葛洲坝坝下江段水温变化影响因素分析

邢领航，刘孟凯，黄国兵

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

葛洲坝坝下江段水温变化影响因素分析

邢领航，刘孟凯，黄国兵

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

研究葛洲坝下游江段水温变化的影响因素及其贡献将有助于水生态水温变化本质的认识，对中华鲟产卵场保护亦具有重要意义。结合一维水流水温数学模型、热量收支平衡分析等手段对上述问题进行了初步探讨。初步研究结果表明：葛洲坝坝下江段水温主要受三峡水库水气界面热交换影响，寸滩来流、三峡大坝泄流以及葛洲坝电站运行等因素影响相对较小。从全年看，三峡工程运行前后库区水温变化均由净辐射和蒸发热起主导作用，但三峡工程运行后热传导热量比重有较大增加。三峡工程运行前后，11月份水温均由水气界面热传导起主导作用，但随着三峡水库蓄水位抬高，辐射量和蒸发热量所占比重显著增加，而热传导、寸滩来流和三峡大坝泄流热量所占比重逐渐减小。三峡水库的不同运行过程将影响各热量来源对库区水温变化贡献大小，进而影响葛洲坝坝下江段水温。

三峡工程；一维水流水温模型；水温变化

1 研究背景

据2003—2008年《长江三峡工程生态与环境监测公报》报道，近年来中华鲟产卵时间推迟，可能与葛洲坝坝下江段中华鲟产卵场水温节律改变有较大关系，但这种改变的关键影响因素及其贡献大小尚需进一步论证和研究。

目前，国内已有学者对此进行了初步研究，并取得了阶段性成果。余文公［1］分析了影响水库温度的各种影响因素，并通过结合三峡水库蓄水前后实测水温资料，指出三峡水库在围堰发电期下泄水温过程规律发生了一定的变化，下泄水温在不同时期分别出现“滞温”和“滞冷”现象，提出了三峡水库生态调度必需把下泄水温过程最大程度地与天然过程相接近作为水库生态调度的原则。同时通过三峡库区相关水文站建库前后的水温变化规律分析，初步认为10月份下泄水温的升高使得水温由一般的生态因子转变为限制因子［2］。郭文献［3］通过近50年来宜昌水文站水温实测历史资料分析，初步得出葛洲坝水库蓄水对下泄水温影响不大，而三峡水库蓄水后，水温在降温季节9月——次年2月份，高于三峡水库蓄水前表层水温，三峡水库蓄水对河流水温有一定的调节性，其下泄水温相对于天然状况从时间上来说有一定的滞后性。

本文主要从水体热量收支平衡的角度，通过建立水温模型，模拟分析葛洲坝坝下江段水温变化的影响因素及其热量贡献大小，探讨三峡工程不同运行阶段水温变化的主要影响因素、贡献大小及规律，为三峡工程生态调度提供技术支撑。

2 分析方法

本文采用一维水流水温数学模型对三峡库区以及三峡—葛洲坝2坝间江段的水流水温进行模拟，并利用多个水文站实测水位、流量以及水温等资料对模型进行率定和验证。该模型为下文分析水体热量收支平衡以及葛洲坝下江段水温变化过程提供依据。

2．1 模型基本控制方程及离散

连续性方程为

其中，φn主要包括净太阳短波辐射、净长波辐射（大气长波辐射和水体长波辐射）、蒸发热和热传导等多个方面，即

各项计算方法如下［4］

（1）净吸收的太阳短波辐射

式中：φs是到达地面的总太阳辐射量；γ（＝0．1）是水面反射率；β（＝0．65）是太阳辐射的表面吸收系数。穿过水体的太阳辐射沿深度方向以指数函数衰减，此时

式中：H为水深；η为衰减系数，取0．5。

（2）大气长波辐射

式中：σ＝5．67×10－8是Stefan Boltaman常数（W／（m2·K4））；εa为大气发射率，取0．97；Ta为气温。

式中：Ta为水面上2 m处的气温；Cr为云层覆盖率。

（3）水体长波的返回辐射

式中：Ts是水面温度（一维模型取Ts＝水温）；εw（取0．965）为水面反射率。

（4）水面蒸发热损失

式中：es和ea是水面的饱和蒸汽压和水面上空气蒸发压力，mmHg；W是水面上10 m的风速，m／s。因es，ea缺少实测资料而采用下式替代计算，其中Td为露点温度，可通过与空气相对湿度Ps的关系式计算。式中：Z为水位；Q为流量（m3／s）；B为水面宽（m）；A为过水断面面积（m2）；R为水力半径，R＝A／χ，χ为湿周；n为综合曼宁粗糙系数，包括沿程阻力和局部

