巴塘河段梯级电站联合调度对水温的影响

张 鹏，梁瑞峰，李 永，李克锋

(四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

水温是河流生态系统及水环境中物理、化学和生物过程的关键影响因子[1～3]。水库建成蓄水后，由于受到入流水温、出入库流量、水气界面热交换和水库规模及形态等因素的影响，水库水温与自然河流水温出现较大的差异[4]。大型水库因水库分层常表现为春、夏季下泄低温水和秋、冬季下泄高温水[5-6]，这将会影响到下游流域的农田灌溉，生活用水以及河道鱼类的产卵繁殖等，最终将影响水生生态系统的物质循环和能量流动过程[7]。由于流域梯级水电开发通过联合调度的方式，能充分利用水头，提高流域水能资源利用率，因此在水资源丰富的河段得到了较快的发展[8-9]。然而梯级电站的兴建较大地改变了天然河道径流和热量的时空分配过程，且由于水温沿程变化具有传递性与累积性，在没有足够衰减距离的情况下，水温的改变效应随着梯级水库数量的增加而累积，最后将引起流域内一系列群体性、系统性和累积性的环境影响[10]，如三峡水库和葛洲坝水库蓄水后，下泄水温影响到下游四大家鱼的产卵繁殖[11]。四大家鱼天然情况下的产卵期为4～5月，若该时间段内下泄水体温度不能达到18.0℃，鱼类产卵期将延迟甚至无法进行产卵[12-13]，其种群数量将急剧减少，对河道生物物种的多样性、食物链的平衡等造成不利影响，甚至可能使生态系统发生紊乱。因此，研究特定河段梯级电站水库水温变化情况及累积影响对保护及修复流域水环境和河流生态系统具有重要意义。

目前，国内外学者对水温累积影响研究多采用实测数据比较分析法、经验法以及数值模拟法[14]等，在流域梯级开发对水温的累积影响研究上已取得一定成果。Mihailova等[15]根据2008～2012年实测数据分析了Iskar河梯级电站建设对水温的影响。黄峰[16]基于建坝前后的水文站水温监测资料、库区及下泄水流的水温实测资料，对乌江流域洪家渡至乌江渡的梯级电站进行了水温累积影响的研究。结果显示，不同的水库水温结构对水温累积影响会产生不同的效应：稳定分层型水库对水温累积影响具有正效应，混合型水库与之相反(即温差由于该库的调节作用而减小)，过渡型水库则介于两者之间。梁瑞峰等[17]通过数值模拟对金沙江下游4个梯级电站水温累积影响进行了定量分析，总结了梯级电站水温累积影响的三大特征，即下泄水温延迟效应、平坦化效应和库内水温的同温化效应。郝红升[18]研究了引水式水电站的水温累积影响，认为下泄水温的延迟效应受引水隧洞的影响。郑江涛等[19]采用MIKE11对怒江中下游“一库四级”梯级规划水库群建立了一维水温模型，并对下泄水温进行了预测。预测结果显示，下泄水温受梯级水库的累积影响，且影响程度与各梯级水库的规模、水库形态以及水库的调度方式有关。由此可见，由于河道水电开发具有个体差异的特性，水温的变化情况也随水库结构、建设规模、水库群布置条件及调度方式等因素的不同而呈现出特异性，因此对特定流域梯级电站水库水温累积效应进行研究，掌握河段水温变化规律可为工程后期的生态管理、环境修复及同类项目的建设提供参考。

金沙江作为我国重要的水电能源基地，其上游巴塘河段具有河道落差较大、水能资源丰富、开发条件较好等特点，现已规划3座近期开发的梯级电站(叶巴滩、拉哇和巴塘水电站)。巴塘电站坝下设有12km鱼类栖息地保留河段，主要分布着高原鳅类和省级保护鱼类长丝裂腹鱼，其生命活动对水温的响应十分敏感。梯级水库建成后，其联合调度将对该流域生态环境产生重要影响，水温环境的变化将会影响到巴塘保留河段及巴塘坝下500m巴楚河口鱼类正常产卵繁殖。为定量研究该河段梯级开发对水温的累积影响，本文以金沙江上游巴塘河段叶巴滩、拉哇和巴塘水电站为研究对象，采用宽度平均的立面二维水温模型，对比分析该河段梯级电站单独运行与联合运行时水温变化规律，并定量分析梯级电站对水库水温分布的累积影响和水库下泄水温的累积变化，旨为工程环境保护措施的拟定提供参考，并对其他流域梯级开发和水库运行调度提供借鉴。

