热带地区水库水温分层特性研究

谭 升 魁1，周 武1，黄 滨1，施 家 月1，邓 云，脱 友 才

(1.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014； 2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

大型水库的修建，使得库区河段水温由原河道的混合状态转变为垂向分层，坝址处水库下泄出现低温水和高温水现象，并且其过程的相位发生移动，升温期和降温期特征水温值出现时间发生延迟。建库河段热力的时空改变，将直接影响水体中生态系统的发展和其他水质参数过程[1-2]，将对坝下河道鱼类繁殖和灌区农作物生长等产生直接影响[3-4]。

对于水库修建引起的河道水温变化，国外学者自20世纪60年代起就开展了相关的研究工作，早期的水温研究主要为美国、日本等国家通过水库原型观测现场资料获取基本规律，随着热力学、水力学、气象学等学科的发展，逐渐形成以数学模型为主流的研究方法[5-7]。近年来，国内开发了一批高坝大库，其水温影响已受到国家环保部门的高度关注，并持续开展了多个200 m坝高、50亿m3以上库容的水库实地调查[8-9]、预测模拟[10-11]和减缓措施效果研究[12]。尽管目前已对不同类型水库水温开展了较为充分的研究工作，基本掌握了水温影响程度和演变规律，但这些研究对象大多集中在温带和寒带地区，而对热带地区的研究相对较少。热带地区具有太阳辐射强、气温高的特点，加之径流周期过程受台风、热带气候的影响，其气候和径流过程与内陆地区存在明显的差异，将导致该区域内的水温时空变化具有特异性[13-14]。

南渡江地处我国热带北部，为海南岛第一大河，年均气温20℃以上，主要径流量分布集中8～10月，占全年的50%以上[15]。该区域内水资源的开发利用，在改变南渡江天然河道的水文过程和水力学条件的同时，所产生的水温影响也不可忽视[16-17]。因此，本文以海南省南渡江干流已建松涛水库和某拟建水库为例，采用实测水温资料和数学模型相结合的方法预测分析热带地区水库坝前垂向水温分布及下泄水温的时空变化规律，以期初步探索热带地区水库的热分层特征，并评估工程采取分层取水措施的水温改善效果。

1 工程概况

拟建水库位于海南省南渡江干流中游，上游为已建松涛水库，下游为已建谷石滩水电站(见图1)。工程任务以供水、防洪为主，兼顾发电，并为改善下游水生态环境和灌溉创造条件。水库最大坝高71.5 m，装机容量30.0万kW，坝址控制流域面积970.0 km2，多年平均流量34.9 m3/s，水库正常蓄水位108.0 m，死水位72.0 m，总库容6.62亿m3，水库具有多年调节作用。水库库水替换次数a为1.7，经验判断水库水温结构为稳定分层型。

图1 某拟建水库位置示意Fig.1 Location diagram of a proposed reservoir

2 研究方法

2.1 数学模型选择

对于湖泊型水库的水温研究，垂向一维水温模型凭借其计算效率高、网格划分简便、模型参数少等优点，在黑河[18]、丹江口[19]、亭子口[20]、密云[21]和东江[22]等水库中得到了广泛应用，在水库垂向水温结构和下泄水温过程方面具有较高精度的模拟效果。本文研究的拟建水库库区水系复杂、分岔支流众多，库区水面也较为开阔，水面平均宽度达317.5 m，最宽处达1 190.7 m，库容主要集中在坝前20 km范围内，且坝前平均流速小于0.004 m/s，属于流动相对较缓的湖泊型水库。因此，本文选取垂向一维水温模型来开展热带地区库区坝前水温和坝址处下泄水温的水温演变规律研究。

2.2 模型验证

垂向一维水温模型计算中，表面热通量和垂向紊动扩散的合理取值是影响垂向水温模拟效果的关键[23]。本文采用同流域紧临拟建水库上游约55 km的松涛水库原型观测资料(已开展为期4个月的水温观测，主要包括入出库水温过程、库区垂向水温分布)对数学模型进行参数率定，松涛水库和拟建水库工程特性对比见表1。模拟时段为2016年3月2日至2016年6月13日，以3月2日测量的垂线水温成果为初始条件。经多次试算，模型参数取值分别为：太阳辐射水体表面吸收率β=0.65，太阳辐射在水体中的衰减系数η=0.35m-1，模型垂向扩散系数Dz=1.0×10-6m2/s。

