王雅慧，李 蘭，卞俊杰

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430072；2.長江水利委員會水文局，湖北武漢430010）

大型水電工程的建設(shè)產(chǎn)生了發(fā)電、防洪、供水、灌溉、航運(yùn)、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益，有效地促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。但與此同時，水庫蓄水勢必會改變天然河道的水文、水力、水質(zhì)等因子，從而打破了流域原有的平衡，對庫區(qū)及下游的生態(tài)環(huán)境造成影響；調(diào)節(jié)性能較強(qiáng)的水庫形成了水溫分層，導(dǎo)致不同深度的水體環(huán)境差異顯著，會改變庫區(qū)水生生物結(jié)構(gòu)，影響庫區(qū)水質(zhì)；水電站由于發(fā)電要求往往設(shè)置高程較低的單層泄水口，在水溫分層情況下使夏季下泄水溫較天然水溫低，低溫水又影響了農(nóng)作物的發(fā)育及魚類正常的生長繁殖，繼而造成農(nóng)漁業(yè)的減產(chǎn)和區(qū)域生物多樣性的喪失。上述這些不利影響都成為了水電發(fā)展的重要制約因素。因此，在大型水電工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中，必須重視水溫作為水生態(tài)環(huán)境因子的重要作用，廣泛開展水庫水溫模擬和下泄水溫研究，了解水庫形成前后水溫的變化和發(fā)展，預(yù)測建庫后的庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)和下泄水溫規(guī)律。在水溫研究的基礎(chǔ)上，對水庫工程建設(shè)的生態(tài)影響進(jìn)行合理評價，并積極采取有效的措施緩解水溫帶來的不利環(huán)境影響，以實(shí)現(xiàn)水能資源利用與流域環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 國內(nèi)外水庫水溫研究進(jìn)展

由于水庫水溫不僅涉及到工程設(shè)計(jì)和庫區(qū)環(huán)境本身，還對下游河流生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田灌溉、工業(yè)、生活用水等方面都造成影響，所以許多國家很早就開始重視水庫的水溫研究，最具有代表性的是美國、日本和蘇聯(lián)。美國的水庫水溫研究經(jīng)歷了3個發(fā)展階段，包括20世紀(jì)30年代初的水溫監(jiān)測、20世紀(jì)40～50年代的水溫影響因素及壩工溫度場計(jì)算、20世紀(jì)60～70年代至今的水溫數(shù)學(xué)模型及分層取水設(shè)計(jì)，在水庫水溫模擬預(yù)測理論和模型研發(fā)方面一直處于世界領(lǐng)先水平。日本的水庫水溫研究主要針對水電站低溫下泄水對農(nóng)業(yè)的影響，分析水庫水溫的分層結(jié)構(gòu)、水溫與作物生長的關(guān)系以及設(shè)計(jì)水電站分層取水裝置。蘇聯(lián)的水庫水溫研究由防冰凍災(zāi)害引起，開展了廣泛的水庫水溫實(shí)際觀測、大壩穩(wěn)定溫度場計(jì)算、水庫動力學(xué)及熱力學(xué)研究［1］。我國的水庫水溫研究以工程設(shè)計(jì)和管理的需要為目的，重點(diǎn)集中于水庫水溫的實(shí)際觀測與模擬計(jì)算方法：20世紀(jì)50～60年代在對一些水庫的水溫特性觀測和分析中，得到了一些成果，并類比到其它水庫；70年代根據(jù)國內(nèi)外許多水庫的實(shí)際水溫觀測數(shù)據(jù)，總結(jié)了很多適用性不同的水庫水溫經(jīng)驗(yàn)估算公式；80年代以后，不斷吸收國外水溫數(shù)學(xué)模型的先進(jìn)成果和經(jīng)驗(yàn)，并將其發(fā)展應(yīng)用于我國的許多工程實(shí)踐中。目前，在我國各個水電工程的設(shè)計(jì)中都開始重視水溫的模擬計(jì)算問題，并廣泛開展了為避免水溫帶來的不利環(huán)境影響采取的工程技術(shù)和生態(tài)措施研究。

目前國內(nèi)外的水庫水溫研究主要集中在水溫實(shí)際觀測與模型、大壩水溫影響、水溫環(huán)境影響、水溫調(diào)控措施等方面：

（1）精細(xì)的水庫水溫數(shù)據(jù)為水庫水溫研究奠定了基礎(chǔ)，而原型觀測和數(shù)學(xué)模型是獲得詳細(xì)水溫分布信息的最重要手段。尤其是近年來隨著湍流理論、流體傳熱和數(shù)值技術(shù)的發(fā)展，以美國的EFDC為代表的一批水動力學(xué)模型正逐步成為水庫水溫研究最主要的技術(shù)方法。

（2）大壩水溫影響［1］即分析建壩前后由各種因素導(dǎo)致的庫區(qū)水溫分布規(guī)律的演變。與水溫分布相關(guān)的影響因素是多方面的，包括建壩、不同的水庫調(diào)度方式、泄流變化、用水調(diào)整、氣候變化等，都可以作為大壩水溫影響的研究內(nèi)容。

（3）水溫環(huán)境影響涉及水溫分層與低溫下泄水兩個方面。水庫水溫分層結(jié)構(gòu)的形成改變了庫區(qū)水動力條件、熱力條件和水體理化特性［2］，影響了庫區(qū)生物棲息地環(huán)境和水生生態(tài)系統(tǒng)。同時，由于分層型水庫下層水體常年維持低溫狀態(tài)，這些低溫下泄水對下游工農(nóng)業(yè)及生態(tài)系統(tǒng)帶來一定的影響：水庫深層水灌溉對農(nóng)作物的各生長期均有影響，如使植株光合作用減弱、吸肥能力下降［3］，導(dǎo)致水稻成熟減緩、結(jié)實(shí)率低、產(chǎn)量下降，引發(fā)冬小麥的早熟［4］等；低溫下泄水使下游河道魚類達(dá)到產(chǎn)卵水溫所需的時間延長，影響魚類正常的繁殖［5］；當(dāng)多個梯級水庫聯(lián)合調(diào)度時，水溫累積效應(yīng)明顯，低溫下泄水對下游生態(tài)的影響將更為顯著［6］。

