亭子口水庫壩前水溫分層結構及壩下水溫節律研究

摘要：為探究大型水庫壩前水溫分層結構及出庫水溫在壩下河道的演化規律，以亭子口水庫為研究對象，于2021～2023年對水庫壩前水溫及下泄水溫開展了高頻原型觀測。結果表明：① 亭子口水庫為季節分層型水庫，夏季分層現象顯著，7～9月出現穩定雙溫躍層現象，2021年秋季入庫流量的劇增加強了水體的垂向混摻，顯著破壞水體熱分層結構；② 表層水溫日變幅主要受氣溫影響，深層水體水溫日變幅主要受溫躍層內波影響，出流日調節引起的溫躍層內波導致最大日變幅位置向深水處移動；③ 溫躍層深度隨季節發生變化，溫躍層厚度變化趨勢與深度相反，表層水溫與分層穩定性指數（SI）呈現顯著正相關關系；④ 亭子口水庫運行后下泄水溫及壩下蒼溪水文站水溫在4～6月表現出明顯“滯溫”現象，其余月份表現出“滯冷”現象，蒼溪水文站水溫較氣溫變化滯后約44 d，到達特征水溫18 ℃時間較天然過程延遲16 d；⑤ 蒼溪航電樞紐成庫后減緩了亭子口水庫出庫水流的流動，對壩下水溫恢復有正效應。研究成果可為優化水庫調度和分層取水措施提供參考。

關 鍵 詞：水溫分層結構； 溫躍層； 壩下水溫； 日變化； 原型觀測； 航電樞紐工程； 亭子口水庫

中圖法分類號： TV697.2+5 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.03.009

0 引 言

高壩大庫對自然河流的阻斷，使水體在垂向上對流擴散變慢，自凈能力減弱，同時造成水位抬高、流速降低、水力停留時間延長、局部氣候和水體熱量分配變化等，引起水庫水溫的多重變化［1-2］。水溫對水生態系統有著關鍵的影響，筑壩蓄水導致水庫水溫在垂向上有較為明顯的分層以及低溫水下泄現象，而且在梯級水電開發下，水溫變化過程在時間和空間上產生累積效應，對某些魚類生存、產卵繁殖及灌溉農作物的產量造成不利影響［3-4］。

原型觀測作為最直接獲取數據的一種方式，可以直觀地體現電站建設對河道水溫的影響及水溫分布狀況，是理論研究和工程實踐的基礎。中國對水庫水溫的研究起步晚于國外，對水庫水溫的觀測開始于1954年的豐滿水庫，20世紀60年代才在大、中型水庫逐漸展開，觀測目的多為工程的維護管理［5］。隨著國內越來越多高壩大庫的建設，水庫水溫帶來的環境問題變得越發突出，為進一步了解水溫的動態變化、探討水溫的內在規律，許多學者開始對水庫及河道的水溫進行觀測。脫友才等［5］基于原型觀測成果，探討了寒冷地區季節性結冰水庫的熱力學變化規律。周晨陽等［6］對瀑布溝水庫開展水溫原型觀測，為分析水庫不同季節的水溫結構變化規律及壩址上下游的熱力關系提供了數據支撐。魏浪等［7］對龍灘水庫壩前水溫進行觀測，分析得到氣溫和太陽輻射是影響水溫結構日變化的主要因素，其影響深度與季節相關。畢曉靜等［8］基于功果橋水庫水溫的觀測資料分析了電站對壩下河道水溫的影響。目前，國內關于水溫分層及下泄水溫影響的研究成果較為豐富［9-14］，研究成果主要集中于高壩建設對庫溫及下泄水溫的影響這兩個方面，關于航電樞紐工程引起的水溫變化的研究還較為缺乏。此外，針對水溫日變化規律的研究成果還存在不足，開展長期、高頻的監測對在更小時間尺度上理解和分析水庫及下游水溫變化過程有重要意義。

