李健威，莊春義，張鵬，梁瑞峰

?灌溉水源與輸配水系統(tǒng)?

山區(qū)中小河流防洪水庫(kù)對(duì)水溫影響的模擬——以固軍水庫(kù)為例

李健威1，莊春義1，張鵬2*，梁瑞峰2

（1.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都 610072；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065）

【目的】探究山區(qū)中小河流防洪水庫(kù)的水溫對(duì)魚類產(chǎn)卵和洄游的影響?！痉椒ā恳怨誊娝畮?kù)為對(duì)象，采用立面二維水動(dòng)力水溫模型對(duì)典型平水年、枯水年、豐水年（情景1、情景2、情景3）的庫(kù)區(qū)水溫分布與下泄水溫進(jìn)行了模擬，探討了防洪水庫(kù)對(duì)水溫的改變及對(duì)國(guó)家水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)魚類產(chǎn)卵、洄游等生命活動(dòng)的影響。【結(jié)果】①固軍水庫(kù)在不同情景條件下，均表現(xiàn)為季節(jié)性分層水庫(kù)，且不存在全年穩(wěn)定的庫(kù)底水溫。②水庫(kù)水溫的重塑為國(guó)家種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)內(nèi)的裂腹魚洄游創(chuàng)造了更多適宜洄游的水溫通道。③固軍水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游水溫存在明顯影響，當(dāng)單層取水時(shí)，情景1、情景2和情景3下的鯉魚、鯽魚的產(chǎn)卵開始時(shí)間分別由現(xiàn)狀的4月中旬延遲至4月末，5月初以及4月下旬，影響程度從小到大：情景3<情景1<情景2。④固軍水庫(kù)采用前置擋墻取水后，春季低溫水現(xiàn)象得到了有效緩解，平水年、豐水年條件下產(chǎn)卵期間的“低溫水”現(xiàn)象幾乎消失，而枯水年的低溫水影響程度極其有限?！窘Y(jié)論】中小河流防洪水庫(kù)的低水位運(yùn)行有利于庫(kù)區(qū)魚類洄游產(chǎn)卵，可采用前置擋墻緩解下泄低溫水以保護(hù)魚類產(chǎn)卵。

防洪水庫(kù)；水溫；國(guó)家種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)；分層取水

0 引言

【研究意義】隨著全球氣候變化的加劇，極端降雨事件頻發(fā)，導(dǎo)致洪水事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度越來(lái)越大[1]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)報(bào)道，我國(guó)在1978—2008年，平均每2年發(fā)生一次較嚴(yán)重的洪水災(zāi)害[2]，每年洪水災(zāi)害造成數(shù)百億元的直接經(jīng)濟(jì)損失[3]。流域和區(qū)域的防洪問題已成為社會(huì)廣泛關(guān)注問題。防洪水庫(kù)工程具有蓄枯調(diào)豐，削弱洪水過程的功能，已成為保護(hù)人類生命安全和維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段[4]。目前，在洪水多發(fā)的長(zhǎng)江上游流域，已建成金沙江中游梯級(jí)、金沙江下游三梯級(jí)（烏東德、溪洛渡和向家壩）、雅礱江梯級(jí)、岷江大渡河梯級(jí)、嘉陵江梯級(jí)和烏江梯級(jí)水庫(kù)群[4]，防洪水庫(kù)群的聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度，可在一定程度上較好地應(yīng)對(duì)流域性或區(qū)域性洪水[5]。然而，防洪水庫(kù)的修建在帶來(lái)巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也給水生生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了脅迫，水庫(kù)運(yùn)行使得壩下出現(xiàn)諸如減脫水河段，生境破碎化，水溫過程變異等生態(tài)不利現(xiàn)象，均會(huì)對(duì)水生生物的棲息環(huán)境造成不可逆的影響。當(dāng)前，利用防洪工程管理河流，水生生物棲息地的數(shù)量和質(zhì)量已受到嚴(yán)重限制[6]。水庫(kù)建成后的水溫預(yù)測(cè)及減緩措施的研究可為水庫(kù)管理者實(shí)現(xiàn)生態(tài)調(diào)度提供一定的技術(shù)支撐，越來(lái)越受到社會(huì)及政府的高度關(guān)注[7]。

