駱輝煌，李 倩，李 翀

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038；2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，北京 100038）

1 研究背景

金沙江下游干流已在建或規(guī)劃向家壩、溪洛渡、白鶴灘和烏東德4個(gè)梯級(jí)水庫(kù)。4個(gè)梯級(jí)水庫(kù)在正常蓄水位下庫(kù)容達(dá)52～205億m3，水深達(dá)120～255m，均為高壩巨型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)將呈現(xiàn)出不同程度的垂向水溫分層，下泄水溫較天然狀態(tài)下河道水溫會(huì)有較大的變化。金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)最后一級(jí)——向家壩水庫(kù)距長(zhǎng)江上游珍稀、特有魚(yú)類(lèi)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“保護(hù)區(qū)”）上游僅1.8km。梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行后下泄水溫變化對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)珍稀、特有魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)繁殖的影響一直是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者開(kāi)展過(guò)關(guān)于水庫(kù)水溫模擬及水生生物生長(zhǎng)、繁殖與水溫關(guān)系的研究。文獻(xiàn)[1-6]先后利用垂向一維、立面二維和三維模型研究了庫(kù)區(qū)水溫。由于立面二維水溫模型計(jì)算穩(wěn)定性好，需率定的參數(shù)較少，而且在預(yù)測(cè)大型水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及其下泄水溫過(guò)程中具有良好的精度，因而目前研究主要采用該類(lèi)模型。同時(shí)，魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)、繁殖均有特定的水溫需求，如青魚(yú)、草魚(yú)、鰱、鳙等，當(dāng)水溫達(dá)到18℃時(shí)才產(chǎn)卵；中華鱘的產(chǎn)卵水溫則在21℃以下[7]。因此，水溫的改變將影響?hù)~(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)、繁殖[8]。王俊娜[9]認(rèn)為，三峽水庫(kù)運(yùn)行后，繁殖期下限溫度18℃出現(xiàn)時(shí)間的推遲導(dǎo)致了四大家魚(yú)繁殖時(shí)間的延后，同時(shí)3—4月下泄的“低溫水”導(dǎo)致春季四大家魚(yú)性腺開(kāi)始發(fā)育時(shí)間推遲，也可能是四大家魚(yú)繁殖時(shí)間推遲的另一個(gè)重要原因。

因此本文將采用CE-QUAL-W2水溫模型研究金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行后下泄水溫變化趨勢(shì)，并分析水溫變化對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)、繁殖的影響。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 水溫模型CE-QUAL-W2模型由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)和波特蘭州立大學(xué)開(kāi)發(fā)，廣泛應(yīng)用于河流、河口、湖泊和水庫(kù)的立面二維水動(dòng)力、水質(zhì)模擬。可模擬立面二維水流、水溫、水質(zhì)等[10]。其主要方程如下[10]。

（1）連續(xù)方程

（2）動(dòng)量方程

（3）水溫方程

式中：U為x向流速，m/s；W為z向流速，m/s；B為水面寬，m；g為重力加速度，m/s2；α為河底與水平線(xiàn)夾角，rad；τxx為在x面x向的湍流剪應(yīng)力，N/m2；τxz為在z面x向的湍流剪應(yīng)力，N/m2；q為側(cè)向單位面積凈入庫(kù)流量，m/s；B為水面寬，m；Φ為單位體積的熱量，J/m3；Dx為溫度縱向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Dz為溫度垂向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；qΦ為側(cè)向上熱量出入流的速率，J/（m2/s）；SΦ為側(cè)向上熱量源匯項(xiàng)，J/（m2/s）；ρ為水體密度，kg/m3；η為水位，m；P為靜水壓強(qiáng)，Pa。

作者在已有研究中，選擇地理位置接近、庫(kù)容及壩前水深相近、水溫結(jié)構(gòu)類(lèi)似的二灘水庫(kù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)率定、驗(yàn)證模型參數(shù)。模型主要率定參數(shù)為水面太陽(yáng)輻射反射率、水體中太陽(yáng)輻射衰減系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)。模型上下邊界輸入水文調(diào)度過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)采用實(shí)測(cè)日過(guò)程數(shù)據(jù)。經(jīng)參數(shù)調(diào)試，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好[11]。

