩加高后河流水溫變幅與大壩加高前未經加高影響的河流基準水溫變幅的比值。一般情況下,水溫過程受水庫的影響會呈現均化現象,使得此指標值在0～1之間。若數值大于1,則代表當年水溫變幅大于基準水溫的變幅,其表達式為

IEC=(Tmax,c-Tmin,c)/(Tmax,n-Tmin,n)

(5)

式中:IEC為極值變幅指標;Tmax,c、Tmin,c分別為大壩加高后河流水溫月極大值和月極小值;Tmax,n、Tmin,n分別為大壩加高前河流基準水溫的月極大值、月極小值。

基于式(5),提出季節性極值變幅指標表達式:

IECs=(Tmax,cs-Tmin,cs)/(Tmax,ns-Tmin,ns)

(6)

式中:IECs為當前季度極值變幅指標;Tmax,cs、Tmin,cs分別為當前季度在大壩加高后河流水溫月極大值和月極小值;Tmax,ns、Tmin,ns分別為當前季度在大壩加高前河流基準水溫的月極大值、月極小值。

3 結果與分析

3.1 不同時間尺度水溫變化

3.1.1年水溫變化

白河、黃家港和襄陽3站年均水溫變化趨勢見圖2?？傮w來看,白河站水溫先降低后升高,黃家港站水溫變化過程為降低—升高—降低,襄陽站年際水溫較大壩加高前略有升高。3站在2013—2019年大壩加高后的時段中有不同程度的水溫降低現象,黃家港站尤為明顯,其水溫年平均降低率為2.86%,水溫平均降低0.44℃/a?？梢?大壩加高對其下游較近的黃家港站的年水溫影響顯著。

圖2 3站年均水溫變化趨勢

3.1.2月水溫變化

白河、黃家港、襄陽3站月水溫變化如圖3所示。在圖3(a)中,相較于大壩加高之前,加高后白河站月水溫平均升高0.7℃,最高水溫出現時間及回落時間延后,出現微弱的滯后現象。由圖3(b)可知,黃家港站水溫在大壩加高前后差異明顯,其最高月均水溫降低4℃;最低月均水溫小幅增高1.6℃;月均水溫最大差值于8月出現,相差4.1℃;加高后,水溫波幅明顯減小,水溫年變幅減小了5.62℃,呈現明顯均化現象,且水溫極值出現時間延后,出現“滯冷”和“滯溫”現象。圖3(c)所示襄陽站水溫在大壩加高前后無顯著變化,表明丹江口水庫對襄陽站年際水溫影響微弱。

圖3 大壩加高前后3站多年月均水溫對比

圖4 大壩加高前后黃家港站水溫-氣溫相關關系

丹江口大壩加高使水庫儲水量增大116億m3,水位升高,表層水體與空氣熱交換加快,而深層水體傳熱困難,夏季升溫與冬季降溫均較大壩加高前更慢。汛期來水量大,庫內水位較高,水溫分層顯著,而下泄水流量較大、溫度低,導致黃家港站水溫降溫明顯;非汛期來水量少,庫內水位較低,水溫雖有分層,但較汛期庫內溫差小,下泄流量少,故非汛期黃家港站水溫較大壩加高前僅有較小升溫。結合圖2和圖3(b)可知,夏季水溫降低量比冬季水溫升高量更多,因此,從年尺度來看黃家港站在大壩加高后水溫出現大幅降低現象。

總體來看,大壩加高后蓄水水位升高也加劇了水庫水溫分層,非季節性水流下泄,改變了壩下河道天然水溫,導致水溫與氣溫的相關性降低,加深了庫內水溫“高溫不高、低溫不低”的現象。

3.2 水溫指標變化分析

3.2.1年指標分析

以年為單位,通過基線偏離指標、相位偏移指標、極值變幅指標,計算丹江口水庫大壩加高前后水溫變化,結果如圖5所示。

圖5 年水溫評價指標

丹江口水庫大壩加高前(1975—2005年)3站基線偏離指標值的范圍為0～0.10(圖5(a)),波動幅度基本一致且顯著低于建庫后的指標值,說明水庫對河流水溫的影響大于天然狀態下水溫的調節。白河站位于丹江口水庫上游,作為入庫控制站,其水溫不受丹江口水庫調蓄影響,但由于漢江上游存在石泉、安康等水利樞紐,白河水溫亦會發生不同于天然河道的水溫波動,使基線偏離指標數值較天然狀態下偏大;黃家港站年基線偏離指標值在大壩加高期間有小幅上升,而在大壩加高后(2013—2019年)上升顯著并在2017年達到0.57,說明水庫運行使黃家港站下泄水溫與加高前基準條件下的水溫差異明顯且影響程度逐階段加深;襄陽站距丹江口水庫較遠,基線偏離指標變幅較小,表現為水庫對水溫的調節作用隨距離增大而逐漸減小,氣溫和支流河水匯入對其水溫影響更明顯,何力等[23]的研究也印證了此結論。

