賈洪濤

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004)

引 言

水電站的大規(guī)模開發(fā)一方面帶來了經(jīng)濟(jì)效益，另一方面也帶來了較大的環(huán)境問題，水溫作為水環(huán)境的重要影響因子之一，水庫溫度場的分布情況對水生態(tài)系統(tǒng)以及水質(zhì)情況均有較大影響[1-2]，因此水庫水溫分層結(jié)構(gòu)特征一直是廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前水庫水溫模擬軟件有MIKE、CE-QUAL-W2、EFDC、SWAT、WASP等[3-6]，這些水動(dòng)力模型的不斷完善在國內(nèi)外湖、庫水溫模擬上發(fā)揮了巨大的作用。如劉晉高等[7]通過CE-QUAL-W2模型模擬了在多種類型的倒灌異重流下三峽庫區(qū)水體水溫分布情況；龍圣海等[8]通過MIKE3建立了金盆水庫的三維水溫模型預(yù)測并分析了入流水溫和泄洪洞位置對庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)的影響；程偉平等[9]運(yùn)用EFDC模擬滇池外海流域溫度時(shí)發(fā)現(xiàn)湖體的表層水溫分布情況與對流熱傳遞系數(shù)大小關(guān)系較為密切；啜明英等[10]模擬了整流幕設(shè)置前后香溪河庫灣水溫分布特征。

梯級(jí)水電的開發(fā)很大程度上改變了天然河道的水溫情況，對庫區(qū)及下游河段的水生生物、農(nóng)田灌溉、工農(nóng)業(yè)和生活用水等將產(chǎn)生一定影響，這種影響是群體性、系統(tǒng)性、累積性的[11]。梯級(jí)電站的開發(fā)對下游庫區(qū)水溫環(huán)境影響主要包括上游梯級(jí)水庫建成后對天然河道水溫影響以及單庫對天然河道水溫影響[12]，而不同的水溫結(jié)構(gòu)對天然水溫的影響也不同，水庫水溫結(jié)構(gòu)分為穩(wěn)定分層型、過渡型和混合型三種，水溫累積效應(yīng)主要包括單個(gè)水庫不同開發(fā)階段的下泄水溫變化和梯級(jí)水庫聯(lián)合運(yùn)行時(shí)下泄水溫的變化，下泄低溫水一方面可以改變原有天然河道的水溫分布，另一方面水溫可影響水質(zhì)狀況(如生化耗氧及復(fù)氧過程)，進(jìn)而導(dǎo)致水體中各種成分含量的變化，最終會(huì)對河道下游農(nóng)作物及魚類等對水溫(水質(zhì))變化較為敏感的物種產(chǎn)生不利影響。目前，國內(nèi)外有關(guān)水溫方面的研究主要集中在單個(gè)湖泊或水庫中，而在梯級(jí)電站方面的研究主要集中在水文形勢、水質(zhì)情況、生態(tài)需水量等方面[13-14]，而對梯級(jí)電站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)下游庫區(qū)的水溫的累積性影響方面研究較少。本文擬以烏江渡水庫為例，分析烏江梯級(jí)電站聯(lián)合運(yùn)行時(shí)烏江渡水庫水溫分布特征，研究結(jié)論可為研究減少梯級(jí)電站下泄低溫水的防治對策提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

烏江流域位于東經(jīng)104°18′～109°22′，北緯26°07′～30°22′，流域總面積87 920 km2，其中，貴州境內(nèi)為66 849 km2，占76%，是云貴高原上的一條大河，長江的主要支流之一。源于云、貴兩省交界線上的烏蒙山東麓的三岔河，在貴陽西北與六沖河匯合成烏江上游干流。烏江上游水電站依次為普定水電站-引子渡水電站-洪家渡水電站-東風(fēng)水電站-索風(fēng)營水電站-烏江渡水電站，東風(fēng)水電站于1995年建成并投產(chǎn)使用，索風(fēng)營水電站于2006年投產(chǎn)發(fā)電，烏江渡水電站于1982年年底投產(chǎn)使用。烏江渡水庫是烏江梯級(jí)開發(fā)的第6級(jí)電站，位于貴州省遵義市遵義縣，地處川黔線上、烏江南(右)岸，北靠遵義市，南鄰貴陽市，西面是畢節(jié)縣，東面是玉屏縣，工程規(guī)模為一等，是一座以發(fā)電、防洪為主，兼有航運(yùn)等功能的大型水庫，共裝有3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)流量60萬千瓦，控制流域面積27 790 km2，多年平均流量502 m3/s，總庫容23億m3，壩高165 m(為當(dāng)時(shí)我國已建水電站中第一壩高)，正常蓄水位760 m，死水位720 m，研究區(qū)地理位置見圖1。

