汪青遼，李秋潔，郝紅升

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

大型水庫(kù)作為一個(gè)巨大的蓄水體，水庫(kù)的形成對(duì)庫(kù)區(qū)水域和壩下游河段的水溫時(shí)空分布有重要影響[1]。水庫(kù)蓄水后，其水位和水面面積均較天然狀況有大幅度增加，庫(kù)區(qū)內(nèi)的流速將減緩，庫(kù)區(qū)江段由急流河道轉(zhuǎn)變?yōu)榻朴陟o水河道，往往出現(xiàn)分層的水溫結(jié)構(gòu)，水溫分層使庫(kù)底長(zhǎng)期為低溫水，深水水庫(kù)傳統(tǒng)底層取水口下泄的低溫水會(huì)對(duì)下游水生生物的生長(zhǎng)繁殖和農(nóng)業(yè)灌溉造成危害[2]。因此，開(kāi)展大型水庫(kù)及下游河段與農(nóng)業(yè)灌溉用水的水溫預(yù)測(cè)研究，對(duì)于工程的環(huán)境保護(hù)具有重要意義[3]。

1 研究區(qū)概況

云南某大型水庫(kù)位于滇西地區(qū)，是一座以灌溉、防洪為主的大(二)型水利樞紐工程，壩址位于瑞麗江一級(jí)支流南宛河的干流上。水庫(kù)多年平均流量11.1m3/s，多年平均徑流量3.66億m3。水庫(kù)總庫(kù)容10792.0萬(wàn)m3，正常蓄水位994.7m，相應(yīng)庫(kù)容7775萬(wàn)m3，死水位978m，死庫(kù)容566萬(wàn)m3，為季調(diào)節(jié)水庫(kù)。水庫(kù)回水長(zhǎng)12.1km，正常蓄水位時(shí)水庫(kù)面積7.16km2。水庫(kù)大壩為粘土心墻壩，最大壩高34.5m。

灌區(qū)工程主要由西低、西高和東干渠組成。水庫(kù)建成后，可自流灌溉南宛河下游兩岸約1.512hm2(22.68萬(wàn)畝)的灌區(qū)，全灌區(qū)年總供水量為2.50億m3，其中農(nóng)業(yè)灌溉供水1.92億m3。工程建設(shè)將使灌區(qū)內(nèi)的供水狀況大大改善。

2 水庫(kù)及下泄水溫預(yù)測(cè)

2.1 研究方法與計(jì)算條件

根據(jù)水庫(kù)水溫混合機(jī)理，影響庫(kù)底水溫的因素有太陽(yáng)輻射、庫(kù)表風(fēng)速、水庫(kù)異重流以及水庫(kù)調(diào)度等多方面因素[4]。本文采用寬度平均的立面二維水溫?cái)?shù)學(xué)模型對(duì)該水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

入庫(kù)來(lái)流水溫條件采用推求的天然逐月平均水溫，各氣象要素采用水庫(kù)所在縣氣象站的逐月多年平均值。根據(jù)不同典型水文年和取水方式，共設(shè)置了3種工況，分別是平水年、枯水年、豐水年。取水孔口有西高涵、西低涵兩個(gè)，其中西高涵進(jìn)口引水渠底板高程980.14m，西低隧洞進(jìn)口底板確定為972.5m。

2.2 溫度場(chǎng)疊加流場(chǎng)的空間分布

為說(shuō)明庫(kù)區(qū)水溫分層與流場(chǎng)的關(guān)系，圖1繪出了平水年低溫水降幅相對(duì)偏大的4月和高溫水升幅相對(duì)偏大的12月的溫度場(chǎng)疊加流場(chǎng)的空間分布。

圖1表明了泄流孔口對(duì)壩前垂向流速分布的影響，隨流動(dòng)向壩前推進(jìn)，孔口高程附近的流速逐漸加大，主流動(dòng)層邊緣處的流速則減小。4月水庫(kù)垂向溫差在4℃左右，來(lái)流22.5℃主要沿表層向壩前運(yùn)動(dòng)，在壩前3km下潛時(shí)在表層以下形成大范圍回流。

根據(jù)圖1的12月流場(chǎng)，來(lái)流水溫低于庫(kù)區(qū)水溫，從壩前8km處開(kāi)始下潛沿河床向壩前推進(jìn)，庫(kù)區(qū)底部水體流速較大，表層大范圍出現(xiàn)回流現(xiàn)象。由于12月來(lái)流水溫低于庫(kù)區(qū)水溫，從進(jìn)入庫(kù)區(qū)開(kāi)始即沿庫(kù)底向壩前爬行，在泄流孔口以上形成回流。

