出山店水库垂向水温监测与分层特性研究

焦天艺

（郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001）

1 水温测量方式

1.1 测量方式的选取

当前，水温测量方法有几种方式，并有其各自的特点，本次水温测量采用了一套自主设计的自主测量水域水文要素的测量系统，该系统主要由漂浮圈、支架、86 步进电机和传感器构成，配有软件系统，实现一个能够自主测量水域水文要素的测量系统，可对水温、含氧量、PH值等水文要素进行测量，并利用单片机进行管理和解析，使得采集的数据准确、及时、丰富。

1.2 测量方式的特点

本次自主设计的测量方式由测量传感器和单片机ADC通道配备软件设施组成，可将测量数据直接传入大数据云储存，用于后期对水域水文要素的云计算，减少了人为野外作业受环境影响的局限性，可以实现数据测量和数据传输的实时获取，能迅速计算出实时的水域情况，以提高水文监管的效率和时效。同时，采用light BGM方法对数据集进行特征选择，再采用主成分分析法进行特征选择，从而减少环境影响因素数据的冗余，对数据集进行异常值检测。

2 结果与分析

2.1 监测数据结果

出山店水库坝前河道底部高程72.50 m，取水口底部高程为82.50 m，实测出水库库表与库底温差最大值为3.20 ℃，出现在6 月份，库表与库底温差范围为0.00～3.20 ℃；库表水温与引水洞底部82.50 m水位水温温差为1.00 ℃，出现在6月份，表水温与引水洞底部82.50 m 水位水温温差范围为0.20～1.04℃，结果见表1。

表1 出山店水库温差数值表 单位：℃

实测结果得出库表与库底温差最大温差3.20 ℃，库表水温与引水洞82.50 m水位水温最大温差1.04 ℃。

2.2 出山店水库水温分层结构类型判别

大型水库按水温结构类型来划分，主要有三种类型：稳定分层型、混合型和介于这两者之间的过渡型。对水库水温结构的判断有多种方法，其中比较有代表性的有密度弗汝德数法、库水交换次数法（也称为α～β 法）和水库宽深比判别法。

将出山店水库实测结果代入α～β法判断得出，该水库日常属于分层型水库。从水库水温变化规律分析，每年1、2 月份，水库上下层水温达到低温平衡，从3 月份开始受入库水温及气温抬高影响，水库水温将逐步抬升，库表水温抬升将快于库底水温，3-6月水库水温将逐步形成上下温差，进入7月份在大多数年份，由于上游入库径流远大于汛限库容，水库水体将被入库水替换，水库水温将基本等同于河道水温，只有在特枯年份，入库径流小于汛限库容，水库上下温差能够维持但会迅速弱化。9月份气温将开始呈下降趋势，由于库表水温变化将快于库底，水库水温将会出现逆温结构，下层水温将高于上层水温，至次年1月前后将再次达到低温平衡。

库区水体水温受上游来水水温变化及外界气象条件的影响明显，由于水库水深较浅，库表与库底温差最大温差3.20 ℃，库表水温与引水洞82.50 m水位水温最大温差1.04 ℃。

3 水库水温预测计算

3.1 垂向水温计算方法的选取

现行的水库水温预测计算的方法总体上大致分为经验公式法和数学模型法两大类，计算经验公式如下：

式（1）（2）（3）中：T（y，t）为库面向下水深Y处t月的多年平均水温（℃）；T0（t）为库表t 月的多年平均水温（℃）；Tb（t）为库底t月的多年平均水温（℃）；y为水深（m）；m为月份；N为大坝所在纬度（32°14N）。

3.2 公式参数的确定

出山店水库属于分层型水库，当洪水入库时，出山店水库属于混合型水库。对于水深20.00 m左右的分层型水库，1、2月份库底、库表同温，因此1、2 月份Tb=T0，分别为5.60 ℃和5.60 ℃。由于淮河流域年6-8 月属于丰水季节的河道径流量特性，出山店水库出现混合型的垂向水温规律特征。6月水库库底温度按公式计算得到21.86 ℃，再根据水库升温和降温规律按库表水温变化规律和幅度计算得到1-8月份的库底温度，计算结果详见表2。又由于大型水库自身的蓄热作用，9-12份水库水温降温比河道水温降温速率慢。按历史以往实测资料，发现此时段下泄水温高于天然河道水体，无低温水影响，由此可省略分析9-12月份的水库水温结构。

运用水温东勘院法，出山店水库水温计算参数结果见表2。

表2 出山店水库水温计算东勘院法参数表

3.3 规律性水温结构结果

根据上表参数，运用东勘院法计算，可预测得出出山店水库年内月平均水温结构见表3，5-8月份水温结构图见图1。

表3 出山店水库88 m蓄水水位水温结构东勘院法计算结果表单位：（℃）

图1 出山店水库月平均水温结构图（5、6、7、8月）

4 水库分层现象的影响

水库水温分层现象对水库的水质产生影响，特别是影响到水中溶解氧的分布，进而会对水库水生生物产生不利影响，极端可导致水生生物中主要物种鱼类的死亡。同时，水温分层也会影响到水生植物的生长，有些水生植物数量会大幅度减少，有的水生生物可能灭绝。而且水库下泄水的水温与天然河道水温的时空不一致，会导致下游河道水生生物、植物的减少，并引起下游水库灌区农作物的减产。

5 结语

通过对出山店水库开展垂向水温在线监测测量，能够准确地反映出山店水库坝前水温分布，通过对分层水温的自然因素定性分析和数值公式理论拟合，对库区垂向水温分布进行了规律性总结和合理预测，科学分析研判水温分层对库区生物和生态等方面的影响，对于大型水库的水环境保护具有指导意义。