來流變化條件下溪洛渡水庫生態(tài)調度期水溫分層特性研究

戴凌全, 張青森, 任玉峰, 陳 磊, 姜 偉, 戴會超, 湯正陽

(1.中國長江三峽集團有限公司長江生態(tài)環(huán)境工程研究中心, 北京 100038; 2.三峽工程魚類資源保護湖北省重點實驗室, 湖北 宜昌443100; 3.三峽水庫生態(tài)系統(tǒng)湖北省野外科學觀測研究站, 湖北 宜昌 443002;4.中國長江電力股份有限公司智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室, 湖北 宜昌 443133)

1 研究背景

大型水庫建成后由于水動力條件的改變,庫區(qū)可能會出現水溫分層現象,如果不采取相應的生態(tài)保護措施,下游河段很有可能出現春秋季水溫降低、冬季水溫升高的現象[1-3]。水溫變化對水生生物及淡水生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義[4-6],已有研究表明水溫分層型水庫運行后將改變下游河道水溫分布規(guī)律,使得春季下游水溫升溫推遲[7-8]。溪洛渡-向家壩梯級水庫下游為長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū),保護區(qū)內分布有多種產黏沉性卵魚類,如長江鱘(達氏鱘)、胭脂魚、裂腹魚等[9]。對于產黏沉性卵魚類,水溫是其產卵繁殖的一個重要因素[10],在適宜的溫度范圍內,水溫與產卵繁殖率和魚卵的孵化率呈正相關,若水溫低于或高于魚類產卵的適宜水溫,魚類的產卵繁殖行為則會減弱[11-13]。梯級水庫的運行對下游魚類產卵繁殖棲息地會產生一定的影響[14-16],為保障下游河段產黏沉性卵魚類產卵時的適宜水溫條件,溪洛渡水庫于2017年開始實施水溫生態(tài)調度試驗,通過操作疊梁門調節(jié)下泄水水溫,利用調度手段創(chuàng)造適合魚類產卵繁殖所需的水文條件[17],充分發(fā)揮水利工程的綜合生態(tài)效應。

已有研究成果對溪洛渡庫區(qū)的水溫模擬及分析多集中在水庫蓄水初期,如謝奇珂等[18]、龍良紅等[19]、劉有志等[20]通過建立庫區(qū)的水溫模型,揭示了溪洛渡水庫蓄水初期水溫的年內變化規(guī)律;任實等[21]、程帥等[22]、李雨等[23]分別基于2014—2015、2016—2017、2017—2018年實測斷面水溫數據系統(tǒng)分析了溪洛渡水庫蓄水初期垂向水溫結構及沿程水溫分布。溪洛渡水庫上游的烏東德水電站于2020年1月15日下閘蓄水,并于5月6日蓄水至945 m水位,白鶴灘水電站也于2021年4月6日下閘蓄水[24]。隨著烏東德、白鶴灘水電站的相繼建設運行,溪洛渡水庫的入庫流量和水溫相對其蓄水初期發(fā)生了變化,為探明來流變化情況下溪洛渡水庫生態(tài)調度期水溫垂向分布特性及下泄水水溫的變化趨勢,需對庫區(qū)水溫結構進行準確預測。常見的關于大型水庫水溫空間分布特性和動態(tài)變化的主要研究模型包括WRE(Water Resource Engineering,Inc.)模型、CE-QUAL-W2模型、ELCOM模型、EFDC(environmental fluid dynamics code)模型和MIKE3模型等[25]。其中二維垂向水動力水質模型CE-QUAL-W2基于假定水體橫向流動狀況相同,對相對狹長的水庫水溫方面的模擬效果較好[26]。

現有的研究資料顯示,隨著烏東德-白鶴灘梯級電站陸續(xù)建成蓄水,金沙江下游4級水電開發(fā)格局正式形成后,針對溪洛渡水庫的水溫結構的研究尚少。因此,本文通過建立溪洛渡水庫的立面二維水溫模型,并利用實測數據來驗證模型,進而分析上游水庫運行后溪洛渡水庫生態(tài)調度期的水溫垂向分布特性,研究成果可為溪洛渡水庫后續(xù)的水溫生態(tài)調度試驗方案提供參考。