（5）热传导通量

采用4点隐式preissmann差分格式对式（1）、式（2）进行数值求解，对式（3）采用隐式差分迎风格式离散［5］。

图1 2005年寸滩站和三峡坝址日均水位过程线Fig．1 Average daily water levels at Cuntan hydrological station and Three Gorges dam site in 2005

2．2 模型验证

根据文献［6］实测资料，2005年庙河水文站断面在各个月份水温垂向分布均匀一致，没有出现温差较大的现象。因此，一维水流水温数学模型可暂不考虑垂向水温分层效应，验证选用2005年水文、气象等资料。河道断面地形资料采用1996—1997年上游寸滩水文站至三峡坝址河段，共333个断面；三峡坝址至葛洲坝坝址采用2003年资料，共39个断面。长江干流采用寸滩站2005年逐日平均水位、流量实测资料和三峡坝址逐日平均水位和实测流量资料。2005年寸滩站和三峡坝址实测日均水位过程线见图1，2005年寸滩站、三峡坝址以及乌江武隆站实测日均流量过程线见图2。三峡库区入库支流作为旁侧入流计入模型，这里主要考虑乌江（武隆站）同期流量资料。以干流寸滩站入流流量作模型为上边界条件，坝址水位为下边界条件，武隆站支流逐日流量资料作为旁侧入流边界。水温干流上边界条件采用2005年寸滩站实测逐日水温值，下边界采用开边界条件，2005年武隆站逐日水温作为乌江入流水温。选用万县站、奉节站、巴东站和宜昌站2005年全年的实测日均气温、云量、空气相对湿度、日照时数和风速等资料。其中，4个气象站的实测气温过程如图3所示。太阳辐射资料采用2005年宜昌日太阳辐射值，详见图4。

图5为2005年三峡坝址流量计算值与实测值对比图，图6为寸滩站水位计算值与实测值对比图。由图可以看出，三峡坝址计算流量和寸滩站计算水位均与实测值吻合良好，基本反映了2005年三峡工程试蓄水期库区水位和流量的大范围波动过程，再现了库区的水文变化特征。其中，三峡坝址流量计算的平均相对误差5．7%，寸滩站水位计算的平均相对误差0．5%，水位平均绝对误差约0．20 m，说明建立的三峡库区一维非恒定水流水温数学模型具有较好的计算误差。

图7为庙河水文站计算水温与实测水温的对比图。由图可以看出，基本反映了库区2005年全年的水温变化过程和规律。水温计算的平均相对误差为3．4%。

图2 2005年寸滩站和三峡坝址日均流量过程线Fig．2 Average daily discharges at Cuntan hydrological station and Three Gorges dam site in 2005

图3 2005年三峡—葛洲坝库区日均气温过程线Fig．3 Average daily air temperatures in the reservoir area between Three Gorges dam and Gezhouba dam in 2005

图4 2005年宜昌日太阳辐射值Fig．4 Average daily solar radiation values at Yichang in 2005

图5 2005年三峡坝址流量计算值与实测值对比图Fig．5 Comparison of computational and measured water flow at Three Gorges dam site in 2005

图6 2005年寸滩站水位计算值与实测值对比图Fig．6 Comparison of computational and measured water level at Cuntan hydrological station in 2005

图7 2005年庙河水文站水温计算值与实测值对比图Fig．7 Comparison of computational and measured water temperature at M iaohe hydrological station in 2005

