黄石盘水库地表水环境中水温影响预测评价

赵得珺

（1.四川省水利水电勘测设计研究院，四川 成都 610072；2.长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙 410114）

0 前言

四川省巴中市黄石盘水库位于渠江右岸巴河水系南江支流的恩阳河中游河段，坝址位于巴中市恩阳区两路村与高岸村境内。水库工程所在恩阳河干流水域规模为中河。水库具有年调节性能，对河流水文情势、水温改变较大。由于恩阳河上没有水温监测资料，采用邻近流域渠江主源州河上的东林水文站资料拟合黄石盘的入库和坝址水温。因为水生生物繁殖对环境要求较高，必须满足一定的水温、水位、流速、流态、流程等水文条件才能完成繁殖和孵化[1]。产卵时除要求达到一定水温外，还需要一定的涨水刺激。为了保护黄石盘水库区域水生生物的繁殖，必须预测评价水温的影响。

本文主要研究的就是黄石盘水库工程对水温的影响，计算出水温的分布，以及提出对水温影响减缓的措施。

1 水库水温结构

水库水温结构类型分为分层型、过渡型、混合型，利用两种方法研究。1）α-β法，结论是黄石盘水库为分层型水库；2）利用密度佛汝得数法，结论是黄石盘水库是过渡型水库。最后综合判断为季节分层型结构库水交换次数的方法仅考虑了库容与来流量，用此类经验判别法判断水库水温结构类型时考虑的因素比较单一，因此上述判定结果仅可作为是否开展进一步计算的依据，水库的逐月分层过程、下泄水温等仍需要采用数学模型作进一步分析。

2 水库水温预测

根据《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南（试行）》，采用二维水温模型[2-5]对黄石盘库区水温进行预测。

2.1 宽度平均的立面二维水温数学模型及其求解方法

对于常态下的水体，可忽略压力变化对密度的影响，密度与温度的关系可表示为：

式中：β[1/℃]为等压膨胀系数；ρ[kg/m3]为密度；T[℃]为温度；ρs[kg/m3]、Ts[℃]为参考状态的密度和温度。

2.2 模型范围及网格划分

计算网格单元在主流方向上尺寸为5m～400 m，在水深方向上为0.5 m～1 m，在正常蓄水位下，黄石盘库区离散为105×59个矩形网格。

2.3 模型验证

黄石盘水库尚处设计阶段，无法得到该水库实测水温资料对所用水温数值模型进行率定与验证。为此借用资料丰富的类似工程紫坪铺水电站的现场水温观测资料，对二维水温模型的应用性能进行检验。

模型中需要率定的参数只有热通量计算中的太阳辐射表面吸收系数β1和太阳辐射在水体中的衰减系数η，分别为0.65和0.5。

2.4 取水方案

取水口设置在大坝左岸的厂房取水坝段内，进水口底板高程349 m，顶高程374.80 m，上游通过交通桥连接与左岸非溢流坝与右岸溢流坝段。取水坝段采用整体式钢筋混凝土结构，单机单引取水，引水隧洞为有压隧洞，全长240.61 m，洞径D=5.6 m，纵坡i=3.07%。引水隧洞长240.61 m，取水闸始端布置2孔拦污栅闸，每孔内设拦污栅一扇，孔口8 m×4.6 m（宽×高）。其后接渐变段，宽度由20 m渐变至5.6 m。进水闸工作门1孔，孔口5.6 m×5.6 m（宽×高），闸顶高程377.40 m。闸室长26.50 m，闸墩厚5.0 m，底板厚5.0 m，采用整体式钢筋混凝土结构。

2.5 计算条件

水动力条件：由电站运行方式所确定的设计丰、平、枯水年水库调度过程，给出水库各设计代表年逐月水位、流量过程，设计丰、平、枯代表年如下：

丰水代表年：1964年5月～1965年4月（P=10%）

平水代表年：1969年5月～1970年4月（P=50%）

枯水代表年：1978年5月～1979年4月（P=90%）

水流边界条件：上游边界给来流流量过程、下游出口给水库下泄流量过程，校核水库坝前水位；水温边界条件：上游来流水温由邻近水质监测站观测的水温插值给出，水库水面水温参考巴中市气象条件。

2.6 计算工况

对设计丰、平、枯水年的水力条件，多年平均气象条件，单层取水和叠梁门分层取水[6-8]两种方案进行组合，形成6组计算工况。

2.7 计算结果与分析

2.7.1 坝前垂向水温分布

以平水年为例，坝前水温预测成果见图1。

图1 坝前垂向水温分布（设计平水年）

根据水库采用二维模型的计算结果，黄石盘水库一般在3~8月存在一定的垂向温差，部分月份存在较为明显的表层温跃层，而在9月~翌年2月混合较为均匀，据此可判断黄石盘水库水温结构为过渡型。

