鄧偉鑄，徐婉明，劉 斌，廉 浩

(1.珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，廣東 廣州 510611；2.國家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院，廣東 廣州 510300)

大型水利樞紐工程的建設(shè)，對(duì)水庫庫區(qū)及下游河道的環(huán)境帶來明顯影響。高壩大庫的形成，使原來流速較快、水溫均勻的天然河道變?yōu)橄鄬?duì)靜止的大型水體，受太陽輻射、對(duì)流混合和熱量傳輸?shù)挠绊?，庫區(qū)水體垂向水溫出現(xiàn)躍層分布，底層水體水溫較天然水溫低[1-3]。傳統(tǒng)單層取水方式會(huì)造成水庫下泄水溫在夏季低于河道天然水溫，在冬季高于河道天然水溫現(xiàn)象，水庫下泄的低溫水對(duì)下游河道水生生物的繁殖生長產(chǎn)生明顯不利影響。在綠色發(fā)展的背景下，低溫水下泄成為水利水電工程建設(shè)引起的重要環(huán)境問題之一[4]。在明確水溫分層情況下，采取必要的工程措施是減緩水庫下泄低溫水對(duì)環(huán)境和生態(tài)的不利影響的有效手段[5]，李璐等探討了分層取水措施對(duì)減緩下泄低溫水的效果[6]。大型水庫水溫研究方法主要為數(shù)值模擬法，陳永燦等利用一維水溫模型預(yù)測了密云水庫垂向水溫分布規(guī)律[7]，江春波、楊芳麗利用二維水溫模型模擬了河道水溫及污染物分布規(guī)律[8-9]，高學(xué)平等利用三維水溫模型對(duì)糯扎渡水電站下泄水溫進(jìn)行模擬[10]。本文以貴州省夾巖水利樞紐工程為例，采用三維數(shù)值模擬方法預(yù)測水庫庫區(qū)水溫分布，研究大型水庫不同取水方式對(duì)下游魚類生境的影響。

1 概況

夾巖水利樞紐工程位于貴州省畢節(jié)市，工程以供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用。工程由水源工程、灌區(qū)輸水工程及畢大供水工程組成，工程等別為I等。其中水源工程夾巖水庫正常蓄水位1 323 m，死水位1 305 m，總庫容13.25億m3，調(diào)節(jié)庫容4.519億m3，最大壩高154 m，壩頂長428.93 m；壩后電站裝機(jī)容量70 MW，多年平均年發(fā)電量2.228億kW·h。工程總投資168.16億元，總工期66個(gè)月[11]。

2 壩下河道基本情況

水庫位于烏江上游北源六沖河中游河段，壩址以上流域面積4 312 km2，多年平均徑流量19億m3，多年平均流量59.7 m3/s。水庫下游2.7 km為總溪河水文站，下游3.3 km為九洞天國家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)上邊界。風(fēng)景名勝區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)105°11′54″至105°23′12″，北緯26°55′30″至27°03′36″。六沖河在風(fēng)景區(qū)內(nèi)總長26 km，從上游至下游依次為總溪河、梯子巖、九洞天三部分景區(qū)，總面積86.2 km2。

壩下河道存在的產(chǎn)卵場主要為維新產(chǎn)卵場和九洞天產(chǎn)卵場，維新產(chǎn)卵場位于壩址下游5 km處，九洞天產(chǎn)卵場位于壩址下游15 km處。產(chǎn)卵魚類主要為白甲魚、鯽魚、長薄鰍等，適宜生長流速為0.5～2.0 m/s，適宜水深為0.5～1.5 m，產(chǎn)卵敏感需水期為2—7月。

3 庫區(qū)水溫預(yù)測

3.1 庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)判定

大型水庫庫區(qū)水溫分類包括混合型、過渡性和分層性，低溫水下泄主要出現(xiàn)在水溫分層型水庫。庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)判定主要采用庫容比法和弗汝德數(shù)法[12]。

a) 庫容比法判別系數(shù)計(jì)算公式：

(1)

