漫湾水库运行下库内洲滩潜流带夏季热传输特征

于丹青，陈求稳，马宏海，陈宇琛，孙洪波，施文卿

（1.南京水利科学研究院 生态环境研究中心，江苏 南京 210029；2.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074）

1 研究背景

潜流带是河流地表水与地下水动态交互混合的过渡区域，动态交换频繁，物质循环活跃，是许多鱼、虾、蟹、贝类繁殖、索饵、育肥的重要场地，被誉为河流的“肝脏”［1-3］。目前，河流潜流区已成为国内外生态水文研究的热点区域。

温度是水生态系统中的重要环境因子之一，对水生生物的生长、繁殖至关重要［4-5］。国内外关于潜流带的水热交换研究已有大量报道［6］，但研究区域多为未受人为活动影响的自然河道岸边潜流带［7-9］。Schmidt等［8］对天然河床垂面划分了140个剖面进行测量，根据不同的温度分布分析潜流交换在不同深度的非匀质性。朱静思等［9］以河床温度为示踪变量，通过现场连续监测河床垂向不同剖面温度，探究了地下水温度变化与潜流交换之间的关系。少量研究关注了人为活动建库影响下的潜流带，且研究区域仅局限于坝下河道潜流带［10-12］。朱蓓等［10］通过分析大坝下游潜流区水位和温度变化规律，发现受水库下泄水流影响，河道水温日波幅很小，河岸潜流区具有显著的垂向温度分层，并推测河道与河岸地下水存在热量传输。刘东升等［11］在同一试验区域，对比了不同季节河岸带潜流层水动力交换特征及温度场变化规律。目前，关于坝上库内潜流带的相关研究较少。与坝下河道潜流带相比，坝上库内潜流带虽然也受人为建库影响，但水文条件迥异，潜流带质地也不尽相同。坝下河道受下泄水影响水流较快，潜流带在水流冲刷下多为粗沙砾、石块［13］，而坝上库内流速较小，潜流带多为淤积的细沙、黏土，其水热交换、热传输过程可能存在不同，但尚不清晰。

水力梯度是潜流带发生潜流交换关键驱动力［1］，水库发电运行下水库水位往往波动频繁，水库与岸边潜流带之间在水力梯度作用下可能发生着活跃的潜流交换；同时，水库水体与岸边潜流带沉积物因比热不同在夏季强太阳辐射作用下易产生温度差。在潜流交换和温度差共同驱动下水库与岸边潜流带之间可能进行着热量传输。本研究以澜沧江漫湾水库库内洲滩潜流带为研究对象，利用原位自动监测传感器连续49天监测洲滩潜流带夏季水位及水温变化，分析水位波动下洲滩潜流带潜流交换与洲滩内部温度时空特征，阐明漫湾水库运行下洲滩潜流带夏季热传输量过程与驱动机制，以期为建库河流潜流带水热交换过程研究提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况本研究区域是位于澜沧江漫湾水库的库内洲滩（图1）。漫湾水库位于云南省临沧市云县境内，建于1993年，是澜沧江干流第一座以发电为单一目标的百万千瓦级水电站。坝高132 m，坝址控制流域面积11.45 万km2，正常蓄水位994 m，总库容9.2 亿m3，调节库容2.58 亿m3，为季调节水库。研究的洲滩（24°43′44″N，100°23′05″E）位于坝前约30 km处，由河湾泥沙多年淤积而成，属于典型的凸岸洲滩，呈现椭圆形，面积约为1.3万m2、淤积深度58 m，含水层厚度约为40 m。水库运行下，洲滩周期性处于淹没和落干两种状态。研究区域属于亚热带低纬度山地季风气候，夏季为4—9月［14］。

