梯级水库对澜沧江干流水温沿程变化的影响

(湖北工业大学 河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，武汉 430068)

1 研究背景

澜沧江-湄公河发源于中国青海省唐古拉山脉岗果日峰扎曲，流至昌都称澜沧江；流至云南省南腊河口出境，出境后改称湄公河，是亚洲一条重要的国际河流。澜沧江云南段全长约1 200 km，落差1 770 m，流域面积约9万km2，占云南省土地面积的23%。澜沧江水系孕育着丰富的淡水鱼类生态系统，被确定为世界上最重要的淡水鱼类生态区域之一[1]。由于澜沧江水能资源丰富，进入21世纪以来，澜沧江云南河段开始兴建水电站。水电站的建设将对澜沧江流域形态和生态环境产生较大影响。

天然河道水温变化主要表现为较为规则的沿程变化特征，梯级水库的修建打断了这种沿程变化特征，使水温发生一定的重分布，梯级水库多库的联合运用将对水体水温发生多次作用[2]。目前国外学者Pekarova等[3]分析了引起多瑙河水温变化的主要因素；Jurgelenaite等[4]对立陶宛Lithuanian河进行了研究，均发现气候变化是引起水温变化的主要因素。与此同时，美国Yearsley[5]则提出水利工程是改变Columbia河水温分布的主要因素;Zganec[6]认为克罗地亚喀斯特地区诸河的水温变化是气候变化和水电工程共同作用的结果。国内相关方面的研究也得出类似的结论[7]。澜沧江流域梯级开发引起水温在流域沿程和纵向深度上的梯度变化，水温的沿程变化在下游100 km以内都难以消除[8]，如果两级大坝之间小于这个距离，就会产生累积效应[9]。

目前对于澜沧江的水温研究较少，大部分是研究一定距离内的水温时空特征[10-11]，并没有从澜沧江云南段整个流域层面上阐明澜沧江梯级水库建设对于水温时空分布的影响。本文通过水温随距离的变化来分析澜沧江的整体水温特征，对建库前后的自然河道和梯级水库段的水温进行显著性差异分析，并且分析了不同类型水库的沿程变化特征，有助于从整个流域层面上认识水温沿程变化，从而对梯级水库建设下的水库群联合调度提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区域与样点设置

整个澜沧江河流干流作为观测河段(如图1)，因盐井—苗尾水电站河段内没有建水电站，为澜沧江天然河道，将其定义为上游自然河道段(盐井—苗尾03，长约405 km)。而从苗尾开始一直到景洪河段中有7个水电站，故称为下游梯级水库段(苗尾03—关累，长约803 km)。在两河段中取样点进行水温监测。上游自然河道段共设置12个样点，平均间隔36.95 km。下游水库段以水电站为中心，分别对7个水电站的库区和坝下取点监测，因小湾和糯扎渡库容明显大于其他水库库容，故本文定义为大库，其余为小库。分别在2016年10月、2017年2月、2017年6月3个不同的时间对整个流域水温进行监测。

图1 澜沧江干流取样点分布Fig.1 Sampling sites in the mainstream of Lancang River

2.2 监测指标与监测方法

监测指标及方法为：剖面水温和水深采用美国产Hydrolab DS5多参水质监测仪测定，水温、水深精度分别为±0.1 ℃和±0.1 m，测量频率为5 s测1次；未建库的自然河道因水深较浅，并且表底温度基本一致，故只测定水深0～1 m的水温；澜沧江建库前水温数据通过查阅历史资料[12]获得。

2.3 数据分析

水温沿程变化率分为水温沿距离、高程、纬度3个不同方向上的变化率，一般选取临近2个样点之间的距离、高程、纬度来进行计算。水温随距离、纬度、高程的变化率计算如式(1)所示。

(1)

为对不同量纲的数据进行差异性分析，先对2组数据进行均一化处理，如式(2)所示。

(2)

式中：K1,K2,K3分别为水温随距离、纬度、高程的变化率；ΔT为水温变化；ΔS,ΔL,ΔH分别为距离、纬度、高程的变化量；F为均一化后的数据值；X为不同量纲下的数据。