亭子口水利樞紐作為嘉陵江干流調節能力較強的控制性工程，下游存在蒼溪、沙溪場等15個中低水頭航電樞紐工程，其壩前溫度分層結構及壩下水溫的演變規律缺乏系統的研究，且下游航電樞紐工程對水溫恢復的作用尚不清楚。為此，為明晰亭子口水庫水溫演變特征，于2021年4月至2023年6月對水庫壩前及下泄水溫進行高頻原型觀測，并對其水溫演化規律進行了深入分析。目前灌區二期工程仍在前期準備階段，本研究可為加深認識大型蓄水灌溉工程的水溫結構特征，優化水庫調度和分層取水措施提供重要借鑒。

1 原型觀測

1.1 觀測對象

嘉陵江亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內（圖1），壩址上距廣元市區160 km，下距蒼溪縣城15 km，為嘉陵江干流廣元至蒼溪河段梯級開發的第三級，壩址控制流域面積61 089 km2，占嘉陵江流域總面積的38.2%，屬于狹長河道型水庫。壩址多年平均流量603 m3/s，正常蓄水位458.00 m，相應庫容34.68億m3，校核洪水位463.05 m，總庫容40.65億m3，防洪庫容10.6億～14.4億m3。根據庫水交換次數法，可判斷亭子口屬于分層型水庫。下游蒼溪航電樞紐工程為亭子口電站反調節梯級，下距蒼溪縣城3 km，正常蓄水位373.00 m，死水位372.60 m，相應日調節庫容230萬m3。

1.2 觀測方案及數據收集

為研究亭子口水庫庫區及壩下水溫變化規律及特征，于2021年4月至2023年6月在壩前距離大壩40 m處布設浮動式溫度鏈，在壩后電站尾水處（壩下940 m處）布置1個監測點位，對壩前垂向水溫和下泄水溫進行連續監測。垂向溫度鏈的長度約為65 m，表層第一個傳感器位于水下0.5 m，此后按2 m間距至水下20 m布設水溫傳感器，在水下20～65 m范圍內按5 m間距布設水溫傳感器（圖2）。水溫傳感器測量精度為±0.1 ℃，采樣頻次為每小時1次。下泄水溫連續觀測采用四川大學與杭州路格科技有限公司聯合研發的在線遠程傳輸水溫記錄系統LGSC，溫度測量精度為±0.1 ℃，觀測頻次為每小時1次。

2012年受亭子口電站施工影響，亭子口水文站由壩址上游13.8 km的位置下移27.9 km至蒼溪水文站，從水文年鑒中獲取亭子口水文站2010～2012年逐日水溫及蒼溪水文站2013年至2023年2月逐日水溫，從中國氣象數據網獲取蒼溪氣象站2010～2022年逐日氣溫及監測時段的逐時氣溫，亭子口水庫的入庫流量、出庫流量和壩前水位由水庫運營方提供，數據頻率為24 h。

