水库水温结构影响因素及与下泄水温的变化关系

薛联芳，颜剑波

(1.水电水利规划设计总院，北京　100011； 2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙　410014)



水库水温结构影响因素及与下泄水温的变化关系

薛联芳1，颜剑波2

(1.水电水利规划设计总院，北京100011； 2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014)

根据水库坝前垂向水温分布的特点，水库水温结构可分为分层型、过渡型和混合型。影响水库水温结构的因素很多，主要有来水水温、气象条件、径流特征、水库特性和运行方式。通过研究我国不同地域、不同规模的20多座水库实测水温资料，分析了水库水温结构变化规律。结果表明，径流-库容比(α值)是影响水库水温结构的最主要因素，并且与下泄水温存在良好的对应关系，根据该值可初步估算下泄水温变化范围。

水库水温结构；下泄水温；径流-库容比；取水口高程

目前，国内外对水库水温结构的研究大多是基于单个水库水温实测资料验证或数学模型预测分析，对多个水库水温结构规律研究较少[1-2]。在环境影响评价中，对于水库及其下泄水温的变化，虽然都采用经验公式或经过实测水温资料验证的数学模型进行预测计算，但对于预测结果的合理性、准确性往往难以判定。实际上，部分水库建成后对水库水温及其下游水温变化的观测表明，预测结果与实测值存在较大差距。本文基于国内多个水库坝前水温的观测数据，对水库水温结构及其影响因素进行分析研究，尝试找出影响水库水温结构的主要因素及其量化指标，并建立该指标与水库水温结构及其下泄水温影响的相关关系。通过分析这种一般性的规律，试图找出快速判别水库水温结构及其下泄水温变化幅度简单有效的经验方法。

1　资料来源

本文采用的国内20多座水库覆盖了不同调节性能(多年调节、年调节、季调节和日调节)和不同地区(北方和南方、东北和西部等)，具有一定代表性。研究采用的水库水温观测数据均为水库稳定运行后的全年逐月实测资料，有些是近坝区断面中心线的典型年垂向水温观测资料，有些是坝面温度计多年观测的水温资料，垂向水温观测的范围从库表至库底(或接近库底)。建库前后出库、入库水温选取控制水文站长期实测资料。

2　水库水温结构变化规律

影响水库水温结构的因素有很多，主要有来水水温、气象条件、径流特征、水库特性和运行方式，径流-库容比(α值)是影响水库水温结构的最主要因素。

2.1水库水温结构与α值相关关系

现有研究表明，水库水温在时间上以年为周期性变化[3-4]。在空间上，水库水温在纵向、横向和垂向均呈现一定规律：一般的水库水温在横向上变化较小，只有在库岸、浅滩附近或洪水入库扰动时，有一定差异[5]；纵向上，深泓线平均水温一般在升温期自库尾向坝前沿程递减，降温期则沿程递增，对于近坝区的水库水体，不考虑洪水冲击的特殊时刻，水库等温线基本是水平的；水库垂向水温分布最为复杂，也最能反映水库水温的空间分布特征。水库水温在空间的分布可近似简化为沿水深分布的一维模型[6]。

通过研究国内20多个水库的坝前水温观测资料发现，水库水温结构与α值关系基本符合水温结构“α值判别法”表示的相关关系：α≤10时，水温结构为分层型；α≥20时，水温结构为混合型；10<α<20，水温结构为过渡型。此外，对于α≤10的分层型水库，α≤5时，水温结构为稳定分层型，这类水库一般为多年调节性水库；5<α≤10时，水温结构为较稳定分层型，这类水库一般为不完全多年调节或年调节性水库，不同水库水温类型与α值的关系见表1。

表1　水库水温结构与α值的关系

2.2α值与取水口高程相关关系

表1反映水库水温结构和α值有很高的相关关系，α值越大，水库水体交换的次数越多，水体掺混程度越高，垂向水温温差越小。有研究认为，水库水体交换首先发生在取水口以上部分，对同一水库，取水口设置得越低，温跃层分布越低[7-8]。针对不同α值的水库，结合取水口分布，进一步验证水库水温主要受α值影响。

当α≤5时，水体交换主要发生在取水口高程以上，因此变温层基本分布在取水口高程以上，取水口高程以下水体水温变化很小，这种水库水温呈现稳定分层的特征，例如东江水库和光照水库。

当α>5时，取水口高程以下水体也频繁参与水体交换，变温层发展到取水口高程以下，取水口高程以下水体水温变化显著增大，例如柘溪水库和安康水库。水库坝前水温分布与取水口高程的关系见图1。