式中α——判別系數(shù)；W——多年平均年徑流量，m3；W總——總庫容，m3。

當(dāng)α<10時(shí)，水庫水溫為穩(wěn)定分層型；當(dāng)10<α<20時(shí)，水庫水溫為過渡型；當(dāng)α>20時(shí)，水庫水溫為混合型。

b) 弗汝德數(shù)法計(jì)算公式：

(2)

當(dāng)Fd<0.1時(shí)，水庫水溫為穩(wěn)定分層型；當(dāng)0.11.0時(shí)，水庫水溫為混合型。

夾巖水庫庫區(qū)水溫分層判定結(jié)果見表1，該水庫庫區(qū)水溫為穩(wěn)定分層型。

表1 夾巖水庫庫區(qū)水溫分層判定結(jié)果

3.2 庫區(qū)水溫預(yù)測

3.2.1水溫模型驗(yàn)證

本文采用三維數(shù)值模型對(duì)夾巖水庫庫區(qū)垂向水溫進(jìn)行預(yù)測，并采用下游洪家渡水庫實(shí)測水溫資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，洪家渡水庫位于擬建夾巖水庫下游，為烏江上已建第一個(gè)梯級(jí)，其匯流來水主要為烏江上游六沖河來水，兩者地理位置、氣候條件、來水情況、匯流方式等條件均相似，將驗(yàn)證后的模型用于夾巖水庫水溫?cái)?shù)值模擬。模型考慮的模塊包括水動(dòng)力模塊、湍流封閉模塊、溫度輸移模塊等。

庫區(qū)水溫模型模擬步長為30 s，模擬時(shí)間至水溫分層穩(wěn)定；底摩擦力由二次拖曳系數(shù)設(shè)定，取定值0.03 m；柯氏力由計(jì)算經(jīng)緯度確定；水平渦黏系數(shù)用Smagorinsky公式計(jì)算，Cε取值0.28；垂向渦黏系數(shù)采用k-ε模式確定，與TKE耗散率相關(guān)的及水溫模型主要參數(shù)見表2。水平和垂向湍流動(dòng)能都取1 m2/s2，TKE擴(kuò)散率k取1.3[13-14]。

表2 三維水溫模型參數(shù)取值

下游洪家渡水庫1—2月和7—12月壩前垂向水溫模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比見表3、圖1，其中實(shí)測水溫引用《貴州烏江水電開發(fā)環(huán)境影響后評(píng)價(jià)報(bào)告》中實(shí)測水溫內(nèi)容[15]。表層、底層水溫的平均絕對(duì)誤差平均值分別為-0.49℃、0.58℃、-0.89℃，模擬結(jié)果較可信。洪家渡壩前各月水溫垂向季節(jié)性分層明顯，水溫分層隨季節(jié)變化，8、9月表底溫差達(dá)到最大；入冬后氣溫和光照條件均減弱，水汽熱量交換減緩，垂向水溫分布趨于均勻，分層現(xiàn)象漸不明顯。模型模擬結(jié)果與實(shí)測水溫觀測結(jié)果變化規(guī)律較一致。本文研究的夾巖水庫與洪家渡水庫均在六沖河干流上，所處的緯度相同，光照和氣象條件相近，可見其庫區(qū)水溫分布特征相似，模型參數(shù)可用于夾巖水庫庫區(qū)水溫預(yù)測。

