双峰寺水库分层水温预测分析

周 慧 ，武智宏 ，周 波

（1.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250；2.海河水利委员会水文局，天津300170）

双峰寺水库建库蓄水运行后，库区水位将明显高于天然河道状态［1-2]。水库水深从库尾至坝前断面不断增加，坝前水深变化最大，正常蓄水位389m情况下，坝前水深24m。水库流速从库尾至坝前断面不断减小。水库坝址以下至第一道橡胶坝区间河段分布有鱼类产卵场及索饵场。为保证鱼类产卵的水温刺激，水温温差应控制在1.5℃内，流速为0.5～0.8m/s。为了减轻水库低温水下泄对下游河道水生态的影响，采用分层取水［4-6]。制定科学合理的分层取水方案分析不同气象和水文条件、运行方式等作用下的水库水温结构变化［7]。本文以双峰寺水库为研究对象，利用天然河道水温和气温观测系列分析水库水温结构，研究水库水温分层变化与水深的关系，为分层取水水工设计提供依据。

1 建库后水温分布分析

1.1 水库水温分布类型判别

依据《水利水电工程水文计算规范》水温分析计算采用公式（1）判别水库水温分布类型［8］。

式中 α为判别系数（当α<10时为分层型；α>20时为混合型；10≤α≤20时为过渡型）；W为多年平均年径流量（m3）； V总为总库容（m3）。

双峰寺水库多年平均年径流量2.42亿m3，总库容1.37亿m3。由公式（1）判别，α=1.763<10，双峰寺水库为分层型。

1.2 垂向水温分布计算

依据《水利水电工程水文计算规范》，垂向水温分布可按经验公式（2）～（5）计算［8]：

式中 Ty为从库水面计水深为y处的月平均水温（℃）；T0为库表面月平均水温（℃）；m为月份；n、x为与m有关的参数；Tb为库底月平均水温（℃）（对于分层型水库，各月库底水温与其年值差别甚小，可用年值代替；对于过渡型和混合型水库，各月库底水温可用式（5）计算，该式适用于23°～44°N地区）；N为大坝所在纬度；Tb′、K′为参数，其值见表1。

水库的表层月平均水温T0可由库区年平均库表水温估算求得。根据武烈河承德市实测多年平均气温资料，利用年平均库表水温与气温关系折算，即：

表1 双峰寺水库水深与温度关系

式中 Ia为年平均气温（℃）；Iw为年平均库表水温（℃）。

1.3 水库底层月平均水温估算方法

1.3.1 相关法

库底平均水温Tb，受地理纬度、水深、电站引水建筑物、泥沙淤积、海拔高度、库底温度等因素的影响，其中又以前两项因素的影响最大。《水利水电水文计算规范》根据10余座水库的情况点绘了纬度、水温和水深三因素相关图，采用该图查出拟建双峰寺水库的库底年平均水温为13℃。

假设不同的水深，按公式逐月计算水库y～Ty关系，考虑温度变化越大对环境及生物影响越不利，因此取温度变化最剧烈的5月份作为水库控制设计条件。按此方法双峰寺水库水深与温度（y～Ty）关系见表2。

根据表1中水深与温度（y～Ty）关系，若生态环境用水要求温度变化小于1.5℃，则分层取水水深控制范围为4.21m。

1.3.2 经验估算法

由于库底水温较库表水温低，故库底层水密度也较库表层要大。对于分层型水库来说，其冬季上游水温度为年内最低，届时水库表层与底层水温相差较小［9]。因此，库底层水温近似等于建库前河道来水的最低月平均水温。

本次计算取月平均水温最小值近似代替最低月平均水温值。计算方法见表2。

1.3.3 纬度与水库底层水温相关法

表2 5月份温差水深计算（1.5℃）

水库水温与地理纬度的关系与气温相似，亦可根据《水利水电工程水文计算规范》中库底水温计算公式中的参数计算水库各月底平均水温，本方法适用于23°～44°N地区的过渡型和混合型水库。

由于承德处于北纬40°58′且按100a一遇一次洪水总量分析，水库会出现临时混合现象。计算方法如表2。1.3.4 底层水温代替法

水库的水温受库区地形、气象条件、水文条件、泄水口布置、水库淤积形态及水库调度运行方式等多种因素的影响，尤其在冬季严寒地区甚至会出现温度逆转现象［10]。用长系列天然河道实测月平均水温代替拟建水库的底层水温更能体现水库水温的季节性变化。故采用武烈河承德站1956～1991年月平均水温长系列进行水温计算，采用4种方法进行计算成果分析。

（1）相关法。库底各月平均水温与库底年平均水温差异较小，库底水温依据纬度、水温和水深三因素相关图所得，计算成果较准确可靠。

（2）经验估算法。缺少最低月平均水温实测数据，采用月平均水温最小值来代替，导致库底水温计算结果偏小。

（3）纬度与水库底层水温相关法。该方法适用于23°～44°N地区的过渡型和混合型水库，而双峰寺水库为分层型水库，导致计算结果有误差。

（4）底层水温代替法。与相关法计算成果较接近，侧面验证了计算成果的准确性和可靠性。

综合比较4种计算成果，本工程推荐相关法方案，即假定温差1.5℃时水位差为4.21m。结合水温变化范围和取水建筑物的优化设计考虑，推荐假定温差1.5℃时分层取水的水位差取4m。

2 结语

利用天然河道水温和气象观测系列对水库垂向水温分布进行了分析，在此基础上，从下游河道生态环境出发，确定了分层取水的水位差。

（1）双峰寺水库为分层型水库，影响双峰寺水库水温结构的因素主要有气象因素、库区来水流量和水温度等。

（2）结合双峰寺水库自然地理条件和水库特性，通过对水库底层水温的4种计算方法类比，推荐采用相关法，该成果合理、可靠，目前已用于双峰寺水库分层取水型式选取和确定取水口位置的设计中。

［1］国家环境保护总局环境影响评价管理司.水利水电开发项目生态环境保护研究与实践 ［C］.北京：中国环境科学出版社，2006.

［2］河北省水利水电勘测设计研究院.河北省承德市双峰寺水库可行性研究［R］.2010.

［3］武智宏.兴建双峰寺水库解决承德市防洪及供水的意义［J］.水科学与工程技术，2007（2）：10-12.

［4］关于印发水电水利建设项目水环境与水生生态保护技术政策研讨会会议纪要的函［Z］.环办函［2006]11号.

［5］中国水利水电科学研究院，承德市水务局.河北省承德市双峰寺水库环境影响报告书［R］.2009.

［6］中国水利水电科学研究院.糯扎渡水电站分层取水水温预测数值研究报告［R］.2008.

［7］张士杰，彭文启.二滩水库水温结构及其影响因素研究［J］.水利学报，2009（10）：1254-1258.

［8］SL278—2002，水利水电工程水文计算规范［S］.

［9］陈永灿，张宝旭，李玉梁.密云水库垂向水温模型研究［J］.水利学报，1998（9）：14-20.

［10］蒋红.水库水温计算方法探讨［J］.水力发电学报，1999（2）：39-41.