图1 研究区域位置与洲滩及其监测点布设示意图

2.2 原位自动监测设备布设根据前期调研，针对本实验区设计原位自动监测装置开展数据采集。装置材质为碳钢，总长1.8 m，上部把手长0.2 m，主体长1.5 m，呈圆柱形，外径6.0 cm，底部为圆锥体。主体为可拆卸的3层，每层设有长度为50.0 cm、内径为4.5 cm 的中空腔体放置传感器，腔体四周各均匀对称凿设8个直径为3 mm的圆形透水孔，确保水流交换通畅。沿洲滩岸边至中心安装5个原位自动监测装置，离岸距离分别为0.5、10.5、20.5、30.5和40.5 m（图2）。装置安装前利用高精度水准仪（DSZ5，徕斯达，中国）测量各点位高程，确保所有装置在同一基准面上。装置内传感器布设如下：表层（0 ～0.5 m）、中层（0.5 ～1.0 m）安装有温度自动记录仪（U22001，OneSetHoBo，USA），其测量精度和适用范围分别为0.2℃和-40℃～50℃；底层（1.0 ～1.5 m）安装有水温和水位自动记录仪（U2000101，OneSetHoBo，USA），水位测量精度和适用范围分别为0.5 cm 和0 ～9 m，水温测量精度和适用范围分别为0.1 ℃和-20 ℃～50 ℃，原位监测装置见图3。设备于2018年夏季（6月28日—8月16日）运行，水位和水温自动记录仪每2 h自动连续记录数据。

2.3 潜流交换量计算洲滩与水库潜流交换量采用达西公式进行计算：

图2 洲滩原位监测装置布设（T和W分别指水温和水位计）

图3 原位监测装置

2.4 潜流交换宽度计算洲滩潜流交换宽度即时间尺度上的入渗距离，可根据达西渗透速率v（x，t）推算出孔隙水速率再对（t2-t1）时间段内时间积分得出，计算公式为［16］：

2.5 热传输计算洲滩与水库热传输的计算是基于潜流交换量及潜流交换前后温度差，而在热传输的过程中伴随着热量的损失，主要为水分蒸发产生的潜热通量及洲滩内部热通量Qg，计算洲滩与水库热传输量时应给予去除，因此：

各热通量计算公式如下［18-21］：

其中：Q（t）为洲滩与水库某一时刻单位面积净热传输量，MJ/（m2·d）；Q为同一时刻洲滩与水库之间的总热传输量，MJ/（m2·d）；C为水体比热容，4.2×103J/（kg·℃）；M为此时刻水体交换量，kg；Δt为水体交换前后的温度差，℃；Qg为土壤热通量，ks为洲滩各层之间的热导率，则ks取值2.0W/（m·℃）［18］，dTe/dZ为洲滩各层之间的温度梯度，℃/m；Qe为潜热通量，MJ/（m2·d）；λ为汽化潜热系数，内陆地一般为2.45 MJ/kg［21］；ET0为洲滩表层蒸腾蒸发量，mm/d。ET0［21］计算公式如下：

式中：Te为平均温度，℃；Temax为最高温度，℃；Temin为最低温度，℃；Ra［19］为地外辐射，MJ/（m2·d），计算公式如下：

式中：dr为地球绕日轨道偏心率；Ws为日落时角，rad；φ为纬度；δ 为太阳倾角，rad。

2.6 敏感性分析根据以往大量数值模拟研究表明交换体积与水库水位振幅A 或周期T 呈正相关［22-23］，而热传输量与交换体积及温差呈正相关，因而设定热传输量Q（t）与水库水位变化振幅A、周期T及洲滩和水库之间的温差ΔTe的关系式为式（11），选取50天水库水位数据，求得相应水位对应的振幅A和周期T，拟合出相应关系式。进一步对水位波动的周期T、振幅A及温差ΔTe这3个影响热量传输的主要因素进行敏感性分析：选取周期T、振幅A 和温度差ΔTe的初始参考值，其中周期T 为5.00 d，振幅A 为2.10 m，温度差ΔTe为1.38 ℃，每次计算改变其中一个参数10%，其余参量保持不变，对3个因素各做20次计算，比较单个因素对热传输量Q（t）的影响程度。计算公式为式（12）［24］。

式中：Xi、影响因子和热量的相对变化值；xi、为影响因子和热量的结果真实值；x0、Q0为影响因子和热量的初始参考值。

3 结果

3.1 水位波动与潜流交换在监测过程中，洲滩内部水位随水库水位出现周期性波动，但洲滩内部水位波动相对于水库水位具有明显的“衰减”和“滞后”现象。在第0、7、12、16、23、32、39、43和49天水库水位和洲滩内部水位出现峰值；水库水位最大涨幅达5.15 m，洲滩内部水位最大涨幅衰减为2.30 m；滞后时间约为4 h（图4（a））。根据达西公式计算洲滩与水库之间潜流交换量，得出监测时间内单位宽度上平均侧向潜流交换量为-0.12 ～0.06 m2/d，单位宽度上侧向潜流交换体积为12.36 m3，单位宽度上洲滩流向库区的潜流交换体积为6.08 m3（图4（b））。单位潜流宽度为15.7 m，根据含水层厚度得出，监测时段内单位潜流交换面积为628 m2。

