前坪水库蓄水对水温的影响研究

智天翼 杨安邦

前坪水库位于淮河流域沙颍河支流北汝河上游，坝址在汝阳县县城以西9km的前坪村附近，坝址以上北汝河干流长91.5km。水库控制流域面积1325km2，坝址处多年平均天然径流量3.437亿m3。水库正常蓄水位406m，死水位370m，汛限水位403m，正常蓄水位时水库面积约14.36km2，回水长度约22km。

枢纽区建筑物主要有主坝、副坝、溢洪道、输水洞、泄洪洞、电站等单项工程组成，主坝为粘土心墙砂卵砾石坝，主坝坝顶长808m，最大坝高86m，坝顶宽10m。灌溉洞中心高程为368.6m。水库可发展灌溉面积约31.8万亩，灌区主要种植小麦、玉米等。

一、水库水温结构判别

水库水温结构判别采用《水利水电工程水文计算规范》（SL278－2002）中的α－β法判别公式，有两个判别指标：

α=多年平均径流量/总库容，β＝一次洪水总量/总库容

当α<10时水温结构为分层型；当α>20时水温结构为混合型。对于分层型水库，β<0.5时，入库洪水对水库水温结构无影响，0.5<β<1时，有一定影响，但不破坏分层结构；β>1时，洪水在相应时段内破坏水温分层而呈现为临时混合层。

坝址处多年平均径流量为3.44亿m3，总库容为 6.10亿 m3，百年一遇的最大七天洪量为5.674亿m3。经计算，α＝0.57，β＝0.93，表明水库水温结构为分层型，入库洪水不破坏水温分层结构，但有一定影响。

二、水库水温垂向分布预测

前坪水库水库垂向水温预测采用东北勘测设计研究院方法，见公式（1）。

式中：Ty为水深y处的月均水温（℃）；Ta为库表月均水温（℃）；m 为月份数；Tb为库底月均水温（℃）。

水库水温垂向分布预测结果见表1。水库水温垂直结构大致分为3层：水深12m内为活动层，水温随气温而变化，库表水温在5.5℃～28.8℃之间变动；温跃层在12～30m之间，以8月最为显著，水温随水深剧烈变化，水温梯度达0.6℃/m以上；滞温层为30 m以下，对外界气温和库表水温变化不敏感，基本与库底水温保持一致。

三、水库下泄水温与天然水温差异

根据工程设计，灌溉洞中心高程为368.6m，即从正常蓄水位以下37.4m处引水。河道天然水温采用四川大学李克锋等提出的河流天然水温与气温、相对湿度、风速关系式（2）进行估算。

式中：t为天然水温（℃）；T为各月平均气温（℃）；r为各月相对湿度；ω为各月平均风速（ m/s）。

坝址处河道天然水温及与下泄水温温差预测见表2。4～10月份下泄水温低于天然水温3℃～10.4℃。

表1 水库垂向水温分布预测表 单位：℃

表2 河道天然水温及与下泄水温比较表 单位：℃

四、下泄灌溉用水水温沿程变化

根据工程设计，农业供水采用明渠输水，总干渠长19.568km，然后分为南北输水干渠进入灌区，北干渠长26.90km、南干渠长43.61km。输水干渠水体沿程水温变化采用日本农林省农地局建议的公式（3）计算。

式中：X为影响距离（km）；C为水的 比 热 （J/Kg.K）；ρ为水的密度（g/m3）；D为X区间的河道平均水深（m）；u为 X区间的河道平均流速（m/s）；Δθ为水库放流水温与天然河道水温差值（℃）；α为比例系数；θ∞为平衡水温（℃）；θ为主流水温（℃）。

以各干渠的中段渠道设计参数计算，在南干渠出口处5、6月份下泄水温可恢复4.7℃、5.7℃，北干渠出口处5、6月份下泄水温可恢复5.3℃、6.5℃。对照输水洞下泄水温与天然水温温差，南北干渠出口水温仍未恢复至天然水温。

五、低温水对农作物影响分析及缓解措施

参照农业相关研究结果，作物对水温的要求是：无论旱作、水作都不能大于 35℃；旱作适宜温度 15℃～20℃，最低允许温度为2℃。温度差为6℃～8℃的灌溉水源对0～20 cm深地温影响差异小于1℃。

灌区冬小麦灌溉用水主要集中在4、5、6月份，夏玉米灌溉用水主要集中在7、8月份。6～8月下泄灌溉水温为8.9℃，低于天然水温0.5℃～1.5℃，直接灌溉可能影响农作物生长；9月～次年5月引水灌溉对农作物影响很小。

解决分层型水库对农田灌溉造成的冻害问题，主要措施有：大坝工程设计时，考虑分层取水措施，提高水库下泄水温；灌区工程设计时，考虑采用宽浅式过水断面渠道，利于渠道中水体水温上升；采用田间调温措施，如设置晒水池或利用田间池塘使低温水停留增温，待水温升高后再进行灌溉