2.7.2 下泄水温

图2 比较了黄石盘电站各典型水文年的下泄水温与坝址天然水温的差值。各工况均存在春季低温水和冬季高温水问题。春季低温水方面，平水年和枯水年的下泄低温水现象相对丰水年较突出。冬季高温水方面，枯水年相对平水年和丰水年较突出。图3对比了各典型水文逐日下泄水温与坝址天然水温。

图3 黄石盘电站各典型水文年单层取水时逐日下泄水温与坝址天然水温

2.7.3 坝下河道水温预测

黄石盘下泄水温作为研究河段的上游边界，采用增温率方法计算并计入支流入汇影响可以得到黄石盘坝下的沿程水温。为方便对比，也采用增温率方法以坝址天然水温为基础计算了坝下各断面的天然水温[9]。

在坝下12 km（中华鳖保护区上边界），单层取水时，与天然水温相比，春季最大降温2.6℃（枯水年4月）。叠梁门取水时，枯水年4月降温0.9℃，最大温降为枯水年3月的1.2℃，为9.3℃，春季低温水现象得到有效缓解。

图4是各断面在水库单层取水时的逐日变化过程，各断面的低温水降幅呈沿程减小趋势，在保护区入口处的低温水降幅最大。图5是各断面在水库叠梁门取水时的逐日变化过程，在保护区入口处的低温水降幅最大。

图4 黄石盘坝下12.0 km处逐日水温变化过程(单层取水)

图5 黄石盘坝下12.0 km处逐日水温变化过程(叠梁门取水)

2.8 库区流场分析

为说明库区垂向水温变化与流动的关系，图6和图7分别绘出了平水年低温水降幅最大的5月和高温水升幅最大的11月的温度场叠加流场。

图6 黄石盘水库平水年5月坝前12 km流场

图7 黄石盘水库平水年11月坝前12 km流场

5月来流水温为20.3℃，库表水温为21.4℃，与来流水温较为接近，所以来流在库表流动，不能和库底水体进行掺混。可见，库尾方向的流动接近表层，而下泄水为水库中偏下的较冷水体。11月流量为5月的2.5倍，虽水位抬升库容增大，但来流水温低于库区水温，流动层靠近库底。受出库影响，水流在接近坝前时垂向流速逐渐加大，部分水流沿发电孔口出库，部分形成库表回流。

3 水温影响减缓措施

由于黄石盘水库在丰、平、枯典型水文年运行时均对下游水温存在明显的低温水效应，本工程考虑采用分层取水措施来减缓下泄低温水的影响。

据《恩阳河中华鳖国家级水产种质资源保护区调整论证报告》，该河段鱼类的产卵期主要集中为3月～7月，产卵水温在16～32℃之间。黄石盘水库采用单层取水方式时，2月水库垂向水温较为均匀，采用分层取水的效果极为有限，且下游无明显的水生生物水温需求；6月的水库下泄水温已充分满足产卵水温需求，无采取分层取水的必要性。因此综合水库水温分布状况与下游水温需求，确定在3月～5月采用分层取水措施改善下泄低温水的影响。

通过在发电进水口前门槽中放置不同数目的叠梁门来满足分层取水要求，本阶段初步拟定的叠梁门分层取水方案为：3.4 m+3 m×3层(共 4层)，门顶高程 372.5 m，底板高程350.6 m。表1对比了黄石盘电站叠梁门方案的下泄水温。

表1 叠梁门分层取水效果对比（℃）

采用分层取水措施后，黄石盘水库建成后下泄水温与天然水温差异较小，同时丰、平、枯水年下泄水温在5月分别为20.4℃、20.2℃、19.8℃，满足作物要求温度，基本不影响作物正常生长。

4 结论

（1）采用二维水温模型对黄石盘库区水温进行预测，建立模型，网格划分，模型验证，取水方案，计算条件和工况，计算坝前垂向水温分布、下泄水温、坝下河道水温预测结果，并提出水温影响减缓措施，最后进行库区流场分析。

（2）本工程考虑采用分层取水措施来减缓下泄低温水的影响。综合水库水温分布状况与下游水温需求，确定在3月～5月采用分层取水措施改善下泄低温水的影响。由于叠梁门可保证在不同运行水位下取得表层温水，因此为了减缓黄石盘水库运行对下泄水温过程的影响，考虑在低温水影响较为突出的3月～5月采用叠梁门分层取水方案，达到取用上层温水减缓下泄低温水影响的目的。采用分层取水措施后，黄石盘水库建成后下泄水温与天然水温差异较小，满足作物要求温度，基本不影响作物正常生长。

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