【研究進(jìn)展】水溫作為生態(tài)系統(tǒng)的基本要素，影響著水生生物的生命周期[7]。魚類作為水生生態(tài)系統(tǒng)中促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要組成部分，由于其對(duì)各種環(huán)境壓力的反應(yīng)顯著，被認(rèn)為是河流生態(tài)系統(tǒng)健康的有效指標(biāo)[8-10]。水溫的高低決定了魚類新陳代謝的快慢，從而影響魚類的生長(zhǎng)、性成熟，進(jìn)而限制了魚類產(chǎn)卵等活動(dòng)，最終將影響魚類種群密度（強(qiáng)度）[11-13]。水庫(kù)蓄水重塑了庫(kù)區(qū)的水溫結(jié)構(gòu)，特別是大型水庫(kù)，其庫(kù)區(qū)分層現(xiàn)象顯著，常表現(xiàn)為春夏季下泄“低溫水”，秋冬季下泄“高溫水”[14-15]。壩前取水方式的不同將直接影響下游河道的水溫過程，而不利（過高或者過低）的下泄水溫將極大地影響壩下魚類的生活節(jié)律。例如，當(dāng)水溫在18 ℃及以上時(shí)，才能觸發(fā)四大家魚開始產(chǎn)卵，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料表明，三峽水庫(kù)的運(yùn)行，使得四大家魚的產(chǎn)卵時(shí)間最多推遲1個(gè)月以上[16]。此外，以往的研究多集中在大型河流上的水庫(kù)對(duì)水溫的影響[7, 14-15]，對(duì)山區(qū)中小河流上的防洪水庫(kù)研究較少。山區(qū)中小河流洪峰相對(duì)于其他河流提前（如4月），因此，其流域上的防洪水庫(kù)相對(duì)于大型河流上的防洪水庫(kù)具有提前降低水庫(kù)水位（如2月或者3月開始降水位）為防洪預(yù)留充足庫(kù)容的特征。然而，中小河流防洪水庫(kù)的獨(dú)特運(yùn)行特征對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的具體影響程度如何，目前還尚不清楚。

【切入點(diǎn)】在我國(guó)西南山區(qū)，陡峭的河道底坡、區(qū)域降水的極端差異及下墊面等因素，使得洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，嘉陵江流域尤為顯著。渠江是嘉陵江下游左岸最大一級(jí)支流，洪水災(zāi)害嚴(yán)重，威脅著渠江流域近千萬(wàn)人口的生命財(cái)產(chǎn)安全。州河是渠江左岸最大的一級(jí)支流，固軍水庫(kù)為州河支流中河上近期實(shí)施工程，其建成后可極大地緩解渠江干流的防洪壓力[18]。然而，固軍水庫(kù)壩址和淹沒區(qū)涉及龍?zhí)逗犹赜恤~類國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)，其蓄水調(diào)度在一定程度上破壞了原有的水溫過程，其是否對(duì)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)的珍稀特有魚類產(chǎn)生影響及緩解措施如何實(shí)施等需進(jìn)一步研究分析?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文以中小河流上的固軍水庫(kù)為例，采用立面二維水動(dòng)力水溫模型，模擬并定量分析了防洪水庫(kù)庫(kù)區(qū)的水溫過程及壩前取水措施對(duì)下游水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)的影響，以期為水庫(kù)的生態(tài)運(yùn)行調(diào)度和低溫水減緩措施提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

固軍水庫(kù)（圖1）位于渠江流域中河中游，壩址位于達(dá)州市萬(wàn)源市固軍鄉(xiāng)固軍大橋順直河段，控制流域1 420 km2。工程任務(wù)以防洪為主，兼顧發(fā)電。水庫(kù)死水位，正常蓄水位，汛期限制水位和校核洪水位分別為473、494、474.0 m和495.55 m，總庫(kù)容1.31億m3，防洪庫(kù)容為0.89億m3。取水口底板高程465.5 m，為Ⅱ等大（2）型工程。最大發(fā)電引用流量32.5 m3/s，裝機(jī)11.6 MW，多年平均發(fā)電量3 587萬(wàn)kW/h，裝機(jī)利用小時(shí)3 093 h。

圖1 研究區(qū)域及水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)

1.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示，相對(duì)于整個(gè)龍?zhí)逗犹赜恤~類國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)分布的41種魚類，目前影響水域內(nèi)分布有魚類21種，隸屬于3目5科19屬。其中包括四川省重點(diǎn)保護(hù)水生野生動(dòng)物重口裂腹魚，被列入《中國(guó)瀕危動(dòng)物紅皮書》和《中國(guó)物種紅色名錄》中的瀕危物種（EN）白緣?，易危物種（VU）中華裂腹魚，以及主要經(jīng)濟(jì)魚類鯉、鯽和中華倒刺鲃等。其中，中華裂腹魚、重口裂腹魚等的產(chǎn)卵場(chǎng)主要分布在水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)核心區(qū)河段，而鯉、鯽的產(chǎn)卵場(chǎng)主要分布在固軍壩下的凹岸灣沱。