3.2 水温变化监测过程中，洲滩内部温度分层明显，总体上呈现表层＞中层＞底层的趋势。洲滩表层水温发生剧烈波动，变化范围为20.74 ～25.47 ℃，在第4天16∶00时、第9天18∶00时、第21天18∶00 时、第24 天18∶00 时、第41 天16∶00 时、第47 天12∶00 时达到峰值，峰值温度分别为22.63、23.25、25.47、24.70、23.14 和22.66 ℃（图5（a））；中层和底层波动相对较小，温度变化范围分别为20.68 ～22.18 ℃、20.48 ～21.28 ℃。库区水温波动较小，波动区间仅为20.08 ～20.96 ℃，总体上低于洲滩内部温度。监测时段内，气温变化幅度较大，最高气温31.5 ℃，最低气温18.50 ℃，平均气温22.20 ℃。相关性分析表明，洲滩表层水温与气温显著不相关（图5（b）），而与水位呈现显著负相关（图5（c））。

图4 库内洲滩水位波动与潜流交换量

图5 洲滩温度变化

3.3 热传输量与敏感性分析洲滩与水库热量输送核算得知，洲滩向水库热量输送呈现“脉冲式”，表层、中层和底层热传输速率极大值分别为121.96 MJ/（m2·d）、55.02 MJ/（m2·d）和10.49 MJ/（m2·d）；均值分别为37.16 MJ/（m2·d）、18.09 MJ/（m2·d）和2.82 MJ/（m2·d）；方差分别为921.64、158.93和6.33。在监测时间段内，表、中、底层分别向库区热传输总量表现为：表层＞中层＞底层（图6（a）），分别是1635.21 MJ、730.68 MJ和104.49 MJ。通过拟合得出热传输量与水位、振幅及温差关系式为：Q（t）=0.0127 A1.202T0.611ΔTe1.015，进一步敏感性分析得知：水位波动振幅对热传输的影响最为明显，振幅增加1 倍时，热传输量增加14.94%；温差影响次之，温差增加1 倍时，热传输量增加11.72%；水位波动周期对热传输影响最小，周期增加1倍时，热传输量增加6.05%。

图6 洲滩与水库热量传输核算与敏感性分析

3.4 洲滩横断面温度场时空特征洲滩受太阳辐射，并与水库发生侧向潜流交换，从而产生热量交换，洲滩内部温度场随水位波动发生规律性变化。在第22天（2018年7月20日）10∶00—18∶00落水期间（图7（a）），洲滩内部温度逐渐升高，其中，表层温度升高最为明显，升高幅度达1.96 ℃；中层次之，升高幅度为0.66 ℃；底层最小，升高幅度仅为0.31 ℃。表层和底层温差最大达到4.14 ℃。相比较而言，洲滩水平方向各层温差较小，表、中、底层温差最大分别为1.04 ℃、0.56 ℃、0.38 ℃。在第22天（2018年7月20日）20∶00—24∶00涨水期间（图7（b）），洲滩内部温度逐渐降低，表层温度降幅最大，达到2.16 ℃，中层次之，降幅为0.72 ℃，底层最小，降幅为0.32 ℃。表层和底层温差最大为5.13 ℃。洲滩内部各层温度水平空间特征与落水期相似，温差较小，表、中、底层温差最大分别为1.78 ℃、0.68 ℃、0.38 ℃。

图7 水位涨落过程中洲滩剖面夏季温度变化特征

4 讨论

在未受人为调控河流中，因受雪山融水和大气降雨补给影响，河流水位波动通常呈现出季节性变化。在水电梯级开发河流，水位基本受水库调节调控。由于用电需求的动态变化，水库水位波动频繁，而在库容较小的水库中作用更加明显。本研究监测周期内，水库水位共经历多个水位波动周期，水位振幅达5.15 m。在水库水位波动下，洲滩内部水位随之波动，但表现出一定的滞后性，水位波动振幅也产生衰减，因而水库与洲滩之间形成水力梯度，促使洲滩与水库发生频繁潜流交换［10］。监测周期内，洲滩与水库之间单位宽度上平均侧向潜流交换量为-0.12 ～0.06 m2/d，单位宽度上洲滩流向库区的潜流交换总量达6.08 m3。