3 葛洲坝坝下江段水温变化影响因素及其贡献分析

影响葛洲坝坝下江段水温变化的因素主要体现在三峡库区和葛洲坝库区的总体热量收支平衡上，具体反映在寸滩至葛洲坝江段水气界面的热量交换、寸滩水文站来流的热量输入、各支流入流热量、葛洲坝电站出流的热量输出、水和岩土界面间的热传递、三峡电站和葛洲坝电站机组过流热能转化等方面。从热量输入和输出上看，一般进入库区水体的热量主要有：上游输入的热量、支流汇入的热量、太阳短波辐射热、大气长波辐射热、水汽凝聚释热、直接降水输入的热量等；水体的热量损失有：出流输出热量、水面反射、水面长波辐射、水面蒸发耗热等引起的热损失。

以下将从三峡工程建成前、试蓄水期以及正常运行期三个阶段分析葛洲坝坝下江段全年及11月份水温变化的主要影响因素及各自热量贡献，以初步阐明葛洲坝坝下江段水温变化的本质。

3．1 三峡工程建成前

以2005年的气象、水文等资料为背景，寸滩水文站入流为上边界条件，葛洲坝坝址水位为下边界条件，应用一维水流水温数学模型对三峡工程运行前、葛洲坝运行后的寸滩—葛洲坝江段水流水温进行模拟，获得三峡坝址断面和葛洲坝坝址断面的水温变化过程，详见图8。由图可知，三峡坝址断面水温变化过程较寸滩站滞后，存在小幅相位差，但基本反映了河道全年水温变化规律和特征。

图8 三峡工程建成前三峡、葛洲坝2坝坝址断面水温变化过程线Fig．8 W ater tem perature variation at Three Gorges dam site and Gezhouba dam site before the construction of TGP

由于三峡坝址至葛洲坝江段河道特性显著，且2坝间距离相对较短。因此，三峡坝址模拟的水温与葛洲坝坝前水温表现出良好的一致性，全年平均水温差约0．12℃。可在一定程度上用三峡大坝坝址水温近似代替葛洲坝坝前水温。另外，从2005年三峡工程试蓄水期庙河水文站实测水温与宜昌水文站实测水温比较中发现（详见图9）：宜昌站水温比庙河稍高，平均高出约0．46℃，可能因机组过流将部分水头势能转化为热能，提高了出流水温，但温升极为有限。若忽略三峡电站和葛洲坝电站机组过流影响，可粗略用三峡大坝泄流水温近似表征葛洲坝坝下江段水温。这也表明葛洲坝坝下江段水温变化影响因素主要为三峡库区水体的热量收支平衡。

图9 2005年庙河水文站和宜昌水文站实测水温过程比对Fig．9 Comparison ofmeasured water temperature between M iaohe and Yichang hydrological stations in 2005

三峡库区天然河道水体各热量来源逐日变化过程见图10。由图10可见，水体通过水面热量交换造成库区水体吸热或失热所占比例最大，直接影响着河道水温的变化，而入流热量与出流热量对河道内水温变化的影响相对较小。

图10 三峡工程建成前天然河道水体各热量来源逐日变化过程Fig．10 Daily heat variation of each heat source in natural rivers before the construction of TGP

由于水面热量交换对河道水温起控制性作用，所以需要对水面热量来源作进一步分析。一般水面交换热量组成要素包括太阳净辐射（太阳辐射、大气长波辐射和水体长波辐射之和）、水面蒸发耗热（以下简称蒸发热）、水气界面热传导（以下简称热传导）等。图11为三峡工程建设前库区水体全年不同热量来源比重。其中，辐射净热量所占比重最大，达55．64%；其次是蒸发热，占34．36%；寸滩站入流热量和三峡泄流热量再次之，分别占3．95%和4．39%；热传导比重最小，占1．66%。

图11 三峡工程建成前水体全年不同热量来源比重Fig．11 Yearly proportion of each water heat source before the construction of TGP

图12 为三峡工程建成前11月份三峡库区天然河道水体各热量来源比重。由图12可知，在三峡工程建成前，11月份三峡库区天然河道水体热传导热量占总热量71．19%，对这一时期的水温变化起主导作用，说明此时水温主要受气温影响；寸滩站入流热量和三峡坝址断面出流热量分别占8．88%和10．89%，其对河流水温影响次之；蒸发热与太阳净辐射量分别占6．09%和2．95%，对水温变化影响最小。