2 數(shù)學(xué)模型及情景設(shè)置

固軍水庫(kù)庫(kù)區(qū)長(zhǎng)12.74 km，壩前最大水深約61 m，寬約458 m，水動(dòng)力和水溫在縱向和垂向的變化遠(yuǎn)大于橫向，屬于典型的山區(qū)型河道水庫(kù)。因此，采用立面二維的水動(dòng)力水溫模型可以較好地模擬固軍水庫(kù)的水動(dòng)力水溫過程[14-15]。計(jì)算網(wǎng)格單元在主流方向上尺寸為10～200 m，在水深方向上為0.3～1 m，在正常蓄水位下，固軍庫(kù)區(qū)離散為125×87個(gè)矩形網(wǎng)格。

2.1 水溫模型

開發(fā)的水溫模型已在中國(guó)西南山區(qū)水庫(kù)中得到廣泛和成功的應(yīng)用，并在溪洛渡水庫(kù)和二灘水庫(kù)[19]中得到了很好的驗(yàn)證。曼寧粗糙度系數(shù)和消光系數(shù)是該模型中的重要參數(shù)，可能會(huì)顯著影響模型輸出。結(jié)果表明，當(dāng)水庫(kù)運(yùn)行確定時(shí)，模型輸出對(duì)曼寧粗糙度系數(shù)不敏感，而模型中的消光系數(shù)是影響水庫(kù)水溫結(jié)果的最敏感參數(shù)，其受水體透明度影響。目前，州河尚無(wú)水庫(kù)建成投產(chǎn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所建立的模型的普遍性和適用性，采用位于西南山區(qū)的四川省紫坪鋪水庫(kù)來(lái)驗(yàn)證水溫模型的相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證水庫(kù)與固軍水庫(kù)具有相似的規(guī)模（大型水庫(kù)），氣候條件（亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候）和水體透明度（夏季0.25 m，冬季0.5 m）。引入均方根誤差（）來(lái)評(píng)估模型性能。結(jié)果表明，壩前斷面和庫(kù)中斷面的分別為0.54 ℃和0.63 ℃。表明本研究建立水溫模型預(yù)測(cè)精度較高，可用于固軍水庫(kù)的水溫模擬預(yù)測(cè)。

圖2 2010年3月31日紫坪鋪水庫(kù)實(shí)測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證

2.2 邊界條件

2.2.1入庫(kù)及壩址水溫

州河流域先后設(shè)立有多個(gè)具有水溫觀測(cè)資料的水文站，分別為：州河干流的東林水文站、后河的毛壩水文站、中河的黃金口水文站、明月江的明月潭水文站和東柳河上的烏木水文站。

毛壩、黃金口水文站分別距離東林水文站53.0、49.4 km。毛壩水文站所在河段地形的山區(qū)特征相對(duì)于黃金口水文站更為突出，而后河接納中河后的地形特征與黃金口河段更為接近，因此采用黃金口至東林之間的增溫率作為中河沿程增溫率，并以此增溫率由黃金口水文站向上游推算固軍壩址和庫(kù)尾的天然水溫見表1。此外，將固軍壩址處氣溫、水溫建立相關(guān)關(guān)系（圖3），采用壩址處逐日氣溫可得到壩址處水溫的逐日過程及現(xiàn)狀變化范圍（圖4）。

表1 固軍入庫(kù)與壩址水溫

圖3 固軍水庫(kù)壩址的水溫-氣溫相關(guān)關(guān)系

2.2.2 氣象數(shù)據(jù)

庫(kù)區(qū)的氣象條件采用宣漢縣和萬(wàn)源市氣象站數(shù)據(jù)按照距離加權(quán)使用。模型氣象邊界數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)域的多年平均氣溫18.5 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-4.8 ℃，多年平均降水量1 254.6 mm，多年平均蒸發(fā)量1 109.8 mm，多年平均風(fēng)速1.4 m/s，多年平均相對(duì)濕度81%。