图1　水库坝前水温分布与取水口高程的关系Fig.1　Relationship between water temperature distribution in front of the reservoir and the elevation of water intake

2.3不同α值水库下泄水温变化分析

通过收集国内多座水电站建库前后入库水温、出库水温资料进行对比分析，得到水库下泄水温变化计算公式：

ΔT=(Toa-Tob)-(Tia-Tib)

式中，Tob、Toa分别为建库前、后出库水温；Tib、Tia分别为建库前、后入库水温。

计算得到几个典型水库出库水温变化值见表2。对比α值发现，水库下泄水温变幅与水库α值也有较好的对应关系，α值很小的稳定分层型水库，夏季降温幅度和冬季升温幅度相对较大，下泄水温年内变化比较稳定。随着α值增大，水温结构由分层型逐渐向过渡型转变，夏季降温幅度和冬季升温幅度相对较小，出库水温年内变化接近天然水温变化。

表2　几个典型水库α值与出库水温变化值

3　结论

(1)入库年径流量与水库库容比值(α值)的大小是影响水库水温分布的主要因素。α值与水库水温分层强弱具有很好的对应关系，α值越大，水库水温分层结构越弱，反之则越强。当α≤5时，水库水温结构经常表现为稳定分层型，这类水库一般为多年调节型，由于取水口高程以上库容一般较大，取水口高程以下水体很难被交换，其水温变化很小；当5<α≤10时，水库水温结构往往为较稳定分层型，这类水库一般为不完全多年调节或年调节型，由于取水口高程以下水体频繁参与水体交换，变温层发展到进水口高程以下，进水口高程以下水体水温变化明显增大。

(2)α值与下泄水温也有较好的相关关系。α值越小的水库，下泄水温年内变化越小，与天然河流水温相比，出库水温改变越大；α值越大的水库，下泄水温年变化越接近天然水温的年变化，与天然河流水温相比，出库水温改变越小。

(3)根据本文研究成果，可以利用水库径流量与库容的比值快速判断水库水温结构及其对出库水温的影响，能够为水利水电工程水温影响预测提供有益参考。但本文采用的是统计学分析方法，由于样本主要为我国中东部地区的水库实测水温，西南地区样本较少，尤其缺乏高海拔地区的水库实测水温，因此应用于西南、高海拔地区时，存在一定的局限性。

[1]陶美, 逄勇, 王华, 等. 洪水对水库水温分层结构的影响[J]. 水资源保护, 2013, 29(3): 38-44.

[2]邓云, 李嘉, 李克锋, 等. 紫坪铺水库水温预测研究[J]. 水利水电技术, 2003, 34(9): 50-52.

[3]张大发. 水库水温分析及估算[J]. 水文, 1984(1): 19-27.

[4]朱伯芳. 库水温度估算[J]. 水利学报, 1985(2): 12-21.

[5]中国水电顾问集团成都勘测设计研究院. SDJ 214—83水利水电工程水文计算规范[S]. 北京: 中国电力出版社, 2009.

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[7]郝红升, 李克锋, 李然, 等. 取水口高程对过渡型水库水温分布结构的影响[J]. 长江流域资源与环境, 2007，16(1): 21-25.

[8]任华堂, 陶亚, 夏建新. 不同取水口高程对阿海水库水温分布的影响[J]. 应用基础与工程科学学报, 2010, 18(S1): 84-91.

Study on the Influencing Factors of Reservoir Water Temperature Structure and the Relationship with Discharge Water Temperature

XUE Lian-fang1, YAN Jian-bo2

(1.China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100011, China; 2.PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

According to the characteristics of the vertical water temperature distribution in the reservoir, the water temperature structure can be divided into three types: the layered, the transitional, and the mixed type. There are many factors affecting the reservoir water temperature structure, mainly including inflow water temperature, weather conditions, runoff characteristics, reservoir characteristics, and operation scheme. This paper studied the water temperature data of more than twenty reservoirs in different regions and different scales in China, and analyzed the change rule of water temperature structure. Analysis results showed that the ratio of runoff and reservoir capacity (α value) is a critical influencing factor of the reservoir water temperature structure, and it has a good corresponding relationship with reservoir discharge water temperature. According to the α value, we can estimate the approximate range of discharge water temperature.

reservoir water temperature structure; discharge water temperature; the ratio of runoff and reservoir capacity; elevation of water intake

2016-02-18

薛联芳(1964—)，男，福建上杭县人，教授级高级工程师，硕士，主要研究方向为水电环境保护，E-mail：xuelianfang@263.net

10.14068/j.ceia.2016.03.008

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0029-03