水布垭水库及坝下河道水温观测分析

周鹏，李翔，张德见，赵心畅，刘黄诚

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙　410014)



水布垭水库及坝下河道水温观测分析

周鹏，李翔，张德见，赵心畅，刘黄诚

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

通过采用温盐深仪对水布垭水库库区、坝前、坝下水温进行观测，结果表明：水布垭水库坝前水体常年处于温度分层状态，夏季表层与底层温差较大，冬季温差很小；坝下观测断面比坝前断面取水口底板高程处水温高约0～8.0℃；大部分月份坝下断面水温相当于坝前取水口高度以上10～20 m处水温；坝前700 m断面与库中断面分层趋势基本一致；表层水温变化与气温具有较大相关性。

水布垭水库；水库水温；坝下水温；水温观测

水电站在促进当地经济发展的同时，其形成的高坝大库改变了水体的水文情势和水温时空分布[1-3]，对库区及下游河段的水温产生长期影响[4]，也对水环境和水生生态形成较大影响[5]。水工建筑物在设计、建设及运行过程中需确定坝前水温变化及其影响[6-8]，而影响库区水温分布、坝下河段水温沿程恢复的因子较多，因此在水库及下游河段开展水温观测对水库水温结构及其变化规律、下泄低温水沿程恢复规律分析，具有重要意义[4-5]。

水布垭水库位于清江中游湖北巴东县，自2007年4月起下闸蓄水，至今已近10年。水布垭电站装机容量1 840 MW，多年平均径流量93.4亿m3，正常蓄水位库容43.12亿m3，水库具有多年调节性能，水位在正常蓄水位400 m至死水位350 m之间变化。一年中水库水位在6月降至最低，10月升至最高，随后又开始下降，直至次年6月。对水布垭水库及下游河段开展水温观测，对其水温结构及下游河道水温沿程恢复规律进行研究，具有重要意义。

1　观测方法和仪器

河流水温数据来源主要包括水文站水温观测和河流水质监测，目前大部分水文站日常水温观测和水质监测采用SWL1-1型表层水温表，水深40 m以内采用深水温度计，水深超过40 m采用颠倒温度计，通常河流水温观测未同步记录观测深度。

水布垭水库坝前正常蓄水位对应的水深约185 m。为满足本次观测要求，参照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)和《水质 水温的测定 温度计或颠倒温度计测定法》(GB 13195—91)中相关规定，采用温盐深仪进行观测。该仪器液位精度为0.05%测量深度，温度精度0.003℃，深度量程0～7 000 dbar，温度量程-5～35℃。

2　观测方案及测量方法

观测范围从上游水布垭水库库尾红旗大桥处至下游桃山断面，河道全长约157.5 km，共设置6个观测断面，包括8个观测点，分别为库尾恩施州红旗大桥断面(距坝址约119.3 km)、库中景阳大桥断面(距坝址约39.5 m)、坝前700 m断面(左、中、右3条垂线)、坝下1.27 km断面、坝下渔峡口镇断面(距坝址约17.7 km)和坝下桃山断面(距坝址约38.2 km)。观测时间为2013年7月至2015年6月。

(1)库区水温观测：在坝前断面左、中和右布设3根垂线，在库中断面中部布设1根垂线。选择温盐深仪的连续模式进行观测，仪器缓慢下沉过程中每隔200～1 000 ms获取一次读数，观测完成后可从数据列表中选取不同深度的温度数据。在库尾选择不受水库回水影响的断面，仅观测表层0.5 m处水温。

(2)河道水温观测：坝下大桥、渔峡口镇和桃山断面，观测表层0.5 m处的水温。由于桃山观测断面于下游水库隔河岩库区，水深较大，设置1根垂线。

3　水温变化特征分析

3.1库区水温分布

根据水温观测数据，水布垭水库坝前700 m断面垂向水温观测结果见图1。水库建成蓄水后，库区水温结构呈稳定分层型，特别是夏季6—8月，表层和深层水温差11.0～18.8℃，水温垂直分层明显，且逐渐呈现出显著的双温跃层结构；9月和10月，表底温差8.6～11.1℃，随着气温降低，虽仍呈现双温跃层，但表层温度梯度较夏季明显减小；11月至次年2月，表层温度梯度不明显，呈现单温跃层分布特征，表底温差1.6～8.6℃；3月表底温差1.7℃，基本认为无温跃层；5月随着气温升高，表层水温迅速提升，温度梯度主要出现在40 m以上水体，表底层温差7.6℃。

图1　水布垭水库坝前水温随水位的变化Fig.1　The water temperature change in front of Shuibuya Dam

坝前断面与库中断面水温季度代表月份垂向实测结果如图2所示。坝前断面与库中断面垂向水温结构大致相近，表层水温温差1.5～3.2℃；9月60～70 m温跃层深度温差0.3～0.8℃，12月55～75 m温跃层深度温差0.3～1.7℃，其余月份对应不同深度温差基本不超过0.2℃，差别相对较小。由此可知，坝前700 m与库中断面虽然水平距离相差38.8 km，但是水温趋势走向基本一致，可见库区库中与坝前呈现相似的稳定水温分层现象。

图2　水布垭水库坝前、库中断面垂向水温变化Fig.2　The vertical water temperature change in front of Shuibuya Dam and in the middle of the reservoir