（4）水溫調(diào)控措施是針對水溫對庫區(qū)及下游的環(huán)境影響采取的一系列具體措施，可以貫穿在工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行管理的各個環(huán)節(jié)。如：為防止低溫下泄水對農(nóng)作物“冷害”，采取多層疊梁門取水設(shè)計(jì)［7］和制定適宜作物生長溫度的灌溉計(jì)劃［8］；在庫區(qū)通過動力方式破壞水溫分層，從而避免由此產(chǎn)生的水庫水質(zhì)惡化和富營養(yǎng)化問題；用生態(tài)調(diào)度、生態(tài)補(bǔ)償?shù)确绞骄徑馑疁貙^(qū)域生態(tài)環(huán)境的不利影響；合理利用水溫分層、低溫下泄水發(fā)展?jié)O業(yè)及工業(yè)，等等。

隨著近年來水溫研究深度和廣度的不斷擴(kuò)展，水溫已經(jīng)開始作為一個重要的水質(zhì)指標(biāo)，被納入國內(nèi)外先進(jìn)的流域綜合管理（IRBM）體系中。

2 水庫水溫結(jié)構(gòu)判別

水庫修建后形成了巨大的停滯水域環(huán)境，由于水深不同的區(qū)域接受太陽輻射的程度不同，加之風(fēng)力、入流和垂向水流交換的作用，水庫會沿水深方向出現(xiàn)一定的水溫分層現(xiàn)象。根據(jù)水溫分層強(qiáng)弱的不同，可以將水庫水溫結(jié)構(gòu)劃分為穩(wěn)定分層型、過渡型、混合型。穩(wěn)定分層型水庫多為調(diào)節(jié)性能較好的大水庫，垂向溫度分為3個層次：表層溫度較高的是溫變層，水溫的增暖和變冷多發(fā)生在這一層；底層是溫度較低、熱量交換較少的滯溫層；中間是溫度梯度較大的溫躍層?；旌闲退畮煲话銥閹靸?nèi)流速較大的中小型水庫，垂向溫度差異較小。過渡型水庫的水溫分布特點(diǎn)則介于兩者之間。

通過一定的方法對水庫水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步判別，可以為進(jìn)一步的水溫研究奠定基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外常用的水庫水溫結(jié)構(gòu)判別方法有庫水交換次數(shù)的α和β指標(biāo)法、水庫寬深比判別法、密度佛汝德數(shù)法、熱平衡因子法。我國現(xiàn)行的水庫環(huán)境影響評價中普遍采用α指標(biāo)法和密度佛汝德數(shù)法來初步判別水庫的水溫分層結(jié)構(gòu)。

庫水交換次數(shù)法是《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》推薦使用的方法，判別指標(biāo)是：

式中，w為多年平均入庫徑流量（m3），v為水庫總庫容（m3），α為判別指標(biāo)。當(dāng)α≤10時，為水溫穩(wěn)定分層型；α≥20時，為混合型；10＜α＜20時，為過渡型。

密度佛汝德數(shù)法是1968年美國Norton等提出的，判別指標(biāo)是：

式中，u為斷面平均流速（m／s），H為平均水深（m），Δρ為水深H上的最大密度差（kg／m3），ρ0為參考密度（（kg／m3），g為重力加速度（m／s2），F(xiàn)r為判別指標(biāo)。

由于上述的指標(biāo)判別方法對水溫分層的物理機(jī)制描述不夠準(zhǔn)確，同時鑒于有限的實(shí)驗(yàn)資料和經(jīng)驗(yàn)難以定量水溫分層特性與某些內(nèi)在因素的關(guān)系，因此有時會得不到合理的結(jié)果。近年來有學(xué)者提出了模式判別思想，采用感知器算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊回歸、高斯過程機(jī)器學(xué)習(xí)方法等來判別水庫水溫結(jié)構(gòu)［1］，取得了一定的成果。

3 水庫水溫及生態(tài)環(huán)境影響

3.1 水庫水溫分層與水生態(tài)環(huán)境

水溫是水庫生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要水質(zhì)要素，也是水庫水環(huán)境變化的重要驅(qū)動因子，水的所有物理化學(xué)特性幾乎都與水溫有關(guān)［9］。水溫分層現(xiàn)象會導(dǎo)致庫區(qū)水動力特性和不同水深范圍內(nèi)溶解氧、化學(xué)物質(zhì)、水生生物的變化：表層水體由于浮游植物光合作用釋放大量氧氣，溶解氧處于飽和狀態(tài)；滯溫層水體處于缺氧狀態(tài)，加速底泥中N，P等營養(yǎng)物質(zhì)以及Fe，Mn等鹽類分解，使水體混濁、發(fā)臭，同時CO2釋放增加、pH下降，加劇水質(zhì)惡化。在水庫表層光照充足、水溫適宜、營養(yǎng)鹽豐富時，可能引起藻類等水生生物的爆發(fā)性生長，甚至導(dǎo)致“水華”現(xiàn)象。即使水庫分層較弱，底泥釋放的營養(yǎng)物質(zhì)也會逐漸上升到表層，加之春秋季節(jié)的翻庫作用，水體富營養(yǎng)化的危險大大增加。水溫與藻類的生長速率密切相關(guān)，一般認(rèn)為15℃～30℃的水溫有利于藻類的生長，而不適宜的水溫則會抑制藻類的生長。在日本的Shimajigawa水庫［10］氧環(huán)境下底泥P元素大量釋放并通過翻庫作用被帶到表層，引起了浮游植物的大量繁殖；黃廷林等［11］在研究庫內(nèi)源污染特征時發(fā)現(xiàn)，水體溫度分層是影響水庫水質(zhì)分布的主要因素之一，水體pH和溶解氧在溫躍層之下隨水深增大而急劇降低；侯偉等［12］分析了廣東省3座中型水庫的浮游植物群落特征，指出水溫對浮游植物的影響主要體現(xiàn)在種群分布的季節(jié)性差異，葉綠素a質(zhì)量濃度與水溫存在一定的相關(guān)關(guān)系。