1 工程概况

1.1 流域概况

金沙江上游水电规划河段为青海玉树巴塘河口～云南迪庆奔子栏河段(见图1)，全长约772km，天然落差1 516m，河道平均坡降1.96‰，采用13级开发，其中巴塘河段(从上游到下游)的叶巴滩、拉哇和巴塘(各坝址间距离分别为88km，18.5km)3个梯级因不涉及环境敏感对象，且建设条件较好、工程规模较大、经济指标较优被推荐为近期开发工程。3级电站的开发任务均以发电为主，同时兼顾保护生态环境，促进地区社会经济发展等综合效益。

图1 金沙江上游流域水系图Fig.1 Drainage map for the upstream of the Jinsha River

1.2 河段气候特征

选距离巴塘、拉哇及叶巴滩电站较近的巴塘县气象站作为参证站，其海拔高程2 589.1m。据巴塘县气象站观测资料统计，多年平均降水量489.1mm，最大一日降水量42.3mm，降水量年内分配极不均匀，5～10月降水量占全年降水量的94.9%，11月～翌年4月降水量仅占5.1%。多年平均蒸发量为2 037mm(20cm蒸发皿)，其中5月份最大，为253.5mm。多年平均气温12.7℃，7月份平均气温19.7℃，12月份平均气温4.0℃，多年平均最高气温21.6℃，多年平均最低气温5.7℃，极端最高气温37.9℃，极端最低气温-12.8℃。多年平均相对湿度为47.0%。各电站库区气温根据巴塘县气温按照当地气温直减率(0.7℃/100m)换算到相应的正常蓄水位使用。

1.3 水温现状

工程河段上、下游分别设有岗托水文站和巴塘水文站，各站均测有1960～2009年长系列的河道水温资料，两水文站相距约300.4km，巴塘水文站水温数据根据其1960～2016年气象-水温相关关系进行插补延长至2011年。根据两站水温资料分析，工程河段多年(1960～2011年)平均水温为8.4℃，河段沿程增温率约为0.23～0.73℃/100km。按工程河段增温率推算出各梯级电站坝址天然月平均水温见表1。其中巴塘坝址天然水温在3～6月的月平均增温速率为2.7℃/mon，与巴塘气象站3～6月平均增温速率为3.1℃/mon相比，存在高度相关，气温直接影响现状水温。河段冬季不会封冻，但存在岸冰现象。

表1 研究河段1960～2011年月均水温统计表Tab.1 The monthly average water temperature of the studied area in 1960～2011 (℃)

2 宽度平均的立面二维水温模型及其求解方法

2.1 控制方程

采用宽度平均的立面二维水温模型对水温进行预测。水动力控制方程由连续方程和完整的动量方程构成，紊流模式采用双方程k-ε模型。模型采用Boussinesq假定，在密度变化不大的浮力流问题中，只在重力项中考虑密度的变化，而控制方程的其它项中不考虑浮力作用。

模型的水温方程为：

(1)

式中T为水温；u、w分别为纵向和垂向的速度；B为河宽；ve是综合扩散系数，m2/s，v为分子粘性系数v和紊动涡粘系数vt之和；σT是温度普朗特数，与密度梯度和流速梯度有关，通常取为0.85，Cp[J/kg·℃]为水的比热；φz[W/m2]为穿过z平面的太阳辐射通量。