3.2坝前断面横向温度分布

通过比对代表月份3月、6月、9月、12月坝前断面左、中、右温度垂线得知，横向水温差别较小，表层水温差值在0～0.5℃，深层水温基本无差别。

3.3坝下断面水温变化

根据坝前垂向水温观测数据，结合观测时段坝前水位高程，确定水布垭电站取水口底板高程330 m处的水温情况，见图1。取水口处，2013年7月至2015年5月水温11.0～14.7℃，其中5—10月水温11.0～14.1℃，11月至次年3月水温12.2～14.7℃。

坝下断面水温比取水口处水温差异较大，大部分月份坝下断面水温相当于坝前取水口高度以上10～20 m处水温，3月和7月分别对应于取水口以上30 m和35 m高度处水温；5—10月渔峡口断面表层水温比坝下断面水温高0.3～11.5℃，桃山断面表层水温比坝下断面水温高4.5～12.3℃，表明此间水布垭水电站发电尾水流至隔河岩库区后，经过一段时间的热交换和太阳辐射，水温得到一定恢复。

通过与天然河道水温比较得知，5—9月实测坝下断面水温比天然河道水温低0.6～4.4℃，10月实测坝下水温比天然河道水温高3.0℃；通过比较坝下与坝前表层水温得知，5—10月实测坝下水温比实测坝前表层水温低4.2～11.6℃，11月至次年3月实测坝下水温比实测坝前表层水温低0.1～0.8℃。

3.4表层水温沿程变化

2013年7月至2015年5月各断面实测表层水温如图3所示。由图可知，5—9月库尾至景阳断面水温提升速率0.04～0.13℃/km；下泄低温水至渔峡口断面，表层水温基本能够恢复至较高水平，水温提升速率0.02～0.70℃/km，桃山断面表层处水温基本呈现隔河岩水库水温分布特征。

图3　水布垭水库及坝下河段表层水温变化Fig.3　The surface water temperature change of Shuibuya Reservoir and the river under the dam

水温实测时段对应气温如图4所示，通过对比可知，表层水温变化与气温有较大相关性。夏季库尾至库中景阳断面、坝下至渔峡口断面河段表层水温恢复较快，在桃山断面恢复至库区相当水平，表明经过一定距离，坝下水温得到很大程度恢复；冬季渔峡口至桃山断面表层水温受气温影响略有下降。

图4　水温实测时段对应气温Fig.4　The air temperature in water temperature monitoring period

4　相关结论

根据水布垭水库水温观测资料，对库区、坝下水温及年内分布特性进行分析，其分布规律如下：

(1)水布垭库区水温全年保持温度分层结构；表层水温年内温差大，库底水温年内温差较小。水温结构呈稳定分层型，夏季6—8月水温垂直分层明显，呈现双温跃层结构；9月、10月逐渐向单温跃层过渡；11月至次年2月，水库呈现单温跃层分布特征；3月基本无温跃层；5月随气温升高，表层水温迅速提升。

(2)坝前700 m与库中断面水温分层趋势基本一致，而其水温在横向上基本没有变化。

(3)在大部分月份，坝下断面水温相当于坝前取水口高度以上10～20 m处水温，表明在下泄水体中，取水口底板高程以上部分的水体多于以下部分；5—10月，电站发电尾水流至隔河岩库区后，水温得到一定恢复。

(4)表层水温变化与气温具有较大相关性。

[1]李冰冻, 李嘉, 李克锋, 等. 二滩水库坝前及下泄水体水温分布现场观测与分析[J]. 水利水电科技进展, 2009(4): 21-23.

[2]叶闽, 陈惠敏. 一维垂向水温分布模型在隔河岩水库中的应用与检验[J]. 水资源保护, 2001, 17(2): 19-22.

[3]邓云. 大型深水库的水温预测研究[D]. 成都: 四川大学, 2003.

[4]薛联芳. 东江水电站对环境影响的研究[J]. 水电站设计, 1997, 13(3): 79-83.

[5]薛联芳. 东江水库水温预测模型回顾评价[C]//水电2006国际研讨会论文集，2006.

[6]吴中如, 吉肇泰. 坝前水库水温的变化规律和预测研究[J]. 水力发电, 1984(4): 33-41.

[7]朱伯芳. 库水温度估算[J]. 水利学报, 1985(2): 12-21.

[8]兰仁烈. 库水温度估算方法探讨[J]. 四川水力发电, 1989(4): 51-56.

Observation and Analysis on Water Temperature of Shuibuya Reservoir and Channel under Dam

ZHOU Peng, LI Xiang, ZHANG De-jian, ZHAO Xin-chang, LIU Huang-cheng

(PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

A CTD was adopted to observe water temperature of Shuibuya Reservoir, as well as in front of and under the dam. The result showed that water temperature stratification existed in front of Shuibuya Dam for most of the time within a year, the temperature difference between surface and bottom was greater in summer and smaller in winter; the outflow water temperature at observation point under the dam was higher by 0～8.0℃ than that of the intake in front of the dam; during most months within a year, outflow water temperature under the dam was the same as that of the location 10～20 meters above the intake in front of the dam; water temperature stratification of the section 700 meters front of the dam was similar to that of the section in the middle of the reservoir; and the water temperature change of surface layer was considerably correlated with air temperature.

Shuibuya Reservoir; reservoir water temperature; water temperature after the dam; water temperature observation

2016-02-22

周鹏(1987—)，男，河南开封人，助理工程师，硕士，主要研究方向为环境影响评价，E-mail：512307789@qq.com

李翔(1979—)，男，湖南常德人，高级工程师，主要研究方向为环境影响评价，E-mail：13145967@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.03.009

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0032-03