大型水库不同取水方式对下游鱼类生态环境影响研究——以贵州省夹岩水利枢纽工程为例

邓伟铸，徐婉明，刘 斌，廉 浩

(1.珠江水资源保护科学研究所，广东 广州 510611；2.国家海洋局南海规划与环境研究院，广东 广州 510300)

大型水利枢纽工程的建设，对水库库区及下游河道的环境带来明显影响。高坝大库的形成，使原来流速较快、水温均匀的天然河道变为相对静止的大型水体，受太阳辐射、对流混合和热量传输的影响，库区水体垂向水温出现跃层分布，底层水体水温较天然水温低[1-3]。传统单层取水方式会造成水库下泄水温在夏季低于河道天然水温，在冬季高于河道天然水温现象，水库下泄的低温水对下游河道水生生物的繁殖生长产生明显不利影响。在绿色发展的背景下，低温水下泄成为水利水电工程建设引起的重要环境问题之一[4]。在明确水温分层情况下，采取必要的工程措施是减缓水库下泄低温水对环境和生态的不利影响的有效手段[5]，李璐等探讨了分层取水措施对减缓下泄低温水的效果[6]。大型水库水温研究方法主要为数值模拟法，陈永灿等利用一维水温模型预测了密云水库垂向水温分布规律[7]，江春波、杨芳丽利用二维水温模型模拟了河道水温及污染物分布规律[8-9]，高学平等利用三维水温模型对糯扎渡水电站下泄水温进行模拟[10]。本文以贵州省夹岩水利枢纽工程为例，采用三维数值模拟方法预测水库库区水温分布，研究大型水库不同取水方式对下游鱼类生境的影响。

1 概况

夹岩水利枢纽工程位于贵州省毕节市，工程以供水和灌溉为主，兼顾发电等综合利用。工程由水源工程、灌区输水工程及毕大供水工程组成，工程等别为I等。其中水源工程夹岩水库正常蓄水位1 323 m，死水位1 305 m，总库容13.25亿m3，调节库容4.519亿m3，最大坝高154 m，坝顶长428.93 m；坝后电站装机容量70 MW，多年平均年发电量2.228亿kW·h。工程总投资168.16亿元，总工期66个月[11]。

2 坝下河道基本情况

水库位于乌江上游北源六冲河中游河段，坝址以上流域面积4 312 km2，多年平均径流量19亿m3，多年平均流量59.7 m3/s。水库下游2.7 km为总溪河水文站，下游3.3 km为九洞天国家重点风景名胜区上边界。风景名胜区地理坐标为东经105°11′54″至105°23′12″，北纬26°55′30″至27°03′36″。六冲河在风景区内总长26 km，从上游至下游依次为总溪河、梯子岩、九洞天三部分景区，总面积86.2 km2。

坝下河道存在的产卵场主要为维新产卵场和九洞天产卵场，维新产卵场位于坝址下游5 km处，九洞天产卵场位于坝址下游15 km处。产卵鱼类主要为白甲鱼、鲫鱼、长薄鳅等，适宜生长流速为0.5～2.0 m/s，适宜水深为0.5～1.5 m，产卵敏感需水期为2—7月。

3 库区水温预测

3.1 库区水温结构判定

大型水库库区水温分类包括混合型、过渡性和分层性，低温水下泄主要出现在水温分层型水库。库区水温结构判定主要采用库容比法和弗汝德数法[12]。

a) 库容比法判别系数计算公式：

(1)

式中α——判别系数；W——多年平均年径流量，m3；W总——总库容，m3。

当α<10时，水库水温为稳定分层型；当10<α<20时，水库水温为过渡型；当α>20时，水库水温为混合型。

b) 弗汝德数法计算公式：

(2)

当Fd<0.1时，水库水温为稳定分层型；当0.11.0时，水库水温为混合型。

夹岩水库库区水温分层判定结果见表1，该水库库区水温为稳定分层型。

表1 夹岩水库库区水温分层判定结果

3.2 库区水温预测

3.2.1水温模型验证

本文采用三维数值模型对夹岩水库库区垂向水温进行预测，并采用下游洪家渡水库实测水温资料对模型进行验证，洪家渡水库位于拟建夹岩水库下游，为乌江上已建第一个梯级，其汇流来水主要为乌江上游六冲河来水，两者地理位置、气候条件、来水情况、汇流方式等条件均相似，将验证后的模型用于夹岩水库水温数值模拟。模型考虑的模块包括水动力模块、湍流封闭模块、温度输移模块等。

