三峡水库水温变化特性及影响分析

杜林霞 牛兰花 黄 童

(长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000)

三峡水库水温变化特性及影响分析

杜林霞 牛兰花 黄 童

(长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000)

三峡水库为年调节大型水库，蓄水后改变了原有天然河道形态，同时也改变了河道径流的年内分配，引起河道水温发生了一定的变化。基于2014年4～5月监测断面垂向水温数据和库区多年水文站网水温实测数据，分析了蓄水后库区及坝下宜昌河道水温变化的特点及影响因素，进而研究了水温变化对下游水生生态的影响。实测结果表明：三峡水库坝前水温分层现象不稳定，水库下泄水流在低温水层以上，水库蓄水对下游宜昌河道水温有一定增温效应和时空上滞后迟变现象，使四大家鱼和中华鲟产卵繁殖时间出现推迟。研究结果可为今后开展生态补偿调度提供一定参考。

水生生态；水温分层；水温变化；三峡水库；四大家鱼；中华鲟

三峡水利工程坝址位于湖北省宜昌市三斗坪镇，下距葛洲坝水利枢纽约38 km，控制流域面积100万km2，占长江流域面积的56%，水库正常蓄水位高程为175 m，正常蓄水位下回水长度约660 km(江津附近)，其中变动回水区为江津至涪陵段，长约173.4 km，常年回水区为涪陵至大坝段，长约486.5 km。自2003年6月开始蓄水运行后，三峡水库经历了135～139 m围堰发电期、156～145 m初期运行期，目前处于175 m试验性蓄水运行期。水库蓄水后改变了库区的河型、河势及边界条件，库区河段水面加宽，过水面积增大，水流流速变缓，水体滞留时间变长；蓄水后也改变了坝下径流量年内分配，使枯期径流量增加，汛期径流量变小。由于库区水流情势的改变，影响水体的年内热量分配，从而导致库区及坝下水温发生相应的改变，水温变化又会影响水生生物的生存、繁殖、死亡、物种更替以及农业灌溉和植被生长[1]。因此，亟需对三峡水库水温变化及影响进行探讨，为今后开展生态补偿措施调度提供参考依据。

目前主要采用经验法和数学模型的预测方式来研究三峡水库水温的变化及其影响程度，两种方法都有局限性，预测结果的准确性需与长期原型观测数据进行对比来评估。本文立足于2014年开展的三峡库区沿程水温观测成果和历年水文站网的水温资料，通过实测成果来了解三峡水库水温分层、沿程水温变化及对下游生态系统的影响。长系列连续水温原型观测成果分析是进行河流生态系统影响研究的基础，具有一定的现实意义。

1 监测方案及数据收集

监测范围从水库库尾朱沱水文站至坝下宜昌水文站，河道全长798.6 km，共设置19个断面，具体断面位置情况如图1所示，每个断面中泓位置布置一根垂线，从表层(水面下0.5 m)至底层测量各点水温(表层、底层、相对水深位置0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8、0.9)，以观测各断面深泓处温度梯度变化。观测时间为2014年4月至5月上旬，监测仪器采用HY1200B型声速剖面仪。

2 三峡水库水温变化分析

2.1 垂向水温分布特征

2014年4月至5月上旬朱沱至宜昌段垂向梯度水温监测结果见图2～4，各断面表、底层水温监测数据统计见表1。观测距离较长，各处水温垂向变化不尽相同：①库尾朱沱站位于不受水库回水影响的天然河道，水温未受水库蓄水影响，该断面深泓处水深约12 m，垂向上水温没有变化；②库中断面深泓表层至底层水温略微下降，下降幅度在0.3℃以内，没有水温分层现象；③库前(30 km范围)断面水温垂向上有一定的变化，但温差不大，最大温差1.6 ℃，且水温随水深增加下降非常缓慢，梯度变化幅度小于0.1 ℃/m，没有水温剧烈变化的温跃层存在，垂向水温变化最大的庙河断面也仅表现出微弱分层，庙河断面的微弱分层在深度100 m以下水体区域。