显著性差异分析采用SPSS软件进行，按照标准统计学分析方法说明差异性，相关性分析采用皮尔逊相关性分析方法进行。在分析梯级水库对于水温沿程变化的影响时，通过插值法控制了两样点之间的高程保持不变，对水温随纬度的变化率进行显著性差异分析，探究梯级水库对水温的影响。同理，建库前控制纬度保持不变，分析水温随纬度的变化率。

3 结果与分析

3.1 澜沧江干流水温沿程变化规律

建库前后自然河道段沿程水温及水库段下泄水温随距离的变化如图2所示。建库前后水温沿程呈升高的趋势；建库后2016年10月关累(1 145 km)和盐井(0 km)的水温差为9.6 ℃，2017年2月份和6月份水温差分别为15.08 ℃和6.59 ℃。而建库前从塘上(240 km)开始到景洪(1 042 km)，3个时期的水温差分别为8.41，11.30，6.44 ℃。从图2(a)和图2(b)可以看出建库后的水温整体上明显上升：10月份平均每个样点的水温较建库前升高了3.07 ℃，最大和最小水温差分别为4.11 ℃和0.19 ℃；2月份平均每个样点升高了3.50 ℃，最大和最小水温差分别为5.96 ℃和0.94 ℃。从图2(c)可以看出建库后的水温相对于建库前水温先高后低，总体上建库后与建库前的水温差为-0.79 ℃，最大和最小水温差分别为1.84 ℃和-2.88 ℃。2月份和10月份梯级水库段温度明显比建库前高，这种现象可能是由于受气候的影响及随着时间的推移，整个澜沧江流域温度整体升高。6月份建库后水温下降，有可能是下泄低温水导致建库后水温偏低，也不排除气候变化的影响。

图2 建库前后水温沿程变化Fig.2 Change of water temperature along the riverbefore and after the construction of cascade reservoirs

建库后澜沧江干流水温沿程变化如图3所示，沿程及下泄水温不同时期从上游到下游整体呈上升的趋势，只是上升速率有所不同。从图3(a)可以看出：表层水温变化最大的地点位于小湾水库(626 km)和糯扎渡(925 km)水库，相对于前一个坝的下泄水温分别升高了约9.3 ℃和6.7 ℃，其他库区表层温度升高趋势较小，较为明显的为大朝山(3.38 ℃)、景洪(1.84 ℃)；底层水温变化最为明显的位于小湾水库(-2.24 ℃)，其他水库包括糯扎渡底层水温变化趋势与沿程及下泄水温基本一致。图3(b)显示的规律与图3(a)基本一致：表层水温和底层水温变化最明显的地点位于小湾水库(7.53 ℃和3.37 ℃)、糯扎渡水库(4.42 ℃和0.85 ℃)；其他水电站表层水温、底层水温与沿程及下泄水温变化基本一致。从图3(c)可以看出，表层水温和底层水温不论在大库还是小库均有明显的波动现象，变化明显的有苗尾(3.6 ℃和0.74 ℃)、小湾(7.01 ℃和-3.42 ℃)、漫湾(3.31 ℃和0.73 ℃)、大朝山(2.18 ℃和0.37 ℃)、糯扎渡(6.81 ℃和-2.00 ℃)。总体上可以看出，大库的表底温度变化较小库更明显且在不同时期均有明显的变化。

图3 建库后表层、底层及下泄水温沿程变化Fig.3 Changes of surface water temperature, bottomwater temperature, and discharge water temperaturealong the river after the construction of cascade reservoirs

3.2 梯级水库对水温变化率的影响

根据何云玲等[13]对澜沧江流域气温与降水的研究，澜沧江年内的气温与降水、纬度、高程有明显的相关性，以此为基础，分别对水温与纬度、水温与高程进行相关性分析，如表1所示。

表1 全河段水温与纬度、水温与高程相关性分析Table 1 Correlation between water temperature andlatitude, and water temperature and altitude

注：**表示通过p<0.01的相关性检验

全河段的水温与纬度、水温与高程的相关性达到了-0.93以上，并且通过了p<0.01的显著性检验，说明水温与纬度、高程线性相关。水温随纬度、高程的降低而升高，总体上呈现北低南高的趋势。

