水库水温分层结构判定方法及其应用

陈浩

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

大坝拦截后，改变了原有河流的径流过程，对于调节性能较好的水库，水体在库内滞留时间长，在重力和热力作用下，垂向水温呈现出分层现象。特别是多年调节水库或年调节水库，有可能形成稳定的水温分层结构，库底常年处于低温水状态。水库水温的分层结构改变了水库库区的水生态环境，根据调查，对于一些典型的分层型水库，夏季下泄水温较天然水温可能低10℃以上，从而带来一系列低温水影响，如对下游河道水生生态的影响，对农业灌溉的影响，这成为水库项目环评中重点关注的问题。因此，本文通过梳理水温分层结构判定方法，并结合工程实例，总结各水温判定方法在实际应用中的优劣势，为水库水温分层结构判定在环评中的应用提供参考。

1 水库水温影响因素

（1）水库几何特征，包括库容、水深、面积、平均宽度、库底坡等；

（2）水文水力因素，如入出库流量、水体流态、平均流速等；

（3）地质地貌，如库周地形、库底质、糙率等；

（4）气象因素，如太阳辐射、气温、风速风向、降雨、蒸发等；

（5）地理位置，水库所处地理纬度不同，则太阳高度角的大小、昼夜和四季长短、太阳辐射强度、水库热量收支及地温等都不一样。

2 水库水温结构的判别方法

现行的水库水温分层判别方法主要有参数αβ判别法、Norton密度佛汝德数判别法及水库宽深比判别法，它们实际上都是一种公式加经验的判别方法。

（1）参数α-β判别法。

当α<10时，水库水温为稳定分层型；当10<α< 20时，水库水温为不稳定分层型；当α>20时，水库水温为混合型。对于分层型水库，如果遇到β>1的洪水，将出现临时混合现象；但如果β<0.5时，洪水对水库水温的分布结构没有影响。

（2）Norton密度佛汝德数判别法。

Norton密度佛汝德数判别公式为：Fr=（LQ/HV）（gG）-1/2

式中 Fr——密度佛汝德数；

L、H、V——分别为水库长度、平均水深和库容；

Q——入库流量；

G——重力加速度；

G——标准化的垂向密度梯度（量级为10-3/ m，推荐值为10-3/m）。

当Fr<0.1时水库水温为稳定分层型；当0.1< Fr<1.0时，水库水温为弱分层型或混合型；当Fr> 1.0时水库水温为完全混合型。

（3）水库宽深比判别法。

水库宽深比判别法公式为：R＝B/H

式中 B——水库水面平均宽度；

H——水库平均水深。

当H>15m，R>30时水库为混合型；R<30时水库为分层型。

3 环评中关于计算公式中参数概念及推荐的计算方法

在水温判别方法各计算公式中，部分参数在公式中未给出具体的选取原则，部分参数无法从水文数据中直接获得，这是水温结构判别计算中会遇到的问题，比如对于中型水库，采用不同标准的一次洪水量，β值变化跨度较大，会影响判断洪水对水库水温的分布结构的影响分析结论。作者根据实际经验，在本文中给出基本选取原则和推荐方法，并在案例计算中予以验证。

（1）在参数α-β判别法中“一次洪水量”的定义。

一次洪水总量：一次洪水过程中或给定时段内通过河流某一断面的洪水体积即为一次洪水量。

推荐取值原则：在水文计算中，一般会给出5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇洪水量；我们在计算时建议采用水库设计的防洪标准设定的一次洪水量，比如水库设计的防洪标准是20年一遇，即选择20年一遇的一次洪水量作为计算取值。

（2）Norton密度佛汝德数判别公式中参数的选定。

G为标准化的垂向密度梯度 （量级为10-3/m）；单位垂向距离内的流体密度差异我们也可称之为垂向密度梯度，并形成与之相应的密度梯度力。流体之间的密度差异越大，由密度差异产生的密度梯度力也越大。