圖1 工程地理位置

2 模型建立與率定

EFDC(The Environmental Fluid Dynamics Code)模型由美國環(huán)保署資助開發(fā)，是一個(gè)集水動(dòng)力、水質(zhì)、沉積物、泥沙及有毒物質(zhì)等于一體的三維流體動(dòng)力學(xué)模型[15]，因在處理邊界條件以及底部地形擬合效果較好而被廣泛應(yīng)用于模擬水系統(tǒng)一至三維流場中物質(zhì)輸運(yùn)、淡水入流以及生態(tài)過程。當(dāng)前水庫水溫結(jié)構(gòu)判定采用較多的是徑流一庫容比數(shù)法，計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[12]，算得烏江渡水庫為溫度分層型，且洪水對水溫結(jié)構(gòu)有一定影響，故本文建立了烏江渡庫區(qū)EFDC三維水溫模型。

2.1 基本方程

采用二階精度的空間有限差分格式求解EFDC控制方程，垂向上采用σ坐標(biāo)變換，采用平面曲線正交、交叉網(wǎng)格變量控制、二階精度的三層有限差分格式進(jìn)行時(shí)間積分，動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、溫度輸運(yùn)方程、具體的計(jì)算方法以及方程的離散求解查閱相關(guān)文獻(xiàn)[3]、[8]。

2.2 初始條件

初始水位 采用2002年烏江渡水庫壩前實(shí)測的月均水位資料，見表1。

表1 2002年烏江渡水庫各月平均水位

初始水溫 根據(jù)烏江渡水溫實(shí)測資料情況，烏江渡水庫庫區(qū)水深0～5 m，水溫均勻分布；5～20 m為溫躍層，20 m以下溫度趨于穩(wěn)定，水溫均勻分布。按照水庫水溫的分層情況，將水庫平均分成20層。初始水溫分布根據(jù)2002年烏江渡水庫壩前實(shí)測垂向分布水溫設(shè)定，取值為模擬月份前一個(gè)月的水溫垂向分布值，沒有給定的水層初始水溫按相鄰兩層的數(shù)值進(jìn)行線性內(nèi)插。

流量、水位邊界 選取索風(fēng)營水庫下游200 m以下至烏江渡壩址范圍內(nèi)河段為研究對象，建立EFDC模型，烏江渡水電站共設(shè)三個(gè)開邊界，上游邊界分為主干流和偏巖河支流，下游設(shè)出庫斷面，見圖2。由于沒有2002年1月1日至2002年12月31日庫區(qū)實(shí)測日平均入庫流量，根據(jù)多年烏江渡斷面各月平均流量進(jìn)行類比作為庫區(qū)日均入庫流量。烏江渡庫區(qū)模型計(jì)算范圍內(nèi)主要支流有偏巖河，其年平均流量為29.2 m3/s，烏江渡水電站出庫流量沒有2002年實(shí)測數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮模型計(jì)算的穩(wěn)定性，按月均水位給定下游水動(dòng)力邊界條件。

圖2 烏江渡庫區(qū)流量邊界

溫度邊界 根據(jù)2002年烏江渡水庫壩前水溫實(shí)測資料，水溫邊界條件根據(jù)分層情況確定，沒有實(shí)測水溫的水層水溫按相鄰兩層線性內(nèi)插得到。

大氣邊界 大氣邊界條件中大氣壓、空氣溫度、空氣濕度、降雨量根據(jù)實(shí)測資料給定，蒸發(fā)量、太陽輻射量及云量根據(jù)模型內(nèi)部給定的大氣壓、空氣溫度而定。

2.3 模型率定驗(yàn)證

根據(jù)2002年烏江渡水庫壩前斷面各月垂向水溫進(jìn)行模型的率定驗(yàn)證，壩前斷面各率定月份模型模擬出的水溫垂向分布曲線和實(shí)測值對比分別見圖3。

從圖3可知烏江渡2002年3、6、9、11月壩前斷面水溫模型計(jì)算值與現(xiàn)場監(jiān)測值溫度差在0.1 ℃～1.1 ℃，模型計(jì)算與實(shí)測誤差在15%范圍內(nèi)，可以用來模擬和計(jì)算烏江渡庫區(qū)的水溫分布。