图12 三峡工程建成前11月份三峡库区天然河道水体不同热量来源比重Fig．12 Proportion of each water heat source in natural rivers in November before the construction of TGP

图13 三峡工程试蓄水期和运行前的坝前水温变化过程线Fig．13 Daily water temperature variations at Three Gorges Dam site during its trial operation and before its operation

3．2 三峡工程试蓄水期

三峡工程试蓄水期水流水温模拟仍以2005年的气象、水文等资料为输入条件，寸滩水文站断面入流为上边界条件，三峡坝址实测水位为下边界条件，模型计算获得的三峡坝址断面平均水温过程见图13。与三峡工程运行前水温相比，试蓄水期三峡坝址水温变化显著滞后，并出现“滞冷”和“滞温”现象。1月份，三峡坝址水温与天然河道水温基本相当；2月份，受入流低温水及寒潮等因素影响，坝址水温呈下降趋势；进入3月份，气温回暖，上游来水水温升高，而库区水体受蓄水影响，体积庞大，水流流动缓慢，水体热量输移和传递效率降低，导致水温上升滞后，3—4月坝址水温低于天然河道水温，水库“滞冷”效应显著；5—9月，试蓄水期坝址水温与天然河道水温基本相当，但存在一定的相位差；9月以后，库区坝址水温整体高于天然河道水温，库水温下降缓慢，水库“滞温”效应逐渐显现。

2005年三峡工程试蓄水期，库区逐日入流热量、出流热量以及水面热交换量变化过程见图14。从库区水体整体热量收支平衡分析看，库区水面日总吸热规模远大于寸滩入流热量和三峡大坝泄流热量。说明水库试蓄水期，水面与大气的热量交换决定了库区水体热量收支的总体趋势和坝址水温的总体变化。寸滩入流热量和三峡大坝泄流热量相对较小，对坝址的水温变化影响有限。9月中旬至次年2月，库区水体日总吸热量为负值，说明库区水体损失热量，水温下降；其余月份，库区水体日总吸热量为正值，库区水体吸热，水温上升。

图14 三峡工程试蓄水期库区日入流、出流及水面吸热热量变化过程Fig．14 Daily variation of inflow water heat，outflow water heat and surface heat absorption in Three Gorges Reservoir in its trial operation period

三峡库区库水面热交换热量又包括太阳短波辐射、大气长波辐射、水体长波辐射、蒸发热损失和对流热交换等部分。其中，大气长波辐射和水体长波辐射热数量级最大，前者为吸热，后者为失热，两者耦合作用表现为失热；太阳短波辐射为吸热，热量级次于前两者，对库区水体吸热影响较大；水面蒸发热和水气界面上的热传导相对数量级较小，且热交换值时正时负，对热交换总量也起着一定的影响。

三峡水库试蓄水期全年水体热交换各热量来源比重见图15。其中，辐射净热量占55．18%，蒸发热、热传导、入流和出流分别占34．30%，3．88%，3．32%和3．33%。与三峡工程建成前相比，水库试蓄水后，辐射净热量和蒸发热量比重均稍有下降；热传导作用显著增强，并略高于三峡坝址泄热量和寸滩入流热量。

图15 三峡工程试蓄水期全年三峡库区水体不同热量来源比重Fig．15 Yearly proportion of each water heat source in Three Gorges Reservoir in its trial operation period

在三峡工程试蓄水期，11月份，三峡库区水体热交换中各热量来源所占比重见图16。由图16可以看出，水体热量交换中各热量来源的比重变化不大。但从净辐射量角度分析，11月份净辐射热量和蒸发热量的比重明显减少，分别仅占5．94%和10．27%；热传导比重远高于全年平均，达70．67%之多，占控制性地位；入流热量和出流热量均稍高于全年平均。与三峡工程建成前相比，净辐射热量和蒸发热量比重均有上升，但入、出流热量比重有所下降。

图16 三峡工程试蓄水期11月份三峡库区水体不同热量来源比重Fig．16 Proportion of each water heat source in Three Gorges Reservoir in November in its trial operation period

