长距离引调水水温影响研究——以东风水库为例

吴 松，段光福，张仲伟

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

1 研究背景

滇中引水工程是解决滇中地区严重缺水问题的特大型长距离跨流域引水工程，是解决滇中地区水资源时空分布不均的有效手段，但潜在的水环境影响却是复杂的。因此，厘清工程外调水对受水区水域可能的水环境问题至关重要。工程从金沙江虎跳峡以上河段引水，由于工程水源区与受水区地理气候不同，两者水域水温存在显著差异，长距离引水将对受水湖库水温产生影响：一方面入库水量的增加将破坏或削弱水温分层型水库的水温结构[1]，引水后水体掺混对受水湖库水温产生影响；另一方面，水源区与受水区水温差异受长距离气象或地质环境影响，沿程水温可能会显著变化，如高寒地区输水渡槽或明渠冬季冰害[2-3]、深埋引水隧洞水温受地热影响[4-5]等。

受水区已有水温分层水库取用低温水[6～8]，随着水源区“低温水”的调入，水库取用低温水现象可能会进一步加剧。这将不利于受水区农业生产，特别是水稻等喜温性作物产生不利影响，表现为抑制作物生育，植株茎秆生长不良等，导致粮食减产[9-10]。因而，研究滇中引水工程外调水对已有分层型水库的水温影响具有重要的工程意义。本文以滇中引水工程沿线充蓄水库——东风水库为研究目标，构建宽度平均的立面二维数值模型，研究分析滇中引水工程不同典型年对典型充蓄水库的库区水温及灌溉取用水的水温影响。

2 研究区概况

滇中引水工程从金沙江上游石鼓镇附近取水，由泵站提水至总干渠渠首，输水工程跨越了金沙江、澜沧江、红河、南盘江四大水系，穿越滇西北横断山脉、中山地貌区及滇中、滇东南盆地山原区，沿途地理气候差异较大。沿途主要采用隧洞输水，输水线路全长661.07km，工程布局图如图1所示。玉溪东风水库为输水工程沿线16座充蓄水库之一，位于云南省玉溪市红塔区，坝高47.4m，总库容9 025万m3，具有供水、灌溉功能。经库水交换次数法(α-β指数法)判断，该水库水温结构为分层型。

图1 滇中引水工程布局图Fig.1 Central Yunnan water diversion project layout

3 宽度平均立面二维模型

采用美国陆军工程兵团开发宽度平均的立面二维模型CE-QUAL-W2模型[11-12]对受水水库进行水温模拟，模型采用连续方程、动量方程、状态方程、质量(热)输运方程及自由水面方程联合求解。

连续方程：

(1)

动量方程x方向：

(2)

动量方程z方向：

(3)

状态方程：

ρ=f(Tw)

(4)

自由水面方程：

(5)

质量(热)输运方程：

(6)

式中，B为水体宽度，m；u和w分别为纵向和垂向流速，m/s；q为侧向单位体积净入库流量，1/s；η为水位，m；α为河道倾角，rad；ρ为水体密度，kg/m3；τxx为控制体在x面x向的湍流剪应力，N/m2；τxz为控制体在z面x向的湍流剪应力，N/m2；f(Tw)为密度与水温的函数关系；Bη为水面宽度，m；Dx为纵向离散系数，m2/s；Dz为垂向离散系数，m2/s；qΦ为单元控制体侧向热量(水质)出入流的速率，J/m3/s(mg/L/s)；SΦ为源汇项，J/m3/s(mg/L/s)。

4 边界条件

根据东风水库地形，将库区概化为65×26(纵向×垂向)个矩形网格，纵向网格尺寸为600m，垂向网格尺寸为2m。气象条件的选择依照就近原则，采用玉溪多年平均气象监测资料作为水库气象条件，并修正高程差异的影响。

4.1 进出库流量边界

以丰水年、平水年和枯水年东风水库入库流量及引水流量作为入库边界；模型采用东风水库2条输水隧洞及溢洪道作为出流口，出库以对应取水及下泄流量作为出库边界。出口假定为充分发展的紊流，出口截面上流动方向的变量为局部单向，入库及出口流量过程见图2所示。

图2 东风水库引水后出入库流量过程Fig.2 Flow process after water diversion

4.2 入流水温边界

蒋红等[13]对多个引水电站引水隧洞水温变化进行了原型观测，结果表明引水隧洞对水体加热效果不明显。陈明乾等[14]建立地热-围岩-流体换热数学模型，对深埋长引水隧洞引起的水温变化作了计算，表明水流受地温影响很小。李然等[15]对深埋长引水隧洞三维水温开展了模拟预测，表明隧洞洞径与过流量较大，水流在隧洞内滞流时间短，水温升高不明显。借鉴上述研究成果，考虑滇中引水工程输水线路沿程水温保持不变。

石鼓及东风水库坝址水温过程如图3所示，石鼓多年平均水温较坝址水温偏低5.4℃，月均水温偏低3.9～6.4℃。类比邻近流域小江上的小江(二)

