来流变化条件下溪洛渡水库生态调度期水温分层特性研究

戴凌全, 张青森, 任玉峰, 陈 磊, 姜 伟, 戴会超, 汤正阳

(1.中国长江三峡集团有限公司长江生态环境工程研究中心, 北京 100038; 2.三峡工程鱼类资源保护湖北省重点实验室, 湖北 宜昌443100; 3.三峡水库生态系统湖北省野外科学观测研究站, 湖北 宜昌 443002;4.中国长江电力股份有限公司智慧长江与水电科学湖北省重点实验室, 湖北 宜昌 443133)

1 研究背景

大型水库建成后由于水动力条件的改变,库区可能会出现水温分层现象,如果不采取相应的生态保护措施,下游河段很有可能出现春秋季水温降低、冬季水温升高的现象[1-3]。水温变化对水生生物及淡水生态系统具有重要意义[4-6],已有研究表明水温分层型水库运行后将改变下游河道水温分布规律,使得春季下游水温升温推迟[7-8]。溪洛渡-向家坝梯级水库下游为长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区,保护区内分布有多种产黏沉性卵鱼类,如长江鲟(达氏鲟)、胭脂鱼、裂腹鱼等[9]。对于产黏沉性卵鱼类,水温是其产卵繁殖的一个重要因素[10],在适宜的温度范围内,水温与产卵繁殖率和鱼卵的孵化率呈正相关,若水温低于或高于鱼类产卵的适宜水温,鱼类的产卵繁殖行为则会减弱[11-13]。梯级水库的运行对下游鱼类产卵繁殖栖息地会产生一定的影响[14-16],为保障下游河段产黏沉性卵鱼类产卵时的适宜水温条件,溪洛渡水库于2017年开始实施水温生态调度试验,通过操作叠梁门调节下泄水水温,利用调度手段创造适合鱼类产卵繁殖所需的水文条件[17],充分发挥水利工程的综合生态效应。

已有研究成果对溪洛渡库区的水温模拟及分析多集中在水库蓄水初期,如谢奇珂等[18]、龙良红等[19]、刘有志等[20]通过建立库区的水温模型,揭示了溪洛渡水库蓄水初期水温的年内变化规律;任实等[21]、程帅等[22]、李雨等[23]分别基于2014—2015、2016—2017、2017—2018年实测断面水温数据系统分析了溪洛渡水库蓄水初期垂向水温结构及沿程水温分布。溪洛渡水库上游的乌东德水电站于2020年1月15日下闸蓄水,并于5月6日蓄水至945 m水位,白鹤滩水电站也于2021年4月6日下闸蓄水[24]。随着乌东德、白鹤滩水电站的相继建设运行,溪洛渡水库的入库流量和水温相对其蓄水初期发生了变化,为探明来流变化情况下溪洛渡水库生态调度期水温垂向分布特性及下泄水水温的变化趋势,需对库区水温结构进行准确预测。常见的关于大型水库水温空间分布特性和动态变化的主要研究模型包括WRE(Water Resource Engineering,Inc.)模型、CE-QUAL-W2模型、ELCOM模型、EFDC(environmental fluid dynamics code)模型和MIKE3模型等[25]。其中二维垂向水动力水质模型CE-QUAL-W2基于假定水体横向流动状况相同,对相对狭长的水库水温方面的模拟效果较好[26]。

现有的研究资料显示,随着乌东德-白鹤滩梯级电站陆续建成蓄水,金沙江下游4级水电开发格局正式形成后,针对溪洛渡水库的水温结构的研究尚少。因此,本文通过建立溪洛渡水库的立面二维水温模型,并利用实测数据来验证模型,进而分析上游水库运行后溪洛渡水库生态调度期的水温垂向分布特性,研究成果可为溪洛渡水库后续的水温生态调度试验方案提供参考。

