北汝河汝州市城区段河道水温观测分析

左惠玲

(河南省平顶山水文水资源勘测局，河南 平顶山 466001)

1 观测背景

北汝河是沙颖河的所属水系，同时也是淮河较大的二级支流，北汝河发端于豫西伏牛山区嵩县外方山跑马岭，最后在襄城县丁营乡崔庄村岔河口与沙河流域交汇。北汝河主河道长度为250km，所控制流域面积达0.608×104km2。北汝河流域在汝阳县紫罗山以上的河段为典型的山区性河道，平均宽度为640m，河床质为卵石夹砂，河底坡度10‰-3.3‰；紫罗山以下的河段则属于浅山丘陵区，河槽陡然变宽，最大河道行洪宽度均值为3500m，河床内富集卵石夹砂等冲积物，河底比降为3‰-1.7‰；襄城县以下河段则为平原区，河道窄而顺直，最窄处宽度仅100m，以砂为主要冲积物。

北汝河汝州市城区段为浅山丘陵区，植被较好，属于轻度水土流失，河水清澈且常年基本不断流。在汝州市城区段北汝河上建挡水坝，进行梯级蓄水，水量丰富，河道泥沙淤积量小，河水不受污染，水质良好，可以达到改善环境、净化空气、提高地下水位等综合效益的目的。对提高汝州市城区段地下水位，补充市区水量，减少城市漏斗化，具有很重要的作用。

2 观测方案

2.1 观测方法

当前北汝河上游紫罗山水文站所测得水深294m，为进行本次水温观测，按照《水质水温的测定-温度计或颠倒温度计测定法》(GB13195-91)中所规定的温盐深剖面仪(Conductivity Temperature Depth, CTD)展开观测，该仪器液位精度可达到0.05%的测量深度，温度精度可达0.03℃，温度量程在-5℃-35℃之间[1-2]。

2.2 观测范围

观测范围为上游紫罗山水文站至汝州水文站，两测站之间的河道长114km，总共设置5个观测断面，分别为紫罗山水文站断面(与坝址相距102.7km)、妙水寺断面(与坝址相距61.6km)、耿庄龙王庙断面(与坝址相距1.49km)、张家湾断面(与坝址相距18.32km)、砂锅窑-寺沟断面(与坝址相距34.7km。观测时间定为2018年7月-2020年6月。观测项目包括测站水温观测和河道水温观测两项：①在紫罗山水文站断面左中右分别设置3根垂线，采用温盐深剖面仪连续观测，并随着仪器缓慢下沉按照200-1000ms的时间间隔获取数据，待完成观测后从所收集到的数据序列中选择不同测深所对应的水温数据。②在妙水寺断面、耿庄龙王庙断面、张家湾断面、砂锅窑-寺沟断面观测水面以下0.5m处的水温，考虑到其中耿庄龙王庙断面水深较大，故仅设置1根垂线。

3 水温观测结果分析

3.1 日常观测结果

经过对各观测断面日常水温观测结果的分析发现，各断面水温均表现出明显的分层现象，具体间图1，5月各断面表层水温高达24.1℃，而底层水温仅为10.4℃，径向温差近14℃。5月是全年中阳光辐射最强烈的月份，温度升高较快，在观测时间紫罗山水文站环境温度为25.6℃，观测期间水流缓慢，表层水体能与环境发生充分的热交换，且在这种作用下表层水体温度和环境温度较为接近。而深层水体因透光性差，阳光辐射很难到达水体深处，且水体垂向对流所引发的热传递量较小，并在温度分层作用的制约下水体表层热量很难向深层扩散，导致深层水体温度偏低。在水底15-35m范围内是低水温层，其水温变动幅度仅为0.5℃-1.0℃；在低水温层和表层之间存在15-20cm厚的温跃层，温差在10.8-14.0℃之间变化；表层水体密度小，温度高，且不会下沉后与低温水体掺混，该层水体在环境温度升高的季节会吸收大量热能后水温不断升高，故导致该断面处出现稳定的热分层现象。

图1 5月各断面垂线水温分布

对于紫罗山水文站断面而言，通过分析其断面二维水温分布图(图2)可以看出，随着水位的升高，水体温度中低于12℃的温度逐渐升高，但高于12℃的温度并未发生明显改变，简单而言就是水位越高，水体温度越高，但水位超出327m后的水体温度较为稳定。其余观测断面二维水温分布情况与紫罗山水文站断面基本一致。

图2 5月紫罗山水文站断面二维水温分布

3.2 表层水温沿程变化

通过对观测期间各断面实测水体表层温度的对比分析发现，越靠近河道上游则表层水温提升速度越快，紫罗山水文站断面-妙水寺断面表层水温提升速率为0.05-0.15℃/km，而耿庄龙王庙断面-砂锅窑-寺沟断面表层水温提升速率为0.02-0.08℃/km。进一步分析发现，河道表层水温变化和环境温度变化存在较大的相关性：11月-次年2月，河道水温表现出单温跃层分布状态；3月因环境温度较为稳定，水温也基本无温跃层；5月随着环境温度的持续升高，表层水体迅速升温，温跃层宽度拉大(具体见表1)；6月-8月水温垂直分层更加明显，且表现出双温跃层形式；9月-10月逐渐过渡为单温跃层形式。

表1 5月北汝河汝州市城区段河道沿程水温参数

3.3 常见干扰分析

3.3.1 水位变化干扰

北汝河汝州市城区段河道水温动态值成因复杂，且在不同水位情况下成因不同，在水面下20-30m范围内主要受到阳光辐射的影响较大，并表现为较为明显的日变化和季节性变化；而在水面100m以下主要受水动力条件的影响，因为在该较深水位处存在水交替变化特征，并在水温梯度的作用下导致水体温度下降。

3.3.2 气氡干扰

北汝河汝州市城区段河道水温观测各整时值前后均存在明显的锯齿状脉冲干扰，并严重影响水温观测质量。经分析发现，水温、气氡共用同一数采供电观测是造成这一现象的主要原因[3]。气氡整时观测前5min开始预热，并待负高压达950V时施测，施测时间持续20min，这一时间与水温突变时间吻合，且气氡对水温观测的干扰主要通过水温地线反馈至温盐深剖面仪。为有效解决该问题，可在水温地线接入地网之前增设一电感，使该电感与电容共同形成LC滤波电路，且通过电容的阻直流、通交流作用以及电感的通直流、阻交流作用，将交流干扰信号转变为热能，从而有效抑制和规避高频率信号的干扰。经过改造后，北汝河汝州市城区段河道水温观测各整时值前后的台阶形畸变不再出现，曲线变得光滑流畅。

4 结 论

通过文章分析可知，北汝河汝州市城区段河道水温呈稳定垂向分层结构，且在水气热交换等的综合作用下，5月份表层水体能与环境发生充分的热交换，且在这种作用下表层水体温度和环境温度较为接近。而深层水体因透光性差，阳光辐射很难到达水体深处，且水体垂向对流所引发的热传递量较小，并在温度分层作用的制约下水体表层热量很难向深层扩散，导致深层水体温度偏低。北汝河汝州市城区段河道水温观测具有较高的灵敏度，且受观测环境影响较大，为保证观测结果的真实准确，应采用高精度观测仪，并尽可能缩短观测线路，接入地线时最好隔离处理水温及其余设备的地线设置。