為量化丹江口水庫大壩加高后水溫集中期后移的時間,計算得圖5(b)所示的年相位偏移指標。大壩加高后,白河站受其他水利工程影響,相位偏移指標值呈現小幅度增長,水溫集中期后移16d;黃家港站水溫的偏移量為0～38d,大壩加高前、加高期間、加高后其相位偏移指標的平均值分別為0.02d、2.7d、23d,水溫集中期從大壩加高前的8月初,后移至8月下旬。襄陽站相位偏移指標值為0～8d,大壩加高后水溫集中期平均前移0.1d,由于其受水庫蓄水影響小,表現為自然因素對天然河道水溫波動的影響較大。

丹江口水庫大壩加高前3站水溫極值變幅指標值均在1.0附近波動(圖5(c));2006年后,極值變幅指標值有降低趨勢并基本維持在1.0以下,水溫初步呈現均化現象。而黃家港站極值變幅指標值逐年降低,2013—2019年水溫極值變幅指標值降低了22.3%,均化程度加深,說明丹江口水庫調節能力較強,對其下游河道水溫影響明顯。白河、襄陽兩站指標值也有不同程度的降低,襄陽站降幅相對較小。

3.2.2季指標分析

a.季基線偏離指標。采用式(2)進行季基線偏離指標計算,得到不同季節的基線偏離指標值如圖6所示。1975—2012年,各站四季指標值均低于0.36。2013年后,按不同季節進行分析,夏季、冬季的基線偏離程度有逐年增大趨勢,水溫在夏季受到較大影響。按水文站進行分類分析,白河站冬季水溫升高,變化最大,襄陽站各季節變化最小,而黃家港站水溫受大壩加高影響最為明顯。黃家港站在2013年之前各季節的基線偏離指標值均穩定在0.04以下,而大壩加高后,春秋冬三季水庫穩定蓄水放水,其基線偏離指標值變化比白河站小,但夏季為漢江流域豐水期,入庫水量大,水位增加,水庫下層低溫水下泄導致該站水溫降低,基線偏離指標值達0.38,對比大壩加高前發生了較大波動。

b.季相位偏移指標。表1為大壩加高期間、大壩加高后3站各季節水溫集中期平均偏移時間的對比結果。按季節來看,3站春季相位偏移時間最小,水溫變化穩定,夏季相位偏移時間最大,冬季水溫變化幅度較小且在大壩加高后均有不同程度的集中期后移,表現為滯遲現象;按水文站來看,白河站冬夏兩季集中期后移較為明顯、春秋兩季變化不大,襄陽站水溫呈現整體穩定的小幅波動,而黃家港站水溫集中期變化在3站中最明顯,其四季相較于大壩加高期間分別后移了1.6d、9.5d、8.5d、3.9d,夏季滯冷現象顯著。

c.季極值變幅指標。以大壩加高前為基準值,繪制圖7所示極值變幅指標季節熱力圖?？傮w來看,大壩加高后相位偏移指標值均有所降低,表現為季水溫最高值與最低值間的差值減小,均化作用明顯。春夏兩季變化幅度最明顯,秋季次之。通過大壩加高前后對比,白河站水溫溫差減小;黃家港站極值變幅指標值在大壩加高前、加高期間、加高后呈階段性變化,加高后其值的下降幅度最大且均維持在1以下,春夏兩季尤為明顯;襄陽站極值變幅指標值小幅降低,但由于受丹江口水庫蓄水影響小,實際水溫變化不大。

圖7 3站季極值變幅指標對比

3.3 生態影響分析

漢江是產漂流性卵魚類的重要分布水域,為探究丹江口水庫大壩加高前后水溫的變化對銀鮈生長繁殖的影響,對5月中旬至8月上旬的銀鮈繁殖期內[24]水溫相位偏移時間進行計算,結果如圖8所示(相位推遲為正值,相位超前為負值),大壩加高后,2013—2019年白河站、黃家港站、襄陽站水溫集中期平均向后推遲了5.1d、1.9d、3.9d,總體來看,水庫下游銀鮈產卵占魚類產卵總量的比例受影響不大,而其在上游的產卵量將可能發生改變。

圖8 3站5月中旬至8月上旬相位偏移指標

經上文分析,黃家港站受丹江口水庫大壩加高影響最明顯,對比黃家港站年(1月1日—12月31日)、夏季(6月1日—8月31日)、銀鮈繁殖期(5月11日—8月10日)3種時間尺度3個時間段的水溫集中期,發現與大壩加高完成前相比,2013年及以后時段的水溫集中期均有后移。年尺度水溫集中期受影響最大,從8月上旬后移至8月下旬;夏季、銀鮈繁殖期2個時段內水溫分布情況及持續升溫的變化趨勢年際相差小,以致大壩加高后的水溫集中期雖然有后移情況,但變化較小。

4 結 論

a.丹江口水庫對下游生態影響具有長期性和復雜性,大壩加高后壩下水溫已發生顯著變化。丹江口水庫大壩加高后,水溫極值變幅指標呈下降趨勢,均化效應顯著。水溫極值出現時間延后,存在“滯冷”和“滯溫”現象。

b.年水溫評價指標的計算結果顯示了水溫的滯遲與均化作用,但相較于年指標分析,季指標分析更能清晰地區分出年內水溫受影響最大的時段,表示出季節性波動與季節間對比。

c.大壩加高對漢江中游水溫的影響與距離密切相關,顯著改變了黃家港站水溫情勢,使其水溫集中期滯后約23d,而對襄陽站水溫的改變程度較小。