3.2 水庫低溫下泄水

與天然河道不同，調(diào)節(jié)性能較強(qiáng)的水庫庫區(qū)水深大、流速緩，在熱季易出現(xiàn)明顯的水溫分層，導(dǎo)致水庫深層下泄水溫較天然水溫低。一方面，低溫水在溫度、組成成分方面的差異會對敏感的下游農(nóng)作物及魚類產(chǎn)生不利影響，另一方面，低溫水又是很好的工業(yè)中水冷卻水源，合理利用可以增加企業(yè)的利潤。因此，為了趨利避害，低溫下泄水對下游的生態(tài)環(huán)境影響成為了水庫水溫研究中一項(xiàng)重要的課題。

低溫水造成的農(nóng)作物及漁業(yè)減產(chǎn)問題在日本、美國、中國等許多國家都有實(shí)例。日本的星野等人做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為低溫水會降低植株的光合作用，抑制根系吸水，影響礦物質(zhì)的吸收，從而打破農(nóng)作物的發(fā)育規(guī)律，造成糧食減產(chǎn)。Philpott水電站［13］一項(xiàng)關(guān)于水庫水流對下游魚類影響的調(diào)查表明，庫區(qū)水動力環(huán)境和水溫的改變會減緩魚類的生長，破壞生殖期魚類的產(chǎn)卵條件，影響魚類的正常行為。

河流水電梯級開發(fā)在一定程度上會累積單一電站的低溫水影響，引起流域內(nèi)一系列群體性、系統(tǒng)性和累積性的環(huán)境影響［14］。劉蘭芬等［6］結(jié)合現(xiàn)場觀測與數(shù)學(xué)模型分析了河流梯級開發(fā)下泄水溫的累積影響，結(jié)果表明高壩大庫、多梯級的開發(fā)方式對河流水溫的累積影響最大；鄧云等［15］用數(shù)學(xué)模型預(yù)測了梯級電站單獨(dú)和聯(lián)合運(yùn)行時庫區(qū)水溫分布及下泄水溫過程，證明梯級電站的環(huán)境累積效應(yīng)顯著；李蘭［16］構(gòu)造了“三層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型—統(tǒng)計(jì)法—朱伯芳法—東勘院法”綜合模型，預(yù)測河段末端的梯級水溫累積影響；許多學(xué)者還針對瀾滄江、金沙江、雅礱江等我國水電重點(diǎn)開發(fā)河段，運(yùn)用多種模型開展了河流梯級開發(fā)的水溫累積影響專題研究。

4 水庫水溫模擬計(jì)算方法及軟件

20世紀(jì)50年代中期以來，國內(nèi)開始對水庫水溫進(jìn)行觀測，隨后逐步發(fā)展了水庫水溫模擬的各種計(jì)算方法，其中最主要的是經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)學(xué)模型法。

4.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

20世紀(jì)50年代以來，國內(nèi)開始對水庫水溫進(jìn)行觀測。70年代中期之后，出現(xiàn)了水庫水溫模擬的經(jīng)驗(yàn)公式法并得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)驗(yàn)公式法主要是以實(shí)測水溫、氣象等資料為基礎(chǔ)，總結(jié)水庫水溫分布的影響因素及變化規(guī)律，提出適合同類型水庫的經(jīng)驗(yàn)公式。在我國應(yīng)用較多的有東勘院公式、朱伯芳公式、統(tǒng)計(jì)公式、李懷恩公式等。

經(jīng)驗(yàn)公式法具有資料要求低、應(yīng)用簡單、效率高、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但過分偏重實(shí)測資料的綜合統(tǒng)計(jì)而忽略了水庫形狀、運(yùn)行方式、泥沙異重流等工程實(shí)際情況對水庫水環(huán)境的影響，且不同公式適用范圍不同，模擬的時空精度較低，無法獲得詳細(xì)的水溫時空變化。

4.2 數(shù)學(xué)模型法

最早的水庫水溫數(shù)學(xué)模型是20世紀(jì)60年代初美國為解決湖泊和水庫的富營養(yǎng)化問題提出的一維數(shù)學(xué)模型，后來隨著數(shù)值技術(shù)和計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，又出現(xiàn)了平面二維模型、立面二維模型和三維模型。數(shù)學(xué)模型法在一定程度上彌補(bǔ)了經(jīng)驗(yàn)公式法的不足，是水庫水溫研究必不可少的手段。

（1）一維模型

1961年Raphael［17］首次提出了基于水動力學(xué)的水庫熱量平衡計(jì)算方法，并應(yīng)用于哥倫比亞河某些混合型水庫。美國水資源工程公司Orlob［18］和Selna以及麻省理工的Hubert［19］和Harleman基于水庫水溫均勻混合等溫薄層假設(shè)，分別提出了WRE和MIT兩個典型的一維垂向水溫模型。20世紀(jì)70年代，為解決WRE模型和MIT模型對表層風(fēng)力混合描述不足的問題，Minnesota大學(xué)的Stefan［20］建立了一維Stefan－Ford模型，以紊流動能和熱能的轉(zhuǎn)化來計(jì)算水溫變化，并成功預(yù)測了兩個溫帶小型湖泊的水溫分布，1977年Harleman也將類似理論引入MIT模型改善其效果。1978年Imberger［21］提出了適宜于描述中小水庫溫度和鹽度分布的混合模型DYRESM，初步解決了風(fēng)力混合問題，自20世紀(jì)80年代起廣泛應(yīng)用于大洋洲、歐洲的許多湖泊和水庫，但因參數(shù)分析復(fù)雜而缺乏通用性。