图3 石鼓、东风水库坝址水温Fig.3 Comparative analysis of water temperature between Shigu and Dongfeng reservoir

水文站气温与水温的相关关系，根据当地气温拟合东风水库坝址天然水温。根据东风水库天然入流水温和引调水的水温，采用混合模型计算东风水库引水后的入库水温。引水后东风水库入流水温为10.3～20.3℃，水温过程如图4所示。

图4 引水后不同典型年水库入流水温Fig.4 Inflow water temperature after water diversion in typical years

5 预测结果及分析

5.1 水库坝前垂向水温分布变化

模拟平水年水库引水前后库区水温结构，提取坝前垂向水温分布如图5(a)、(b)所示。平水年水库水位基本维持在死水位附近，取水建筑物取用表层水，4～8月出现较为明显的水温分层现象，温跃层出现在水位1 637m～1 645m，库表与库底水温最大温差为7.8℃。水库水温结构为不稳定分层型，全年库表水温在11.6～22.9℃之间；受水库运行调度影响，库底水温不稳定，为11.7～17.3℃。预测结果表明，受水库调节性能影响，水库水温分布结构基本未受工程引调水影响，工程引水后水库水温结构为不稳定分层型，库表与库底水温最大温差为6.5℃；库表逐月水温较引水有所降

图5 东风水库引水后坝前水温分布Fig.5 Water temperature distribution in front of dam

低，在11.6～21.9℃之间，而库底水温与引水前基本一致，为11.6～17.3℃。

模拟引水后丰、枯水年东风水库库区水温结构，提取坝前垂向水温分布如图5(c)、(d)所示。丰、枯水年水库坝前垂向水温与平水年大体一致，4～8月表现出水温分层现象，其余月份分层不明显；水库库底水温不稳定，为11.7～17.9℃。受入流水温及库区水动力条件影响，丰水年10～12月坝前水温较平、枯水年同期水温显著偏高，幅度为0.8～1.4℃。

5.2 不同典型年灌溉取水水温变化

引水后丰、平、枯水年水库灌溉取水水温与坝址天然水温对比结果如图6所示。引水后，受库区水位变动及水库来流影响，加之外调水量较当地入流量偏小，东风水库丰水年2到7月，取水水温较坝址天然水温偏低0.1～1.7℃；8到次年1月，取水水温较坝址天然水温高0.1～1.6℃。平水年及枯水年，受水库调度影响，2～6月取水水温较坝址天然水温偏低0.5～1.7℃；而7到次年1月，水库取水水温与坝址天然水温差异较小，最大仅偏高0.6℃。总体来看，较建库前天然水温而言，丰水年年均灌溉引水温度较平、枯水年高；引水后，不同典型年在4～6月灌溉期均存在一定程度的低温水现象，幅度在0.5～1.5℃。

图6 引水后东风水库取水水温与坝址天然水温对比Fig.6 Comparative analysis of irrigation water temperature in normal year before and after water diversion

5.3 平水年引水前后灌溉取水水温变化

为分析滇中引水工程水源区“低温水”对东风水库取水水温的影响，比较平水年引水前后水库灌溉取水水温，如下表所示。平水年1至3月滇中引水工程未向东风水库引水，入库径流过程及入流水温保持天然状态，灌溉取水水温保持不变。4～11月，工程向东风水库引水0.9～3.72m3/s，水源区“低温水”与当地径流的混合水温，较天然水温有所降低，导致水库取水水温也相应降低；12月工程未向水库引水，但受11月低温水延迟影响，较引水前仍有所偏低。同时，引水前水库取用低温水时间为2～5月，引水后取用时间为2～12月，取用低温水时间延长7月。总体来看，工程引水后平水年4～12月水库灌溉取水水温较引水前偏低0.4～2.0℃。

滇中地区包括昆明、玉溪、楚雄、曲靖，是优质的水稻基地，水稻种植面积占云南省的70%以上。水稻为喜温作物，生长期为4～9月，历经返青、分蘖、孕穗、抽穗扬花、乳熟黄熟等阶段，最低水温要求为18℃、19℃、18℃、20℃、20℃。4～9月，引水后水库取用水温较天然水温偏低0.5～1.6℃，影响水稻生长，进而影响作物产量。

表 平水年东风水库引水前后灌溉取水水温对比Tab. Comparative analysis of irrigation water temperature in normal year before and after water diversion (℃)

6 结 语

本文以滇中引水工程沿线充蓄水库——东风水库为研究目标，构建宽度平均的立面二维数值模型，研究分析滇中引水工程不同引水过程对典型充蓄水库的库区水温及灌溉取用水的水温影响。结果表明，由于东风水库调节性能较强，引水后水库水温结构仍为不稳定分层型；引水后不同典型年2～6月取水水温较天然水温偏低0.5～1.7℃，取用低温水时间较引水前有所延长；平水年4～12月东风水库灌溉取水水温较引水前偏低0.4～2.0℃，应加强库区和渠道水温监测，适当采用水温恢复措施，减缓低温水灌溉的不利影响。