2 研究区域概况和研究方法

2.1 研究区域概况

金沙江下游水能资源的富集程度堪称世界之最,河道全长约768 km,自然落差712.6 m,平均比降为0.093%[27-28],金沙江下游4级梯级水电站分布如图1所示。梯级水库群的建设与运行对河流生态的影响将进一步加深,如导致鱼类洄游阻隔、自然繁殖推迟等。溪洛渡水电站是金沙江下游4级水电开发的第3个梯级,位于向家坝坝上157 km,坝址处多年平均流量为4 570 m3/s,坝址以上流域面积为45.44×104km2,占金沙江流域总面积的96%。溪洛渡水库正常蓄水位为600 m,死水位为540 m,最大坝高285.5 m[29]。为减缓梯级水电站运行对河流生态环境的不利影响,同时满足环境保护部提出的开展梯级电站联合生态调度方案的要求,溪洛渡电站左、右岸进水口各设置了4层叠梁门,每层高度为12.0 m。为更好地维护金沙江下游与长江上游川江段的重要生态功能,中国长江三峡集团自2017年起已经开展了数次生态调度。叠梁门的使用在一定程度上缓解了下泄水流水温低的问题,创造了有利于下游保护区鱼类产卵繁殖的条件,已有研究表明生态调度期间和调度结束后一段时间下游鱼类的产卵量呈明显的上升趋势[30-31]。

图1 研究区域示意图

2.2 研究方法

2.2.1 水温现场监测 本研究以冯家坪监测断面水温作为溪洛渡水库的入库水温,冯家坪监测断面位于白鹤滩坝下12 km处,监测方式依托水温自动监测及记录设备,每日3段3次观测(8:00、14:00、20:00),监测精度为0.01 ℃。坝前垂向水温监测采用常规人工监测,即每月中旬在溪洛渡水库坝前断面进行人工测量,深层水温使用SVP、HY1200B型高精度声速仪观测,观测精度为0.01 ℃。观测垂线和观测点采用GPS进行平面定位,观测垂线布置在观测断面的中心位置,近表层测点在观测垂线上按照0.5、1、2、3、4、5 m深度布置,5 m水深以下按5 m间隔布置测点。溪洛渡水库坝前水温观测深度约为185 m,观测时以小于1 m/s的速度均匀下放和回收仪器,取相同深度两次测量值的平均数为观测值。

2.2.2 水温数值模型 数值模拟是水库水温研究中最常用的方法,该方法能够反映水库水温的动态变化过程,特别是对于单一水库垂向水温的研究,目前大多数模型都具有较高的模拟精度。金沙江下游溪洛渡水库全长约200 km,水面最宽处约1.5 km,坝前最大水深为235.9 m,是典型的狭长型水库。对于沿河流纵向尺度较大和横向宽度相对较窄的水库,采用横向平均的立面二维水温数值模型是相对较好的选择[32],该模型方程包括连续性方程和动量方程,方程的求解过程基于流体为不可压缩流体假定和Boussinnesq假定[33]。模型在水体表面热交换计算时考虑通过水体表面的热交换净热量、太阳短波辐射、大气长波辐射、蒸发热损失等。

连续性方程为:

(1)

式中:U、W分别为x、z方向的流速,m/s;q为侧向单位体积入流或出流,m3/(s·m3);B为水面宽度,m。

x方向动量方程为:

(2)

由于计算时假定横向平均,忽略水体的横向差异,z方向动量方程为:

(3)

式中:g为重力加速度,m/s2;α为河底与水平线夹角,(°);η为水面高程,m;τxx、τxz分别为控制体在x面x向、z面x向的湍流剪应力,N/m2;ρ为水体密度,kg/m3;Ux=Ucosβ,根据河道方向计算得出,m/s;P为z方向上的压强,Pa。

湍流模型中通常采用的计算垂向涡流黏滞系数的公式为:

(4)

lm=Δzmax

(5)

式中:Az为水体垂向涡流黏滞系数,m2/s; к为范卡门常数;lm为混合长度,m;u为水体垂向流速,m/s;z为垂向坐标,m;τwy为因风力而产生的横向剪应力,N/m2;k为波数;τytributary为因支流汇入而产生的横向剪应力,N/m2; e为自然常数;Ri为理查德数,在水体没有分层的区域,Ri=0,对于存在强分层的区域,Ri变大;Δzmax为水体垂向网格间距的最大值,m;C=0.15。