圖3 2002年3月、6月、9月和11月烏江渡壩前斷面垂向水溫

根據(jù)對烏江渡水電站水溫的率定，得到EFDC模型計(jì)算水溫率定的參數(shù)中的蒸發(fā)傳熱系數(shù)、總懸浮固體消光系數(shù)、凈水消光系數(shù)、初始河床溫度、河床熱力厚度、水體表層水最小太陽輻射吸收率、河床和水體之間的傳熱系數(shù)和河床反射到水體的太陽輻射的比率分別為1.5、0、4.5、12 ℃、13 m、0.3和0.003。

3 結(jié)果與分析

3.1 烏江渡水庫水溫實(shí)測資料的累積性影響分析

烏江渡水庫于1983年下閘蓄水，由于索風(fēng)營水庫2006年投產(chǎn)，故自2006年起烏江渡水庫水溫受上游水庫索風(fēng)營水庫的影響。取烏江渡水庫水位為695 m處的水溫作為下泄水溫，根據(jù)烏江渡1983—2006年的水溫實(shí)測資料，選擇上游梯級(jí)水庫索風(fēng)營未建成時(shí)下泄水溫最高值18.8 ℃(1998年7月)和上游索風(fēng)營水庫建成后下泄水溫最低值16 ℃(2006年7月)，用這兩年的實(shí)測數(shù)據(jù)做累積性影響的模型率定結(jié)果和分析。1998年7月年和2006年7月的水溫實(shí)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 1998年7月和2006年7月烏江渡水庫壩前斷面水溫實(shí)測值

從表2可知：上游索風(fēng)營水庫建成后，同一深度處烏江渡水庫水溫比上游索風(fēng)營水庫未建成時(shí)的水溫要低，溫差在-3.2 ℃～0.6 ℃，其中2006年和1998年的下泄水溫溫差最大為-3.2 ℃，體現(xiàn)了梯級(jí)水庫的水溫累積性效應(yīng)。上游索風(fēng)營水庫建成后，烏江渡水庫水位為738.2 m處的水溫比未建時(shí)高0.6 ℃，筆者分析這可能是實(shí)測誤差或水流的擾動(dòng)所致。

3.2 下泄低溫水對烏江渡水庫壩前垂向水溫影響分析

下泄低溫水的水溫、流量和水庫的庫容等對下游水庫壩前垂向水溫均會(huì)產(chǎn)生一定的影響，同溫度不同流量、同流量不同溫度、同流量同溫度不同庫容的下泄低溫水對水庫壩前斷面的垂向水溫所產(chǎn)生的影響也不一樣[16]。為了研究這些因素所造成的累積性影響，選取天然水溫與入流溫度溫差分別為3 ℃、6 ℃和9 ℃(據(jù)報(bào)道[17]，對于穩(wěn)定分層型水庫，水庫下泄水溫一般比天然水溫低0—10 ℃不等)對烏江渡水庫進(jìn)行模型計(jì)算，同時(shí)根據(jù)上游梯級(jí)水庫的下泄流量選取不同的流量值計(jì)算出上游索風(fēng)營水庫建成前后烏江渡水庫水深5、20、40、80 m處的水溫差，計(jì)算結(jié)果見圖4。

根據(jù)圖4可知，天然水溫與入庫水溫溫差為3 ℃時(shí)，隨入庫流量加大，上游索風(fēng)營水庫建成后與建成前烏江渡水庫5、20、40、80 m處水溫差分別在-0.2 ℃～-2 ℃、-1 ℃～-2.75 ℃、-1.25 ℃～-2.6 ℃、-1 ℃～-2.32 ℃范圍內(nèi)變動(dòng)；天然水溫與入庫水溫溫差為6 ℃時(shí)，隨入庫流量加大，上游索風(fēng)營水庫建成后與建成前烏江渡水庫5、20、40、80 m處水溫差分別在-0.43 ℃～-2.47 ℃、-1.5 ℃～-3.4 ℃、-2 ℃～-3.5 ℃、-1.1 ℃～-3.03 ℃范圍內(nèi)變動(dòng)；天然水溫與入庫水溫相差9 ℃時(shí)，當(dāng)入庫流量由2 000 m3/s增至5 000 m3/s時(shí)，上游水庫建成后與建成前烏江渡水庫5、20、40、80 m處水溫差分別在-1.1 ℃～-2.9 ℃、-1.75 ℃～-3.55 ℃、-1.87 ℃～-3.25 ℃、-1.98 ℃～-3.2 ℃范圍內(nèi)變動(dòng)。說明當(dāng)入庫流量越大時(shí)，下泄低溫水影響越大，水溫的累積性作用越明顯，即烏江渡水庫各個(gè)深度的溫度與上游索風(fēng)營水庫未建時(shí)同一深度的溫差越大；當(dāng)入庫流量相同時(shí)，天然水溫與入流溫度溫差越大，水溫的累積性作用越明顯，即烏江渡水庫各個(gè)深度的水體溫度與上游索風(fēng)營水庫未建時(shí)同一深度的水體溫差越大。

