金沙江下游梯级开发对长江上游保护区鱼类繁殖的水温影响

骆辉煌，李 倩，李 翀

（1.中国水利水电科学研究院 水环境研究所，北京 100038；2.中国长江三峡集团公司，北京 100038）

1 研究背景

金沙江下游干流已在建或规划向家坝、溪洛渡、白鹤滩和乌东德4个梯级水库。4个梯级水库在正常蓄水位下库容达52～205亿m3，水深达120～255m，均为高坝巨型水库，库区将呈现出不同程度的垂向水温分层，下泄水温较天然状态下河道水温会有较大的变化。金沙江下游梯级水库最后一级——向家坝水库距长江上游珍稀、特有鱼类国家级自然保护区（以下简称“保护区”）上游仅1.8km。梯级水库运行后下泄水温变化对保护区内珍稀、特有鱼类生长繁殖的影响一直是国内外专家学者关注的重点。

国内众多学者开展过关于水库水温模拟及水生生物生长、繁殖与水温关系的研究。文献[1-6]先后利用垂向一维、立面二维和三维模型研究了库区水温。由于立面二维水温模型计算稳定性好，需率定的参数较少，而且在预测大型水库水温结构及其下泄水温过程中具有良好的精度，因而目前研究主要采用该类模型。同时，鱼类的生长、繁殖均有特定的水温需求，如青鱼、草鱼、鲢、鳙等，当水温达到18℃时才产卵；中华鲟的产卵水温则在21℃以下[7]。因此，水温的改变将影响鱼类的生长、繁殖[8]。王俊娜[9]认为，三峡水库运行后，繁殖期下限温度18℃出现时间的推迟导致了四大家鱼繁殖时间的延后，同时3—4月下泄的“低温水”导致春季四大家鱼性腺开始发育时间推迟，也可能是四大家鱼繁殖时间推迟的另一个重要原因。

因此本文将采用CE-QUAL-W2水温模型研究金沙江下游梯级水库运行后下泄水温变化趋势，并分析水温变化对保护区内鱼类生长、繁殖的影响。

2 数据与方法

2.1 水温模型CE-QUAL-W2模型由美国陆军工程兵团和波特兰州立大学开发，广泛应用于河流、河口、湖泊和水库的立面二维水动力、水质模拟。可模拟立面二维水流、水温、水质等[10]。其主要方程如下[10]。

（1）连续方程

（2）动量方程

（3）水温方程

式中：U为x向流速，m/s；W为z向流速，m/s；B为水面宽，m；g为重力加速度，m/s2；α为河底与水平线夹角，rad；τxx为在x面x向的湍流剪应力，N/m2；τxz为在z面x向的湍流剪应力，N/m2；q为侧向单位面积净入库流量，m/s；B为水面宽，m；Φ为单位体积的热量，J/m3；Dx为温度纵向扩散系数，m2/s；Dz为温度垂向扩散系数，m2/s；qΦ为侧向上热量出入流的速率，J/（m2/s）；SΦ为侧向上热量源汇项，J/（m2/s）；ρ为水体密度，kg/m3；η为水位，m；P为静水压强，Pa。

作者在已有研究中，选择地理位置接近、库容及坝前水深相近、水温结构类似的二滩水库的实测数据来率定、验证模型参数。模型主要率定参数为水面太阳辐射反射率、水体中太阳辐射衰减系数、扩散系数等参数。模型上下边界输入水文调度过程实测数据，气象数据采用实测日过程数据。经参数调试，计算结果与实测结果吻合较好[11]。

2.2 保护区鱼类繁殖期生态水温目标 根据作者已有研究成果[12]，长江上游珍稀、特有鱼类国家级自然保护区内69种珍稀特有鱼类中，有35种鱼类的繁殖期有明确记载。作者依据RVA法研究了长江上游保护区鱼类繁殖期生态水温目标[12]（见表1）。不同季节繁殖的鱼类，其繁殖水温需求各不相同。

表1 保护区珍稀特有鱼类生态水温目标 （单位：℃）

3 金沙江下游梯级开发累积水温影响研究

金沙江下游干流分乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝四级水库开发，4库首尾相连，各自正常蓄水位下坝前水深分别为：175、255、230和120m，电站取水口位于正常蓄水位以下约分别为：56、85、82和38m。溪洛渡水库和向家坝水库分别已于2005年12月和2006年11月开工建设，乌东德水库和白鹤滩水库处于规划设计阶段，建成时间将较晚。因而，研究金沙江下游梯级开发运行对下游保护区的水温影响应分2种情景：溪洛渡、向家坝两库运行情景（以下简称“两库运行”）和乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4库同时运行情景（以下简称“4库运行”）。作者已研究了溪洛渡、向家坝两库运行情景下的水温影响[11]。本文着重讨论4库运行情景下向家坝下泄水温与天然条件下向家坝坝址处水温对比（见图1）。

由于四库首尾相连，即上一级水库坝址处于下一级水库回水末端。因此4库运行时，可以以上一级水库下泄水温为下一级水库的入库水温，水文条件取平水年出入库调度过程，气象条件取库区实测气象数据，模拟向家坝水库下泄水温过程，即保护区起始位置的水温过程。