圖4 固軍水庫(kù)的壩址水溫過程

2.3 模擬情景設(shè)置

除水面熱交換影響水庫(kù)水溫的重塑過程外，不同水文年的入庫(kù)流量過程及相應(yīng)的運(yùn)行調(diào)度也決定了水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)。本文對(duì)黃金口水文站1959—2014年系列月平均流量數(shù)據(jù)按照皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行處理分析，其豐（10%）、平（50%）和枯水年（90%）的入庫(kù)流量過程見圖5。按照防洪要求，相應(yīng)的水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度過程見圖5。值得注意的是，由圖5可知，防洪水庫(kù)的主要特征在于2、3月水庫(kù)水位開始急劇下降，主要為汛期保留足夠的防洪庫(kù)容。通過設(shè)置典型水文年的情景（情景1：平水年；情景2：枯水年；情景3：豐水年），可以定量探討水庫(kù)建成不同水文頻率下水溫過程對(duì)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)內(nèi)魚類的影響。

圖5 典型年（豐、平、枯）入庫(kù)流量過程及運(yùn)行調(diào)度過程（月末水位）

3 結(jié)果

3.1 不同情景下庫(kù)區(qū)水溫分布預(yù)測(cè)

圖6顯示了固軍水庫(kù)在情景1下各月月中的庫(kù)區(qū)立面二維水溫預(yù)測(cè)結(jié)果。各月月中壩前斷面（水庫(kù)攔漂索與大壩之間的位置，本文中該斷面位于壩前200 m處）水溫分布見圖7。

受到水庫(kù)調(diào)節(jié)、流速變慢、水氣界面熱通量和庫(kù)內(nèi)對(duì)流與擴(kuò)散的影響，庫(kù)區(qū)水溫在2月最低，壩前庫(kù)底水溫為5.9 ℃，表層水溫為6.0 ℃，庫(kù)表與庫(kù)底基本同溫，表底溫差僅為0.1 ℃。進(jìn)入3月，入流水溫、氣溫、太陽(yáng)輻射開始回升，表層水溫升高至9.3 ℃，庫(kù)底水溫不變，壩前垂向溫差3.4 ℃。

4—5月太陽(yáng)輻射、氣溫、入流水溫持續(xù)上升，受氣象條件和來(lái)流水溫影響庫(kù)區(qū)水溫繼續(xù)上升。到4月份，庫(kù)區(qū)水位降至本年最低水位473 m，表層以下形成厚度20.5 m、梯度為0.38 ℃/m的溫躍層，庫(kù)底水溫略升為6.5 ℃，表層與底層溫差升至9.3 ℃。5月天然來(lái)流溫度接近表層水溫，來(lái)流在表層緩慢流動(dòng)，庫(kù)底水溫由于熱量的向下傳遞開始升高。

6—8月，太陽(yáng)輻射、來(lái)流水溫、氣溫逐漸增大，庫(kù)表水溫持續(xù)上升，使表層水溫仍維持在較高水平。6月來(lái)流量大幅增加，月徑流量為庫(kù)容的1.8倍，大流量使庫(kù)區(qū)水體摻混和紊動(dòng)增強(qiáng)，庫(kù)底低溫水層被徹底破壞，庫(kù)底水溫升至12.3 ℃。7、8月氣溫達(dá)到全年最高值，8月太陽(yáng)輻射和來(lái)流水溫達(dá)到全年最高值，庫(kù)表水溫持續(xù)升溫到全年最高值28.1 ℃。

9月氣溫、太陽(yáng)輻射、來(lái)流均開始下降，但受8月的表層高溫水的垂向熱傳導(dǎo)影響，庫(kù)底水溫升高至全年最高溫23.7 ℃。

10月—翌年1月，氣溫、太陽(yáng)輻射、來(lái)流水溫迅速降低，表層水溫下降，由于來(lái)流水溫低于庫(kù)區(qū)水溫，來(lái)流入庫(kù)之后沿庫(kù)底向壩前爬行。1月氣溫達(dá)到全年最低，來(lái)流水溫也降至全年最低5.1 ℃，11月—翌年1月，壩前垂向表底基本同溫。呈季節(jié)性分層結(jié)構(gòu)特征。

圖7 固軍水庫(kù)壩前逐月水溫分布（情景1）

在情景2中，各月月中壩前水溫分布見圖7。除入出庫(kù)流量和壩前水位外，固軍水庫(kù)枯水年的計(jì)算條件與平水年基本相同，來(lái)流水溫仍采用多年平均的逐月入庫(kù)水溫。固軍枯水年來(lái)流為平水年的57%，10月—翌年2月的運(yùn)行水位平均比平水年低12 m，3—4月的運(yùn)行水位與平水年相同。但枯水年3—4月來(lái)流僅為平水年的42%，因而3—4月水庫(kù)調(diào)節(jié)性能相對(duì)平水年更高，水庫(kù)下泄低溫水現(xiàn)象更為突出。庫(kù)區(qū)在典型枯水年的水溫結(jié)構(gòu)和平水年相近，仍呈季節(jié)性分層結(jié)構(gòu)特征。