圖1 水庫(kù)平水年4月、12月的庫(kù)區(qū)溫度場(chǎng)與流場(chǎng)

2.3 壩前垂向水溫分布

以平水年為例，分析平水年各月15日的水庫(kù)壩前水溫分布見(jiàn)圖2。經(jīng)分析，平水年水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)有如下結(jié)論：

圖2 平水年水庫(kù)壩前水溫分布

平水年水庫(kù)庫(kù)區(qū)總體呈過(guò)渡型水溫結(jié)構(gòu)特征和季節(jié)性水溫分層現(xiàn)象。在2—5月存在表層溫躍層，分層現(xiàn)象較明顯，垂向最大溫差3.3℃。其余月份不同深度水溫幾乎一致，垂向水溫曲線基本呈豎直狀態(tài)。

庫(kù)區(qū)水溫在1月最低，壩前垂向斷面上平均水溫為15.6℃，垂向基本同溫；2月輻射已達(dá)195W/m2，庫(kù)區(qū)表層快速增溫至18.0℃，庫(kù)底僅比1月升高0.3℃。

3—4月受氣象條件和來(lái)流水溫影響庫(kù)區(qū)水溫上升較快，庫(kù)區(qū)出現(xiàn)較明顯的垂向溫差，水面溫度上升至23.8℃，庫(kù)底水溫也比2月提高5.9℃，基本上與表層水溫同步上升。靠近表層的7m高程范圍內(nèi)出現(xiàn)高溫的同溫層，表、底層溫差為2.1℃。

5—7月，來(lái)流水溫和氣溫維持在全年較高水平，庫(kù)區(qū)水溫也大幅提高。5月的月均太陽(yáng)輻射為209.3W/m2，表層水溫在來(lái)流基礎(chǔ)上持續(xù)升高至25.9℃，而庫(kù)底溫度為24.7℃，壩前溫差1.2℃，分層現(xiàn)象有所減弱；6月輻射強(qiáng)度已開(kāi)始降低，為157.9W/m2，水庫(kù)受汛期入流影響垂向摻混加劇，庫(kù)底大幅升溫至26.2℃，表、底層接近同溫；7月氣溫23.1℃，輻射繼續(xù)降至全年最低的136.6W/m2，導(dǎo)致入流水溫沿程吸收熱量比上月有所降低，庫(kù)區(qū)水溫比上月略降0.3℃，水庫(kù)向垂向同溫方向發(fā)展。

8—9月仍屬汛期，高溫、高濕、高輻射水平維持了較高的庫(kù)表水溫，大流量入庫(kù)使垂向同溫現(xiàn)象進(jìn)一步發(fā)展，垂向溫差不超過(guò)0.3℃，垂向平均溫度在9月達(dá)全年最高的27.6℃。

10月氣溫、太陽(yáng)輻射、云量進(jìn)一步下降，壩前表底層基本同溫，庫(kù)尾方向的來(lái)流沿庫(kù)底向壩前爬行，水庫(kù)在月中完成水溫的秋季翻轉(zhuǎn)。

11月—翌年1月，來(lái)流量減小明顯，長(zhǎng)短波輻射的減小使水體向大氣散失熱量，水庫(kù)水溫整體同步降低。

綜上可知：水溫分層主要受水庫(kù)調(diào)度引起水深變化影響較大，同時(shí)來(lái)流水溫和太陽(yáng)輻射也是造成水溫分層的重要因素[5]。

2.4 壩址下泄水溫

表1和圖3比較了平水年的月均下泄水溫、壩址處天然水溫及氣溫年內(nèi)過(guò)程。

圖3 平水年月均下泄水溫與壩址處天然水溫對(duì)比

表1 平水年月均下泄水溫與壩址天然水溫對(duì)比 (℃)

水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游水溫過(guò)程有一定程度的春夏季低溫水影響。下泄水溫在2—7月比建壩前壩址水溫有所降低，平均降低1.6℃，4月份溫降最大達(dá)2.3℃。8月—翌年1月，下泄水溫平均上升1.2℃，11月溫升最大，為2.0℃。水庫(kù)年均下泄水溫比建壩前降低0.2℃。

以4月壩址天然水溫23.5℃為特征溫度統(tǒng)計(jì)延遲時(shí)間，建壩前壩址處水溫在4月15日到達(dá)23.5℃，建壩后下泄水溫在5月11日到達(dá)23.5℃，延遲了26d。