库区水温模型模拟步长为30 s，模拟时间至水温分层稳定；底摩擦力由二次拖曳系数设定，取定值0.03 m；柯氏力由计算经纬度确定；水平涡黏系数用Smagorinsky公式计算，Cε取值0.28；垂向涡黏系数采用k-ε模式确定，与TKE耗散率相关的及水温模型主要参数见表2。水平和垂向湍流动能都取1 m2/s2，TKE扩散率k取1.3[13-14]。

表2 三维水温模型参数取值

下游洪家渡水库1—2月和7—12月坝前垂向水温模拟结果与实测结果对比见表3、图1，其中实测水温引用《贵州乌江水电开发环境影响后评价报告》中实测水温内容[15]。表层、底层水温的平均绝对误差平均值分别为-0.49℃、0.58℃、-0.89℃，模拟结果较可信。洪家渡坝前各月水温垂向季节性分层明显，水温分层随季节变化，8、9月表底温差达到最大；入冬后气温和光照条件均减弱，水汽热量交换减缓，垂向水温分布趋于均匀，分层现象渐不明显。模型模拟结果与实测水温观测结果变化规律较一致。本文研究的夹岩水库与洪家渡水库均在六冲河干流上，所处的纬度相同，光照和气象条件相近，可见其库区水温分布特征相似，模型参数可用于夹岩水库库区水温预测。

表3 水温验证对比 ℃

a) 1月 b) 2月

c) 7月 d) 8月

e) 9月 f) 10月

g) 11月 h) 12月图1 洪家渡坝前断面垂向水温验证

3.2.2夹岩水库库区水温预测

夹岩水库库区水温与天然水温对比见图2。受水库的调蓄作用影响，2—8月水库库表水温比天然水温低；10月至次年1月水库库表水温比天然水温稍高。夹岩水库坝前水温垂向分布见图3、表4，模拟分析结果表明，夹岩水库库区水温处于常年分层状态，属于典型的水温分层型水库。1—2月为低温期，受水库所在区域气温和太阳辐射强度较低影响，温度垂向分布出现轻微逆温现象；3—5月份为升温期，随着库区气温和太阳辐射大幅度上升，水体温度逐渐攀升，表层水温增速明显，从3月的12.87 ℃升至8月份的19.16℃；水库表层的年最高水温出现在9月份，10—12月为降温期，随着入流水温、气温和太阳辐射的逐渐下降，水体向大气散失热量开始降温，温度跃层现象减缓。总体上，库区表底层温差随着季节变化明显，表层水温主要取决于光照强度，底层水温较稳定。

图2 夹岩水库坝前库表库底水温与天然水温对比

图3 夹岩水库坝前水温垂向分布

表4 夹岩水库坝前断面垂向水温分布预测

4 低温水减缓效果分析

4.1 下泄水温对比

夹岩水库死水位为1 305 m，正常蓄水位为1 323 m，水库消落深度为18 m。为满足机组淹深要求，底层取水口地板高程为1 294.5 m，取水口尺寸为6.8 m×6.0 m。以水库坝址多年平均来水条件为例，考虑年内丰枯来水量变化及相关洪水过程，夹岩水库5月份蓄水位为死水位1 305 m；从5月开始蓄水，至10月蓄至接近年内最高水位；至次年5月再次降至死水位1 305 m。单层取水方式和分层取水方式(两层)下泄水体水温对比见表5，单层取水方式下泄水体水温为10.7℃～16.4℃，与天然水体温差为-3.7℃～1.3℃，最大温差出现在7月，人类活动导致降温超过-2℃的月份为6—8月；分层取水方式下泄水体水温为10.5℃～17.5℃，与天然水体温差为-2.5℃～1.1℃，最大温差出现在7月，人类活动导致降温超过-2℃的月份为7—8月。与单层取水方式相比，分层取水方式能有效提高夏季下泄水体水温，降低下泄水体与天然水体温差(表5)。