3．3 三峡工程正常运行期

三峡工程正常运行期的水流水温模拟亦以2005年的气象、水文等资料为输入条件，寸滩水文站断面入流为上边界条件，三峡坝址水位（参照三峡水库正常调度曲线［4］）为下边界条件，暂不考虑水温分层效应。模型计算获得的三峡坝址断面平均水温过程见图17。由图17可见，随着正常运行期水库蓄水水位的抬高，库区蓄水量增加，水库在春季的“滞温”效应和冬季的“滞冷”效应较为显著。1月份，正常运行期坝址水温与天然河道坝址水温和试蓄水期坝址水温基本相同；2—5月，正常运行坝址水温总体处于低温状态，较天然情况和试蓄水期进一步滞后；5—9月，水库坝址水温表现出河道特性，基本与天然情况和试蓄水期相同；10月以后，正常运行期坝址水温因蓄量大而下降缓慢，水温变化过程线始终处于较高水温状态，水库“滞温”效应显著。

图17 三峡工程正常运行期、度蓄水期及工程建成前坝址水温变化过程线Fig．17 Daily water temperature variation at Three Gorges dam site in its formal operation period，trial operation period，and before its construction

从全年看，三峡水库正常运行期水体热交换各热量来源比重见图18。其中，辐射净热量占53．98%，蒸发热、热传导、入流和出流分别占33．57%，6．12%，3．02%和3．31%。与三峡工程试蓄水期相比，三峡水库净辐射热量比重基本相当；蒸发热量比重稍有上升；热传导作用进一步增强；入流热量和出流热量比重稍有减少。

图18 三峡工程正常运行期全年三峡库区水体不同热量来源比重Fig．18 Yearly proportion of each water heat source in Three Gorges Reservoir in its formal operation period

三峡水库正常运行期11月份库区水体各热量来源所占比重见图19。其中，辐射净热量占16．12%，蒸发热占17．31%，热传导占59．38%，入流和出流分别占3．23%和3．95%。与天然河道和试运蓄水期相比，热传导在此阶段占59．38%，仍对水温降低起主导作用。但因蓄水体积比天然河道和试蓄水期大，库区水体水温降低缓慢，使得热传导作用减弱，说明气温对水温的影响力减弱；蒸发热和净辐射量因库区水面增大，热量比重有显著提高；寸滩入流热量与三峡泄流热量所占比重因热交换总量增大而相对降低。

图19 三峡工程正常运行期11月份三峡库区各热量来源所占比重Fig．19 Proportion of each water heat source in Three Gorges Reservoir in November in its formal operation period

4 主要结论

本文以2005年水文气象条件为背景，分别对三峡工程不同运行时期葛洲坝坝下江段水温变化主要影响因素及其贡献进行初步研究和分析，主要结论如下：

（1）从热量收支平衡上看，三峡水库水体水面与大气的热量交换决定了库区水体热量收支的总体趋势和坝址水温的总体变化，并对葛洲坝坝下江段水温变化起控制性作用，寸滩来流、三峡大坝泄流、葛洲坝电站运行等其他因素相对影响较小。

（2）三峡工程建成前，全年辐射净热量对水体的贡献最大，蒸发热次之，寸滩入流热量和三峡泄流热量以及热传导比重相对较小。在11月份，热传导热量对水温变化起主导作用，寸滩入流热量和三峡坝址断面出流热量影响次之，蒸发热与净辐射量贡献最小。

（3）与三峡工程建成前相比，三峡工程试蓄水期，全年辐射净热量和蒸发热量比重均稍有下降；热传导作用显著增强，并略高于三峡坝址泄热量和寸滩入流热量。在11月份，净辐射热量和蒸发热量比重均有上升；热传导占据明显优势，对库水温起控制性作用；入出流热量比重有所下降。

（4）与三峡工程试蓄水期相比，三峡水库进入正常运行期，三峡水库净辐射热量比重基本相当；蒸发热量比重稍有上升；热传导作用进一步增强；入流热量和出流热量比重稍有减少。11月份，热传导热量比重减小；蒸发和净辐射热量比重显著增强；入、出流热量比重减少。

