滇中引水输水干渠与充蓄水库水温影响研究

汪青辽，陈媛媛

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

目前国内大型调水工程大部分干渠主要通过隧洞输水，天然水体进入隧洞后水温变化主要受地热影响，并且长度愈长，埋深愈大，地热对水温的增加作用也愈明显[1]。同时，经隧洞输水并分水进入深大水库充蓄后调节供水，水库的水位和水面面积将有大幅增加，库区内流速将减缓，往往出现垂向水温分层结构，深水水库传统底层取水口下泄的低温水会对下游水生生物的生长繁殖和农业灌溉造成危害[2]。因此，开展大型调水工程的输水隧洞沿程水温变化以及充蓄水库下泄水温预测研究，对于工程的环境保护具有重要意义[3]。

1 研究区概况

滇中引水工程从云南丽江市石鼓镇金沙江干流右岸无坝取水，向昆明、丽江、玉溪、大理、红河及楚雄6个市(州)35个县(市、区)供水，解决滇中地区的城镇生活、工业、农业和生态用水，多年平均引水规模34.03亿m3。工程输水干渠总长661.06km，其中隧洞长度占比为91.6%。输水干渠沿程共布置分水口门25处，沿线受水区设有九龙甸水库等16座充蓄水库，对水量进行调蓄后供出。

已建的九龙甸水库坝高40.3m，正常蓄水位1907m，库容7043万m3。是一座具有防洪、灌溉、城市供水等多功能的综合性水利工程，年供农业灌溉用水2500万m3，城市生活用水1500万m3。

2 输水隧洞沿程水温变化研究

2.1 研究进展

目前国内针对隧洞水温变化有少数研究。李然等[1]对目前国内长约18km埋深最大(2500m)的雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞水温变化进行了分析，受深埋隧洞地热原因影响，18km的最大增温为0.051℃，水温变化不明显，表明地热对水体增温作用不明显。

2.2 隧洞水温变化研究

(1)研究方法

由于滇中引水工程输水隧洞平均埋深在500m以下，基本不具有地温增温效应，而针对不具有地温增温效应的隧洞水温变化的相关文献，则研究甚少。

本文采用类比实测法，通过测量具有已建类似条件隧洞的水温变化率，来推求滇中引水输水隧洞水温沿程变化情况。

(2)类比工程水温观测结果

目前，与研究区域同在的云南省内已建的输水线路长度超过100km、且埋深较浅的调水工程为牛栏江—滇池补水工程。该工程主要由德泽水库水源枢纽工程、干河提水泵站及输水线路工程组成。其中，德泽水库总库容4.48亿m3，由干河泵站从德泽库区提水送到输水线路渠首，输水线路总长度为115.6km，其中隧洞长度占比为90.16%。输水线路落点在松花坝水库下游2.2km处的盘龙江上。设计引水流量为23m3/s，多年平均向滇池补水5.72亿m3。

滇中引水工程输水总干渠与牛栏江—滇池补水工程输水线路相比，具有如下相似点：①输水线路长度均为100km以上。重要的是滇中引水隧洞所占比例为91.6%，两者隧洞占比相差不大；②线路埋深浅；③线路比降小，渠底纵坡i均<1/1000；④均采用无压输水方式。综合以上工程相似特点，选取牛栏江—滇池补水工程输水线路进出口水温观测结果作为滇中引水工程输水总干渠沿程水温研究的类比资料。

2017年7月27日—29日，对牛栏江—滇池补水工程输水线路进出口水温进行观测，共设置2个水温观测断面：进口(线路渠首)和出口(盘龙江边)，断面间距115.6km。观测结果如表1。

由表1可知，牛栏江—滇池补水工程输水线路出口水温较进口水温略有降低，温降0.06℃，折算后的沿程增温率为-0.055℃/100km。

表1 牛栏江——滇池补水工程输水线路水温观测结果

(3)滇中引水输水隧洞水温变化结果

引用上述增温率计算得到滇中引水输水总干渠的沿程水温，预测结果详见表2。根据结果，以滇中引水输水总干渠最末端分水口门——新坡背为例，新坡背水温较石鼓水源区水温略有降低，降低幅度为0.4℃。由此可见，滇中引水输水干渠沿程水温降低有限。

表2 滇中引水输水干渠沿程水温计算结果 (℃)

3 水库充蓄后水温变化影响研究

3.1 研究方法与计算条件

(1)研究方法

以滇中引水沿线最大充蓄水库即已建的九龙甸水库为例进行分析。九龙甸水库呈狭长型，故宽度平均的立面二维模型可较好地模拟出水库在纵向和垂向上的水温时空分布，本文采用CE-QUAL-W2二维水温水质数学模型进行了预测。该软件设定水体横向参数均匀(流速、温度、浓度等变化忽略)，通过对水体纵向分段和垂直分层来模拟水体的温度梯度及水质变化情况。