表1 主要工程特性对比Tab.1 Comparison of the main engineering features

图2～3为松涛水库垂向水温和下泄水温模拟值与实测值的对比图。可以看出，表层水温的模拟值与实测值差异在0.3 ℃(4月)～0.7 ℃(6月)之间，库底水温的计算值与实测值一致(均为19.1 ℃)，垂向斜温层位置、厚度及温度梯度吻合较好。模型较好地模拟出在气象和径流的作用下，松涛水库坝前从3月的同温状态逐渐发展为4月和6月的分层状态。由于松涛水库取水口高程较高，下泄水温取得表层温水，总体呈现逐渐上升的趋势，局部时间段内可能由于水位的变动及气温的影响出现小幅度的下降。计算时段内，下泄水温模拟值较实测值偏高0.6℃，这可能与采用县城气象边界条件的统计平均值有关。总体来看，模型可以很好地模拟在径流、气象、水库特性等多个要素耦合作用下热带地区水库水温分层的形成与发展过程，模拟计算精度在可接受范围内。

图2 松涛水库垂向水温模拟值与实测值对比Fig.2 Comparison of the simulated and measured vertical water temperature in Songtao Reservoir

图3 松涛水库下泄水温模拟值与实测值对比Fig.3 Comparison of the simulated and measured temperature of water discharged from Songtao Reservoir

3 水库热力特征分析

图4与图5为拟建水库年内垂向水温分布与温度梯度预测结果。总体来看，该拟建水库的水库水温结构呈现季节性分层特征。水库在1月由于冬季垂向对流、混合而趋于同温，中旬垂向平均水温为19.4 ℃。随着气温的升高，2月垂向分层现象初现，垂向温差为1.0 ℃。入春后气温持续上升，3～5月月均气温比2月提高5.8 ℃，日照增强，库表吸收的热辐射大大增加，同时水库来流高温水由于密度小在库区上层水体中流动，而水库深层水体由于水的透光性差、传热难而升温较慢，水温垂向分层逐渐加强，至5月垂向温差达到10.1 ℃。6～7月入流水温和气温逐渐到达全年最高值，表层水温进一步升高，同时流动引起的垂向掺混和上下层水体间的热传导使库区中下层水体温度有所升高。8月出库流量加大，水位较7月降低3.9 m，水库运行进一步加大了库区中下层水体的掺混，其水温整体有较大地提升，但库底低温层仍未被破坏，垂向温差全年最大为11.8 ℃。入秋后，来流水温和热辐射值也开始较大幅度地下降，库表进入失热状态，表层水温下降发生垂向密度对流，导致表层一定深度同温，出现底层温跃层并逐渐向库底移动。受南海夏季风南撤影响，9～10月南渡江进入主汛期，其入流径流量占全年径流量的41.1%，水库上下层水体间掺混强烈，库底温跃层消失，水体垂向趋于同温状态。冬季(11月至次年1月)气温持续降低，水库持续处于失热状态，垂向密度对流占主导地位，使库区水温持续维持等温状态。

表2为水库坝址附近不同特征水温与气温的对比。坝址天然水温与气温相比，年均值高2.0 ℃，且各月的幅度在1.8 ℃～2.1 ℃之间，表明海南气候条件下由于水体长时段在高气温和强辐射作用下具有明显的吸热作用，水温背景值较高。水库修建后，表层继续保持显著的吸热和蓄热作用，其水温范围为19.1 ℃～31.0 ℃，且年内均不同程度地高于气温(幅度为0.5 ℃～3.5 ℃)。由于水库取水口位置较低(底板高程为70.0 m)，取水深度约为32.0 m，而坝前水深平均为48 m，将导致水库长时段取用底层低温水，1～8月的水库下泄水温较坝址天然平均偏低5.5 ℃，尤其升温期(5～6月)最为显著，平均偏低9.6℃。尽管水库低温水现象比较显著，但9～12月并没有出现明显的高温水现象，平均水温仅高于天然状态0.7 ℃。水库下泄水温呈现出春夏季强低温水、秋冬季弱高温水的规律，还主要与年内径流分配及由此产生的热效应有关。由图3可知，主汛期9～10月的大径流过程带走了水库在夏季通过入流和大气积蓄的热量，库区形成以9～10月入流水温为背景值的热量基础，大大减弱了11月后冬季的高温水影响。