［1］ 余文公，夏自强，蔡玉鹏，等．三峡水库蓄水前后下泄水温变化及其影响研究［J］．人民长江，2007，38（1）：20－23．（YU Wen gong，XIA Zi qiang，YU CAIYu peng，et al．Research on Water Temperature Variation of TGPRes ervoir before and after Impoundmentand Its Influence［J］．Yangtze River，2007，38（1）：20－23．（in Chinese））

［2］ 余文公，夏自强，于国荣，等．三峡水库水温变化及其对中华鲟繁殖的影响［J］．河海大学学报，2007，35（1）：92－95．（YUWen gong，XIA Zi qiang，YU Guo rong，et al．Water Temperature Variation in Three Gorges Reser voir and Its Influences on Procreation of Chinese Sturgeons［J］．Journal of Hohai University，2007，35（1）：92－95．（in Chinese））

［3］ 郭文献，王鸿翔，夏自强，等．三峡—葛洲坝梯级水库水温影响研究［J］．水力发电学报，2009，28（6）：182－187．（GUOWen xian，WANG Hong xiang，XIA Zi qiang，et al．Effects of Three Gorges and Gezhouba Reservoirs on RiverWater Temperature Regimes［J］．Journal of Hydroe lectric Engineering，2009，28（6）：182－187．（in Chi nese））

［4］ 任华堂．大型水库水温特性三维数值模拟研究［D］．北京：清华大学，2006．（REN Hua tang．Study on Tempera ture Characteristics in Large Reservoir by 3－D Numerical Simulation［D］．Beijing：Tsinghua University，2006．（in Chinese））

［5］ 褚君达．河网对流输移问题的求解及应用［J］．水利学报，1994，（10）：14－23．（CHU Jun da．Solution and Ap plication of Convection Transport Problem for River Net work［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1994，（10）：14－23．（in Chinese））

［6］ 曹广晶，惠二青，胡兴娥．三峡水库蓄水以来近坝区水温垂向结构分析［J］．水利学报，2012，28（6）：1254－1259．（CAO Guang jing，HUIEr qing，HU Xing e．Anal ysis of the Vertical Structure of Water Temperature in the Vicinity Area of Three Gorges Dam since the Three Gorges Reservoir Impounds［J］．Journal of Hydraulic Engineer ing，2012，28（6）：1254－1259．（in Chinese） ）

（编辑：姜小兰）

Influencing Factors of W ater Tem perature Variation near Downstream Gezhouba Dam in the Yangtze River

XING Ling hang，LIU Meng kai，HUANG Guo bing
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Researches on the influencing factors of water temperature variation near downstream Gezhouba dam would be conducive to understand the nature ofwater temperature variation，and is of great significance for the pro tection of Chinese sturgeon spawning grounds．In the present research，one dimensionalmathematicalmodel ofwa ter flow and temperature together with the overall heat budget balance is adopted to preliminarily research this is sue．Results reveal that thewater temperature near downstream Gezhouba dam ismainly affected by the water tem perature in the Three Gorges Reservoir；while other factors such as the inflow heat from Cuntan，the outflow heat from Three Gorges Dam and the operationmode of Gezhouba hydropower station have relatively less impacts．To be specific，net radiation heatand vaporization heat dominated the yearly variation ofwater temperature in the reservoir both before and after the operation of TGP，but the contribution of air water heat conduction increased remarkably after the TGP operation．In November，particularly，heat conduction was themain influencing factor before and af ter TGP，but after the operation of TGPwith the raising of impoundment level，the proportion of radiation heat and vaporization heat increased obviously，whereas heat conduction，inflow heat from Cuntan，and outflow heat from Three Gorges Dam gradually weakened．The operation of TGP have impacts on the contribution of each factor，hence affecting the water temperature in downstream Gezhouba dam．

Three Gorges Project；one dimensionalmodel of water flow and temperature；water temperature varia tion

TV13

A

1001－5485（2013）08－0090－07

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．020

2013，30（08）：90－96，101

2013－05－07；

2013－07－03

国家自然科学基金资助项目（11202037）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（长科院编号CKSF2013024／SL，CKSF2013028／SL，CKSF2011013／SL，CKSF2012026SL）

邢领航（1977－），男，江苏盐城人，高级工程师，博士，研究方向为环境工程，（电话）13545109714（电子信箱）xinglh＠mail．crsri．cn。