2 研究區(qū)域概況和研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

金沙江下游水能資源的富集程度堪稱世界之最,河道全長約768 km,自然落差712.6 m,平均比降為0.093%[27-28],金沙江下游4級梯級水電站分布如圖1所示。梯級水庫群的建設與運行對河流生態(tài)的影響將進一步加深,如導致魚類洄游阻隔、自然繁殖推遲等。溪洛渡水電站是金沙江下游4級水電開發(fā)的第3個梯級,位于向家壩壩上157 km,壩址處多年平均流量為4 570 m3/s,壩址以上流域面積為45.44×104km2,占金沙江流域總面積的96%。溪洛渡水庫正常蓄水位為600 m,死水位為540 m,最大壩高285.5 m[29]。為減緩梯級水電站運行對河流生態(tài)環(huán)境的不利影響,同時滿足環(huán)境保護部提出的開展梯級電站聯(lián)合生態(tài)調度方案的要求,溪洛渡電站左、右岸進水口各設置了4層疊梁門,每層高度為12.0 m。為更好地維護金沙江下游與長江上游川江段的重要生態(tài)功能,中國長江三峽集團自2017年起已經開展了數次生態(tài)調度。疊梁門的使用在一定程度上緩解了下泄水流水溫低的問題,創(chuàng)造了有利于下游保護區(qū)魚類產卵繁殖的條件,已有研究表明生態(tài)調度期間和調度結束后一段時間下游魚類的產卵量呈明顯的上升趨勢[30-31]。

圖1 研究區(qū)域示意圖

2.2 研究方法

2.2.1 水溫現場監(jiān)測 本研究以馮家坪監(jiān)測斷面水溫作為溪洛渡水庫的入庫水溫,馮家坪監(jiān)測斷面位于白鶴灘壩下12 km處,監(jiān)測方式依托水溫自動監(jiān)測及記錄設備,每日3段3次觀測(8:00、14:00、20:00),監(jiān)測精度為0.01 ℃。壩前垂向水溫監(jiān)測采用常規(guī)人工監(jiān)測,即每月中旬在溪洛渡水庫壩前斷面進行人工測量,深層水溫使用SVP、HY1200B型高精度聲速儀觀測,觀測精度為0.01 ℃。觀測垂線和觀測點采用GPS進行平面定位,觀測垂線布置在觀測斷面的中心位置,近表層測點在觀測垂線上按照0.5、1、2、3、4、5 m深度布置,5 m水深以下按5 m間隔布置測點。溪洛渡水庫壩前水溫觀測深度約為185 m,觀測時以小于1 m/s的速度均勻下放和回收儀器,取相同深度兩次測量值的平均數為觀測值。

2.2.2 水溫數值模型 數值模擬是水庫水溫研究中最常用的方法,該方法能夠反映水庫水溫的動態(tài)變化過程,特別是對于單一水庫垂向水溫的研究,目前大多數模型都具有較高的模擬精度。金沙江下游溪洛渡水庫全長約200 km,水面最寬處約1.5 km,壩前最大水深為235.9 m,是典型的狹長型水庫。對于沿河流縱向尺度較大和橫向寬度相對較窄的水庫,采用橫向平均的立面二維水溫數值模型是相對較好的選擇[32],該模型方程包括連續(xù)性方程和動量方程,方程的求解過程基于流體為不可壓縮流體假定和Boussinnesq假定[33]。模型在水體表面熱交換計算時考慮通過水體表面的熱交換凈熱量、太陽短波輻射、大氣長波輻射、蒸發(fā)熱損失等。

連續(xù)性方程為:

(1)

式中:U、W分別為x、z方向的流速,m/s;q為側向單位體積入流或出流,m3/(s·m3);B為水面寬度,m。

x方向動量方程為:

(2)

由于計算時假定橫向平均,忽略水體的橫向差異,z方向動量方程為:

(3)

式中:g為重力加速度,m/s2;α為河底與水平線夾角,(°);η為水面高程,m;τxx、τxz分別為控制體在x面x向、z面x向的湍流剪應力,N/m2;ρ為水體密度,kg/m3;Ux=Ucosβ,根據河道方向計算得出,m/s;P為z方向上的壓強,Pa。

湍流模型中通常采用的計算垂向渦流黏滯系數的公式為:

(4)

lm=Δzmax

(5)

式中:Az為水體垂向渦流黏滯系數,m2/s; к為范卡門常數;lm為混合長度,m;u為水體垂向流速,m/s;z為垂向坐標,m;τwy為因風力而產生的橫向剪應力,N/m2;k為波數;τytributary為因支流匯入而產生的橫向剪應力,N/m2; e為自然常數;Ri為理查德數,在水體沒有分層的區(qū)域,Ri=0,對于存在強分層的區(qū)域,Ri變大;Δzmax為水體垂向網格間距的最大值,m;C=0.15。