图1 三峡水库及坝下游水温监测断面示意

断面名称距枢纽大坝里程/km2014年4月上旬水温/℃2014年4月中旬水温/℃2014年4月下旬水温/℃2014年5月上旬水温/℃表层底层差值表层底层差值表层底层差值表层底层差值宜昌葛洲坝下游13.012.90.113.713.60.115.014.90.116.416.30.1黄陵庙两坝间12.612.50.113.513.5015.015.0016.816.80S30+10.814.312.71.613.713.50.215.314.90.417.016.60.4庙河1413.312.80.513.913.00.915.514.51.017.115.61.5S42-120.613.512.80.714.114.00.115.615.50.117.317.20.1S4830.414.112.81.314.414.00.415.815.30.517.817.20.6S5340.313.412.80.614.514.20.316.015.80.217.517.40.1S58-151.213.413.20.214.814.60.216.116.1017.617.50.1S62-159.613.413.30.114.814.70.116.216.2018.017.60.4巴东7113.613.30.315.214.80.416.316.20.118.017.70.3S71-181.113.613.50.115.215.10.116.416.4017.917.90S76-190.613.913.80.115.215.2016.516.40.118.017.90.1S8199.913.913.9015.315.3016.516.5018.018.00S131199.117.617.30.3万县289.217.517.50S227+1400.319.118.70.4清溪场476.918.918.80.1寸滩605.719.319.20.1朱沱754.618.718.70

图2 三峡水库库尾断面水温垂向分布

图3 三峡水库库中断面水温垂向分布

从2004年起，每月上、中、下旬在坝前庙河断面深泓处均对水温梯度进行了监测(见图5)，分析2004～2015年实测水温资料可知：2004年与2005年坝前各个月份表层至底层水体处于等温状态，没有分层现象；2006～2015年坝前水体表现出弱分层特点，水温分层发生在春夏之交，分层现象始于4月上旬，至6月上旬逐渐消失，垂向水温差值范围1.5℃～10.3℃。

图5 2007年三峡水库坝前庙河断面水温全年垂向分布

2006～2015年坝前庙河断面深泓处表层与底层温差最大的垂向分布见图6。2006～2013年每年4～6月间坝前约90～130 m水深处，高程约为20～75 m之间的水层垂向水温变化剧烈，有较为明显的温跃层，温跃层下部至库底为滞温层，滞温层水温基本恒定，其中2007年温跃层最明显，水温变幅最大达10.3℃。2014年与2015年坝前水温分层现象不明显，高程80 m以下随水深增加，水温有一定幅度的降低，但变化仅2℃左右，其原因可能是在2014年与2015年春夏之交的4～6月水体表面温度不高，且该时期气温增速不剧烈，水库下泄至防洪水位的过程中形成的动力足够上、下水体混合交换，水库在坝前没有形成水温分层的条件。

图6 三峡水库坝前庙河断面多年最大表层与底层温差水温垂向分布

图7 三峡水库蓄水前后沿程水温变化

坝前多年垂向水温变化分析表明，三峡水库坝前虽有可能出现温跃层，但低温水处于深层水底区域。大坝泄洪深孔底板高程为90 m，电站取水口高程为110 m，底板90 m高程以上有多层泄水口，泄洪孔口和发电引水均高于温跃层和滞温层，除了坝前水体对流以外，三峡水库基本上没有出现下泄低温水现象。

2.2 沿程水温变化特征

从三峡库尾朱沱站至坝下游宜昌站河道沿程各处气候有一定的差异，大量研究显示，水温变化不仅受水库建设和运行带来的边界环境变化影响，还受气象要素变化的影响，包括气温、风速、相对湿度等，其中气温对水温的影响程度最大[2]。本文主要分析水库蓄水后对库区及坝下游水温的影响，为了准确真实地反映水库蓄水的影响情况，尽量消除气温对水温的影响，选取库尾天然河道朱沱站为参照站，通过对比朱沱站水温变化值来定量反映水库蓄水后的净影响。