3 溪洛渡水库立面二维水温模型的构建

3.1 模型网格划分

溪洛渡水库回水区长度约200 km,基于实测地形断面资料将研究区域划分为191×125(纵向×垂向)个矩形单元,共11 902个计算网格,纵向网格单元长度在462.8～2 634.6 m之间,纵向共191个断面(包括1、191两个虚拟断面)。模型计算过程中最大层数包括底表虚拟层在内共125层,编号自上至下依次为1～125(1、125层为虚拟层),每层厚度设置为2 m,底部高程设置为364 m。模型运行时顶部高程应适当高于溪洛渡水库正常蓄水位,最终设置为610 m。网格生成后的平面图、纵剖面图、典型横剖面图(溪洛渡坝前1.09 km第189断面)如图2所示。

图2 溪洛渡水库水温模型网格划分示意图

3.2 边界条件

水动力模型开边界分别为上游溪洛渡入库断面和下游溪洛渡出库断面,溪洛渡入库水温选取冯家坪监测断面水温。上边界入库断面和下边界出库断面的流量、水温分别选取2021年1月15日—4月30日实测流量、水温。在模拟时段内,溪洛渡水库入库流量在262～3 450 m3/s之间,出库流量在1 160～3 180 m3/s之间,入库水温在15.05～17.48 ℃之间。气象条件方面,露点温度采用相对湿度和平均气温计算得出,气温、相对湿度、风速等数据来自国家气象科学数据中心雷波站。在模拟时段内,雷波站相对湿度在62.97%～93.21%之间,平均气温在1.48～20.88 ℃之间。模拟时段模型边界条件如图3所示。

图3 2021年1月15日—4月30日模拟时段模型边界条件

3.3 参数敏感性分析及验证

3.3.1 参数敏感性分析 在模型运行过程中,对库区垂向水温可能产生影响的系数有6项[34-35]。数次试算结果表明,不同动力遮蔽系数(dynamic shielding coefficient,DSC)和不同风遮蔽系数(wind shielding coefficient,WSC)的变化会显著影响坝前的垂向水温分布。如图4所示,动力遮蔽系数与坝前的垂向水温呈正相关性,动力遮蔽系数越大则坝前的垂向水温越高;风遮蔽系数与坝前的垂向水温呈负相关性,风遮蔽系数越大则坝前的垂向水温越低。通过与实测值进行比较率定,最终选取动力遮蔽系数为0.8,选取风遮蔽系数为1.5,其余参数在计算过程中对库区垂向水温的影响不明显,取模型推荐的数值。

图4 不同动力遮蔽系数(DSC)和风遮蔽系数(WSC)对坝前断面水温的影响

3.3.2 模型验证 地形网格方面,利用模型生成的地形网格模拟溪洛渡水库水动力过程,将库水位-库容关系模拟值与实际曲线进行对比验证,结果如图5所示。库容模拟值与实际值绝对平均误差(MAE)为0.084×108m3、均方根误差(RMSE)为0.152×108m3、拟合优度(R2)为0.98。由此可见,基于实测地形断面资料对溪洛渡水库库区进行的网格划分,总体上能够较为精确地模拟出库区的实际地形条件,可作为后续水温模型的基础数据。

图5 溪洛渡库水位-库容关系模拟值与实际曲线对比

水温模拟方面,2月中旬、3月中旬、4月中旬坝前断面垂向水温分布的模拟值与实测值对比如图6所示。由图6可以看出,模型准确反映了溪洛渡水库坝前水温的垂向变化趋势。经计算得出:2月中旬水温模拟值与实际值MAE为0.035 ℃、RMSE为0.002 ℃;3月中旬水温模拟值与实际值MAE为0.047 ℃、RMSE为0.011 ℃;4月中旬水温模拟值与实际值MAE为0.037 ℃、RMSE为0.029 ℃。表明选用的水温数值模拟模型可用于对溪洛渡库区实际水温的分析。