3 溪洛渡水庫立面二維水溫模型的構建

3.1 模型網格劃分

溪洛渡水庫回水區(qū)長度約200 km,基于實測地形斷面資料將研究區(qū)域劃分為191×125(縱向×垂向)個矩形單元,共11 902個計算網格,縱向網格單元長度在462.8～2 634.6 m之間,縱向共191個斷面(包括1、191兩個虛擬斷面)。模型計算過程中最大層數包括底表虛擬層在內共125層,編號自上至下依次為1～125(1、125層為虛擬層),每層厚度設置為2 m,底部高程設置為364 m。模型運行時頂部高程應適當高于溪洛渡水庫正常蓄水位,最終設置為610 m。網格生成后的平面圖、縱剖面圖、典型橫剖面圖(溪洛渡壩前1.09 km第189斷面)如圖2所示。

圖2 溪洛渡水庫水溫模型網格劃分示意圖

3.2 邊界條件

水動力模型開邊界分別為上游溪洛渡入庫斷面和下游溪洛渡出庫斷面,溪洛渡入庫水溫選取馮家坪監(jiān)測斷面水溫。上邊界入庫斷面和下邊界出庫斷面的流量、水溫分別選取2021年1月15日—4月30日實測流量、水溫。在模擬時段內,溪洛渡水庫入庫流量在262～3 450 m3/s之間,出庫流量在1 160～3 180 m3/s之間,入庫水溫在15.05～17.48 ℃之間。氣象條件方面,露點溫度采用相對濕度和平均氣溫計算得出,氣溫、相對濕度、風速等數據來自國家氣象科學數據中心雷波站。在模擬時段內,雷波站相對濕度在62.97%～93.21%之間,平均氣溫在1.48～20.88 ℃之間。模擬時段模型邊界條件如圖3所示。

圖3 2021年1月15日—4月30日模擬時段模型邊界條件

3.3 參數敏感性分析及驗證

3.3.1 參數敏感性分析 在模型運行過程中,對庫區(qū)垂向水溫可能產生影響的系數有6項[34-35]。數次試算結果表明,不同動力遮蔽系數(dynamic shielding coefficient,DSC)和不同風遮蔽系數(wind shielding coefficient,WSC)的變化會顯著影響壩前的垂向水溫分布。如圖4所示,動力遮蔽系數與壩前的垂向水溫呈正相關性,動力遮蔽系數越大則壩前的垂向水溫越高;風遮蔽系數與壩前的垂向水溫呈負相關性,風遮蔽系數越大則壩前的垂向水溫越低。通過與實測值進行比較率定,最終選取動力遮蔽系數為0.8,選取風遮蔽系數為1.5,其余參數在計算過程中對庫區(qū)垂向水溫的影響不明顯,取模型推薦的數值。

圖4 不同動力遮蔽系數(DSC)和風遮蔽系數(WSC)對壩前斷面水溫的影響

3.3.2 模型驗證 地形網格方面,利用模型生成的地形網格模擬溪洛渡水庫水動力過程,將庫水位-庫容關系模擬值與實際曲線進行對比驗證,結果如圖5所示。庫容模擬值與實際值絕對平均誤差(MAE)為0.084×108m3、均方根誤差(RMSE)為0.152×108m3、擬合優(yōu)度(R2)為0.98。由此可見,基于實測地形斷面資料對溪洛渡水庫庫區(qū)進行的網格劃分,總體上能夠較為精確地模擬出庫區(qū)的實際地形條件,可作為后續(xù)水溫模型的基礎數據。

圖5 溪洛渡庫水位-庫容關系模擬值與實際曲線對比

水溫模擬方面,2月中旬、3月中旬、4月中旬壩前斷面垂向水溫分布的模擬值與實測值對比如圖6所示。由圖6可以看出,模型準確反映了溪洛渡水庫壩前水溫的垂向變化趨勢。經計算得出:2月中旬水溫模擬值與實際值MAE為0.035 ℃、RMSE為0.002 ℃;3月中旬水溫模擬值與實際值MAE為0.047 ℃、RMSE為0.011 ℃;4月中旬水溫模擬值與實際值MAE為0.037 ℃、RMSE為0.029 ℃。表明選用的水溫數值模擬模型可用于對溪洛渡庫區(qū)實際水溫的分析。