表3 水溫驗(yàn)證對(duì)比 ℃

a) 1月 b) 2月

c) 7月 d) 8月

e) 9月 f) 10月

g) 11月 h) 12月圖1 洪家渡壩前斷面垂向水溫驗(yàn)證

3.2.2夾巖水庫庫區(qū)水溫預(yù)測

夾巖水庫庫區(qū)水溫與天然水溫對(duì)比見圖2。受水庫的調(diào)蓄作用影響，2—8月水庫庫表水溫比天然水溫低；10月至次年1月水庫庫表水溫比天然水溫稍高。夾巖水庫壩前水溫垂向分布見圖3、表4，模擬分析結(jié)果表明，夾巖水庫庫區(qū)水溫處于常年分層狀態(tài)，屬于典型的水溫分層型水庫。1—2月為低溫期，受水庫所在區(qū)域氣溫和太陽輻射強(qiáng)度較低影響，溫度垂向分布出現(xiàn)輕微逆溫現(xiàn)象；3—5月份為升溫期，隨著庫區(qū)氣溫和太陽輻射大幅度上升，水體溫度逐漸攀升，表層水溫增速明顯，從3月的12.87 ℃升至8月份的19.16℃；水庫表層的年最高水溫出現(xiàn)在9月份，10—12月為降溫期，隨著入流水溫、氣溫和太陽輻射的逐漸下降，水體向大氣散失熱量開始降溫，溫度躍層現(xiàn)象減緩?？傮w上，庫區(qū)表底層溫差隨著季節(jié)變化明顯，表層水溫主要取決于光照強(qiáng)度，底層水溫較穩(wěn)定。

圖2 夾巖水庫壩前庫表庫底水溫與天然水溫對(duì)比

圖3 夾巖水庫壩前水溫垂向分布

表4 夾巖水庫壩前斷面垂向水溫分布預(yù)測

4 低溫水減緩效果分析

4.1 下泄水溫對(duì)比

夾巖水庫死水位為1 305 m，正常蓄水位為1 323 m，水庫消落深度為18 m。為滿足機(jī)組淹深要求，底層取水口地板高程為1 294.5 m，取水口尺寸為6.8 m×6.0 m。以水庫壩址多年平均來水條件為例，考慮年內(nèi)豐枯來水量變化及相關(guān)洪水過程，夾巖水庫5月份蓄水位為死水位1 305 m；從5月開始蓄水，至10月蓄至接近年內(nèi)最高水位；至次年5月再次降至死水位1 305 m。單層取水方式和分層取水方式(兩層)下泄水體水溫對(duì)比見表5，單層取水方式下泄水體水溫為10.7℃～16.4℃，與天然水體溫差為-3.7℃～1.3℃，最大溫差出現(xiàn)在7月，人類活動(dòng)導(dǎo)致降溫超過-2℃的月份為6—8月；分層取水方式下泄水體水溫為10.5℃～17.5℃，與天然水體溫差為-2.5℃～1.1℃，最大溫差出現(xiàn)在7月，人類活動(dòng)導(dǎo)致降溫超過-2℃的月份為7—8月。與單層取水方式相比，分層取水方式能有效提高夏季下泄水體水溫，降低下泄水體與天然水體溫差(表5)。

表5 單層取水方式與分層取水方式下泄水溫對(duì)比

4.2 水溫沿程恢復(fù)分析

單層取水方式和分層取水方式水溫沿程恢復(fù)情況對(duì)比見圖4、表6。單層取水方式下泄水溫與天然水溫溫差大于-1℃的月份為3—9月，溫差超過-2℃月份為6—8月，下泄水體水溫恢復(fù)至與天然水溫溫差為-2℃的最大恢復(fù)距離為20.8 km(7月)，恢復(fù)至與天然水溫溫差為-1℃的最大恢復(fù)距離為39.5 km(7月)。分層取水方式下泄水溫與天然水溫溫差大于-1℃的月份為3—5、7—8月，溫差超過-2℃月份為7月，下泄水體水溫恢復(fù)至與天然水溫溫差為-2℃的最大恢復(fù)距離為9.4 km(7月)，恢復(fù)至與天然水溫溫差為-1℃的最大恢復(fù)距離為20.0 km(7月)。與單層取水方式相比，分層取水方式能有效提高夏季下泄水體水溫，縮短下泄低溫水恢復(fù)距離。

