水库出库水温影响规律研究

薛联芳，陆 波，黄鹰翰，匡 亮，严忠銮，王小明，徐火清，卢晶莹

(1.水电水利规划设计总院有限公司，北京100120；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014；3.中国三峡建工(集团)有限公司，四川成都610000)

大型水库的兴建在带来经济和社会效益的同时，也伴随着一系列的生态环境问题[1]。水库的建成，极大地影响了库区和下游河段的水温时空分布[2]。随着水库蓄水，库区水面面积和水位大幅度增加，水流流速变缓，形成坝前水温垂向分层。水库水温垂向分层导致下层水体常年水温较低，传统底层取水口下泄的低温水将会对下游生态环境产生不利影响[3]。我国长江流域鱼类产卵季节一般在4月～8月，低温水可能导致河道中鱼类产卵期推迟，甚至不产卵。例如，鲤鱼在水温低于8 ℃或超过30 ℃便停止取食，当水温低于18 ℃时不能繁殖[4-5]。低温水使得下游的水温特性发生变化，对鱼类的生存造成威胁[6-7]。水库下泄的低温水对灌区的农作物也会产生不利影响[8]。在水稻生长期内，下泄低温水会抑制微生物的活动，减缓新陈代谢，导致水稻返青慢、结实率低、成熟期推迟和产量下降等[9-10]。

库水次数交换法是在项目早期、资料匮乏时，用来初步判断水库水温结构的方法[11-12]。本文结合多个工程实例，基于统计资料，分析不同类型水库建成前后出库水温变化情况，将α值与水温影响初步进行统计分析，得出水库出库水温与α值的相关关系，可为项目早期水温影响估算提供依据，为提出治理低温水措施及水温预测奠定基础。

1 水库出库水温案例分析

根据长江水利委员会水文局提供的东江、三板溪、天生桥一级、龙滩、安康和柘溪等水电站的出库水温数据进行分析，研究水电工程建成后河道水温变化情况。

1.1 东江水电站

东江水电站于1989年开始蓄水，小东江下游的东江水文站距离东江水电站约14 km，可作为出库水温的控制断面。根据建库前和2001年、2007年、2008年实测水温资料，得到建库前后出库水温变化见图1。

图1 东江水电站建库前后东江水文站月平均水温变化

由图1可见，东江水电站下游东江水文站夏季水温最大降低13.5 ℃，冬季水温最大升高5.4 ℃，水温年变幅由建库前的18 ℃缩小为建库后2.2～3.7 ℃。

1.2 三板溪水电站

三板溪水电站2006年开始蓄水，下游约25 km的锦屏水文站作为三板溪水电站下游水温影响的控制断面。根据资料，采用锦屏水文站2004年～2006年3 a水温平均值作为三板溪水电站建库前的水温，2007年～2012年6 a水温平均值作为建库后的水温。建库前后的锦屏水文站水温特征值比较见图2。

图2 三板溪水电站建库前后锦屏水文站月平均水温变化

从图2可以看出，三板溪水电站下游锦屏水文站夏季水温最大降低4.3 ℃，冬季水温最大升高5.4 ℃，水温年变幅由建库前的18.9 ℃缩小为建库后10.8 ℃，相位推迟约1个月。

1.3 天生桥一级水电站

天生桥一级水电站1998年开始蓄水，水电站尾水实测水温可作为出库水温。根据建库前后实测水温资料，得到天生桥一级水电站建库前后出库水温变化见图3。

图3 天生桥一级水电站建库后下泄水温与原天然河道坝址水温比较

由图3可见，天生桥一级水电站水库出库水温夏季最大降低5.4 ℃，冬季则最大升高7.0 ℃，水温年变幅由建库前的11.3 ℃缩小为建库后4.9 ℃，相位推迟约1个月。

1.4 龙滩水电站

龙滩水电站于2007年开始蓄水，下游的天峨水文站距离龙滩水电站约11 km，可作为出库水温的控制断面。根据建库前和建库后2009年～2012年实测水温资料，得到建库前后天峨站水温变化见图4。

图4 龙滩水电站建库前后天峨水文站月平均水温变化

从图4可以看出，天峨水文站实测水温春夏季最大降低6.1 ℃，冬季最大升高5.1 ℃，水温年变幅由龙滩水电站建库前的10.5 ℃缩小为建库后8.5 ℃，相位推迟约2个月。

1.5 安康水电站

安康水电站1989年开始蓄水，下游15 km的安康水文站可作为出库水温的控制断面，坝址以下153 km 处的白河水文站可作为下游水温恢复断面。根据建库前后50 a逐月实测水温资料，得到建库前后出库水温变化见表1和图5～图6。