2 統計分析方法

2.1 小波分析方法

對給定的能量有限信號f（t）∈L2（R），連續小波變換定義為

式中：參數a和b分別是時間尺度因子和時間位置因子；φt-ba為φt-ba的復共軛函數。

3 壩前水溫分層結構特征

3.1 年內變化規律

圖4為逐日平均壩前水溫監測成果。整體來看，壩前水溫隨氣候的變化呈現周期性變化，在2021年4～9月、2022年3～12月、2023年3月中旬至6月出現不同程度的分層結構。2021年4～6月為升溫期，表層水由于太陽輻射增加變暖，而水庫的深層水體由于水的透光性差、傳熱難，只能靠與上層水的熱傳導和水庫的放水來增加溫度，溫升較慢，垂向表底溫差逐漸增大至16.4 ℃，壩前水溫出現分層結構。同時，水面接收的熱量繼續向較深的水層擴散，底部滯溫層的厚度逐漸減小。7月處于高溫期，水庫表層水體從大氣獲得較多熱量，且該時段流量較大，入庫洪水引起的動力摻混使得水庫表層形成一定厚度的同溫層，水溫穩定分層，在水下2～8 m及34～54 m形成雙溫躍層，水庫水溫呈現上部同溫層-上部溫躍層-中部同溫層-下部溫躍層-底部滯溫層的結構，平均溫度梯度為0.27 ℃/m。8月水溫分層現象最為顯著，垂向溫度梯度明顯增大，在水下37 m左右達到峰值1.5 ℃/m，雙溫躍層結構開始減弱。9月隨著太陽輻射和氣溫的降低，庫表進入失熱狀態，表層水溫下降發生垂向密度對流，導致表層一定深度同溫，出現底層溫躍層并逐漸向庫底移動。10月進入秋汛期，入庫流量占全年的25.6%，較大徑流潛入庫區，水庫上下層水體間摻混強烈，10月5日底層水溫突然升高至18.5 ℃，整個水柱迅速趨于混合，水體呈垂向同溫結構。低溫期11月至次年3月，水庫持續處于失熱狀態，垂向密度對流占主導地位，壩前滯溫層區域完全消失，全庫處于同溫狀態。2022年及2023年水庫熱結構年內變化與2021年基本一致，明顯區別在于2022年的底層水溫未發生突變，10～12月仍存在溫躍層，從而推遲了水溫混合時間，直到次年1月壩前垂向水溫才達到同溫狀態。亭子口水庫在夏季水溫分層現象較為顯著，應重點關注夏季表層水溫變化對水庫水質的影響及發電、灌溉取水對河道魚類、灌區農作物可能帶來的不利影響。

3.2 日變化主要特征

3.2.1 水溫日變幅

水庫的熱結構受入流、出流和氣象條件等眾多因素影響［16-18］。在溫度分層、密度躍變的溫躍層內經常存在內波，內波運動可帶動水體中物質輸運，弱化分層，有利于抑制溫躍層的產生與發展［19］。庫區中氣溫、太陽輻射等多種因素以24 h為周期發生變化，但出流流量變化與內波的形成有最直接的聯系。日調節模式下，亭子口電站在日負荷低谷時段停止發電，承擔適當基荷；在日負荷高峰時段加大出力發電和下泄流量，擔任調峰任務。出流和入流的流量變化都會引起溫躍層波動，溫躍層中取水量增大會加速層內流動，進而提升溫躍層的位置，取水量減小后溫躍層則下降。因此出流日調節在取水口附近激起一個以晝夜為周期的波動，水庫水體受到不同程度擾動，引發水庫水溫不同幅度日變化。

受水庫調度、機組發電、氣象條件等混合因素影響，水溫日變化波動較大，監測時段內亭子口壩前不同深度水溫日變幅分布如表1所列。表層水溫日變幅值主要受氣溫影響，秋冬季表層水溫日變幅值變化均較平緩，春夏季由于氣溫較高，表層水溫日變幅值較大。而在水溫分層期間，溫躍層內波會對溫躍層內水溫日變幅造成一定影響。2021年4月溫躍層存在于水下2～21 m，這一水深范圍內水溫日變幅受氣溫和溫躍層內波的共同影響，變化范圍為0.8～1.0 ℃。5～6月，部分時段在水下2～10 m及25～45 m存在雙溫躍層，水下25～45 m內水溫日變幅主要受溫躍層內波影響，變化范圍為0.9～1.3 ℃。7～9月，受氣溫及汛期流量影響，水溫日變化幅度增大，最大日變幅位置下移。這一現象可能是由于上部同溫層厚度不斷增大，底部溫躍層下移，內波存在于能量最高的溫躍層，因而最大日變幅位置逐漸向更大水深處移動。10月1～4日，底部溫躍層進一步下移，水下60～70 m內水溫日變幅平均可達到2 ℃，導致水下60～70 m處水溫在10月日變幅增大。2021年11月至2022年2月及2023年1～2月，除表層水溫外，其余各深度的水溫日變幅均在0.3 ℃內。究其原因，冬季氣溫較低，對壩前水體影響深度有限，庫表水體降溫，密度增大，受浮力作用垂向對流作用增強，使得各層水體日變幅數值相差不大。與壩前水溫分層結構相對應，2022年及2023年水溫日變幅的年內變化與2021年基本一致，明顯區別在于2022年10～12月仍存在溫躍層，水下60～70 m處水溫日變幅增大。綜上所述，表層水溫日變幅主要受氣溫影響，而深層水體水溫日變幅主要受溫躍層內波影響。