a) 單層取水

b) 分層取水圖4 單層取水方式與分層取水方式水溫沿程恢復(fù)對(duì)比

5 環(huán)境敏感點(diǎn)影響分析

夾巖水庫下游水溫環(huán)境敏感點(diǎn)主要為維新產(chǎn)卵場和九洞天產(chǎn)卵場，維新產(chǎn)卵場位于壩址下游5 km處，九洞天產(chǎn)卵場位于壩址下游15 km處。產(chǎn)卵魚類主要為白甲魚、鯽魚、長薄鰍等，適宜生長流速為0.5～2.0 m/s，適宜水深為0.5～1.5 m，產(chǎn)卵敏感需水期為2—7月。

表6 單層取水方式與分層取水方式水溫沿程恢復(fù)對(duì)比

單層取水方式、分層取水方式下泄水體水溫對(duì)特征魚類產(chǎn)卵的影響對(duì)比見表7。白甲魚、鯽魚產(chǎn)卵適宜水溫為13℃～15℃，壩址下游河道2—5月天然水溫為11.6℃～18.3℃。夾巖水庫單層取水方式和分層取水方式下泄水體水溫均為10.9℃～16.4℃，工程建設(shè)使白甲魚、鯽魚產(chǎn)卵月份從3—4月推遲至4—5月。

表7 評(píng)價(jià)河段魚類受下泄低溫水影響產(chǎn)卵期變化情況及

長薄鰍、鲿科及鮡科等魚類產(chǎn)卵適宜水溫為15℃～17℃，天然水溫情況下產(chǎn)卵月份為4—5月。單層取水方式4—8月下泄水體水溫為14.5℃～16.4℃，單層取水方式使下游長薄鰍、鲿科及鮡科等魚類產(chǎn)卵時(shí)間推遲至5—8月。分層取水方式4—8月下泄水體水溫為14.5℃～17.5℃，其中6月水溫已達(dá)17.2℃，為長薄鰍、鲿科及鮡科等魚類的適宜產(chǎn)卵水溫，分層取水方式其產(chǎn)卵時(shí)間推遲至5—6月，其產(chǎn)卵時(shí)間接近天然水溫環(huán)境下的產(chǎn)卵時(shí)間。與單層取水方式相比，分層取水下泄水體水溫對(duì)魚類產(chǎn)卵的影響明顯得到減緩。

6 結(jié)論和建議

6.1 結(jié)論

本文采用三維數(shù)值模型對(duì)夾巖水庫庫區(qū)水溫進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明夾巖水庫庫區(qū)垂向水溫穩(wěn)定分層，庫區(qū)表底層溫差隨著季節(jié)變化明顯，表層水溫主要取決于光照強(qiáng)度，底層水溫較穩(wěn)定。水庫采用單層取水方式下泄水體水溫與天然水體溫差為-3.7℃～1.3℃，采用分層取水方式下泄水體水溫與天然水體溫差為-2.5℃～1.1℃，分層取水方式能有效提高夏季下泄水體水溫，降低下泄水體與天然水體溫差，縮短下泄低溫水恢復(fù)距離，減緩對(duì)下游河道特征魚類生存環(huán)境的負(fù)面影響。分層取水措施能有效緩解大型水利樞紐下泄低溫水引起的生態(tài)環(huán)境負(fù)面效應(yīng)，具有重要環(huán)境效益。

6.2 建議

a) 實(shí)施下泄水溫監(jiān)控。為監(jiān)控運(yùn)行期下泄水體水溫，應(yīng)建設(shè)下泄水體水溫監(jiān)控系統(tǒng)。定期監(jiān)測下泄水體水溫，加強(qiáng)水生生態(tài)保護(hù)措施管理落實(shí)。

b) 開展庫區(qū)調(diào)蓄調(diào)度研究。開展相關(guān)研究，將水庫年內(nèi)調(diào)蓄調(diào)度、發(fā)電引水與魚類繁殖所需水量水溫相結(jié)合，確保魚類繁殖季節(jié)下泄表層水體。