（2）二維模型

水庫水溫主要沿深度有分層現(xiàn)象，因此應(yīng)用更多的是沿縱向或垂向剖分水庫的立面二維模型。1975年Edinger最早提出了立面二維LARM水溫模型，Johnson［22］在某水庫通過多模型對比計(jì)算，最終推薦LARM模型。美國陸軍工程師團(tuán)水道實(shí)驗(yàn)站在LARM模型基礎(chǔ)上加入水質(zhì)計(jì)算模塊開發(fā)出了現(xiàn)今最為成熟的二維CE－QUAL－W2模型的第1個版本，Kuo等［23］在Te－Chi水庫的研究中驗(yàn)證了該模型的有效性。后來丹麥于1996年提出的MIKE21模型也實(shí)現(xiàn)了水庫水溫的較好模擬。此外其他的一些研究者也開發(fā)了自己的二維模型，如Huang等［24］二維風(fēng)力混合水庫水溫模型LA－WATERS，F(xiàn)arrell［25］則將k－ξ模型成功應(yīng)用于1個100m長的水庫的下潛流過程模擬和溫度分層研究。

（3）三維模型

隨著數(shù)值技術(shù)和計(jì)算機(jī)水平的發(fā)展，近年來國內(nèi)外學(xué)者致力于開發(fā)能同時考慮溫度垂向、縱向、橫向變化的三維水溫模型，耦合求解流場和溫度場。國外開發(fā)的模型有美國弗吉尼亞海洋研究所的EFDC模型、丹麥水動力研究所的MIKE3模型、荷蘭Delft水力研究所的DELFT3D模型等，在大型水體的流場、泥沙、溫度、污染物研究中廣泛應(yīng)用。我國的一些學(xué)者也做了許多工作：如李冰凍［26］用剪切應(yīng)力輸運(yùn)紊流模型模擬了水庫的溫度分層流動；李蘭等［27］用三維模型較精確地模擬了漫灣水庫的水溫分布；馬方凱［28］基于三維不可壓縮的N－S方程建立水溫模型，采用大渦模擬計(jì)算紊動擴(kuò)散系數(shù)，并考慮水面散熱及太陽輻射對水溫的影響，對三峽水庫近壩區(qū)三維溫度場進(jìn)行了預(yù)測。

4.3 其它方法（解析解、綜合類比法等）

其它典型的水庫水溫模擬方法主要是解析解法和綜合類比法。

解析解法是在水庫水溫數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，經(jīng)過模型結(jié)構(gòu)、邊界和參數(shù)的合理簡化而推導(dǎo)出模型公式的解析解。解析解法可以大大減小數(shù)值計(jì)算的工作量，但是推導(dǎo)的難度較大，需要較精確的實(shí)際驗(yàn)證。李懷恩等［29］推導(dǎo)出了分層型水庫定解問題在不同情況下的解析解，并證明了其適定性。李蘭等［30］在Huber和Harleman建立的垂向一維水庫水溫模型的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出解析解，并在二灘水庫進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬的最大相對誤差小于10%。

綜合類比方法避免了一般類比方法需要對比水庫的形狀、蓄泄水情況、水文氣象及運(yùn)行條件高度相似的缺點(diǎn)。這種方法不僅對相近的多個水庫的實(shí)測水溫、參數(shù)資料進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，而且結(jié)合包絡(luò)數(shù)值計(jì)算分析來類比需要模擬水庫的水溫分布。胡平［31］參照二灘水庫對錦屏一級水庫水溫分布進(jìn)行綜合類比分析，得到了平均條件下庫區(qū)的水溫分布規(guī)律。

4.4 水庫水溫模擬模型與軟件

（1）ELCOM

ELCOM是西澳大學(xué)水研究中心開發(fā)的三維水動力模型，可用于湖泊水庫溫度與鹽度的時空模擬，結(jié)合其它模型還可進(jìn)行三維水流物理及生化過程模擬。模型在多方面得到了應(yīng)用：驗(yàn)證了Burragorang湖由氣候變化引起的水位降低可能導(dǎo)致區(qū)域流體動力環(huán)境的改變和藻華［32］，準(zhǔn)確模擬了Boulder流域溫度、電導(dǎo)率、生化參數(shù)等的時空變化［33］，在Swan河口證明了水溫和鹽度是控制微囊藻生長的主要因素［34］，等等。

（2）EFDC

EFDC是美國弗吉尼亞海洋科學(xué)研究所研發(fā)的開放式軟件，可以實(shí)現(xiàn)包括水庫在內(nèi)的各種地表水系統(tǒng)的流場與溫度場模擬，目前已成為水環(huán)境模擬與評價的主流工具，在美國及眾多歐洲國家都有實(shí)例。近年來我國開始廣泛應(yīng)用該模型，如云南滇池的水質(zhì)模擬［35］、膠州灣三維潮流模擬［36］、漫灣水庫水流水溫耦合預(yù)測［37］、梯級水庫水溫累積影響研究［38］等。

（3）NAPRWT

20世紀(jì)80年代初，丁寶瑛等［39］運(yùn)用水溫一維數(shù)值分析方法開發(fā)了《水庫水溫數(shù)值分析軟件》（NAPRWT）［40］，之后在東風(fēng)、漫灣、二灘、向家壩、小灣、溪洛渡、錦屏一級等工程中得到了廣泛的應(yīng)用和檢驗(yàn)，并獲得了中華人民共和國國家版權(quán)局著作權(quán)登記［41］。