3.2.2 水溫日變化極值

水溫的日變化主要取決于日內熱量收支各要素之間的平衡。從圖5可以看出，幾組序列共同功率譜峰值周期為24 h，從表層至水下10.5 m功率譜密度值逐漸變小，表層水溫受氣溫影響最大。圖6為2022年1、4、7月及10月平均表層水溫隨氣溫日變化過程。4月和7月氣溫日變幅較大，分別為9.6 ℃和8.7 ℃；而表層水溫變化曲線比氣溫變化曲線平緩很多，日變幅分別為0.8 ℃和0.7 ℃。而1月及10月氣溫日變幅較小，分別為4.9 ℃和5.2 ℃，表層水溫日變幅相應也較低，分別為0.2 ℃和0.4 ℃。這主要是因為水體有較大比熱容，白天可以吸收存儲大量熱量，即“熱匯”，在夜間冷卻期間，將儲存的熱量釋放出來，即“熱源”，水體的這種特性導致水體溫度曲線比較緩和。在4月及7月，水溫介于氣溫最高值與最低值之間。進一步分析發現，各月氣溫均在16：00達到最大值，春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）表層水溫最大值出現時間分別為17：00、14：00、15：00，冬季（1月）日內水溫變化不大，基本同溫，不存在水溫日極值。綜上所述，表層水溫結構日變化的影響因素主要是氣溫和太陽輻射，氣溫越高，表層水溫最大值出現時間越早。春季表層水溫最大值出現時間比氣溫稍晚，而夏季和秋季表層水溫最大值出現時間早于氣溫，分別提前2 h和1 h。分析原因，7月和10月處于豐水期，來流增加，可能受來流水溫影響，日內表層水溫最大值到達時間提前于氣溫。

3.3 熱分層特征

為定量表征亭子口水庫溫躍層的形成、消失和熱力分層現象，對監測時段溫躍層深度、厚度和分層穩定性指數3個特征量進行統計，結果如圖7所示，溫躍層隨著季節的變化呈現增強-穩定-減弱-消失的周期變化。溫躍層深度隨著季節交替進行有規律的變化。春夏兩季日照時間長、強度大，日氣溫變幅小，庫表水溫受影響小，溫躍層深度穩定；秋冬交替時節表層水溫隨氣溫下降，進入冬季氣溫和水溫均降至全年最低，垂向溫差減小，溫躍層深度較秋季增加，深度最大值出現在2022年12月，為71 m；春冬交替時節氣溫上升，垂向溫差增大，溫躍層深度開始減小。溫躍層厚度與深度變化趨勢相反，2021年6月4日達到最大值38.5 m。SI變化與氣溫相似，并有輕微波動，8月達到峰值，此時水庫分層最劇烈。

水庫調度通過影響水的滯留時間、水動力過程而對溫躍層產生影響［19-21］，對比溫躍層參數日變化過程，2021年及2022年9月下旬溫躍層深度發生突變，2021年較2022年提前約2個月溫躍層消失。7、8月太陽輻射、氣溫等處于全年較高水平形成表層溫躍層，同時較大入庫流量使流動層與底部水體間切應力加大從而加強了該區域的紊動，部分低溫水參與紊動換熱使得溫度提升，低溫水層被壓縮且與主流動層間形成下層溫躍層，底部溫躍層上移，厚度增加，水庫形成雙溫躍層結構。9月由于氣溫與太陽輻射下降，表層水溫度下降、密度升高，大的入庫流量使表層水體摻混能力加強，至下旬水下40 m內基本呈同溫分布，表層溫躍層消失，溫躍層深度迅速增加。隨著2021年10月5日汛期流量的進一步加大，更多底部低溫水因紊動而升溫，直至庫底水體全部參與紊動，導致秋季水體提前混合，顯著降低熱分層穩定性，壩前水溫處于垂向同溫狀態。由此可見，入庫流量會顯著改變水庫環境特征，汛期利用水量水質聯合調度在一定程度上可以改善水庫水質；其次，在溫躍層較深的時期，應注意庫底水溫和含氧量，避免因缺氧造成的魚類死亡。