H为水库平均水深，推荐计算公式：H=正常蓄水位时的库容/正常蓄水位时的水面面积。

（3）水库宽深比判别法中参数的选定。

B为水库水面平均宽度，推荐计算公式：B=正常蓄水位时的水面面积/回水长度。

4 案例计算及验证

中国水利工程中对水库的级别划分为5级，大、中、小型水库的等级是按照库容大小来划分的，即大（I）型水库库容大于10亿m3；大（II）型水库库容大于1亿m3而小于10亿m3；中型水库库容大于或等于0.1亿m3而小于1亿m3；小（I）型水库库容大于或等于100万m3而小于1000万m3；小（II）型水库库容大于或等于10万m3而小于100万m3。

本文选取大中小型各个级别的代表性水库作为案例进行水温判别计算，其中涔天河水库为大（I）型水库，莽山水库为大（II）型水库，芦江水库及乌巢河水库为中型水库，营乐源水库为小型水库。

4.1 水库基本情况简介

（1）大（I）型水库——涔天河水库。涔天河水库扩建工程位于湘江一级支流潇水上游河段，系潇水流域开发的第一梯级。行政区属湖南省永州市江华瑶族自治县，坝址距江华县城12km。地理坐标：东经110°39′53″，北纬25°8′52″。涔天河水库正常蓄水位313.0m，总库容15.1亿m3，属于大（I）型水库。

（2）大（II）型水库——莽山水库。莽山水库工程位于珠江流域北江二级支流长乐水的上游，系长乐水流域开发17个梯级中的第7级。行政区域属于湖南省郴州市宜章县境内，下距宜章县城72km。地理坐标：东经112°38′～113°4′，北纬24°53′～25°16′。莽山水库正常蓄水位395.0m，总库容1.33亿m3，属于大（II）型水库。

（3）中型水库——芦江水库。芦江水库工程位于湘江一级支流芦洪江上游，行政区划为湖南省东安县东北部新圩江镇源塘村境内，地理坐标：东经111°21′40″～111°34′10″，北纬26°31′25″～26°44′30″。芦江水库正常蓄水位为218.5m，总库容2210万m3，属于中型水库。

（4）中型水库——乌巢河水库。乌巢河水库位于沅江流域武水水系沱江支流乌巢河下游，凤凰县落潮井乡武冈村岩拉寨，地理坐标：东径109°20′ 24″，北纬27°59′30″。乌巢河水库正常蓄水位521m，总库容1810万m3，属于中型水库。

（5）小型水库——营乐源水库。营乐源坝址位于湖南省道县清塘镇中坪村大溶坝河上游，地理坐标：东经111°22′04″～111°23′41，北纬25°30′43″～25° 31′32″。营乐源水库正常蓄水位405m，总库容为495.3万m3，属于小型水库。

4.2 水库基本水文参数

涔天河水库、莽山水库、芦江水库、乌巢河水库、营乐源水库基本水文参数见表1。

表1 水库基本水文参数一览表

4.3 判定模式计算结果

根据参数α-β判别法、水库宽深比判别法、Norton密度佛汝德数判别法三种水库水温结构判定模式，分别对涔天河水库、莽山水库、芦江水库、乌巢河水库、营乐源水库的水温结构进行计算判定，计算及判定结果见表2。

表2 水库水温结构计算判定结果一览表

4.4 判定模式特点分析

通过大中小型各个级别的代表性水库的案例计算分析，参数α-β判别法、水库宽深比判别法、Norton密度佛汝德数判别法三种判别方法对水库水温结构的判定结果是一致的，证明推荐采用的判定公式中的参数定义及其推荐计算方法是可行的，无论采用哪种判定方法在实际计算过程中都是实用的，但各判别法各自具有一定的特点，详见表3。

表3 水库水温判定模式特点一览表

5 结论及建议

（1）本文通过对判定公式中参数的具体解读，并通过实际案例得以验证，为水库水温结构判定提供参考性建议。

（2）由于近数十年来迅速发展的水利建设，各个地区都已建成了成百上千的水库，因此对新建水库水温的判定，建议结合公式判别及类似条件已建水库实测水温观测进行综合判定。

（3）前述的判定是利用全年水文数据对水库总体水温结构的判定，实际上当前水库水温判定最重要的意义在于对农业灌溉影响的分析，因此，在环境影响分析过程中，最应特别关注的是灌溉期的水库水温结构，结合水库运行调度方式和每月水文参数，判定各灌溉月份的水库水温结构更具有实际意义。