表1 安康水电站建成前后安康、白河站逐月水温成果 ℃

图5 安康水电站建库前后安康水文站月平均水温变化

图6 安康水电站建库前后白河水文站月平均水温变化

从表1及图5、6可知，安康水文站春夏季水温最大降低5.0 ℃，冬季水温最大升高4.9 ℃，水温年变幅由安康水电站建库前的21.3 ℃缩小为建库后14.8 ℃，相位推迟约1个月。流经153 km后到达白河水文站，水温变幅减小，春夏季水温最大降低2.4 ℃，冬季水温最大升高2.2 ℃，水温年变幅由安康水电站建库前的20.2 ℃缩小为建库后19.8 ℃，相位推迟约1个月。由此推算，春夏季水温随距离沿程衰减为1.85 ℃/100 m，秋冬季水温随距离沿程衰减为2.07 ℃/100 m。

1.6 柘溪水电站

柘溪水电站于1961年开始蓄水，下游约140 km处的桃江水文站作为柘溪下游水温影响的控制断面。根据现有资料，采用桃江水文站1957年、1958年、1961年共3 a的资料分析三板溪水电站建库前的水温，采用桃江水文站1963年～1985年共14 a(部分年份资料缺失)的资料分析柘溪水电站建库后的水温。柘溪水电站建库前后的桃江水文站水温特征值比较见图7。

图7 柘溪水电站建库前后桃江水文站月平均水温变化

由图7可见，桃花江水文站春夏季水温最大降低2.1 ℃，冬季水温最大升高0.8 ℃，水温年变幅由柘溪水电站建库前22.9 ℃缩小为建库后21.2 ℃，相位推迟约1个月。采用安康水文站至白河水文站增温率，推算得到柘溪水电站春夏季出库水温最大降低4.7 ℃，冬季出库水温最大升高3.0 ℃。

2 α值与水库水温影响相关关系分析

各水电站出库水温及其水温结构关系如表2和图8～9所示。

表2 水电站出库水温及其水温结构关系

图8 α值与春夏季降温和冬季升温相关关系

图9 α值与“扁平化”程度相关关系

由表2可以看出，水电工程修建后，下游河道中水体均会产生春夏季降温、冬季升温的现象。典型工程的案例分析表明，大部分工程春夏季降温约在4.3～6.1 ℃，东江水库甚至达到了13.5 ℃；而冬季升温约在3.0～7.0 ℃。河道中的水温变化也产生了相位变化，大部分工程相位差为1个月，东江水库达到了4个月。建库后，下游河道水温年变幅均变小，说明水库的修建使水温过程变得“扁平化”。

东江水库显示的独特而巨大的春夏季降温幅度、水温年变幅“扁平化”程度和相位变化程度或许和其较小的α值有关。由图8可以看出，春夏季降温和冬季升温幅度随着α值的增大趋势上是逐渐减小的，除去极值，随着α值增大春夏季降温幅度范围在2～6 ℃之间，随着α值增大冬季升温幅度范围在3～7 ℃之间，其中春夏季降温幅度和α值呈现明显的对数关系，R2值为0.78。图9显示，建库前后水温年变幅差值除去极值随着α值增大外，其余随着α值的增大趋势是在逐渐减小的；建库前后水温年变幅差值范围在2～8 ℃之间，并呈现较明显的对数关系。

3 结 论

基于溪洛渡、向家坝、东江、三板溪等多座水电站实例，在前人研究基础上重点补充数据，对出库水温及其下游水温沿程变化进行了分析研究，可以得到以下结论：

(1)水电工程修建后，下游河道中水体均会产生春夏季降温、冬季升温的现象，典型工程的实例分析显示，大部分分层型水库春夏季降温约在2～6 ℃，而冬季升温约在3.0～9.0 ℃；且河道中的水温过程相对于天然情况下将会产生相位变化，大部分工程相位差为1个月。

(2)根据多个水库α值和其出库水温变化情况的研究发现，水库修建后河道中的水温年变幅相对于天然河道将会出现“扁平化”现象，水温年变化幅度减小。其中，东江水库显示的独特而巨大的春夏季降温幅度、水温年变幅“扁平化”程度和相位变化程度和其较小的α值有关。春夏季降温和冬季升温幅度、建库前后水温年变幅差值随着α值的增大趋势是在逐渐减小的。其中，春夏季降温幅度和建库前后水温年变幅差值和α值呈现较明显的对数关系。