（4）Fluent

應(yīng)用定制商用軟件Fluent建立的通用水溫多維模型，在水庫水溫研究方面也有一定的實(shí)用性和可靠性。唐笑等［42］討論了浮力傳熱湍流模型、水面熱交換模型和變區(qū)域動網(wǎng)格的Fluent實(shí)現(xiàn)方法，用實(shí)驗(yàn)資料驗(yàn)證了模型的正確性，并對某水庫水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

5 緩解水溫環(huán)境影響的措施

5.1 分層取水

在水電工程設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，分層取水是削減水溫分層對生態(tài)環(huán)境不利影響的有效措施。通過不同取水措施下的水庫水溫模擬，結(jié)果表明分層取水可以顯著提高下泄水溫，從而滿足下游正常的用水和生態(tài)環(huán)境需求。

20世紀(jì)40～50年代，美國和日本就開展了分層取水研究。1956年，日本主要通過不同形式的表層取水結(jié)構(gòu)解決水庫低溫下泄水對水稻生長的冷害問題。美國在20世紀(jì)60～70年代建造的水庫中廣泛采用了以多層取水口裝置為主的分層取水結(jié)構(gòu)和設(shè)施。Bentonh等［43］利用水力學(xué)模型研究了分層取水對下泄水質(zhì)的改善效果；SmithGore等［44］從水溫、溶解氧濃度、濁度等方面論證了分層取水相比單層取水的優(yōu)點(diǎn)；在老撾Nam Ngum水庫［45］和紐約Schoharie水庫［46］，學(xué)者也通過相關(guān)的模型研究證明了分層取水在減免下泄水體對河道的負(fù)面影響和滿足特定用水需求方面的重大意義?？傮w上說，國外的水庫取水方式研究經(jīng)歷了深層取水－消滅分層或利用分層取表底層水－表底層取水和分層取水工程交替出現(xiàn)3個階段［3］。

我國水庫分層取水研究主要針對提高灌溉水溫，同時減免低溫下泄水對下游水生生物的影響。李娟、劉仲貴等［47］通過分析水庫水溫特性、下泄水溫與農(nóng)作物生長的關(guān)系，研究了分層取水對提高灌溉水溫的作用；任華堂等［48］采用三維水溫模型模擬了不同取水方式對阿海水庫水溫分布的影響，為水庫的設(shè)計(jì)和生態(tài)調(diào)度提供了參考；黃永堅(jiān)［49］對水庫深層取水的多方面環(huán)境影響進(jìn)行了綜合分析，指出分層取水的必要性，并對國內(nèi)外分層取水的研究成果和設(shè)施進(jìn)行了總結(jié)。近年來在我國許多水庫的設(shè)計(jì)施工過程中都加入了分層取水的研究：如灘坑水庫的疊梁門方案和三孔閘門方案［50］、三板溪水電站的分層取水建筑物設(shè)計(jì)［51］、兩河口水電站的多層門取水方案研究［7］、錦屏一級水電站的分層取水水動力學(xué)特性研究［52］等。

5.2 破壞水溫分層

美國和英國曾經(jīng)采用主動破壞溫躍層的方式來緩解水溫分層，取得了一定的效果。具體的做法是：在壩前一定范圍內(nèi)，通過向水底注空氣或氧氣、循環(huán)向深層灌水、用水泵取表層低密度水或其它水源向下輸送等動力方式，促進(jìn)水庫的上下層對流，破壞水溫結(jié)構(gòu)。同時由于表層水溫降低，水體吸收太陽能和氧氣的能力增強(qiáng)，蒸發(fā)減弱，生態(tài)環(huán)境得到改善。愛爾蘭的恩尼斯加水庫采用了6臺氣壓水槍形成水體上下層對流，有效減輕了庫區(qū)水質(zhì)分層和低溫下泄水對下游珍貴魚類的影響［53］。

5.3 水利生態(tài)調(diào)度

合理的流量調(diào)度能在一定程度上減弱大型水電工程對庫區(qū)和下游包括水溫變化在內(nèi)的不利生態(tài)影響。對于具有溢洪道、表孔、中孔、深孔等多種泄流方式和不同泄流量的已建工程，在保證經(jīng)濟(jì)效益的前提下，進(jìn)行合理的水利生態(tài)調(diào)度，如適當(dāng)改變夏季的泄流量或多利用表層建筑物泄流，可以有效提高水庫的下泄水溫。

5.4 合理利用低溫下泄水

近年來，一些學(xué)者在研究如何防治水庫生態(tài)環(huán)境影響的同時，開始發(fā)展低溫下泄水的新用途。史為良［54］認(rèn)為在貧營養(yǎng)水庫、高緯度及高海拔地區(qū)的水庫都有適宜于各種冷水魚的生存條件，可以利用不同溫度的水層發(fā)展冷水漁業(yè)。林于廉等［55］通過系統(tǒng)測試和模型模擬，從水溫、水質(zhì)、水容量3方面論證了安康水庫作為庫區(qū)熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)水源的可行性。石敬賢［56］設(shè)計(jì)了以調(diào)壓室尾水為天然冷源的錦屏一級水電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，認(rèn)為其符合國家節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)業(yè)政策，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。王煜等［57］則提出，對下游有灌溉要求的水庫可采用農(nóng)業(yè)補(bǔ)救措施緩解低溫水效應(yīng)，如制定合理的種植計(jì)劃、補(bǔ)充塘堰水、淺水層調(diào)節(jié)等。