圖8 固軍水庫(kù)壩前逐月水溫分布（情景2）

在情景3中（庫(kù)區(qū)分布圖未顯示），各月月中壩前水溫分布見圖8。除入出庫(kù)流量和壩前水位外，固軍水庫(kù)豐水年的計(jì)算條件與平水年基本相同，來(lái)流水溫仍采用多年平均的逐月入庫(kù)水溫。固軍豐水年來(lái)流為平水年的1.42倍，10月—翌年2月的運(yùn)行水位平均比平水年高2.0 m，3—4月的運(yùn)行水位與平水年相同。但豐水年來(lái)流主要集中在7—9月，3—4月來(lái)流僅為平水年的92%，因而3—4月水庫(kù)調(diào)節(jié)性能相對(duì)平水年有所提高，水庫(kù)下泄低溫水現(xiàn)象更為突出。庫(kù)區(qū)在典型豐水年（圖9）的水溫結(jié)構(gòu)和平水年相近，仍呈季節(jié)性分層結(jié)構(gòu)特征。

圖9 固軍水庫(kù)壩前逐月水溫分布（情景3）

3.2 不同情景下泄水溫預(yù)測(cè)

根據(jù)取水口取水高程，圖10—圖12顯示了固軍水庫(kù)在不同情景下的下泄水溫過程。

在情景1下，與壩址現(xiàn)狀水溫相比，水庫(kù)對(duì)下游水溫存在明顯影響。水庫(kù)年均下泄水溫比建壩前升高0.6 ℃。下泄水溫在2—6月比建壩前壩址水溫有所降低，平均降低了1.6 ℃，3月降低最多，達(dá)2.8 ℃。7月—翌年1月，下泄水溫平均上升2.0 ℃，11月溫升幅度最大，為3.8 ℃。全年出現(xiàn)月均最高溫度的月份建壩前后均為8月；全年出現(xiàn)月均最低溫度的月份建壩前為1月，建壩后為2月；月均最高溫度從建壩前的25.9 ℃升為建壩后的26.9 ℃，月均最低溫度從建壩前的5.4 ℃升為建壩后的6.1 ℃，溫差擴(kuò)大了0.3 ℃。

圖10 固軍水庫(kù)月均下泄水溫與壩址天然水溫的比較（情景1）

在情景2下，與壩址水溫相比，水庫(kù)對(duì)下游水溫存在明顯影響。水庫(kù)年均下泄水溫比建壩前升高0.7 ℃。下泄水溫在2—6月比建壩前壩址水溫有所降低，平均降低了1.8 ℃，3月降低最多，達(dá)3.1 ℃。7月—翌年1月，下泄水溫平均上升2.5 ℃，10月溫升幅度最大，為4.6 ℃。全年出現(xiàn)月均最高溫度的月份建壩前后均為8月；全年出現(xiàn)月均最低溫度的月份建壩前為1月，建壩后為2月；月均最高溫度從建壩前的25.9 ℃升為建壩后的26.9 ℃，月均最低溫度從建壩前的5.4 ℃升為建壩后的6.1 ℃，溫差擴(kuò)大了0.3 ℃。

圖11 固軍水庫(kù)月均下泄水溫與壩址天然水溫的比較（情景2）

在情景3下，與壩址水溫相比，水庫(kù)對(duì)下游水溫有明顯影響。水庫(kù)年均下泄水溫比建壩前升高0.6 ℃。下泄水溫在2—6月比建壩前壩址水溫有所降低，平均降低了1.6 ℃，3月降低最多，達(dá)3.1 ℃。7月—翌年1月，下泄水溫平均上升2.1 ℃，11月溫升幅度最大，為3.8 ℃。全年出現(xiàn)月均最高溫度的月份建壩前后均為8月；全年出現(xiàn)月均最低溫度的月份建壩前為1月，建壩后為2月；月均最高溫度從建壩前的25.9 ℃升為建壩后的26.6 ℃，月均最低溫度從建壩前的5.4 ℃升為建壩后的6.4 ℃，溫差減小了0.3 ℃。

圖12 固軍水庫(kù)月均下泄水溫與壩址天然水溫的比較（情景3）

3.3 防洪水庫(kù)變異水溫過程對(duì)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)魚類的影響