2.2 边界条件

边界条件包括水气界面热交换、入出流和库底的流速及水温条件。水气界面热交换考虑净太阳短波辐射、净长波辐射、蒸发和热传导四个方面；进口边界的水温可采用库尾实测水温、以沿程增温率反推值(电站单独运行)或上游衔接梯级的下泄水温(梯级电站运行)，速度假定为均匀流速(本文采用平水年入流)，k、ε可分别由入流速度近似计算；出口断面假定为充分发展的紊流；模型自由表面采用浮动平面假定，水面位置据水量平衡确定；库底和坝体表面采用无滑移的绝热边界。

模型参数得到了雅砻江二滩水库水温实测数据的验证[20]。

2.3 求解方法

对于每个计算时间步长，每个计算单元网格都满足水量平衡方程、动量方程和热量平衡方程，通过控制单个单元格的水量平衡实现计算域上的水量平衡。模型采用有限体积法和混合格式对微分方程进行离散，通过SIMPLE算法求解差分方程，并采用交错网格避免出现棋盘式不均匀压力场。

具体求解时，首先根据设计入、出库流量差ΔQ计算该时刻运行水位，以水位、入库流量为边界求解u(纵向)、w(垂向)动量方程和k、ε方程。由于建模库容与实际库容存在偏差，此时计算得到的出库流量与设计出库流量是不一致的，计算中通过修正各时刻水位下的地形来消除库容差带来的下泄流量差，以此来保证水量平衡。在修正后地形基础上，将水动力方程与温度方程耦合求解，用新的温度值修正w和k方程的源项，重新计算水动力学方程，直到各方程的误差余量满足精度要求。

3 单电站运行时的水温影响

3.1 巴塘电站单独运行的水温影响

巴塘水库正常蓄水位2 545m，水库总库容为1.55亿m3，为日调节水库，进水口地板高程为2 497m。巴塘水库在正常蓄水位时，整个库区离散为200×75个矩形网格。计算网格单元在主流方向上尺寸为10～200m，在水深方向上为0.5～1m。边界条件采用库尾断面平水年天然逐日流量作为入库流量，坝前水位常年保持在正常蓄水位2 545m，采用库尾断面逐日水温作为入库水温，气象条件均采用多年月均值，模拟巴塘电站单独运行时的库区水温分布及下泄水温过程。

根据模拟结果，库区水温在1月最低，水库在4～6月存在明显的双温跃层；冬季(12～翌年1月)水库存在逆温分布现象，水库整体呈过渡型水温结构特征。图2比较了巴塘电站单独运行时月均下泄水温、坝前表层水温、库底水温、坝址处天然水温及气温年内过程。就坝前表层水温而言1月最低，为1.7℃，6月最高，为17.5℃，年内变化15.8℃。水库坝前不存在稳定的库底水温。库底水温在12 ～翌年2月基本维持在2.4℃～3.0℃，从5月开始入库水温迅速提高，到了6月来流量猛增，库区流动层加厚引起下层温跃层下移，库底低温水层逐渐消失，至8月份由于库区水体替换充分，垂向温差较小，库区基本同温。库底水温在8月最高，为15.6℃，1月最低，为2.4℃，库底水温年内变化为13.2℃。水库部分月份表层与底层之间温差较大，6月温差最大，为10.2℃，2月、7月和11月温差最小，垂向同温。

图2 巴塘电站单独运行下泄水温过程Fig.2 Outflow temperature under single operation of Batang power station

巴塘电站单独运行对下游水温过程影响较小，水库年均下泄水温与建坝前基本持平，延迟效应不明显。建库前后坝址各月的月均水温变化小于0.4℃。下泄水温在2～5月较建坝前有所降低，平均降低了0.3℃，2、3月份降低最多，降幅为0.4℃。11月温升幅度最大，变幅为0.3℃。全年出现月均最高温度的月份建坝前后均为7月，出现月均最低温度的月份建坝前后均为1月，月均最高、最低温度基本与建坝前持平。建坝前后下游水温过程整体变化不明显。

3.2 拉哇电站单独运行的水温影响

拉哇水库正常蓄水位为2 702m，水库总库容为19.92亿m3，为不完全年调节水库，进水口地板高程为2 645m。拉哇水库库区长88.96km，计算网格单元在主流方向上尺寸为50～700m，在水深方向上为2～4m，在正常蓄水位下，拉哇库区离散为184×60个矩形网格。入库流量过程采用库尾断面平水年天然逐日流量，运行调度方式见图3。