由于蓄水前各站水温监测起始年并不相同，为了同步对比沿程水温，从葛洲坝蓄水后(1981年)开始进行统计，见图7～9。蓄水前(1981～2003年)，朱沱站、寸滩站、黄陵庙站、宜昌站多年平均水温分别为17.8℃，18.4℃，18.4℃和18.2℃，蓄水后(2004～2015年)，朱沱站、寸滩站、巴东站、黄陵庙站、宜昌站各站平均水温分别为18.2℃，18.8℃，18.9℃，19.0℃和18.9℃。对比蓄水前后水温可知，蓄水后朱沱站平均水温上升了0.4℃，库区寸滩站水温上升幅度与朱沱站相同，但黄陵庙站、宜昌站水温增幅比朱沱站分别高出0.2℃和0.3℃。蓄水前坝下宜昌站年均水温略低于库区，蓄水后库水温上升稍高于天然河道，坝下游宜昌站与库区寸滩站、巴东站年均水温基本相同。

图8 三峡水库蓄水前后各站月水温变化对比

图9 三峡水库蓄水后对寸滩站、宜昌站水温影响

三峡水库蓄水前沿程水温变化规律如下：1～5月朱沱站-寸滩站水温略微升高，随后寸滩站-宜昌站水温开始下降；6～7月朱沱站-寸滩站水温升高，随后寸滩站-宜昌站水温持平；9～12月朱沱站-宜昌站水温持续升高。三峡水库蓄水后全年沿程水温变化规律如下：2～6月朱沱站-寸滩站水温持平，寸滩站-宜昌站水温开始下降；6～8月朱沱站-寸滩站水温升高，寸滩站-宜昌站水温持平；8月至次年1月朱沱站-宜昌站水温持续升高。

三峡水库朱沱站至坝下宜昌站相距较远，水库蓄水后对沿程水温的影响程度不一。蓄水前、后寸滩站与朱沱站水温变化基本上保持一致；而宜昌站与朱沱站水温变化有明显的差异，在升温期宜昌站水温的降温效果比较明显，月均降温最大达2.7℃，而降温期水温的增温效应较明显，月均增温最大达2.9℃，蓄水后宜昌站年均水温总体上升0.3℃，蓄水以来库区巴东站和坝下宜昌站水体温度基本相同，水温变化也基本同步，说明低温水下泄影响程度很小，但蓄水后对库区水温有一定程度的增温效应，因而坝下水温也相应有一定的升高。

2.3 水库水温变化的影响因素

三峡水库位于东亚热带季风区，库区气温年内季节性分布特征显著，水温随气温上升而相应升高，随气温下降而降低，图10显示水温与气温具有较好的正相关性，水温也表现明显的季节性变化，从图8可看出春、夏季水温升高至8月左右达到最高值，秋、冬季水温降低至最低值。除受气象因素的气温影响外，影响水温变化的气象条件还有太阳辐射、风速风向、相对湿度等，而三峡水库运行不同时期水库的几何特征、水文水力因素不同也是水温变化的影响因素。

图10 三峡水库近坝区多年水温、气温变化过程线

三峡水库目前处于175 m试验性蓄水期，随着蓄水位的抬高库区水深不断增加，库容增加，调节能力增大，正常蓄水位175 m时库区水深最大处超过200 m，水体平均滞留时间为33 d，是天然时期的7倍，水体内部掺混时间相应延长。若某个时期气象因素变化较大，同时入出库流量没有形成足够的动力使水库上、下层水体混合流动来完成热量交换，就会形成自上而下的温度梯度，从而产生分层现象。根据水温垂向梯度分布特点，水库可分为分层型、混合型和过渡型3种。水库水温分层类型一般采用公式加经验方法进行判别，主要方法有α法、Norton密度佛汝德数法及水库宽深比法。三峡水库蓄水初期采用α法计算，判别值大于20，水库水温的分布类型为混合型[3]；而2008年试验性蓄水运行后，水库蓄水至正常蓄水位175 m时，水库库容393亿m3，蓄水位水面面积1 084 km2，蓄水后多年(2003～2015年)入库平均径流量3 583亿m3，采用α法计算，判别值9.1<10，但考虑气象因素变化剧烈时，水库4～5月期间容易形成水温分层，此时三峡水库水位在150～165 m区间，库容比正常蓄水位库容小，采用相应期间水位对应库容计算得10<α<20，水库水温分布类型应为不稳定分层型，不排除在满足影响水温变化因素时会出现弱分层现象。