根据调查,九龙甸水库回水区长度达4.5km，底坡平缓，将整个库区划分45×40(纵向×垂向)个单元格，其中纵向单元格长100m，垂向共分40层，每层厚1m。

影响水库水温分层时空特性的因素较多，为方便计算，简化为气象、入流、出流、水库形态等因素。CE-QUAL-W2模型涉及到水动力主要参数及数值见表3。参数在模拟和实测数据不断对比中进行修改，直到精度满足要求。

表3 水动力参数值

(2)计算条件

水库运行调度采用九龙甸水库2040年平水年运行时的流量、水位等调度过程。

由于九龙甸水库所处河流没有水温监测资料，采用邻近流域小江的小江(二)水文站资料拟合水温与气温的相关关系，推算得到了充蓄水库的坝址各月天然水温。

计算中采用实测大断面资料，并根据水位～库容～面积曲线进行修正，以保证各水位下概化地形的库容和面积与设计资料一致。采用楚雄市气象站的多年逐月的气象数据。

3.2 水库充蓄后下泄水温计算

平水年九龙甸水库坝前水温垂向分布见图1，比较平水年月均下泄水温、坝前表层水温、库底水温、坝址处天然水温年内过程，见图2和表4。

表4 平水年月均下泄水温、表层水温、库底水温、坝址天然水温 (℃)

图2 平水年月均下泄水温、坝址处天然水温比较

九龙甸水库全年水位在1884.15～1903.87m变动，坝前最大水深32m。由图1可知，九龙甸水库为季节性水温分层型水库，其中，3—8月随着水深增加，水温也逐步下降，其中5月表层和底层水温相差最大，为5.2℃；其余月份垂向水温不分层。太阳辐射是造成水温分层的最重要因素[4]。

滇中引水充蓄水库后，受石鼓水源来流低温以及水温分层影响，平水年2—6月水库下泄水温比天然水温低，平均降低了1.7℃，最大低2.7℃；而7月—次年1月较天然水温略有偏高，平均偏高1.4℃，最大高2.8℃。

3.3 水库充蓄前后的水温对比

滇中引水后，因石鼓水源点“低温水”效应及水库充蓄补水后较现状年高水位运行等因素引起的水库低温水加剧现象，其对比结果见表5。

表5 九龙甸水库充蓄前、后水库下泄水温对比 (℃)

滇中引水充蓄后，平水年1—3月未向九龙甸水库补水，九龙甸水库1—3月充蓄前后的下泄水温未发生变化。而4—12月，滇中引水不同程度向九龙甸水库补水，受石鼓水源来流低温以及水库运行导致的水温分层影响，4月水库下泄水温较充蓄前升高0.2℃，除此之外的其余月份下泄水温较充蓄前普遍偏低，平均低0.5℃，最大偏低0.8℃。可见，滇中引水充蓄对九龙甸水库下泄水温影响不大。

4 低温水对农业灌溉影响

灌溉水的水温对农作物的生长影响颇大，水温偏低，抑制作物的生长从而影响作物产量；水温过高，会降低水中溶解氧的含量，破坏作物的正常生长。因此，灌溉水要有适宜的水温[5]。

云南滇中地区种植农作物主要为水稻、玉米等喜温性作物。因水稻灌溉单位面积需水量最大，水稻生长受水温影响也最大，故以水稻灌溉为例分析灌溉水温影响。水稻分蘖期(5月)最低临界水温为17℃，最适水温是32℃，水温低于17℃分蘖停止。水稻生长期(6月)最低水温为18℃，最高水温为38℃[6]。

根据上述预测，九龙甸水库5月、6月输水洞出水口水温分别为19.7℃、22.0℃，水温均在水稻分蘖期和生长期的正常水温承受范围内。因此，水稻灌溉期间水温基本能满足作物要求温度，不影响作物正常生长。

5 结语

滇中引水工程主要通过隧洞输水并对沿线16座充蓄水库进行充蓄，通过对输水隧洞水温变化研究以及最大充蓄水库九龙甸水库水温垂向分布特征进行研究，主要得出以下结论：

(1)根据监测类似工程隧洞输水水温沿程增温率为-0.055℃/100km，并据此计算得到滇中引水工程输水总干渠石鼓水源至终点新坡背水温的水温降低幅度为0.4℃。由此可见，滇中引水工程输水干渠全段水温变幅有限。

(2)滇中引水充蓄后，九龙甸水库为季节性水温分层型水库。其中3—8月份随着水深增加，水温也逐步下降，其中5月份表层和底层水温相差最大，为5.2℃。其余月份垂向水温不分层。受石鼓水源来流低温以及水温分层影响，平水年2—6月水库下泄水温比天然水温低，平均降低了1.7℃，最大低2.7℃。年均水温变化0.2℃。

(3)充蓄后水库下泄水温，较充蓄前平均低0.5℃，最大偏低0.8℃。可见，滇中引水充蓄对九龙甸水库下泄水温影响不大。

(4)水稻分蘖期和生长期的灌溉水温均在水稻正常水温承受范围内，水稻正常生长不受影响。