图3 拉哇电站运行调度过程Fig.3 Regulation process of Lawa power station

拉哇电站3～6月存在显著的低温水效应，在不采取低温水影响减缓措施条件下，最大低温水降幅达到4.0℃发生在4月。由于下游河段涉及到特有鱼类的产卵场，为减缓水温的不利生态影响，拉哇电站3～6月在进水口采用了叠梁门的分层取水方式。

水库整体呈稳定分层型水温结构特征。图4比较了拉哇电站(3～6月分层取水措施)单独运行时月均下泄水温、坝前表层水温、库底水温、坝址处天然水温及气温年内过程。就坝前表层水温而言2月最低，为5.1℃，7月最高，为17.9℃，年内变化12.8℃。库底水温年内变化为1.5℃。水库部分月份表层与底层之间温差较大，7月温差最大，为13.9℃，2月最小，为0.9℃。

图4 拉哇电站单独运下泄水温过程Fig.4 Outflow temperature under single operation of Lawa power station

拉哇电站(3～6月分层取水措施)单独运行与坝址水温相比，下泄水温在3～6月比建坝前坝址水温有所降低，平均降低了0.9℃，较单层取水时平均水温提高了1.3℃，3～6月分别提高了0.7℃，2.6℃，1.4℃和0.3℃，叠梁门改善效果明显。8～翌年2月，下泄水温平均上升1.7℃，12月温升幅度最大，为3.7℃。以4月坝址天然水温9.2℃为特征水温统计延迟时间，天然水温在4月16日达到9.2℃，单层取水时下泄水温在5月11日达到9.2℃，延迟了25天，在叠梁门分层取水方式下4月30日达到9.2℃，延迟了14天，较单层取水方案提前了11天。当水库单层取水时，水库对下游水温有较大影响，延迟效应显著，而采取叠梁门分层取水方式对低温水改善效果明显，有效地减缓了低温水效应对下游保留河段的影响。

3.3 叶巴滩电站单独运行的水温影响

叶巴滩水库为不完全年调节水库，为减缓低温水效应，叶巴滩电站采用叠梁门分层取水措施。其单独运行时，水库整体呈稳定分层型水温结构。下泄水温延迟效应较明显。叶巴滩4月的下泄水温较坝址天然水温最大降低了1.4℃，11月下泄水温较坝址天然水温最大高了3.5℃。

4 联合运行时的水温影响

因巴塘、叶巴滩及拉哇水电站下闸蓄水时间分别为2023、2024和2025年。故按照梯级电站建成顺序，考虑不同梯级电站联合调度对巴塘河段的水温累积影响，本文将研究叶巴滩和巴塘电站(两级)，叶巴滩、拉哇和巴塘电站(三级)两种联合调度情况下的水温变化。

4.1 叶巴滩和巴塘电站联合运行的水温影响

叶巴滩电站建成后，将采用叠梁门分层取水措施，巴塘电站的入库水温将发生变化。水温通过叶巴滩调节，经88km天然河道恢复后的水温作为巴塘电站入库水温，入库流量采用经叶巴滩调节后的流量并考虑区间汇流。模拟两级联合运行时巴塘电站库区水温分布及下泄水温过程。

叶巴滩建设前后巴塘电站坝前水温分布对比图见图5。库区水温在2月最低，较单独运行时延迟了1个月，坝前垂向断面上平均水温为2.5℃，较单独运行时最低水温提高了0.7℃。这是由于受叶巴滩影响，1月入库水温较天然水温高了1.1℃，库区受来流影响，1月逆温分布现象消失，水库垂向同温，而2月入库水温较天然水温低(全年下泄水温最低)，且2月气温和太阳辐射较1月高，巴塘库区水体垂向同温，2月水温全年最低但高于单独运行时的1月水温；水库在4～6月存在明显的温跃层，但由于4月入库水温比天然水温低，入库水流下潜至同密度层，底部温跃层消失，只存在表层温跃层(对比见图6)；12月由于入库水温较天然水温高了2.2℃，表层水体混合后，表层水体升温，库区逆温现象减弱，存在较弱的逆温分布现象，水库整体呈过渡型水温结构特征。图7比较了两级运行时巴塘电站月均下泄水温、坝前表层水温、库底水温、坝址处天然水温及气温年内过程。就坝前表层水温而言2月(延迟了1个月)最低，为2.5℃，6月最高，为17.0℃，年内变化14.5℃，温差变幅变小，较巴塘单独运行时减小了3.0℃。水库部分月份表层与底层之间温差较大，受上游入库水温的影响，年内温差变幅变小，6月温差最大，为9.6℃，较单独运行时减小了0.6℃，库区水温存在同温化效应[17]，多个月份垂向同温。