基于上述數據，選擇2022年4月（熱分層開始出現）、7月（分層穩定）、10月（分層減弱）這3個典型月份分析不同階段表層水溫與熱分層參數之間的關系。圖8顯示表層水溫與溫躍層深度在7月及10月存在顯著的負相關關系；表層水溫與溫躍層厚度在4月及7月呈現顯著正相關關系；3個時期表層水溫與SI均呈現顯著正相關。由此表明表層水溫在分層開始階段對溫躍層深度的影響較小，在分層減弱階段對溫躍層厚度的影響相對有限。4月份表層水溫對溫躍層深度影響不顯著可能是由于氣溫較低，分層現象不是很明顯，溫躍層深度存在較大的波動和不確定性，來不及對水溫的快速變化作出響應。而10月水位較高，溫躍層存在于水下55～70 m，表層水溫對溫躍層厚度的影響相對較小。

4 壩下水溫節律變化

2013年亭子口水利樞紐下閘蓄水，為分析水庫建設對下泄水溫的影響，利用縱向一維數學模型結合2010～2012年亭子口水文站水溫得到亭子口壩址及蒼溪水文站2010～2012年逐日水溫，以2010～2012年平均水溫作為建庫前天然水溫。

4.1 蒼溪水文站歷史氣溫及水溫特征

根據收集到的蒼溪水文站長序列水溫資料，對2010～2022年蒼溪縣年均氣溫和蒼溪水文站年均水溫過程做M-K趨勢性及相關性分析，結果如圖9（a）所示。2010～2022年氣溫和水溫均呈上升趨勢，但M-K趨勢檢驗結果表明氣溫（|Z|=0.01lt;1.96）和水溫（|Z|=1.77lt;1.96）均無顯著變化趨勢。

圖9（b）給出了2010～2022年蒼溪縣氣溫和蒼溪水文站水溫年內過程。將2014～2022年蒼溪水文站平均水溫作為建庫后水溫，與推算得到的2010～2012年蒼溪水文站平均水溫進行對比，解析亭子口水庫和蒼溪航電工程建成后對壩下水溫的影響。亭子口水庫和蒼溪航電工程建成后，蒼溪水文站處在4～6月表現出“滯溫”現象，水溫較自然條件下最大減幅1.6 ℃，其余月份表現出“滯冷”現象，水溫較自然條件下最大增幅為2.7 ℃。建庫后年平均水溫由15.7 ℃提升為16.7 ℃，年內變幅由15.7 ℃降為14.2 ℃，年內總體溫度水平升高，水溫變幅降低。以升溫期蒼溪水文站水溫到達18 ℃（部分魚類起始繁殖）的時間作為統計指標，量化升溫期壩下水溫的延遲效應，建庫后（2014～2022年）特征水溫到達時間為5月24日，較天然水溫延遲了16 d。

水溫的變化類似于氣溫，年際間具有差異和波動性的變化特征，為探究氣溫和壩下水溫之間的波動關聯性，利用Morlet小波變換對2010～2022年的逐日氣溫和水溫過程進行處理，結果如圖10所示。整個時域內，氣溫和水溫周期變化規律一致，兩者均在400～700 d時間尺度上表現為明顯的正負相位交替，其中氣溫和水溫尺度中心均位于a=554 d附近。對比氣溫和水溫序列的方差，峰值均對應554 d，說明兩序列554 d左右的周期振蕩最強，兩者在頻域上波動強度有一致的變化過程，氣溫的波動強度始終比水溫大。對兩序列主周期在全時域實部過程進行對比，2010～2012年兩序列主周期在時域上有較為一致的相位變化規律，2014～2022年水溫的升降明顯滯后于氣溫變化。