图6 溪洛渡水库坝前断面垂向水温模拟值与实测值对比

4 结果与分析

2021年溪洛渡水库1—2月气温相对较低,坝前垂向水温基本呈等温结构,1月坝前垂向平均水温为15.67 ℃,2月坝前垂向平均水温为14.87 ℃,日均垂向温差小于0.20 ℃。

因此,本文在溪洛渡水库2021年生态调度期内选取典型日期:3中旬(3月15日)、4月初(4月1日)、4月中旬(4月15日)、4月末(4月30日)对库区水温分布进行分析。

4.1 库区水温分布

2021年典型日期溪洛渡水库库区立面二维水温分布模拟结果见图7。

图7 2021年典型日期溪洛渡水库库区立面二维水温分布

3月15日坝前水位为583.27 m,垂向平均水温为14.85 ℃,表层水温为15.46 ℃,泄水口高程518 m处水温为14.80 ℃,水体表底垂向温差为0.72 ℃,如图7(a)所示。3月下旬水库维持较高水位运行,坝前平均水位为584.71 m,表层水温在15.46～16.71 ℃之间变化,泄水口高程518 m处水温在14.79～15.04 ℃之间变化。表底最大垂向温差出现在3月31日,为2.02 ℃,垂向温度梯度在0.10 ℃/m以内。

4月1日坝前水位为585.28 m,垂向平均水温为15.07 ℃,表层水温为16.93 ℃,泄水口518 m处水温较低,为15.00 ℃,水体表底垂向温差为2.29 ℃,如图7(b)所示。4月上旬水库平均水位为580.18 m,表层水温在16.36～17.04 ℃之间变化,泄水口518 m处水温在14.89～15.71 ℃之间变化。表底最大垂向温差出现在4月5日,为2.41 ℃,垂向温度梯度在0.15 ℃/m以内。

4月15日坝前水位为574.35 m,垂向平均水温为15.14 ℃,表层水温为16.59 ℃,泄水口518 m处水温为15.71 ℃,水体表底垂向温差为2.07 ℃,如图7(c)所示。4月下旬水库平均水位为570.31 m,表层水温在16.63 ～17.36 ℃之间变化,泄水口518 m处水温在15.70～16.20 ℃之间变化。表底最大垂向温差出现在4月29日,为2.81 ℃,垂向温度梯度在0.15 ℃/m以内。

4月30日坝前垂向平均水温为15.28 ℃,表层水温为17.38 ℃,泄水口518 m处水温为16.20 ℃,水体表底垂向温差为2.78 ℃,如图7(d)所示。

总体来看,溪洛渡水库在2021年生态调度期间坝前水温于3月中旬开始出现表底温差,4月下旬垂向表底温差略有增加,垂向最大温度梯度在0.15 ℃/m以内。

4.2 下泄水水温变化过程

《金沙江溪洛渡水电站环境影响报告书》中指出,溪洛渡水电站建成后下泄的低温水对鱼类的直接影响导致了其产卵繁殖时间推迟、当年的幼鱼生长周期缩短、个体变小等问题。水电站运行后,下泄水水温主要取决于坝前垂向水温分布结构以及泄水口的高程[36]。为了分析不同泄水口高程对下泄水水温的影响,基于2021年生态调度期间(3月15日— 4月30日)溪洛渡水库的水位流量变化过程,分别设置2种工况:无叠梁门挡水工况(泄水高程为518 m)和1层叠梁门挡水工况(泄水高程为530 m)。运用上述率定好的水温模型分别模拟不同泄水高程下的下泄水水温,通过计算,不同泄水口高程水库下泄水水温变化过程如图8所示。