3 灌溉干渠分水口水溫預(yù)測(cè)

3.1 研究方法

本文采用類比實(shí)測(cè)法，通過(guò)測(cè)量已建類似渠道的水溫增溫率，來(lái)推求灌溉渠道引水后的沿程水溫變化情況。水庫(kù)所在地區(qū)具有高溫、高濕、高輻射的氣候特征，根據(jù)2017年2月24日、3月6日對(duì)同縣境內(nèi)已建東支渠的水溫觀測(cè)結(jié)果，增溫率為0.09℃/km，增溫明顯。

3.2 干渠分水口水溫預(yù)測(cè)

采用沿程增溫率方法推求得到的平水年灌區(qū)各干渠的各個(gè)分水口的灌溉水溫及與水庫(kù)壩址處天然水溫的溫差，其中東干渠各分水口水溫見(jiàn)表2。

表2 水庫(kù)灌區(qū)的東干渠沿程分水口水溫 (℃)

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，與壩址處的天然水溫相比，東干渠1#～3#分水口4月最大溫降1.2～1.6℃，距離壩址最遠(yuǎn)的11#分水口最大溫降為0.1℃。可見(jiàn)，雖然東干渠渠首在2—7月存在一定的低溫水現(xiàn)象，但灌溉引水進(jìn)入渠道后增溫迅速，至東干渠渠末基本不存在低溫水現(xiàn)象。

4 低溫水對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉影響

灌溉水的水溫對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)影響頗大，水溫偏低，抑制作物的生長(zhǎng)從而影響作物產(chǎn)量；水溫過(guò)高，會(huì)降低水中溶解氧的含量，破壞作物的正常生長(zhǎng)。因此，灌溉水要有適宜的水溫[6]。

研究水庫(kù)灌區(qū)農(nóng)作物主要為水稻、玉米等喜溫性作物。因水稻灌溉畝產(chǎn)需水量最大，水稻生長(zhǎng)受水溫影響也最大，故以水稻灌溉為例分析灌溉水溫影響。

研究水庫(kù)4—6月的灌溉取水水溫與水稻生長(zhǎng)各期的最低耐受水溫比較情況，見(jiàn)表3。4—6月的灌溉水溫為23.5～26.2℃左右，比4—5月水稻發(fā)芽期、返青期的最低水溫12℃高出11.5～13.0℃，比6月水稻分葉期要求的最低水溫15℃高出10.6℃。因此，水稻生長(zhǎng)期間的水庫(kù)灌溉引水水溫完全滿足水稻生長(zhǎng)各期的最低水溫要求，研究水庫(kù)供水水溫不影響作物正常生長(zhǎng)。

表3 水稻生長(zhǎng)各期灌溉水溫分析表 (℃)

5 結(jié)語(yǔ)

采用寬度平均的立面二維水庫(kù)水溫?cái)?shù)學(xué)模型，對(duì)云南某大型水庫(kù)運(yùn)行后典型平水年的水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)特征、下泄水溫及其灌溉干渠沿程水溫進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析，結(jié)果表明：

(1)平水年水庫(kù)總體呈過(guò)渡型水溫結(jié)構(gòu)特征和季節(jié)性水溫分層現(xiàn)象。在2—5月存在表層溫躍層，分層現(xiàn)象較明顯，垂向最大溫差3.3℃。其余月份各深度水溫幾乎一致，垂向水溫曲線基本呈豎直狀態(tài)。

(2)水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游水溫過(guò)程有一定程度的春夏季低溫水影響。下泄水溫在2—7月比建壩前壩址水溫有所降低，平均降低1.6℃，4月份溫降最大達(dá)2.3℃。水庫(kù)年均下泄水溫比建壩前降低0.2℃。以4月壩址天然水溫23.5℃為特征溫度，建壩后較建壩前，延遲了26d到達(dá)該水溫。

(3)水庫(kù)所在地區(qū)具有高溫、高濕、高輻射的氣候特征。根據(jù)預(yù)測(cè)，東干渠1#～3#分水口最大溫降1.2～1.6℃，距離壩址最遠(yuǎn)的11#分水口最大溫降為0.1℃。可見(jiàn)，東干渠渠末基本不存在低溫水現(xiàn)象。

(4)水稻生長(zhǎng)各期的灌溉水溫均在水稻正常水溫承受范圍內(nèi)，水稻正常生長(zhǎng)不受影響。