2.2 保護(hù)區(qū)魚(yú)類(lèi)繁殖期生態(tài)水溫目標(biāo) 根據(jù)作者已有研究成果[12]，長(zhǎng)江上游珍稀、特有魚(yú)類(lèi)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)69種珍稀特有魚(yú)類(lèi)中，有35種魚(yú)類(lèi)的繁殖期有明確記載。作者依據(jù)RVA法研究了長(zhǎng)江上游保護(hù)區(qū)魚(yú)類(lèi)繁殖期生態(tài)水溫目標(biāo)[12]（見(jiàn)表1）。不同季節(jié)繁殖的魚(yú)類(lèi)，其繁殖水溫需求各不相同。

表1 保護(hù)區(qū)珍稀特有魚(yú)類(lèi)生態(tài)水溫目標(biāo) （單位：℃）

3 金沙江下游梯級(jí)開(kāi)發(fā)累積水溫影響研究

金沙江下游干流分烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩四級(jí)水庫(kù)開(kāi)發(fā)，4庫(kù)首尾相連，各自正常蓄水位下壩前水深分別為：175、255、230和120m，電站取水口位于正常蓄水位以下約分別為：56、85、82和38m。溪洛渡水庫(kù)和向家壩水庫(kù)分別已于2005年12月和2006年11月開(kāi)工建設(shè)，烏東德水庫(kù)和白鶴灘水庫(kù)處于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，建成時(shí)間將較晚。因而，研究金沙江下游梯級(jí)開(kāi)發(fā)運(yùn)行對(duì)下游保護(hù)區(qū)的水溫影響應(yīng)分2種情景：溪洛渡、向家壩兩庫(kù)運(yùn)行情景（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“兩庫(kù)運(yùn)行”）和烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4庫(kù)同時(shí)運(yùn)行情景（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“4庫(kù)運(yùn)行”）。作者已研究了溪洛渡、向家壩兩庫(kù)運(yùn)行情景下的水溫影響[11]。本文著重討論4庫(kù)運(yùn)行情景下向家壩下泄水溫與天然條件下向家壩壩址處水溫對(duì)比（見(jiàn)圖1）。

由于四庫(kù)首尾相連，即上一級(jí)水庫(kù)壩址處于下一級(jí)水庫(kù)回水末端。因此4庫(kù)運(yùn)行時(shí)，可以以上一級(jí)水庫(kù)下泄水溫為下一級(jí)水庫(kù)的入庫(kù)水溫，水文條件取平水年出入庫(kù)調(diào)度過(guò)程，氣象條件取庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，模擬向家壩水庫(kù)下泄水溫過(guò)程，即保護(hù)區(qū)起始位置的水溫過(guò)程。

如圖1所示，在兩庫(kù)運(yùn)行和4庫(kù)運(yùn)行情景下，向家壩水庫(kù)下泄水溫均與天然狀態(tài)下向家壩壩址處水溫有較大差別。兩庫(kù)運(yùn)行時(shí)，2—9月下泄水溫低于天然狀態(tài)下水溫，最大溫差在4月，為4.1℃；11—次年1月下泄水溫高于天然狀態(tài)下水溫，最大溫差在12月，為3℃。4庫(kù)運(yùn)行時(shí)，3—10月下泄水溫低于天然狀態(tài)下水溫，最大溫差在4月，為3.7℃；12—次年2月下泄水溫高于天然狀態(tài)下水溫，最大溫差在1月，為3.8℃。同時(shí)，由于4庫(kù)運(yùn)行后溪洛渡水庫(kù)入庫(kù)水溫發(fā)生了明顯改變，從而影響了向家壩水庫(kù)的下泄水溫：兩庫(kù)運(yùn)行時(shí)11—次年3月下泄水溫低于4庫(kù)運(yùn)行時(shí)下泄水溫，最大溫差為1.8℃；而在4—10月，兩庫(kù)運(yùn)行時(shí)下泄水溫則高于4庫(kù)運(yùn)行時(shí)下泄水溫，最大溫差為1.9℃。

圖1 向家壩水庫(kù)下泄水溫與天然狀態(tài)下水溫對(duì)比

4 下泄水溫變化對(duì)保護(hù)區(qū)魚(yú)類(lèi)繁殖影響

向家壩下泄水溫與保護(hù)區(qū)魚(yú)類(lèi)繁殖期生態(tài)水溫需求的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)下泄水溫位于保護(hù)區(qū)魚(yú)類(lèi)繁殖期生態(tài)水溫需求范圍內(nèi)時(shí)，可認(rèn)為下泄水溫變化對(duì)保護(hù)區(qū)魚(yú)類(lèi)繁殖無(wú)影響；當(dāng)下泄水溫位于生態(tài)水溫需求范圍以外時(shí)，則認(rèn)為下泄水溫變化將對(duì)保護(hù)區(qū)魚(yú)類(lèi)繁殖產(chǎn)生影響。