圖6 溪洛渡水庫壩前斷面垂向水溫模擬值與實測值對比

4 結果與分析

2021年溪洛渡水庫1—2月氣溫相對較低,壩前垂向水溫基本呈等溫結構,1月壩前垂向平均水溫為15.67 ℃,2月壩前垂向平均水溫為14.87 ℃,日均垂向溫差小于0.20 ℃。

因此,本文在溪洛渡水庫2021年生態(tài)調度期內選取典型日期:3中旬(3月15日)、4月初(4月1日)、4月中旬(4月15日)、4月末(4月30日)對庫區(qū)水溫分布進行分析。

4.1 庫區(qū)水溫分布

2021年典型日期溪洛渡水庫庫區(qū)立面二維水溫分布模擬結果見圖7。

圖7 2021年典型日期溪洛渡水庫庫區(qū)立面二維水溫分布

3月15日壩前水位為583.27 m,垂向平均水溫為14.85 ℃,表層水溫為15.46 ℃,泄水口高程518 m處水溫為14.80 ℃,水體表底垂向溫差為0.72 ℃,如圖7(a)所示。3月下旬水庫維持較高水位運行,壩前平均水位為584.71 m,表層水溫在15.46～16.71 ℃之間變化,泄水口高程518 m處水溫在14.79～15.04 ℃之間變化。表底最大垂向溫差出現在3月31日,為2.02 ℃,垂向溫度梯度在0.10 ℃/m以內。

4月1日壩前水位為585.28 m,垂向平均水溫為15.07 ℃,表層水溫為16.93 ℃,泄水口518 m處水溫較低,為15.00 ℃,水體表底垂向溫差為2.29 ℃,如圖7(b)所示。4月上旬水庫平均水位為580.18 m,表層水溫在16.36～17.04 ℃之間變化,泄水口518 m處水溫在14.89～15.71 ℃之間變化。表底最大垂向溫差出現在4月5日,為2.41 ℃,垂向溫度梯度在0.15 ℃/m以內。

4月15日壩前水位為574.35 m,垂向平均水溫為15.14 ℃,表層水溫為16.59 ℃,泄水口518 m處水溫為15.71 ℃,水體表底垂向溫差為2.07 ℃,如圖7(c)所示。4月下旬水庫平均水位為570.31 m,表層水溫在16.63 ～17.36 ℃之間變化,泄水口518 m處水溫在15.70～16.20 ℃之間變化。表底最大垂向溫差出現在4月29日,為2.81 ℃,垂向溫度梯度在0.15 ℃/m以內。

4月30日壩前垂向平均水溫為15.28 ℃,表層水溫為17.38 ℃,泄水口518 m處水溫為16.20 ℃,水體表底垂向溫差為2.78 ℃,如圖7(d)所示。

總體來看,溪洛渡水庫在2021年生態(tài)調度期間壩前水溫于3月中旬開始出現表底溫差,4月下旬垂向表底溫差略有增加,垂向最大溫度梯度在0.15 ℃/m以內。

4.2 下泄水水溫變化過程

《金沙江溪洛渡水電站環(huán)境影響報告書》中指出,溪洛渡水電站建成后下泄的低溫水對魚類的直接影響導致了其產卵繁殖時間推遲、當年的幼魚生長周期縮短、個體變小等問題。水電站運行后,下泄水水溫主要取決于壩前垂向水溫分布結構以及泄水口的高程[36]。為了分析不同泄水口高程對下泄水水溫的影響,基于2021年生態(tài)調度期間(3月15日— 4月30日)溪洛渡水庫的水位流量變化過程,分別設置2種工況:無疊梁門擋水工況(泄水高程為518 m)和1層疊梁門擋水工況(泄水高程為530 m)。運用上述率定好的水溫模型分別模擬不同泄水高程下的下泄水水溫,通過計算,不同泄水口高程水庫下泄水水溫變化過程如圖8所示。

圖8 不同泄水口高程溪洛渡水庫下泄水水溫變化過程

由圖8可知,不同泄水口高程的下泄水水溫總體隨時間均呈升高趨勢,當水庫無疊梁門擋水運行時,在模擬時段內下泄水水溫在14.80～16.25 ℃之間變化,平均下泄水水溫為15.41 ℃;當設置1層疊梁門穩(wěn)定運行時,在模擬時段內下泄水水溫在14.81～16.53 ℃之間變化,平均下泄水水溫為15.54 ℃。通過比較兩種工況下水庫下泄水水溫變化過程可知,當水庫設置1層疊梁門穩(wěn)定運行時模擬時段內的平均下泄水水溫提高了0.13 ℃。