3.3.1 固軍水庫(kù)對(duì)壩下保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)及產(chǎn)卵場(chǎng)的影響

固軍壩下分布有鯉、鯽魚的產(chǎn)卵場(chǎng)，在長(zhǎng)江上游其產(chǎn)卵時(shí)間為3—5月[12]，喜好在流水生境中產(chǎn)卵。鯉、鯽魚的產(chǎn)卵時(shí)間依賴于水溫條件，當(dāng)水溫達(dá)到16 ℃時(shí)才開始產(chǎn)卵[11-12]。將3—5月壩址天然水溫和不用情景下的下泄水溫與產(chǎn)卵閾值水溫進(jìn)行了對(duì)比分析以確定防洪水庫(kù)修建對(duì)壩下魚類產(chǎn)卵場(chǎng)的影響。

圖13顯示了壩下鯽魚產(chǎn)卵期間固軍水庫(kù)下泄水溫對(duì)產(chǎn)卵場(chǎng)的影響程度。從圖13可以看出，天然情況下，鯽魚在4月中旬開始產(chǎn)卵。然而由于防洪水庫(kù)的修建，在情景1中，鯉魚、鯽魚產(chǎn)卵時(shí)間延遲超過一旬，在4月末開始產(chǎn)卵；在情景2中，鯉魚、鯽魚的產(chǎn)卵時(shí)間相較于情景1延遲時(shí)間更久，在5月初開始產(chǎn)卵；而在情景3中，鯉魚、鯽魚的產(chǎn)卵時(shí)間延遲一旬，在4月下旬將開始產(chǎn)卵?？偟膩?lái)說(shuō)，建庫(kù)均會(huì)延遲鯉、鯽魚的產(chǎn)卵時(shí)間，但影響程度隨運(yùn)行情景的不同而不同，影響程度（延遲時(shí)間的長(zhǎng)短）從小到大：情景3<情景1<情景2。

圖13 下泄水溫對(duì)壩下產(chǎn)卵場(chǎng)的影響

3.3.2 庫(kù)區(qū)水溫結(jié)構(gòu)對(duì)上游保護(hù)區(qū)的影響

裂腹魚在產(chǎn)卵期需要進(jìn)行短距離生殖洄游。中華裂腹魚和重口裂腹魚的產(chǎn)卵場(chǎng)位于保護(hù)區(qū)的核心區(qū)，固軍水庫(kù)的運(yùn)行不會(huì)影響到產(chǎn)卵場(chǎng)的水溫過程。但在產(chǎn)卵前的洄游期，需要在一定的水溫范圍內(nèi)才能觸發(fā)洄游行為[20]。本文對(duì)產(chǎn)卵洄游期（7月）壩址處的天然水溫進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，7月的多年平均水溫為24.8 ℃，在長(zhǎng)江支流洄游魚類洄游期間喜好水溫范圍（22～28 ℃）之內(nèi)[21]。在情景1，情景2和情景3中，庫(kù)區(qū)7月均出現(xiàn)水溫分層現(xiàn)象。當(dāng)水位高程在468 m及以上時(shí)，水溫滿足24.8～28 ℃范圍，因此，庫(kù)區(qū)的水溫結(jié)構(gòu)重塑為種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)內(nèi)的裂腹魚洄游提供了更廣闊的，適宜洄游的水溫通道。

3.4 不同壩前取水方式的對(duì)比

根據(jù)3.2節(jié)下泄水溫預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)一步分析得出了水庫(kù)在不同情景下（不采取任何措施下（單層取水））下泄水溫與壩址天然水溫之間的差異（圖14）。各情景下均存在明顯的春季“低溫水”和冬季“高溫水”現(xiàn)象。其中豐、枯水年3月下泄水溫低于建壩前天然水溫3.1 ℃，為降幅最大月份，枯水年10月下泄水溫高于建壩前天然水溫4.6 ℃，為升幅最大月份。