4 叠梁门分层取水效果研究

拟建水库下游分布有灌区及鱼类产卵场，下泄和取用低温水可能导致农作物减产、鱼类生长发育变慢，繁殖期推迟，因此，有必要采取工程措施尽可能取用表层水体以减缓低温水的影响。根据工程枢纽布置条件，拟采取叠梁门进行分层取水。拟建水库叠梁门层高为5 m，层数为7层，最大挡水高程为105 m，最小淹没深度为4.1 m。预测年全年平均水位为105.9 m，范围为104.4～107.3 m，根据叠梁门的调度原则，预测年全年可采用6层叠梁门，取水深度较底层取水口上沿高程抬高26.2 m。

表2 水库不同特征水温与气温统计Tab.2 Statistics of various characteristics water temperature and air temperature

叠梁门运行后，叠梁门将库区100 m高程以下的冷水层阻挡在坝前，主要流动层为叠梁门顶100 m高程以上的表层温水层，使得叠梁门高程附近形成温度梯度较大的温跃层，进而抑制表层热量向库底传递。工程有无叠梁门措施取水过程示意图见图6。由于取水结构和取水口高程发生较大变化，水库坝前垂向水温结构由底层取水方式的季节性分层型变为叠梁门运行方式的稳定分层型。同时，两种取水方式下，垂向温跃层位置和梯度也有显著的变化，底层取水口方案下的温跃层高程变化范围较大，从春季初期形成分层后的90～100 m变为汛期后的60～100 m，而叠梁门运行方式下的垂向温差相当集中在80～100 m高程之间。

图7为采取叠梁门分层取水前、后年内坝前垂向水温结构的变化对比。叠梁门的采用，抬高了取水高程，使得水库能够连续取用水库表层温水，底层取水口方案的下泄低温水现象得到明显的改善。表3为水库叠梁门运行前后下泄低温水和高温水对比。叠梁门方案下1～8月的下泄水温较底层取水口方案提高了0.1℃～9.5℃，平均提高4.6℃，其中6月改善效果最明显，提高了9.5℃，最大水温降幅从底层取水口方案的9.7℃(6月)提高至叠梁门方案的2.3℃(3，4月)。

水库的修建改变了河流天然水温过程，而生态系统中已经建立基于原天然河道和气候的固有生态规律，因此水库下泄水温过程及生态敏感时期特征水温的延迟幅度是水温研究的重要方面之一。图8为叠粱门运行前后下泄水温延迟情况。

图6 有无叠梁门措施取水过程示意Fig.6 Comparision of the water intaking processes by bottom gate and stoplog gate

图7 叠梁门运行前后坝前水温结构分布Fig.7 Distribution of the water temperature structure in front of the dam before and after the stoplog gate running

水库修建前，坝址处天然水温到达25 ℃和30 ℃的时间分别在3月下旬和5月下旬，而底层取水方案下水库下泄水温延迟幅度较大，在8月上旬和9月中旬才分别达到25 ℃和30 ℃，而实施叠梁门后，下泄水温年内变化规律与天然过程基本一致，仅2～5月较天然略微偏低，水温的延迟性现象基本消除，从而可以较好地消除水库修建带来的水温变化对下游农作物和鱼类生长繁殖、生活习性产生不利影响。

表3 叠梁门运行前后下泄低温水和高温水对比Tab.3 Comparison of the low and high temperature water discharged before and after the stoplog gate running ℃

图8 下泄水温延迟情况Fig.8 Delayed situation of the discharged water temperature

5 结 论

本文开展了垂向一维水温数值模型在热带地区的适应性研究，采用海南南渡江干流上游已建松涛水库的实测水温数据对模型进行参数率定，模型参数取值情况为：水体表面吸收率β=0.65，太阳辐射在水体中的衰减系数η=0.35 m-1，垂向扩散系数Dz=1.0×10-6m2/s。由于松涛水库缺乏完整系列的年内水温资料，故采用同流域、同类型某拟建水库开展热带地区水库水温特征研究。数值模拟研究表明，热带地区水库仍具有与亚热带、温带等地区类似的水温分层结构，主要分层时期主要为4～8月，最大垂向温差高达11.8 ℃，但全年的表层水温均高于气温过程，其幅度达到2.2 ℃。由于南海气候引起的流域主汛期发生在9～10月，主汛期的大径流过程带走了水库夏季存储的热量，使得水库冬季下泄水温呈现高温水较弱的特征。由于水库具有较强的调节能力及取水深度较大，水库存在较为明显的低温水影响。本文探讨了采取叠梁门分层取水对春夏季低温水的改善效果，由于叠梁门的实施，水库由中底层取水变为表层取水，库区水温结构也相应从季节性分层型改变为稳定分层型，下泄水温最大降幅由9.6 ℃提高至2.3 ℃，延迟现象基本消除。