表5 单层取水方式与分层取水方式下泄水温对比

4.2 水温沿程恢复分析

单层取水方式和分层取水方式水温沿程恢复情况对比见图4、表6。单层取水方式下泄水温与天然水温温差大于-1℃的月份为3—9月，温差超过-2℃月份为6—8月，下泄水体水温恢复至与天然水温温差为-2℃的最大恢复距离为20.8 km(7月)，恢复至与天然水温温差为-1℃的最大恢复距离为39.5 km(7月)。分层取水方式下泄水温与天然水温温差大于-1℃的月份为3—5、7—8月，温差超过-2℃月份为7月，下泄水体水温恢复至与天然水温温差为-2℃的最大恢复距离为9.4 km(7月)，恢复至与天然水温温差为-1℃的最大恢复距离为20.0 km(7月)。与单层取水方式相比，分层取水方式能有效提高夏季下泄水体水温，缩短下泄低温水恢复距离。

a) 单层取水

b) 分层取水图4 单层取水方式与分层取水方式水温沿程恢复对比

5 环境敏感点影响分析

夹岩水库下游水温环境敏感点主要为维新产卵场和九洞天产卵场，维新产卵场位于坝址下游5 km处，九洞天产卵场位于坝址下游15 km处。产卵鱼类主要为白甲鱼、鲫鱼、长薄鳅等，适宜生长流速为0.5～2.0 m/s，适宜水深为0.5～1.5 m，产卵敏感需水期为2—7月。

表6 单层取水方式与分层取水方式水温沿程恢复对比

单层取水方式、分层取水方式下泄水体水温对特征鱼类产卵的影响对比见表7。白甲鱼、鲫鱼产卵适宜水温为13℃～15℃，坝址下游河道2—5月天然水温为11.6℃～18.3℃。夹岩水库单层取水方式和分层取水方式下泄水体水温均为10.9℃～16.4℃，工程建设使白甲鱼、鲫鱼产卵月份从3—4月推迟至4—5月。

表7 评价河段鱼类受下泄低温水影响产卵期变化情况及

长薄鳅、鲿科及鮡科等鱼类产卵适宜水温为15℃～17℃，天然水温情况下产卵月份为4—5月。单层取水方式4—8月下泄水体水温为14.5℃～16.4℃，单层取水方式使下游长薄鳅、鲿科及鮡科等鱼类产卵时间推迟至5—8月。分层取水方式4—8月下泄水体水温为14.5℃～17.5℃，其中6月水温已达17.2℃，为长薄鳅、鲿科及鮡科等鱼类的适宜产卵水温，分层取水方式其产卵时间推迟至5—6月，其产卵时间接近天然水温环境下的产卵时间。与单层取水方式相比，分层取水下泄水体水温对鱼类产卵的影响明显得到减缓。

6 结论和建议

6.1 结论

本文采用三维数值模型对夹岩水库库区水温进行预测，结果表明夹岩水库库区垂向水温稳定分层，库区表底层温差随着季节变化明显，表层水温主要取决于光照强度，底层水温较稳定。水库采用单层取水方式下泄水体水温与天然水体温差为-3.7℃～1.3℃，采用分层取水方式下泄水体水温与天然水体温差为-2.5℃～1.1℃，分层取水方式能有效提高夏季下泄水体水温，降低下泄水体与天然水体温差，缩短下泄低温水恢复距离，减缓对下游河道特征鱼类生存环境的负面影响。分层取水措施能有效缓解大型水利枢纽下泄低温水引起的生态环境负面效应，具有重要环境效益。

6.2 建议

a) 实施下泄水温监控。为监控运行期下泄水体水温，应建设下泄水体水温监控系统。定期监测下泄水体水温，加强水生生态保护措施管理落实。

b) 开展库区调蓄调度研究。开展相关研究，将水库年内调蓄调度、发电引水与鱼类繁殖所需水量水温相结合，确保鱼类繁殖季节下泄表层水体。