圖14 固軍水庫(kù)單層取水時(shí)下泄水溫與天然水溫的差異

上述的“低溫水”效應(yīng)，會(huì)推遲壩下鯉、鯽魚的產(chǎn)卵開始時(shí)間。目前應(yīng)用較多的低溫水緩解措施有前置擋墻、疊梁門取水[22]等。本文就“低溫水”時(shí)期（2—6月）采取前置擋墻/疊梁門取水措施（擋墻頂高程470.5 m，圖15），再次模擬了固軍水庫(kù)的情景1、情景2和情景3的水溫過程。減緩效果見圖16—圖17。結(jié)果表明，在采取緩解措施下，情景1的產(chǎn)卵期間“低溫水”現(xiàn)象消失，情景3的下泄水溫較天然水溫僅降低了0.1 ℃，而情景2較天然水溫降低了0.9 ℃，較單層取水時(shí)提高了1.7 ℃。情景1和情景3下，固軍水庫(kù)的下泄水溫幾乎不會(huì)對(duì)壩下產(chǎn)卵場(chǎng)產(chǎn)生影響，而情景2中，下泄水溫使得產(chǎn)卵開始時(shí)間從單層取水的5月上旬提前到4月下旬。綜上所述，減緩措施具有顯著的生態(tài)正效應(yīng)。

圖15 固軍水庫(kù)前置擋墻取水/疊梁門取水措施示意

就對(duì)前置擋墻和疊梁門的對(duì)比選取，水庫(kù)長(zhǎng)時(shí)段低水位運(yùn)行使水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)呈季節(jié)性分層分布，下泄低溫水現(xiàn)象并不非常顯著，但不排除運(yùn)行期部分高水位運(yùn)行年份的全年分層和嚴(yán)重的低溫水現(xiàn)象。水庫(kù)開發(fā)任務(wù)主要為防洪，多數(shù)年份不能蓄滿，且水庫(kù)在3月或4月即需降至死水位運(yùn)行，使泄流孔口靠近表層溫水層而提高了下泄水溫。若采用疊梁門，為應(yīng)對(duì)部分年份的高水位，需設(shè)置5.0 m×5（共5層）疊梁門葉，而實(shí)際上在有魚類產(chǎn)卵水溫需求的4—5月只能啟用1層疊梁門，使用效率低下。綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，推薦前置擋墻措施作為低溫水應(yīng)對(duì)措施，低溫水改善幅度范圍為1.8～2.1 ℃。

圖16 固軍水庫(kù)前置擋墻取水/疊梁門取水措施與天然水溫的差異

intake measures of front retaining wall/stoplog gate

圖17 固軍水庫(kù)前置擋墻/疊梁門取水比單層取水的下泄水溫改善效果

4 討論

4.1 降水位運(yùn)行對(duì)下泄水溫的影響和改善

由于降雨補(bǔ)給的時(shí)空影響，西南山區(qū)中小型流域洪峰過程較其他區(qū)域有所提前。為滿足防洪要求，該流域防洪水庫(kù)通常具有提前降水位的運(yùn)行特征。由于提前降水位運(yùn)行，該類型水庫(kù)水體置換速度相比于其他水庫(kù)更快[22]，其壩下河道更容易獲得表層高溫水。因此，其運(yùn)行方式對(duì)壩下魚類的洄游和產(chǎn)卵繁殖的影響相比于其他類型的水庫(kù)具有一定的促進(jìn)作用。

已有研究表明，前置擋墻/疊梁門分層取水措施有助于水庫(kù)改善下泄低溫水現(xiàn)象[23]。相比之下，以往分層取水研究主要集中在大江大河的大型水庫(kù)中，且重點(diǎn)關(guān)注措施的改善效果[22]。本研究結(jié)合中小流域防洪水庫(kù)提前低水位的運(yùn)行特征，強(qiáng)調(diào)了提前降水位運(yùn)行將進(jìn)一步改善前置擋墻的水溫。研究成果可為水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度提供技術(shù)支撐。

4.2 魚類洄游的保護(hù)建議

魚類洄游不僅受到壩體阻隔的影響，還受到水溫屏障的影響[11]。以往研究重點(diǎn)關(guān)注的是壩體的阻隔影響，大量學(xué)者集中在魚道（位置布置，下泄流量和機(jī)組工況等）如何滿足魚類上溯的問題[21]。然而只考慮單一的魚道，魚類可能在庫(kù)區(qū)失去洄游方向，從而導(dǎo)致魚類洄游失敗[21]。本研究闡釋了中小流域防洪水庫(kù)運(yùn)行對(duì)其庫(kù)區(qū)洄游水溫通道的影響，強(qiáng)調(diào)魚道的運(yùn)行應(yīng)與庫(kù)區(qū)水溫通道的塑造相結(jié)合，尤其是保護(hù)區(qū)的修復(fù)和維護(hù)。