两级联合运行时对下游水温存在影响。水库年均下泄水温比两级运行前降低0.1℃。下泄水温在2 ～7月、9月比两级运行前坝址水温有所降低，平均降低了1.3℃，4月份降低最多，达2.3℃。10～翌年1月，下泄水温平均上升1.9℃，11月温升幅度最大，为2.5℃。月均最高温度两级运行前为15.7℃，运行后为15.6℃，月均最低温度从运行前的1.9℃升为运行后的2.6℃，温差减小了0.8℃，变幅为13.0℃，水温变幅缩窄，下泄水温存在平坦化效应[17]。

两级运行对水温延迟效应影响显著，全年出现月均最高温度的月份两级运行前为7月，运行后为8月；全年出现月均最低温度的月份两级运行前为1月，运行后为2月，相比于巴塘单独运行时，均延迟了1个月。

图5 巴塘库区坝前垂向水温分布对比图Fig.5 The comparison figures for vertical temperature distribution in front of dam of Batang reservoir

图6 巴塘库区4月立面水温分布对比图Fig.6 The comparison figures for vertical water temperature distribution of Batang reservoir in April

4.2 叶巴滩、拉哇和巴塘电站联合运行的水温影响

叶巴滩和拉哇电站均建成后，上游梯级均采用叠梁门分层取水措施，巴塘电站的入库水温将发生变化，水温通过叶巴滩和拉哇调节，经1km天然河道恢复后的水温作为巴塘电站入库水温，入库流量采用经拉哇电站调节后的流量。模拟三级联合运行时巴塘电站库区水温分布及下泄水温过程。

图7 两级联合运行时巴塘电站下泄水温过程Fig.7 Outflow temperature under tow-level joint operation of Batang power station

三级联合运行时巴塘库区总体呈过渡型水温结构特征，三级联合运行后巴塘电站坝前水温分布见图8。由于受上游两梯级电站调节后的入库流量过程比与叶巴滩联合运行时更为均匀，巴塘水库3～5月流量增大，枯期垂向温差更小，枯期的调节能力相对较弱，库区水温混合均匀，4月底部温跃层消失，5月表层温跃层消失。另一方面三级联合运行时，拉哇的最低下泄水温比两级运行时的来流水温提高了2.6℃，最高下泄水温也比两级运行时降低了0.2℃，导致来流年内温差比无拉哇时缩小了2.8℃，因而冬季库区不再出现逆温分布现象，库区水温全年均超过4.0℃，库区温差和下泄水温温差进一步缩小。就表层水温而言2月最低水温进一步提高，为5.2℃，6月最高为16.7℃(略微降低)，年内变化11.5℃，温差变幅进一步减小，较两级运行时减小了3.0℃。水库不存在稳定的库底水温，库底水温变幅10.5℃。水库部分月份表层与底层之间存在一定的温差，6月温差最大，为7.1℃，表底温差进一步减小，减小了2.5℃，库区水体同温化效果更加明显，多个月份垂向同温。

图8 三级联合运行时巴塘电站的水温过程Fig.8 Outflow temperature under three-level joint operation of Batang power station

