薛聯(lián)芳，顏劍波

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京　100011； 2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙　410014)

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水庫水溫結(jié)構(gòu)影響因素及與下泄水溫的變化關(guān)系

薛聯(lián)芳1，顏劍波2

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京100011； 2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014)

根據(jù)水庫壩前垂向水溫分布的特點，水庫水溫結(jié)構(gòu)可分為分層型、過渡型和混合型。影響水庫水溫結(jié)構(gòu)的因素很多，主要有來水水溫、氣象條件、徑流特征、水庫特性和運行方式。通過研究我國不同地域、不同規(guī)模的20多座水庫實測水溫資料，分析了水庫水溫結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。結(jié)果表明，徑流-庫容比(α值)是影響水庫水溫結(jié)構(gòu)的最主要因素，并且與下泄水溫存在良好的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)該值可初步估算下泄水溫變化范圍。

水庫水溫結(jié)構(gòu)；下泄水溫；徑流-庫容比；取水口高程

目前，國內(nèi)外對水庫水溫結(jié)構(gòu)的研究大多是基于單個水庫水溫實測資料驗證或數(shù)學(xué)模型預(yù)測分析，對多個水庫水溫結(jié)構(gòu)規(guī)律研究較少[1-2]。在環(huán)境影響評價中，對于水庫及其下泄水溫的變化，雖然都采用經(jīng)驗公式或經(jīng)過實測水溫資料驗證的數(shù)學(xué)模型進行預(yù)測計算，但對于預(yù)測結(jié)果的合理性、準確性往往難以判定。實際上，部分水庫建成后對水庫水溫及其下游水溫變化的觀測表明，預(yù)測結(jié)果與實測值存在較大差距。本文基于國內(nèi)多個水庫壩前水溫的觀測數(shù)據(jù)，對水庫水溫結(jié)構(gòu)及其影響因素進行分析研究，嘗試找出影響水庫水溫結(jié)構(gòu)的主要因素及其量化指標，并建立該指標與水庫水溫結(jié)構(gòu)及其下泄水溫影響的相關(guān)關(guān)系。通過分析這種一般性的規(guī)律，試圖找出快速判別水庫水溫結(jié)構(gòu)及其下泄水溫變化幅度簡單有效的經(jīng)驗方法。

1　資料來源

本文采用的國內(nèi)20多座水庫覆蓋了不同調(diào)節(jié)性能(多年調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)和日調(diào)節(jié))和不同地區(qū)(北方和南方、東北和西部等)，具有一定代表性。研究采用的水庫水溫觀測數(shù)據(jù)均為水庫穩(wěn)定運行后的全年逐月實測資料，有些是近壩區(qū)斷面中心線的典型年垂向水溫觀測資料，有些是壩面溫度計多年觀測的水溫資料，垂向水溫觀測的范圍從庫表至庫底(或接近庫底)。建庫前后出庫、入庫水溫選取控制水文站長期實測資料。

2　水庫水溫結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

影響水庫水溫結(jié)構(gòu)的因素有很多，主要有來水水溫、氣象條件、徑流特征、水庫特性和運行方式，徑流-庫容比(α值)是影響水庫水溫結(jié)構(gòu)的最主要因素。

2.1水庫水溫結(jié)構(gòu)與α值相關(guān)關(guān)系

現(xiàn)有研究表明，水庫水溫在時間上以年為周期性變化[3-4]。在空間上，水庫水溫在縱向、橫向和垂向均呈現(xiàn)一定規(guī)律：一般的水庫水溫在橫向上變化較小，只有在庫岸、淺灘附近或洪水入庫擾動時，有一定差異[5]；縱向上，深泓線平均水溫一般在升溫期自庫尾向壩前沿程遞減，降溫期則沿程遞增，對于近壩區(qū)的水庫水體，不考慮洪水沖擊的特殊時刻，水庫等溫線基本是水平的；水庫垂向水溫分布最為復(fù)雜，也最能反映水庫水溫的空間分布特征。水庫水溫在空間的分布可近似簡化為沿水深分布的一維模型[6]。

通過研究國內(nèi)20多個水庫的壩前水溫觀測資料發(fā)現(xiàn)，水庫水溫結(jié)構(gòu)與α值關(guān)系基本符合水溫結(jié)構(gòu)“α值判別法”表示的相關(guān)關(guān)系：α≤10時，水溫結(jié)構(gòu)為分層型；α≥20時，水溫結(jié)構(gòu)為混合型；10<α<20，水溫結(jié)構(gòu)為過渡型。此外，對于α≤10的分層型水庫，α≤5時，水溫結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定分層型，這類水庫一般為多年調(diào)節(jié)性水庫；5<α≤10時，水溫結(jié)構(gòu)為較穩(wěn)定分層型，這類水庫一般為不完全多年調(diào)節(jié)或年調(diào)節(jié)性水庫，不同水庫水溫類型與α值的關(guān)系見表1。

表1　水庫水溫結(jié)構(gòu)與α值的關(guān)系

2.2α值與取水口高程相關(guān)關(guān)系

表1反映水庫水溫結(jié)構(gòu)和α值有很高的相關(guān)關(guān)系，α值越大，水庫水體交換的次數(shù)越多，水體摻混程度越高，垂向水溫溫差越小。有研究認為，水庫水體交換首先發(fā)生在取水口以上部分，對同一水庫，取水口設(shè)置得越低，溫躍層分布越低[7-8]。針對不同α值的水庫，結(jié)合取水口分布，進一步驗證水庫水溫主要受α值影響。

當α≤5時，水體交換主要發(fā)生在取水口高程以上，因此變溫層基本分布在取水口高程以上，取水口高程以下水體水溫變化很小，這種水庫水溫呈現(xiàn)穩(wěn)定分層的特征，例如東江水庫和光照水庫。