4.2 蒼溪水文站水溫與氣溫的響應關系

小波變換結果顯示氣溫和水溫均存在約為554 d的主振蕩周期，因此可以對氣溫和水溫進行交叉小波變換及小波相干分析，確定兩者的相關性及時滯關系。從圖11（a）可以看出兩序列通過顯著性檢驗的主共振周期為256～512 d，在此頻段上有顯著共振關系，振蕩的凝聚性最強。建庫前（2010～2012年）交叉譜中黃色區域的箭頭全部指向右方，說明氣溫與水溫在此頻段上表現出同相位的顯著關系；建庫后（2014～2022年）箭頭指向右下方，表示兩序列在該共振周期內呈正相關，水溫較氣溫變化相位延遲0.35～0.58 rad，延遲時間約31～51 d，平均延遲44 d。圖11（b）顯示兩序列存在203～645 d時間尺度的共有周期，在全時域內呈顯著正相關關系，平均相關系數為0.9，建庫后壩下水溫較氣溫相位延遲0.20～0.68 rad，延遲時長約為18～60 d，平均延遲44 d。小波分析結果表明建庫前水溫主要受氣溫的直接影響，水體具有較高的流動性和較小的熱容量，能夠迅速響應環境氣溫的變化，實現同相位變化；而水庫建設后由于水深及水體的熱容量顯著增大，水體需要更長時間來吸收或釋放熱量，導致水溫變化滯后于氣溫。

4.3 壩下水溫影響及水溫恢復

受壩下施工影響，電站尾水監測數據在部分時段存在缺失，選取監測結果較為連續的2022年3月至2023年2月進行分析，如圖12（a）、（b）所示。受水庫的蓄熱作用影響，下泄水溫最大值和最小值均較天然水溫有一定的滯后，觀測期內天然水溫在2月5日達到最低的7.1 ℃，8月9日達到最高的24.1 ℃，而下泄水溫在3月7日達到最低的9.5 ℃，8月27日達到最高的26.7 ℃。4～6月下泄水溫低于天然水溫，而8月至次年2月下泄水溫有較明顯的溫升現象，最大高低溫水幅度分別為5.1 ℃和1.3 ℃。

針對亭子口7、8月下泄高溫水現象，選擇2022年7月15日及8月15日分析下泄水溫與壩前垂向水溫的關系，如圖12（c）所示。7、8月壩前水溫分層明顯，2022年7月15日出庫流量為1771 m3/s，取水口高程（418.0～426.7 m）平均水溫為22.3 ℃，下泄水溫（24 ℃）對應壩前取水口中心高程以上約11.7 m處的水溫。2022年8月15日出庫流量為791 m3/s，取水口高程平均水溫為24 ℃，下泄水溫（25.3 ℃）對應壩前取水口中心高程以上約8.8 m處的水溫。這一現象說明7、8月壩前取水口對水庫上層水體有一定抽吸作用，且增加出庫流量能促進取水口對水庫上層水體的抽吸作用，造成更多的上層熱水被引走下泄，導致下泄水溫偏高。

為進一步分析蒼溪航電樞紐對壩下水溫的影響，由2022年3月至2023年2月實測下泄水溫推算得到無蒼溪航電樞紐時蒼溪站水溫，并與相應時段的實測水溫進行對比（圖12（d））。蒼溪航電樞紐成庫后，減緩了亭子口水庫出庫水流的流動，從而加強了熱交換，起到“曬水池”作用。與亭子口水庫運行、下游無蒼溪航電樞紐時相比，兩工程運行后2022年3～8月實測水溫增加1.2～2.9 ℃，2022年9月至2023年2月平均降低1.1 ℃。可見，蒼溪航電樞紐對亭子口水庫下泄水流在壩下河道的水溫恢復有著正效應作用。

5 結 論

（1） 亭子口水庫水溫結構呈現明顯的季節變化特征，夏季分層現象最明顯。除1～3月及2021年10～12月外，其余各月均存在分層現象，7～9月出現穩定雙溫躍層現象。2021年10月較大入庫流量顯著破壞水體熱分層結構，導致秋季提前混合。