3 水温变化对下游河道生态系统的影响

三峡水库蓄水后对朱沱站、寸滩站水温的影响较轻微，但对坝下游水温在时空上带来一定程度的变化，使其呈现升温期间滞冷、降温期间滞温的延迟现象。三峡水库蓄水后下游水温时空变化相应改变了坝下游水生态环境，从而对坝下水生生物的产卵繁殖产生一定影响。

三峡水库下游宜昌江段分布有重要的经济鱼类四大家鱼产卵场，同时也是长江洄游性珍稀水生动物中华鲟唯一产卵场所在江段[4-5]。长江四大家鱼的繁殖季节为每年4～7月，繁殖的最低温度为18℃，最适宜繁殖的水温范围为20℃～24℃。中华鲟生殖季节一般为每年的10～11月，自然产卵水温范围为16.1℃～20.6 ℃，最适宜产卵水温范围为17℃～20.2 ℃[6]。

依据四大家鱼和中华鲟产卵适宜温度特点，以升温期18℃和降温期20℃作为指标，统计了蓄水前后水温达到的时间范围，对蓄水前后朱沱站、寸滩站、黄陵庙、宜昌站多年水温特征值进行了统计。从蓄水前后水温特征值统计情况来看，蓄水后朱沱站、寸滩站水温升温期至18℃未有滞迟，降温期至20℃分别推迟了12 d；蓄水后黄陵庙站、宜昌站水温升温期至18℃的时间推迟了19 d，降温期水温至20℃的时间推迟了27 d。该结果进一步说明，三峡水库蓄水后对朱沱站、寸滩站水温的影响较小，升温期未有滞迟，降温期滞后时间比坝下游短，而坝下游黄陵庙站、宜昌站在春夏之交的升温期和秋冬之交的降温期均存在延迟现象。

4 结 语

(1) 三峡水库蓄水后，库区库尾至库中水温垂向没有出现分层现象，但坝前在每年4～6月有可能出现水温分层，实测温度变幅最大为10.3℃。坝前存在分层时低温水位于高程 80 m以下的底部区域，大坝泄洪深孔底板和电站取水口高程均高于低温水层。

(2) 三峡水库蓄水后，与未受回水影响的朱沱站年均水温增幅相比，蓄水后对变动回水区水温影响不大，对下游宜昌河道水温产生了一定的增温效应。

(3) 三峡水库蓄水后对下游水温在时空分布上有一定程度的影响，呈现升温期滞冷、降温期滞温的延迟现象，水温的时空变化影响坝下水生生物的产卵繁殖。水库蓄水后升温期水温上升至四大家鱼产卵繁殖的最低温度18℃平均推迟约19 d，降温期至中华鲟产卵繁殖的适宜温度20℃平均推迟约27 d。

(4) 三峡水库蓄水以来连续多年的水温梯度实测成果表明，三峡水库为弱分层型水库，整个水库坝前段水温分层相对明显，但水温分层现象不稳定，说明水库水温垂向分布特性受气象条件、水库形态以及水库调度综合因素的影响。

[1] 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(119)：182-187.

[2] 李克峰，郝红升，庄春义，等. 利用气象因子估算天然河道水温的新公式[J].四川大学学报：工程科学版，2006，38(1)：1-4.

[3] 卞俊杰，陈峰. 三峡水库蓄水后库区水温影响分析[J]. 水利水电快报，2006，27(19)：7-10.

[4] 易伯鲁，余志堂. 葛洲坝水利枢纽与长江四大家鱼[M]. 武汉：湖北科学技术出版社，1995.

[5] 李思发. 长江重要鱼类生物多样性和保护研究[M]. 上海：上海科学技术出版社，2001.

[6] 危起伟. 中华鲟繁殖行为与资源评估[D]. 北京：中国科学院研究生院，2003.

(编辑：朱晓红)

2017-03-31

杜林霞，女，长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局，高级工程师.

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