由圖2可見(jiàn)，在兩庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行條件下，11月—次年1月向家壩下泄水溫高于生態(tài)水溫需求，3—7月下泄水溫低于生態(tài)水溫需求；在4庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行條件下，11月—次年2月向家壩下泄水溫高于生態(tài)水溫需求，3—10月下泄水溫低于生態(tài)水溫需求。

因此，兩庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，繁殖期在11月—次年1月，3—7月的魚(yú)類(lèi)繁殖將會(huì)受到影響。在能夠確定繁殖期的35種魚(yú)類(lèi)中，除繁殖期為9—10月份的黃石爬鮡外，其余34種魚(yú)類(lèi)的繁殖條件將受到影響；而4庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，所有35種魚(yú)類(lèi)的繁殖條件都將受到影響。根據(jù)以上結(jié)果可推測(cè)保護(hù)區(qū)內(nèi)大部分魚(yú)類(lèi)繁殖條件都將受到影響，但是受影響的具體情況尚需進(jìn)一步研究。

圖2 下泄水溫變化對(duì)保護(hù)區(qū)魚(yú)類(lèi)繁殖的影響

5 討論與結(jié)論

水庫(kù)下泄水溫相對(duì)河流天然水溫的變化，對(duì)于河流中土著魚(yú)類(lèi)的繁殖、生長(zhǎng)帶來(lái)的影響程度，依生物種類(lèi)或個(gè)體對(duì)溫度的敏感性會(huì)有不同。水溫變化對(duì)于魚(yú)類(lèi)的繁殖影響的量化，需結(jié)合具體生物對(duì)象開(kāi)展進(jìn)一步研究。但從宏觀而言，不同種類(lèi)的魚(yú)，如溫水性魚(yú)類(lèi)、冷水性魚(yú)類(lèi)，對(duì)于水溫的變化會(huì)有不同的響應(yīng)。保護(hù)區(qū)內(nèi)如四大家魚(yú)一類(lèi)的溫水性魚(yú)類(lèi)，它們需要到達(dá)到一定的水溫下限才能產(chǎn)卵、繁殖；另外還有高原區(qū)系的冷水性魚(yú)類(lèi)，如裂腹魚(yú)類(lèi)，它們要求在水溫低于某一水溫時(shí)才能開(kāi)始繁殖活動(dòng)。對(duì)于保護(hù)區(qū)溫水性魚(yú)類(lèi)，由于受梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行的滯溫影響，達(dá)到溫水性魚(yú)類(lèi)所需水溫的時(shí)間明顯延遲，以四大家魚(yú)所需的產(chǎn)卵水溫18℃為例，兩庫(kù)運(yùn)行后春、夏季達(dá)到此水溫的時(shí)間延后34d，4庫(kù)運(yùn)行后更是延遲至43d，影響較為明顯。對(duì)于在冬末春初繁殖的冷水性魚(yú)類(lèi)，由于下泄水溫較天然狀態(tài)下水溫明顯偏高，其繁殖活動(dòng)會(huì)受到影響。目前尚無(wú)針對(duì)冷水性魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵水溫的明確需求研究，故無(wú)法進(jìn)一步分析其受影響的程度。

金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行后，向家壩水庫(kù)下泄水溫均與天然狀態(tài)下向家壩壩址處水溫有較大差別。兩庫(kù)運(yùn)行時(shí)，2—9月下泄水溫較天然狀態(tài)下水溫低，10月—次年1月下泄水溫較天然狀態(tài)下水溫高；4庫(kù)運(yùn)行時(shí)，3—10月下泄水溫較天然狀態(tài)下水溫低，11月—次年2月份下泄水溫較天然狀態(tài)下水溫高。下泄水溫的變化將對(duì)魚(yú)類(lèi)繁殖產(chǎn)生一定影響，兩庫(kù)運(yùn)行時(shí)，有繁殖期記錄的34種魚(yú)類(lèi)均可能會(huì)受到水溫節(jié)律變化影響；4庫(kù)運(yùn)行時(shí)，保護(hù)區(qū)所有珍稀特有魚(yú)類(lèi)都將受到不同程度影響。由于金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行后，將對(duì)大多數(shù)魚(yú)類(lèi)的繁殖產(chǎn)生影響，因此需要在水庫(kù)運(yùn)行中考慮采取分層取水等措施以減緩水溫的不利影響。

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