6 水庫水溫的重要研究問題與發(fā)展趨勢

6.1 實(shí)際水溫觀測資料庫的建立

掌握詳盡的實(shí)際觀測資料是水庫水溫時空分布規(guī)律研究和數(shù)值模擬的重要基礎(chǔ)，因此需要對天然河道和已建水庫的水溫進(jìn)行長期的原型觀測。目前我國已在金沙江、雅礱江等一些水電建設(shè)的重點(diǎn)河段以及三峽水庫等地開展了大量的水溫監(jiān)測，得到了一系列重要的成果和數(shù)據(jù)，但監(jiān)測的時間和空間尺度都有限。

6.2 水溫冰情耦合模擬

寒帶或寒溫帶地區(qū)的水庫在冬季會出現(xiàn)季節(jié)性冰封現(xiàn)象，水面被冰蓋阻隔后，表層的傳熱機(jī)制變化，庫區(qū)的熱損失減少?，F(xiàn)行的水溫模型大多針對溫帶、亞熱帶和熱帶水庫建立，并未考慮冰層覆蓋對水體與大氣熱交換產(chǎn)生的影響。國外的Carlson，Ashton，Gosink等曾提出過幾個考慮冰蓋的模型，但效果都不理想或者未經(jīng)過驗(yàn)證。國內(nèi)對于冰蓋水庫的研究多停留在原型觀測階段，具有突破性的研究成果較少。肖建民［58］通過對水庫多年冰期水溫實(shí)測資料的分析，得出了部分冰蓋形成與消解的經(jīng)驗(yàn)公式；王璐［59］等用數(shù)字分析法研究水庫冬季的結(jié)冰過程，建立了庫區(qū)冰蓋形成的熱力學(xué)方程；四川大學(xué)的蒲靈［60］分析冰蓋的消融機(jī)理，建立了包含冰情的水庫垂向一維水溫模型并應(yīng)用于下爾呷水電站。

6.3 水溫模型的深度研究

自20世紀(jì)60年代起，水溫模型從最初的對流擴(kuò)散模型發(fā)展到混合模型，從一維、二維模型發(fā)展到三維模型，已經(jīng)成為水庫水溫研究的重要工具和手段。但由于水庫水動力問題、熱力學(xué)問題及其生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，要更真實(shí)精確地模擬水庫水溫及水環(huán)境，未來的模型還需要不斷發(fā)展：擴(kuò)展時空尺度，在整個流域范圍內(nèi)研究精確到日的水溫變化，全面掌握水溫的時空特征；統(tǒng)籌考慮影響水溫的不可忽略因素（泥沙輸運(yùn)、冰凍等），使模擬結(jié)果更符合實(shí)際，在設(shè)計(jì)階段為水庫安全設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的水溫信息，如劉杏紅等［61］模擬二灘水庫淤沙條件下的水溫分布，獲得了安全裕度更大的水庫水溫邊界條件，同時在運(yùn)行管理階段提供詳實(shí)的水溫分布預(yù)測，保證水庫運(yùn)行的穩(wěn)定性；利用不斷發(fā)展的數(shù)值方法、計(jì)算機(jī)及3S技術(shù)，建立能反映水溫真實(shí)變化的三維模型，為河湖水質(zhì)預(yù)警預(yù)報及其氣候響應(yīng)研究提供準(zhǔn)確的水溫數(shù)據(jù)，在這一研究領(lǐng)域，已有陸俊卿等［62］在漢江某河段以高精度水溫模擬格式為水質(zhì)模型提供了準(zhǔn)確的水溫預(yù)測；開展水溫模擬的不確定性研究，甄別不確定性因子及其在模擬中產(chǎn)生的不確定性成分，在此基礎(chǔ)上修正模擬結(jié)果，并盡量克服隨機(jī)性的影響，提高水庫水溫模擬結(jié)果的可靠性。

6.4 水動力學(xué)模擬軟件的開發(fā)

目前，國內(nèi)水庫水溫模型的發(fā)展主要是吸收和改進(jìn)國外成果，一些高校和科研機(jī)構(gòu)自主開發(fā)的應(yīng)用程序與國外成熟的環(huán)境水動力學(xué)商業(yè)軟件相比，還有很大的差距。且由于國內(nèi)眾多科研設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)主要依托國外成熟的環(huán)境水力學(xué)商業(yè)軟件（如EFDC，F(xiàn)luent等），使得國內(nèi)模型缺乏工程應(yīng)用實(shí)踐，計(jì)算精度難以得到檢驗(yàn)，極大地限制了國內(nèi)模型的深入研究和技術(shù)創(chuàng)新。因此，除學(xué)習(xí)和借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，還必須重視水庫水溫的基礎(chǔ)理論研究、實(shí)測數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、模型方法完善，發(fā)展不同維數(shù)、功能豐富、界面友好、開放共享的模型集成軟件平臺，增強(qiáng)國內(nèi)水溫模型的競爭力，為我國的水溫研究提供更好的技術(shù)支持。

6.5 綜合多因子的水庫生態(tài)模擬與調(diào)度

水電工程的建設(shè)和運(yùn)行造成了多方面不利的環(huán)境影響。庫區(qū)水位抬高導(dǎo)致上游水文水力學(xué)條件及地貌地形的變化，繼而造成泥沙淤積并影響水體的性質(zhì)，急流生物也因失去生境而逐漸退化直至消亡。水庫蓄水使下游洪峰減小，下泄水溫的變化會破壞下游原有的生態(tài)平衡，進(jìn)而影響水生生物的多樣性。目前，對分層取水措施在改善河道生態(tài)條件方面作用的研究已相對深入，但在水庫水溫結(jié)構(gòu)變化對其它水文、環(huán)境及生態(tài)要素的影響及應(yīng)對措施方面的研究還較少。國內(nèi)許可等［63］研究水溫分層對三峽庫區(qū)生境的綜合影響，并以生物資源保護(hù)為目標(biāo)提出了相應(yīng)的生態(tài)調(diào)度方案；唐萍等［64］綜合考慮泥沙淤積、水溫分層對水污染、富營養(yǎng)化等問題的驅(qū)動作用和相互影響，初步探討了三峽庫區(qū)的水環(huán)境保護(hù)及生態(tài)修復(fù)措施。已有研究成果均表明能在一定程度上改善庫區(qū)、河道的生態(tài)條件，但依然無法完全消除上述負(fù)面影響。因此，結(jié)合水文、水溫、水體需氧量、水體氮磷營養(yǎng)物質(zhì)等因子建立耦合度高的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行水電建設(shè)綜合生態(tài)影響分析，從工程設(shè)計(jì)和調(diào)度兩方面著手，開展結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的流域綜合管理，是未來重要的發(fā)展方向。

［1］ 張士杰，劉昌明，王紅瑞，等.水庫水溫研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報，2001，47（3）：316－319.