图9比较了三级联合、二级联合和单独运行时巴塘电站下泄水温变化过程图。三级联合运行对下游水温过程存在较大影响。水库年均下泄水温比三级运行前升高0.8℃，较两级运行提高了0.8℃。下泄水温在3～8月比三级运行前坝址水温有所降低，平均降低了1.4℃，4月份降低最多，达2.3℃。9 月～翌年2月，下泄水温平均上升3.0℃，12月温升幅度最大，为5.3℃，高温水现象更加明显。月均最高温度从三级运行前的15.7℃降为运行后的15.4℃，月均最低温度从三级运行前的1.9℃升为运行后的5.2℃，温差减小了3.6℃，变幅为10.2℃，水温变幅进一步缩窄，下泄水温平坦化效应更加明显。

全年出现月均最高温度的月份三级运行前为7月，运行后为8月；全年出现月均最低温度的月份三级运行前为1月，运行后为2月，相比于单独运行延迟了1个月。随梯级电站的增加，延迟效应更加明显。

图9 巴塘单独、两级联合及三级联合运行时巴塘电站下泄水温过程对比图 Fig.9 Outflow temperature under single operation, two-level and three-level joint operation of Batang power station

4.3 联合运行时巴塘电站对水温累积的贡献

为分离联合运行时巴塘电站的水温影响贡献程度，将两级运行时叶巴滩的下泄水温和三级运行时拉哇的下泄水温按照天然河道计算到巴塘坝址处，对比巴塘建库后的下泄水温与受上游梯级影响的巴塘坝址处水温(未建巴塘)，详见表2，可知两级运行时巴塘水库在累积水温影响中对低温水降幅最大仅有0.2℃的贡献，对高温水升幅最大仅有0.3℃的贡献。三级运行时，巴塘各月的贡献均不超过0.2℃。因而梯级联合运行时巴塘电站对水温累积影响的贡献是极为有限的。

表2 梯级电站运行时巴塘电站水温累积影响表Tab.2 The Cumulative impact of cascade power stations joint operation on water temperature of Batang reservoir (℃)

5 结 论

采用立面二维水温模型，以库区水温结构及下泄水温为特征指标，对金沙江上游叶巴滩、拉哇及巴塘电站联合调度的水温的累积影响进行了研究：

5.1 巴塘水库单独运行时低温水效应不明显；拉哇水库采取单层取水时，3～6月存在显著的低温水效应，下泄水温较坝址天然水温分别降低了2.0℃，4.0℃，2.1℃和0.8℃，采取叠梁门分层取水措施后，3～6月分别提高了0.7℃，2.6℃，1.4℃和0.3℃，有效减缓了低温水效应对下游保留河段的影响。

5.2 巴塘电站单独运行和联合运行时，水库均呈过渡型水温结构特征，但联合运行时更趋于混合型特征。单独运行时库区水温在1月最低，联合运行时库区水温在2月最低，延迟了1个月，且最低水温随梯级个数增多而上升。两级联合运行时，4月的双温跃层结构消失，只存在表层温跃层；三级联合运行时4、5月双温跃层消失，5月只存在底部温跃层；两级联合运行时，由于受上游单梯级下泄水温影响，1月逆温分布现象消失，12月逆温分布现象减弱；三级联合运行时，水库逆温分布现象消失。库区水体随着梯级电站的增加，水体同温化效果更明显。

5.3 下泄水温随梯级电站增加，延迟效应和平坦化效应越明显。巴塘电站单独运行时，下泄水温基本与建库前持平，延迟效应不明显；两级和三级联合运行时，全年出现月均最低温度的月份均为联合运行前为1月，运行后为2月，相比于巴塘单独运行时，延迟了1个月；两级联合运行时，月均最高温度运行前为15.7℃，运行后为15.6℃，月均最低温度从运行前的1.9℃升为运行后的2.6℃，温差减小了0.8℃，变幅为13.0℃，存在平坦化效应；三级联合运行时月均最高温度从运行前的15.7℃降为运行后的15.4℃，月均最低温度从运行前的1.9℃升为运行后的5.2℃，温差减小了3.6℃，变幅为10.2℃，下泄水温平坦化效应更明显。

5.4 上游电站联合运行对下游水温过程存在较大影响，其中巴塘电站对水温累积影响的贡献极为有限。

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