（2） 亭子口水庫溫躍層為季節性溫躍層，溫躍層深度隨季節發生變化。春夏兩季溫躍層深度穩定，秋冬交替時節增加，春冬交替時節減小。夏季熱分層穩定期，表層水溫與溫躍層深度存在顯著負相關關系，與溫躍層厚度呈現顯著正相關。

（3） 表層水溫日變幅的影響因素主要是氣溫，深層水體水溫日變幅主要受溫躍層內波影響。電站出流日調節引起的內波存在于能量最高的溫躍層，最大日變幅位置逐漸向更大水深處移動。氣溫越高，表層水溫最大值出現時間越早。

（4） 建庫后水庫蓄熱作用使壩下水溫過程滯后于天然水溫，蒼溪水文站在4～6 月表現出“滯溫”現象，其余月份表現出“滯冷”現象。水溫較自然條件下最大高低溫水幅度分別為2.7 ℃（11月）、1.6 ℃（5月），水溫較氣溫變化延遲44 d，平均壩下水溫到達18 ℃ 的時間較天然水溫延遲了16 d。壩前取水口對水庫上層水體有一定抽吸作用，壩下蒼溪航電樞紐工程對水溫恢復有正效應。未來需加強下游水溫監測工作，以便明晰各工程對水溫恢復的正負效應。

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（編輯：劉 媛）

Study on stratification structure of water temperature in front of Tingzikou Reservoir dam and rhythm of downstream river water temperature

ZHANG Xu1，TUO Youcai1，WANG Gang2，WANG Yaoxiong2，JIA Yunxiao1，HUANG Bin3

（1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China； 2.Jialing River Tingzikou Hydropower Development Corporation Limited，Guangyuan 628000，China； 3.Hydropower and Water Resources Planning amp; Design General Institute，Beijing 100120，China）

Abstract：

In order to explore stratification structures of water temperature in front of large reservoir dams and evolution laws of discharged water temperature in downstream river channels，and provide support and basis for reservoir management and optimal operation，taking Tingzikou Reservoir as the research object，high-frequency prototype observation of water temperature in front of reservoir dam and discharge water temperature was carried out from 2021 to 2023.The results showed that：① Tingzikou Reservoir was a seasonally stratified reservoir，the stratification phenomenon was the most obvious in summer and the weakest in winter，and double thermocline was observed from July to September.The dramatic increase in inflow in the fall of 2021 enhanced vertical mixing of the water column and significantly disrupted the thermal stratification structure of the water layer.② The diurnal amplitude of surface water temperature was mainly influenced by air temperature，while the diurnal amplitude of water temperature in the deeper water layer was mainly influenced by thermocline internal waves.The location of the maximum daily variability was shifted to deeper water due to thermocline internal waves caused by daily regulation of outflow.③ The depth of the thermocline varied seasonally，and the trend of the thermocline thickness changes was opposite to depth of thermocline.Surface water temperature showed a significant positive correlation with SI.④ After the construction of Tingzikou Reservoir，the temperature of the discharged water and the downstream water temperature of Cangxi Station showed a significant warm-lag effect in May and cold-lag effect in October to February in next year.The water temperature at Cangxi Station lagged behind the air temperature change by about 44 days，and the time of arriving at the characteristic water temperature of 18 ℃ was delayed by 16 days compared with the natural process.The Cangxi navigation and hydropower project slowed down the outflow of Tingzikou Reservoir，which had a positive effect on the water temperature recovery of the downstream river.The results of the study can provide support and basis for optimizing reservoir operation and stratified water intake measures.

Key words：

water temperature stratification structure； thermocline； water temperature downstream dam； daily variation； prototype observation； navigation and hydropower project； Tingzikou Reservoir

收稿日期：2024-07-24 ；接受日期：2024-10-10

基金項目：國家重點研發計劃項目（2022YFC3204200）

作者簡介：張 旭，女，碩士研究生，研究方向為環境水力學。E-mail：zhang_xu@stu.scu.edu.cn

通信作者：脫友才，男，副研究員，碩士生導師，博士，研究方向為環境水力學。E-mail：tuoyoucai@scu.edu.cn