［2］ 戴凌全，李 華，陳小燕.水庫水溫結(jié)構(gòu)及其對庫區(qū)水質(zhì)影響研究［J］.紅水河，2010，29（5）：30－35.

［3］ 李 娟.水庫農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)的影響與對策研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2011.

［4］ 鮑其鋼，喬光建.水庫水溫分層對農(nóng)業(yè)灌溉影響機(jī)理分析［J］.南水北調(diào)與水利科技，2011，9（2）：69－72.

［5］ 張陸良，孫大東.高壩大水庫下泄水水溫影響及減緩措施初探［J］.水電站設(shè)計(jì)，2009，25（1）：76－81.

［6］ 劉蘭芬，陳凱麒，張士杰，等.河流水電梯級開發(fā)水溫累積影響研究［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2007，5（3）：173－180.

［7］ 甘衍軍.水庫水溫預(yù)測與分層取水研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2010.

［8］ 陳秀銅.改進(jìn)低溫下泄水不利影響的水庫生態(tài)調(diào)度方法及影響研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2010.

［9］ 隋 欣，楊志峰.龍羊峽水庫蓄水對水溫的凈影響［J］.水土保持學(xué)報，2004，18（4）：154－157.

［10］ EIJI K，TAKEHIKO F，HIDEO H.A modeling approach to forecast the effect of long—term climate change on lake water quality［J］.Eco1Model，2007，209（2／3／4）：351－366.

［11］ 黃廷林，章武首，柴蓓蓓.大水深水庫內(nèi)源污染特征及控制技術(shù)［J］.環(huán)境污染與防治，2010，32（3）：1－4.

［12］ 侯 偉，黃 成，江啟明，等.粵北三座典型中型水庫富營養(yǎng)化與浮游植物群落特征［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2011，20（5）：913－919.

［13］ 祝東亮.基于水庫大壩建設(shè)的河流生態(tài)水文研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2010.

［14］ 陳凱麒，王東勝，劉蘭芬，等.水電梯級規(guī)劃環(huán)境影響評價的特征及研究方向［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2005，3（2）：79－84.

［15］ 鄧 云，李 嘉，李克鋒，等.梯級電站水溫累積影響研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2008，19（2）：273－279.

［16］ 李 蘭，李允魯.水溫綜合模型在漫灣水庫水溫計(jì)算中的應(yīng)用［J］.人民長江，2008，39（16）：25－26.

［17］ Raphael J M.Prediction of Temperatures in Rivers and Reservoirs［J］.ASCE Journal of the Power Division，1962，88（2）：157－181.

［18］ Orlob G T，Selna L G.Temperature Variation in Deep Reservoirs［J］.Journal of Hydr Div，ASCE，1983，HY3（108）：301－325.

［19］ Huber W C，Harleman D R F，Ryan P J.Temperature prediction in stratified reservoirs［J］.Journal of the Hydraulics Division，1972，98（4）：645－666.

［20］ Stefan H G，F(xiàn)ord D E.Temperature dynamics in dimictic lakes［J］.Journal of the Hydraulics Division，1975，101（1）：97－114.

［21］ Imberger J，Loh I，Hebbert B，et al.Dynamics of reservoir of medium size［J］.Journal of the Hydraulics Division，1978，104（5）：725－743.

［22］ Buchak E M，Edinger J E.User guide for LARM2：A longitudinal－vertical time－varying hydrodynamic reservoir model［R］.Vicksburg：U.S.Army Corps of Engineerings，Waterways Experiment Station，1982.

［23］ Kuo J T，J H Wu，W S Chu.Water quality simulation of Te－Chi Reservior using two－dimensional models［J］.Water Sci Tech，1994，30（2）：63－72.

［24］ Huang P，DiLorenzo J L，Najarian T O.Mixed layer hydrothermal reservoir model［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1994，120（7）：846－862.

［25］ Farrell G J，Stefan H G.Mathematical modeling of plunging reservoir flows［J］.Journal of Hydraulic Research，1988，26（5）：525－537.

［26］ 李冰凍，李克鋒，李 嘉，等.水庫溫度分層流動的三維數(shù)值模擬［J］.四川大學(xué)學(xué)報：工程科學(xué)版，2007，39（1）：23－24.

［27］ 李 蘭，武 見，王 欣.三維環(huán)境流體動力學(xué)模型在漫灣水庫水溫中的應(yīng)用研究［A］.黃河國際論壇論文集［C］.濟(jì)南：黃河水利出版社，2007：34－42.

［28］ 馬方凱，江春波，李 凱.三峽水庫近壩區(qū)三維流場及溫度場的數(shù)值模擬［J］.水利水電科技進(jìn)展，2007，27（3）：17－20.

［29］ 李懷恩，沈 冰.分層型湖泊水庫垂向水溫分布的解析解［J］.西北水電，1994（1）：34－38.

［30］ 祝東亮，李 蘭，楊夢斐.分層型水庫垂向水溫分布模型解析解研究［J］.人民長江，2010，41（15）：67－70.