相比于澜沧江干流其他水库，漫湾水库库容较小，体积为9.2×108m3，属季调节水库。本研究洲滩处于漫湾深切峡谷型水域，受两岸地表径流影响较小，水文特征主要受上游大型水库小湾（最大库容为151.3×108m3）影响。在小湾恒定低温水下泄影响下，漫湾水库内水温相对稳定，维持在20.08 ～20.96 ℃以内［25-26］。刘兰芬等［27］也证实，漫湾水库水温常年保持稳定，且未出现分层现象。另外，洲滩是由泥沙淤积而成，质地较为均一，以粉沙为主，其中黏土、粉沙和沙分别占27.2%、67.7%和5.1%，平均粒径为10 μm。因此，洲滩温度异质性主要受表层太阳辐射及其内部水热交换影响。在太阳辐射作用下，洲滩沉积物因比热容相对较低，表层温度迅速上升，与水库水温形成温度差。在整个监测周期内洲滩内部温度均高于水库水温，最大温差达到4.73 ℃。因洲滩表层受太阳辐射影响较大，洲滩内垂向温度分层明显，表层温度明显高于中层和底层（图5（a））。

在潜流交换和温度差共同作用下，洲滩向水库发生热量传输。落水期间，洲滩内部水位下降，洲滩表层逐渐裸露，在太阳辐射作用下，洲滩的温度逐渐升高，其中洲滩表层和中层升温最为明显，在此过程中，热量随着洲滩排水向水库传输。而涨水周期时，水库低温水流向洲滩，吸收洲滩内部热量，洲滩内部温度随之下降（图7），吸收的热量随下一落水周期向水库输送。因此，在监测周期内，洲滩内部温度与水位表现出负相关（图5（c））。洲滩表层因接受太阳辐射最强烈，故向水库的热传输量最大。洲滩向水库的热传输量也因洲滩表层接受大量太阳辐射而向水库热传输量最大（图6（a））。本研究区热传输与自然河道岸边潜流区及受大坝下泄水影响的河道岸边潜流区相比，虽然机制均为在潜流交换驱动下因温度差异而进行的热量传输，但可能存在一定差异，这是因为自然河道潜流区不受人为活动建坝影响，属于自然节律；而大坝下泄水影响的河道岸边潜流区和本研究区虽然同受人为活动建坝影响，但研究区水文以及地质特点存在不同，坝下河道受下泄水影响水流较快，潜流区在水流冲刷下多为粗沙砾、石块，而本研究为库内水体，水流较缓，潜流区为淤积的致密细沙、黏土。未来在此方面进一步开展对比研究。热敏感性分析进一步证实，在夏季，洲滩向水库热传输受水位波动振幅最大，这主要是因为水位波动振幅越大，产生的水力梯度越大，潜流交换越强，可在单个水位波动周期中最大量地将洲滩热量输送至水库。另外，水库水位波动在短时间内易受地下水位的影响，为了避免地下水位的影响，在未来的研究中，还需进一步开展长周期观测，选取每个完整水位波动周期进行分析。

5 结论

本研究以澜沧江漫湾水库库内洲滩为研究对象，通过原位连续监测水库和洲滩内部水位、水温变化，分析了夏季洲滩潜流区和水库之间热传输过程，发现：

水库运行下，库内和洲滩内部水位频繁波动，洲滩内部水位波动具有“滞后性”、振幅具有一定衰减，进而产生水力梯度，促进水库与洲滩之间潜流交换，潜流交换量为-0.12 ～0.06 m2/d

在太阳辐射作用下，洲滩沉积物因比热容低，升温速度高于水库水温，使洲滩与水库之间产生0.26 ℃～4.80 ℃温度差；

在洲滩与水库潜流交换与温度差共同作用下，洲滩向水库发生“脉冲式”热量输送；洲滩表层输送量最高、中层次之、底层最低，分别为1635.21、730.68和104.49 MJ；热传输量受水位波动振幅影响最大，温差次之，周期影响最小。