5 討 論

為探明來流變化情況下溪洛渡水庫生態(tài)調度期水溫分層特性及下泄水水溫的變化趨勢,本文采用了水溫現場監(jiān)測和水溫數值模擬的研究方法,建立了溪洛渡水庫的精細化水溫計算模型。基于實測地形、水溫等數據進行了模型邊界約束條件設置和模型參數率定,模型的驗證結果表明,該模型能夠準確、連續(xù)地模擬出溪洛渡水庫在生態(tài)調度時期庫區(qū)的立面二維水溫分布規(guī)律,可用于分析不同泄水口高程對下泄水水溫的影響。

從溪洛渡壩前垂向水溫分布規(guī)律的多年監(jiān)測數據來看,2017和2019年的3月未出現分層,2017年4月、2018年3月和2019年4月出現弱分層,2018年4月出現明顯分層[7],2021年生態(tài)調度期間,在3月下旬出現弱分層,4月上旬及4月下旬均出現明顯分層。壩前表底水溫溫差方面,4月下旬表底垂向最大溫差為2.81 ℃,與蓄水初期2014年4月溪洛渡壩前表底垂向最大溫差6.90 ℃[21]相比,垂向溫差減小了4.09 ℃。從溪洛渡水庫溫躍層變化情況來看,溫躍層隨著時間逐漸下移,這與溪洛渡水庫蓄水初期已有的研究成果一致[19]。從溪洛渡出庫水溫變化來看,2018年溪洛渡水庫單層疊梁門穩(wěn)定泄水運行時,壩下水溫最大提高約0.40 ℃[23],本文通過模擬得出2021年溪洛渡單層疊梁門穩(wěn)定運行時,壩下水溫最大提高約0.30 ℃。溪洛渡水庫壩址處3、4月天然水溫分別為14.30、17.80 ℃,2021年生態(tài)調度期間,3月平均下泄水水溫較天然水溫降低了0.50 ℃,4月平均下泄水水溫較天然水溫降低了2.20 ℃。水庫下泄水水溫不僅與壩前水溫的垂向分布結構及水庫的調度運行方式有關,還與水庫的入庫流量、入庫水水溫以及氣象條件密切相關。在溪洛渡水電站生態(tài)調度試驗中,建議結合后續(xù)的水溫監(jiān)測成果,在壩前水溫分層明顯時段開展調度,并且在生態(tài)調度期間延長疊梁門使用時間或依據實時水位情況啟用多層疊梁門,以提升對下泄水水溫的改善效果,最大程度上創(chuàng)造適合下游魚類產卵繁殖所需的水文條件,緩解水利工程對流域生態(tài)環(huán)境產生的不利影響。同時由于上游白鶴灘水電站目前還處于蓄水發(fā)電初期,該電站穩(wěn)定運行后溪洛渡水庫壩前垂向水溫結構及下泄水水溫的規(guī)律仍有待進一步研究。

6 結 論

(1)基于現場實測數據建立溪洛渡庫區(qū)的立面二維水溫模型,并對模型進行了邊界約束條件設置和模型參數率定,驗證結果表明選用的水溫數值模型模擬結果可靠。

(2)溪洛渡水庫2021年生態(tài)調度期間,3月下旬表層水溫在15.46～16.71 ℃之間變化,表底最大垂向溫差為2.02 ℃,垂向溫度梯度在0.10 ℃/m以內;4月上旬水庫表層水溫在16.36～17.04 ℃之間變化,表底最大垂向溫差為2.41 ℃,垂向溫度梯度在0.15 ℃/m以內;4月下旬表層水溫在16.63～17.36 ℃之間變化,壩前水溫表底溫差略有增加,表底最大垂向溫差為2.81 ℃,垂向溫度梯度在0.15 ℃/m以內。

(3)通過比較無疊梁門與1層疊梁門運行工況下水庫下泄水水溫的變化過程,得出不同工況的下泄水水溫總體隨時間均呈升高趨勢,當設置1層疊梁門穩(wěn)定運行時,模擬時段內的下泄水水溫平均提高了0.13 ℃。