圖4 不同溫差、不同流量下烏江渡各水深處水溫與索風(fēng)營水庫未建前同一深度水溫差

3.3 下泄低溫水對烏江渡水庫表層水溫分布影響

一般而言，水庫除用于發(fā)電和防洪外，還應(yīng)滿足其他農(nóng)業(yè)上用水的需求，特別是當(dāng)作為農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)對水溫的要求較高。上游下泄低溫水進(jìn)入下游水庫時(shí)，由于庫尾段庫區(qū)水深不大，水體混合較為充分，經(jīng)過水體內(nèi)部的熱交換以及水體和大氣之間的熱交換后，庫表水溫會(huì)沿程逐漸升高[18]。當(dāng)在水庫表層取水時(shí)需知道取水口水溫是否適宜農(nóng)作物的生長，否則會(huì)造成糧食減產(chǎn)等損失，因此需要對庫區(qū)表層水溫進(jìn)行沿程變化分析，使水庫取水口的溫度滿足各用途要求。

為分析不同流量和不同溫度下的上游下泄低溫水對烏江渡水庫表層水溫分布的影響，取烏江渡水庫興利庫容15.8億m3進(jìn)行模型計(jì)算，同時(shí)取三組不同的溫度(分別為上游水庫下泄水溫較天然河道水溫低3 ℃、6 ℃和9 ℃)，再分別取五組不同的流量(900、1 350、2 100、2 400和2 700 m3/s)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖5。

圖5 天然水溫與入流水溫溫差3 ℃、6 ℃和9 ℃時(shí)烏江渡庫表水溫與天然水溫的溫差

由圖5分析可知：當(dāng)天然水溫與入流水溫溫差為3 ℃時(shí)，五組流量下庫表水溫與天然水溫溫差較小變化不大，依次分別為2.5 ℃、2.4 ℃、2.1 ℃、1.8 ℃和1.6 ℃；當(dāng)天然水溫與入流水溫溫差為6 ℃時(shí)，五組流量下對應(yīng)的庫表水溫與天然水溫溫差依次分別為2.3 ℃、2.1 ℃、1.8 ℃、1.0 ℃和0.4 ℃；當(dāng)天然水溫與入流水溫溫差為9 ℃時(shí)，五組流量下對應(yīng)的庫表水溫與天然水溫溫差依次分別為2.1 ℃、0.3 ℃、-0.9 ℃、-2.1 ℃和-3 ℃。說明上游下泄低溫水與天然河道溫差相同時(shí)，下泄流量越大，相同位置處庫表水溫越低；下泄流量相同時(shí)，天然水溫與下泄水溫溫差越大，相同位置庫表水溫越低。

4 結(jié)論

本文以烏江干流烏江渡水電站為研究對象，通過建立EFDC三維水溫模型，根據(jù)往年烏江渡實(shí)測水溫資料對模型進(jìn)行了率定及驗(yàn)證，確定了模型計(jì)算參數(shù)，分析了烏江渡上游索風(fēng)營水電站建成前后下泄低溫水對烏江渡壩前垂向水溫以及庫表水溫的累積性影響，結(jié)果表明：

(1)EFDC模型能夠較好的模擬烏江渡水電站水溫垂向分布特征情況；

(2)烏江渡入庫流量越大，下泄低溫水影響越大，水溫的累積性作用越明顯，烏江渡水庫各個(gè)深度的溫度與上游索風(fēng)營水庫建成前同一深度的溫差越大，水溫的累積性影響越明顯；入庫流量相同時(shí)，天然水溫與入流溫度溫差越大，水溫的累積性作用越明顯；

(3)上游下泄低溫水與天然河道溫差相同時(shí)，下泄流量越大，相同位置處庫表水溫越低；當(dāng)下泄流量相同時(shí)，天然水溫與下泄水溫溫差越大，相同位置庫表水溫越低。