固軍水庫(kù)壩下設(shè)置了魚道以滿足保護(hù)魚類的洄游要求。對(duì)于本研究中的保護(hù)魚類，水庫(kù)管理者應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注7月前后魚道和水庫(kù)的運(yùn)行模式，采用如加密庫(kù)區(qū)水溫監(jiān)測(cè)，快速預(yù)測(cè)庫(kù)區(qū)水溫分布等方法以充分了解庫(kù)區(qū)現(xiàn)在及未來(lái)的水溫分布，可增加魚類成功洄游到上游關(guān)鍵棲息地的成功概率。

5 結(jié)論

1）在不同情景設(shè)置下，固軍水庫(kù)均表現(xiàn)為季節(jié)性分層水庫(kù)，不存在全年穩(wěn)定的庫(kù)底水溫。水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的重塑為保護(hù)區(qū)內(nèi)的裂腹魚洄游創(chuàng)造了更多適宜洄游的水溫通道。

2）固軍水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游水溫存在明顯影響。在情景1，情景2和情景3下，鯉、鯽魚分別延遲至4月末，5月初以及4月下旬開始產(chǎn)卵。其影響程度從小到大：情景3＜情景1＜情景2。

3）防洪型水庫(kù)相對(duì)于非防洪型水庫(kù)來(lái)說(shuō)，其低水位運(yùn)行更有利于壩下魚類的產(chǎn)卵繁殖活動(dòng)。

4）固軍水庫(kù)采用前置擋墻取水后，平、豐水年下產(chǎn)卵期間的“低溫水”現(xiàn)象幾乎消失，而枯水年的低溫水影響程度極其有限。

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Simulation Study on the Effects of Small and Medium-sized River Flood Control Reservoirs in Mountainous Areas on Water Temperature:A Case Study in Gujun Reservoir

LI Jianwei1, ZHUANG Chunyi1, ZHANG Peng2*, LIANG Ruifeng2

(1.Sichuan Water Resources and Hydroelectric Investigation & Design Institute CO., LTD, Chengdu 610072, China;2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

【Objective】The purpose of this paper is to explore the effect of water temperature in small and medium-sized river flood control reservoirs in mountainous areas.【Method】In this paper, the Gujun reservoir, which is in Jialing River Basin, was selected as the research target. A laterally-averaged water temperature model was developed to simulate the water temperature distribution in the reservoir and water temperature released from reservoir under different scenarios in typical normal, dry and wet years (namely, scenario 1, 2 and 3, respectively). Then, the influence of the reservoir on water temperature, fish migration and spawning in National Aquatic Germplasm Reserves in China were discussed.【Result】The results showed that Gujun reservoir was a seasonal stratified reservoir under all scenarios, and the bottom water temperature was not stable during the whole year. The remolding of reservoir water temperature structures created more suitable water temperature channels for Schizothorax migration in the National Aquatic Germplasm Reserves. In addition, the operation of Gujun reservoir had a significant impact on the water temperature downstream. When reservoir operated without mitigating measures, the spawning start time ofandunder scenarios 1, scenarios 2 and scenarios 3 were delayed to the end of April, early May and the last ten days of April respectively, where the influence degree from small to large was scenario 3 < scenario 1 < scenario 2. Moreover, the phenomenon of low temperature water in spring had been effectively alleviated when the reservoir operated with stratified water intake measures at which the negative effects on spawning almost disappeared under scenarios 1 and 3, while the influence degree of low temperature water in scenarios 2 was extremely limited.【Conclusion】The low water level operation of flood control reservoirs in small and medium-sized rivers is conducive to the migration of fish in the reservoir area, meanwhile the front retaining wall can be used to alleviate the low-temperature water discharged to protect fish spawning. The results of this research can provide basic technical support for reservoir managers to implement ecological operation.

flood control reservoir; water temperature; national aquatic germplasm reserves; stratified water intake

1672 - 3317（2022）09 - 0131 - 10

TV697.21

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022257

李健威, 莊春義, 張鵬, 等. 山區(qū)中小河流防洪水庫(kù)對(duì)水溫影響的模擬：以固軍水庫(kù)為例[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(9): 131-139, 146.

LI Jianwei, ZHUANG Chunyi, ZHANG Peng, et al. Simulation Study on the Effects of Small and Medium-sized River Flood Control Reservoirs in Mountainous Areas on Water Temperature: A Case Study in Gujun Reservoir[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(9): 131-139, 146.

2022-05-10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0401700）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51379136）

李健威（1969-），男。高級(jí)工程師。主要從事環(huán)境保護(hù)研究。E-mail：w133505@126.com

張鵬（1993-），男。博士，主要從事生態(tài)環(huán)境水力學(xué)研究。E-mail：2016223065134@stu.scu.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