由于水温随纬度、高程的变化而变化，为了排除纬度和高程变化对水温的影响，分析梯级水库对水温的作用，对于建库后的水温通过插值法对部分数据进行处理，保证2个样点之间的高程变化均为100 m，通过控制等高程变化，求2个样点之间水温随纬度的变化率，再对自然河道和梯级水库段的变化率进行差异性分析，讨论梯级水库对水温沿程变化的影响。

从图4可以看出，在控制高程均匀变化的前提下，建库后水温基本上与纬度呈现明显的线性关系，除6月份上游自然河道外，其他情况下R2均达到了0.9以上，说明拟合的效果比较好，有很强的相关性。图4(b)和图4(c)中的自然河道和梯级水库段的平均变化率(斜率)的差值分别为每纬度0.50 ℃和0.23 ℃，而图4(a)中的平均变化率差值为每纬度0.90 ℃，可见3个时期中，图4(a)中的自然河道和梯级水库段的水温有明显不同。

图4 建库后水温随纬度的变化Fig.4 Water temperature varying with latitude afterthe construction of cascade reservoirs

在控制等纬度变化的前提下，对比建库前上游段(现为自然河道段)和下游段(现为梯级水库段)水温随高程的变化，如图5所示。建库前水温与高程也有一定的线性关系，除图5(c)的自然河道外，其他情况R2均在0.89以上，有较强的相关性；自然河道和梯级水库水温的平均变化率差值分别为-0.016，-0.009，-0.005 ℃/m。总体上来说，上游和下游的温度平均变化率有一定差异，由于样本量的不同，如果要判断二者是否有显著性差异，则要进行显著性检验。

图5 建库前水温随高程的变化Fig.5 Water temperature varying with altitude beforethe construction of cascade reservoirs

为了进一步论证梯级水库对水温沿程变化的影响，进行了显著性检验，结果如表2所示。纬度变化与水温随纬度变化率均无显著性差异，证明基本上二者之间是均匀变化的，不存在某一段内纬度变化幅度较大而水温无明显变化的情况；建库前全河段水温变化率和建库后全河段水温变化率无显著性差异，说明从建库前到建库后这段时间内，水温变化率并没有因气候的变化及时间的推移有显著性变化；建库前水温随高程变化率在上游(自然河道段)和下游(梯级水库段)无显著性差异，说明了建库前上游和下游水温变化基本一致。在以上3个前提下，对建库后上游和建库后下游的水温变化率进行显著性差异分析得出：建库后上游和建库后下游水温随纬度的变化率无显著性差异，表明梯级水库建设对于澜沧江水温沿程变化无显著性影响。

表2 显著性检验结果Table 2 Result of significance test

注：在进行t检验之前对各个数据组均进行了正态分布检验，且符合正态分布

4 讨论与结论

梯级水库对于澜沧江水温沿程变化影响不显著，有可能是因为大库和小库之间的影响作用不同。小水电站由于水深较浅，库区一般情况下呈混合水体，由于水体滞留时间增加，在光照和气温的影响下，整个水体接受的能量相对于建库前明显增大，使整个水体的温度较建库前明显升高。而大库水深非常大，常年呈稳定分层的情况，下泄低温水的情况一直存在。大库和小库呈现2种不同的影响作用，并且小库的影响与大库下泄低温水的影响产生了平抑作用，因此从整个流域来讲，梯级水库对水温的沿程变化并没有产生显著影响。为了进一步确定大库和小库不同的作用，还需要进一步探讨澜沧江不同水体的水温变化特征。

通过对澜沧江干流水温沿程分布研究，可以得出：①建库前后澜沧江干流的水温与纬度和高程均呈明显的线性关系，随纬度和高程的降低而升高；②由于澜沧江云南段干流流量远大于支流汇入流量，在此不考虑支流汇入对水温的影响，从澜沧江云南段整个流域层面上来讲，澜沧江梯级水库的建设对于澜沧江水温整体沿程变化没有显著影响。