图8 不同泄水口高程溪洛渡水库下泄水水温变化过程

由图8可知,不同泄水口高程的下泄水水温总体随时间均呈升高趋势,当水库无叠梁门挡水运行时,在模拟时段内下泄水水温在14.80～16.25 ℃之间变化,平均下泄水水温为15.41 ℃;当设置1层叠梁门稳定运行时,在模拟时段内下泄水水温在14.81～16.53 ℃之间变化,平均下泄水水温为15.54 ℃。通过比较两种工况下水库下泄水水温变化过程可知,当水库设置1层叠梁门稳定运行时模拟时段内的平均下泄水水温提高了0.13 ℃。

5 讨 论

为探明来流变化情况下溪洛渡水库生态调度期水温分层特性及下泄水水温的变化趋势,本文采用了水温现场监测和水温数值模拟的研究方法,建立了溪洛渡水库的精细化水温计算模型。基于实测地形、水温等数据进行了模型边界约束条件设置和模型参数率定,模型的验证结果表明,该模型能够准确、连续地模拟出溪洛渡水库在生态调度时期库区的立面二维水温分布规律,可用于分析不同泄水口高程对下泄水水温的影响。

从溪洛渡坝前垂向水温分布规律的多年监测数据来看,2017和2019年的3月未出现分层,2017年4月、2018年3月和2019年4月出现弱分层,2018年4月出现明显分层[7],2021年生态调度期间,在3月下旬出现弱分层,4月上旬及4月下旬均出现明显分层。坝前表底水温温差方面,4月下旬表底垂向最大温差为2.81 ℃,与蓄水初期2014年4月溪洛渡坝前表底垂向最大温差6.90 ℃[21]相比,垂向温差减小了4.09 ℃。从溪洛渡水库温跃层变化情况来看,温跃层随着时间逐渐下移,这与溪洛渡水库蓄水初期已有的研究成果一致[19]。从溪洛渡出库水温变化来看,2018年溪洛渡水库单层叠梁门稳定泄水运行时,坝下水温最大提高约0.40 ℃[23],本文通过模拟得出2021年溪洛渡单层叠梁门稳定运行时,坝下水温最大提高约0.30 ℃。溪洛渡水库坝址处3、4月天然水温分别为14.30、17.80 ℃,2021年生态调度期间,3月平均下泄水水温较天然水温降低了0.50 ℃,4月平均下泄水水温较天然水温降低了2.20 ℃。水库下泄水水温不仅与坝前水温的垂向分布结构及水库的调度运行方式有关,还与水库的入库流量、入库水水温以及气象条件密切相关。在溪洛渡水电站生态调度试验中,建议结合后续的水温监测成果,在坝前水温分层明显时段开展调度,并且在生态调度期间延长叠梁门使用时间或依据实时水位情况启用多层叠梁门,以提升对下泄水水温的改善效果,最大程度上创造适合下游鱼类产卵繁殖所需的水文条件,缓解水利工程对流域生态环境产生的不利影响。同时由于上游白鹤滩水电站目前还处于蓄水发电初期,该电站稳定运行后溪洛渡水库坝前垂向水温结构及下泄水水温的规律仍有待进一步研究。

6 结 论

(1)基于现场实测数据建立溪洛渡库区的立面二维水温模型,并对模型进行了边界约束条件设置和模型参数率定,验证结果表明选用的水温数值模型模拟结果可靠。

(2)溪洛渡水库2021年生态调度期间,3月下旬表层水温在15.46～16.71 ℃之间变化,表底最大垂向温差为2.02 ℃,垂向温度梯度在0.10 ℃/m以内;4月上旬水库表层水温在16.36～17.04 ℃之间变化,表底最大垂向温差为2.41 ℃,垂向温度梯度在0.15 ℃/m以内;4月下旬表层水温在16.63～17.36 ℃之间变化,坝前水温表底温差略有增加,表底最大垂向温差为2.81 ℃,垂向温度梯度在0.15 ℃/m以内。

(3)通过比较无叠梁门与1层叠梁门运行工况下水库下泄水水温的变化过程,得出不同工况的下泄水水温总体随时间均呈升高趋势,当设置1层叠梁门稳定运行时,模拟时段内的下泄水水温平均提高了0.13 ℃。