當α>5時，取水口高程以下水體也頻繁參與水體交換，變溫層發(fā)展到取水口高程以下，取水口高程以下水體水溫變化顯著增大，例如柘溪水庫和安康水庫。水庫壩前水溫分布與取水口高程的關(guān)系見圖1。

圖1　水庫壩前水溫分布與取水口高程的關(guān)系Fig.1　Relationship between water temperature distribution in front of the reservoir and the elevation of water intake

2.3不同α值水庫下泄水溫變化分析

通過收集國內(nèi)多座水電站建庫前后入庫水溫、出庫水溫資料進行對比分析，得到水庫下泄水溫變化計算公式：

ΔT=(Toa-Tob)-(Tia-Tib)

式中，Tob、Toa分別為建庫前、后出庫水溫；Tib、Tia分別為建庫前、后入庫水溫。

計算得到幾個典型水庫出庫水溫變化值見表2。對比α值發(fā)現(xiàn)，水庫下泄水溫變幅與水庫α值也有較好的對應(yīng)關(guān)系，α值很小的穩(wěn)定分層型水庫，夏季降溫幅度和冬季升溫幅度相對較大，下泄水溫年內(nèi)變化比較穩(wěn)定。隨著α值增大，水溫結(jié)構(gòu)由分層型逐漸向過渡型轉(zhuǎn)變，夏季降溫幅度和冬季升溫幅度相對較小，出庫水溫年內(nèi)變化接近天然水溫變化。

表2　幾個典型水庫α值與出庫水溫變化值

3　結(jié)論

(1)入庫年徑流量與水庫庫容比值(α值)的大小是影響水庫水溫分布的主要因素。α值與水庫水溫分層強弱具有很好的對應(yīng)關(guān)系，α值越大，水庫水溫分層結(jié)構(gòu)越弱，反之則越強。當α≤5時，水庫水溫結(jié)構(gòu)經(jīng)常表現(xiàn)為穩(wěn)定分層型，這類水庫一般為多年調(diào)節(jié)型，由于取水口高程以上庫容一般較大，取水口高程以下水體很難被交換，其水溫變化很小；當5<α≤10時，水庫水溫結(jié)構(gòu)往往為較穩(wěn)定分層型，這類水庫一般為不完全多年調(diào)節(jié)或年調(diào)節(jié)型，由于取水口高程以下水體頻繁參與水體交換，變溫層發(fā)展到進水口高程以下，進水口高程以下水體水溫變化明顯增大。

(2)α值與下泄水溫也有較好的相關(guān)關(guān)系。α值越小的水庫，下泄水溫年內(nèi)變化越小，與天然河流水溫相比，出庫水溫改變越大；α值越大的水庫，下泄水溫年變化越接近天然水溫的年變化，與天然河流水溫相比，出庫水溫改變越小。

(3)根據(jù)本文研究成果，可以利用水庫徑流量與庫容的比值快速判斷水庫水溫結(jié)構(gòu)及其對出庫水溫的影響，能夠為水利水電工程水溫影響預(yù)測提供有益參考。但本文采用的是統(tǒng)計學(xué)分析方法，由于樣本主要為我國中東部地區(qū)的水庫實測水溫，西南地區(qū)樣本較少，尤其缺乏高海拔地區(qū)的水庫實測水溫，因此應(yīng)用于西南、高海拔地區(qū)時，存在一定的局限性。

[1]陶美, 逄勇, 王華, 等. 洪水對水庫水溫分層結(jié)構(gòu)的影響[J]. 水資源保護, 2013, 29(3): 38-44.

[2]鄧云, 李嘉, 李克鋒, 等. 紫坪鋪水庫水溫預(yù)測研究[J]. 水利水電技術(shù), 2003, 34(9): 50-52.

[3]張大發(fā). 水庫水溫分析及估算[J]. 水文, 1984(1): 19-27.

[4]朱伯芳. 庫水溫度估算[J]. 水利學(xué)報, 1985(2): 12-21.

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[6]岳耀真, 趙在望. 水庫壩前水溫統(tǒng)計分析[J]. 水力水電技術(shù), 1997, 28(3): 2-7.

[7]郝紅升, 李克鋒, 李然, 等. 取水口高程對過渡型水庫水溫分布結(jié)構(gòu)的影響[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2007，16(1): 21-25.

[8]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(S1): 84-91.

Study on the Influencing Factors of Reservoir Water Temperature Structure and the Relationship with Discharge Water Temperature

XUE Lian-fang1, YAN Jian-bo2

(1.China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100011, China; 2.PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

According to the characteristics of the vertical water temperature distribution in the reservoir, the water temperature structure can be divided into three types: the layered, the transitional, and the mixed type. There are many factors affecting the reservoir water temperature structure, mainly including inflow water temperature, weather conditions, runoff characteristics, reservoir characteristics, and operation scheme. This paper studied the water temperature data of more than twenty reservoirs in different regions and different scales in China, and analyzed the change rule of water temperature structure. Analysis results showed that the ratio of runoff and reservoir capacity (α value) is a critical influencing factor of the reservoir water temperature structure, and it has a good corresponding relationship with reservoir discharge water temperature. According to the α value, we can estimate the approximate range of discharge water temperature.

reservoir water temperature structure; discharge water temperature; the ratio of runoff and reservoir capacity; elevation of water intake

2016-02-18

薛聯(lián)芳(1964—)，男，福建上杭縣人，教授級高級工程師，碩士，主要研究方向為水電環(huán)境保護，E-mail：xuelianfang@263.net

10.14068/j.ceia.2016.03.008

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0029-03