如图1所示，在两库运行和4库运行情景下，向家坝水库下泄水温均与天然状态下向家坝坝址处水温有较大差别。两库运行时，2—9月下泄水温低于天然状态下水温，最大温差在4月，为4.1℃；11—次年1月下泄水温高于天然状态下水温，最大温差在12月，为3℃。4库运行时，3—10月下泄水温低于天然状态下水温，最大温差在4月，为3.7℃；12—次年2月下泄水温高于天然状态下水温，最大温差在1月，为3.8℃。同时，由于4库运行后溪洛渡水库入库水温发生了明显改变，从而影响了向家坝水库的下泄水温：两库运行时11—次年3月下泄水温低于4库运行时下泄水温，最大温差为1.8℃；而在4—10月，两库运行时下泄水温则高于4库运行时下泄水温，最大温差为1.9℃。

图1 向家坝水库下泄水温与天然状态下水温对比

4 下泄水温变化对保护区鱼类繁殖影响

向家坝下泄水温与保护区鱼类繁殖期生态水温需求的关系如图3所示。当下泄水温位于保护区鱼类繁殖期生态水温需求范围内时，可认为下泄水温变化对保护区鱼类繁殖无影响；当下泄水温位于生态水温需求范围以外时，则认为下泄水温变化将对保护区鱼类繁殖产生影响。

由图2可见，在两库联合运行条件下，11月—次年1月向家坝下泄水温高于生态水温需求，3—7月下泄水温低于生态水温需求；在4库联合运行条件下，11月—次年2月向家坝下泄水温高于生态水温需求，3—10月下泄水温低于生态水温需求。

因此，两库联合运行时，繁殖期在11月—次年1月，3—7月的鱼类繁殖将会受到影响。在能够确定繁殖期的35种鱼类中，除繁殖期为9—10月份的黄石爬鮡外，其余34种鱼类的繁殖条件将受到影响；而4库联合运行时，所有35种鱼类的繁殖条件都将受到影响。根据以上结果可推测保护区内大部分鱼类繁殖条件都将受到影响，但是受影响的具体情况尚需进一步研究。

图2 下泄水温变化对保护区鱼类繁殖的影响

5 讨论与结论

水库下泄水温相对河流天然水温的变化，对于河流中土著鱼类的繁殖、生长带来的影响程度，依生物种类或个体对温度的敏感性会有不同。水温变化对于鱼类的繁殖影响的量化，需结合具体生物对象开展进一步研究。但从宏观而言，不同种类的鱼，如温水性鱼类、冷水性鱼类，对于水温的变化会有不同的响应。保护区内如四大家鱼一类的温水性鱼类，它们需要到达到一定的水温下限才能产卵、繁殖；另外还有高原区系的冷水性鱼类，如裂腹鱼类，它们要求在水温低于某一水温时才能开始繁殖活动。对于保护区温水性鱼类，由于受梯级水库运行的滞温影响，达到温水性鱼类所需水温的时间明显延迟，以四大家鱼所需的产卵水温18℃为例，两库运行后春、夏季达到此水温的时间延后34d，4库运行后更是延迟至43d，影响较为明显。对于在冬末春初繁殖的冷水性鱼类，由于下泄水温较天然状态下水温明显偏高，其繁殖活动会受到影响。目前尚无针对冷水性鱼类产卵水温的明确需求研究，故无法进一步分析其受影响的程度。

金沙江下游梯级水库运行后，向家坝水库下泄水温均与天然状态下向家坝坝址处水温有较大差别。两库运行时，2—9月下泄水温较天然状态下水温低，10月—次年1月下泄水温较天然状态下水温高；4库运行时，3—10月下泄水温较天然状态下水温低，11月—次年2月份下泄水温较天然状态下水温高。下泄水温的变化将对鱼类繁殖产生一定影响，两库运行时，有繁殖期记录的34种鱼类均可能会受到水温节律变化影响；4库运行时，保护区所有珍稀特有鱼类都将受到不同程度影响。由于金沙江下游梯级水库运行后，将对大多数鱼类的繁殖产生影响，因此需要在水库运行中考虑采取分层取水等措施以减缓水温的不利影响。

[1]李怀恩.分层型水库的垂向水温分布公式[J].水利学报，1993（2）：43-49，56.

[2]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.

[3]陈小红.湖泊水库垂向二维水温分布预测[J].武汉水利电力学院学报，1992，25（4）：376-383.

[4]邓云.大型深水库的水温预测研究[D].成都：四川大学，2003.

[5]李冰冻，李克峰，等.水库温度分层流动的三维数值模拟[J].四川大学学报（工程科学版），2007，39（1）：23-27.

[6]任华堂，陈永灿，刘昭伟.三峡水库水温预测研究[J].水动力学研究与进展，2008，23（2）：141-148.

[7]杨德国，危起伟，陈细华，等.葛洲坝下游中华鲟产卵场的水文状况及其与繁殖活动的关系[J].生态学报，2007，27（3）：862-869.

[8]常剑波，等.金沙江一期工程对白鲟等珍稀特有鱼类的影响及保护对策研究报告[R].武汉：中国科学院水生物研究所，2001.

[9]王俊娜.基于水文过程与生态过程耦合关系的三峡水库多目标优化调度研究[D].北京：中国水利水电科学研究院，2011：74-81.

[10]U.S.Army Corps of Engineers.CE-QULA-W2 User Manul[M].U.S.Washington：U.S.Army Corps，2006.

[11]骆辉煌，李翀，廖文根.溪洛渡和向家坝水库水温分布研究[C]//2011水力学与水利信息学进展.天津：天津大学出版社，2011：212-218.

[12]李倩，李翀，骆辉煌.长江上游珍稀特有鱼类生态水温目标研究[J].中国水利水电科学研究报学报，2012，10（2）：86-91.