［31］ 胡 平，劉 毅，唐忠敏，等.水庫水溫數(shù)值預(yù)測方法［J］.水利學(xué)報，2010，41（9）：1 045－1 052.

［32］ Vilhena LC，Hillme I，Imberger J.The role of climate change in the occurrence of algal blooms：Lake Burragorang， Australia［J］.Limnology and oceanography，2010，55（3）：1 188－1 200.

［33］ Hannoun I，List E J，Kavanagh KB，et al.Use of Elcom and Caedym for Water Quality Simulation in Boulder Basin［C］.Proceedings of the Water Environment Federation.WEFTEC，2000：3 943－3 970.

［34］ Robson B J，Hamilton D P.Three－dimensional modeling of a Microcystis bloom event in the Swan River estuary，Western Australia［J］.Ecological Modelling，2004（174）：203－222.

［35］ 陳異暉.基于EFDC模型的滇池水質(zhì)模擬［J］.云南環(huán)境科學(xué)，2005，24（4）：28－30.

［36］ 王 翠，孫英蘭，張學(xué)慶.基于EFDC模型的膠州灣三維潮流數(shù)值模擬［J］.中國海洋大學(xué)報，2008，38（5）：833－840.

［37］ 武 見.梯級水電工程水溫累積影響研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2008.

［38］ 李 蘭，武 見.梯級水庫三維環(huán)境流體動力學(xué)數(shù)值預(yù)測和水溫分層與累積影響規(guī)律研究［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2010，2（2）：155－164.

［39］ 丁寶瑛，胡 平，黃淑萍.水庫水溫的近似分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報，1987（19）：17－33.

［40］ 中國水利水電科學(xué)研究院.水庫水溫數(shù)值分析軟件（NAPRWT）［CP］.北京：中華人民共和國國家版權(quán)局，2004.

［41］ 丁寶瑛，胡 平.水工大體積混凝土溫度場的邊界條件［A］.大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力與溫度控制論文集［C］.北京：兵器工業(yè)出版社，1991：34－55.

［42］ 唐 笑，程永光.基于FLUENT的水庫水溫多維預(yù)測［J］.武漢大學(xué)學(xué)報，2010，43（1）：59－63.

［43］ Walter B Benton，Shelton R McKeever.Select reservoir withdrawal by multi－level intakes［J］.Journal of the Power Division，1970，96（1）：109－115.

［44］ James A Gore，Geoffrey E Petts.Alternatives in regulated river management［M］.Boca Raton：CRC Press，1989：333.

［45］ Roel Schouten.Effects of dams on downstream reservoir fisheries，cases of Nam Ngum［J］.Mekong Fish Catch and Cultere，1998，4（2）：1－9.

［46］ Rakesh K Gelda，Steven W Effler.Simulation of operations and water quality performance of reservoir multi－lever intake configurations［J］.Journal of Water Resources Planning and Management，2007，133（1）：78－86.

［47］ 劉仲貴.水庫水溫與水稻豐產(chǎn)灌溉［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［48］ 任華堂，陶 亞，夏建新.不同取水口高程對阿海水庫水溫分布的影響［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2010，18（S）：84－91.

［49］ 黃永堅(jiān).水庫分層取水［M］.北京：水利電力出版社，1986.

［50］ 芮建良，吳旭敏.灘坑水電站低溫水影響及分層取水方案研究［A］.祝興祥，吳 波.水利水電開發(fā)項(xiàng)目生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究與實(shí)踐［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2006：221－229.

［51］ 薛聯(lián)芳.基于下泄水溫控制考慮的水庫分層取水建筑物設(shè)計(jì)［J］.中國水利，2007（6）：45－46.

［52］ 章晉雄，張 東，吳一紅，等.錦屏一級水電站分層取水疊梁門進(jìn)水口水力特性研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2010，29（2）：1－6.

［53］ 吳莉莉，王惠民，吳時強(qiáng).水庫的水文分層及其改善措施［J］.水電站設(shè)計(jì)，2007，23（3）：97－100.

［54］ 史為良.水庫修建和冷水魚漁業(yè)［J］.水利漁業(yè)，2007，27（5）：43－45.

［55］ 林于廉，張 成，張 元.水庫水作為水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)取水水源的研究［J］.中國給水排水，2008，24（21）：99－101.

［56］ 石敬賢.天然冷源在錦屏一級水電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.水電站計(jì)，2008，24（1）：10－13.

［57］ 王 煜，戴會超.大型水庫水溫分層影響及防治措施［J］.三峽大學(xué)學(xué)報，2009，31（6）：11－14.

［58］ 肖建民，金龍海，謝永剛，等.寒區(qū)水庫冰蓋形成與消融機(jī)理分析［J］.水利學(xué)報，2004（6）：80－85.

［59］ 王 璐，李 蓓，謝能剛，等.小型調(diào)節(jié)水庫冬季水溫分析研究［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2003，9（4）：281－283.

［60］ 蒲 靈.季節(jié)性冰封水庫垂向水溫分布研究［D］.成都：四川大學(xué)，2005.

［61］ 劉杏紅，韓云童，常曉林，等.考慮淤沙影響的高拱壩水庫水溫數(shù)值分析［J］.水利學(xué)報，2010，41（3）：348－354.

［62］ 陸俊卿，張小峰，袁 晶，等.高精度格式在河道水溫模擬中的應(yīng)用［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2006，6（2）：42－44.

［63］ 許 可，周建中，顧 然，等.基于流域生物資源保護(hù)的水庫生態(tài)調(diào)度［J］.水生態(tài)雜志，2009，2（2）：134－137.

［64］ 唐 萍，翟紅娟，鄒家祥.三峽庫區(qū)水環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)初步研究［J］.水資源保護(hù)，2011，27（5）：43－46.