云南某大型水库及其灌区水温影响研究

2021-08-13汪青辽李秋洁郝红升

环境科学导刊 2021年4期

汪青辽，李秋洁，郝红升

(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

大型水库作为一个巨大的蓄水体，水库的形成对库区水域和坝下游河段的水温时空分布有重要影响[1]。水库蓄水后，其水位和水面面积均较天然状况有大幅度增加，库区内的流速将减缓，库区江段由急流河道转变为近似于静水河道，往往出现分层的水温结构，水温分层使库底长期为低温水，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，开展大型水库及下游河段与农业灌溉用水的水温预测研究，对于工程的环境保护具有重要意义[3]。

1 研究区概况

云南某大型水库位于滇西地区，是一座以灌溉、防洪为主的大(二)型水利枢纽工程，坝址位于瑞丽江一级支流南宛河的干流上。水库多年平均流量11.1m3/s，多年平均径流量3.66亿m3。水库总库容10792.0万m3，正常蓄水位994.7m，相应库容7775万m3，死水位978m，死库容566万m3，为季调节水库。水库回水长12.1km，正常蓄水位时水库面积7.16km2。水库大坝为粘土心墙坝，最大坝高34.5m。

灌区工程主要由西低、西高和东干渠组成。水库建成后，可自流灌溉南宛河下游两岸约1.512hm2(22.68万亩)的灌区，全灌区年总供水量为2.50亿m3，其中农业灌溉供水1.92亿m3。工程建设将使灌区内的供水状况大大改善。

2 水库及下泄水温预测

2.1 研究方法与计算条件

根据水库水温混合机理，影响库底水温的因素有太阳辐射、库表风速、水库异重流以及水库调度等多方面因素[4]。本文采用宽度平均的立面二维水温数学模型对该水库水温结构进行预测。

入库来流水温条件采用推求的天然逐月平均水温，各气象要素采用水库所在县气象站的逐月多年平均值。根据不同典型水文年和取水方式，共设置了3种工况，分别是平水年、枯水年、丰水年。取水孔口有西高涵、西低涵两个，其中西高涵进口引水渠底板高程980.14m，西低隧洞进口底板确定为972.5m。

2.2 温度场叠加流场的空间分布

为说明库区水温分层与流场的关系，图1绘出了平水年低温水降幅相对偏大的4月和高温水升幅相对偏大的12月的温度场叠加流场的空间分布。

图1表明了泄流孔口对坝前垂向流速分布的影响，随流动向坝前推进，孔口高程附近的流速逐渐加大，主流动层边缘处的流速则减小。4月水库垂向温差在4℃左右，来流22.5℃主要沿表层向坝前运动，在坝前3km下潜时在表层以下形成大范围回流。

根据图1的12月流场，来流水温低于库区水温，从坝前8km处开始下潜沿河床向坝前推进，库区底部水体流速较大，表层大范围出现回流现象。由于12月来流水温低于库区水温，从进入库区开始即沿库底向坝前爬行，在泄流孔口以上形成回流。

图1 水库平水年4月、12月的库区温度场与流场

2.3 坝前垂向水温分布

以平水年为例，分析平水年各月15日的水库坝前水温分布见图2。经分析，平水年水库水温结构有如下结论：

图2 平水年水库坝前水温分布

平水年水库库区总体呈过渡型水温结构特征和季节性水温分层现象。在2—5月存在表层温跃层，分层现象较明显，垂向最大温差3.3℃。其余月份不同深度水温几乎一致，垂向水温曲线基本呈竖直状态。

库区水温在1月最低，坝前垂向断面上平均水温为15.6℃，垂向基本同温；2月辐射已达195W/m2，库区表层快速增温至18.0℃，库底仅比1月升高0.3℃。

3—4月受气象条件和来流水温影响库区水温上升较快，库区出现较明显的垂向温差，水面温度上升至23.8℃，库底水温也比2月提高5.9℃，基本上与表层水温同步上升。靠近表层的7m高程范围内出现高温的同温层，表、底层温差为2.1℃。

5—7月，来流水温和气温维持在全年较高水平，库区水温也大幅提高。5月的月均太阳辐射为209.3W/m2，表层水温在来流基础上持续升高至25.9℃，而库底温度为24.7℃，坝前温差1.2℃，分层现象有所减弱；6月辐射强度已开始降低，为157.9W/m2，水库受汛期入流影响垂向掺混加剧，库底大幅升温至26.2℃，表、底层接近同温；7月气温23.1℃，辐射继续降至全年最低的136.6W/m2，导致入流水温沿程吸收热量比上月有所降低，库区水温比上月略降0.3℃，水库向垂向同温方向发展。

8—9月仍属汛期，高温、高湿、高辐射水平维持了较高的库表水温，大流量入库使垂向同温现象进一步发展，垂向温差不超过0.3℃，垂向平均温度在9月达全年最高的27.6℃。

10月气温、太阳辐射、云量进一步下降，坝前表底层基本同温，库尾方向的来流沿库底向坝前爬行，水库在月中完成水温的秋季翻转。

11月—翌年1月，来流量减小明显，长短波辐射的减小使水体向大气散失热量，水库水温整体同步降低。

综上可知：水温分层主要受水库调度引起水深变化影响较大，同时来流水温和太阳辐射也是造成水温分层的重要因素[5]。

2.4 坝址下泄水温

表1和图3比较了平水年的月均下泄水温、坝址处天然水温及气温年内过程。

图3 平水年月均下泄水温与坝址处天然水温对比

表1 平水年月均下泄水温与坝址天然水温对比 (℃)

水库运行对下游水温过程有一定程度的春夏季低温水影响。下泄水温在2—7月比建坝前坝址水温有所降低，平均降低1.6℃，4月份温降最大达2.3℃。8月—翌年1月，下泄水温平均上升1.2℃，11月温升最大，为2.0℃。水库年均下泄水温比建坝前降低0.2℃。

以4月坝址天然水温23.5℃为特征温度统计延迟时间，建坝前坝址处水温在4月15日到达23.5℃，建坝后下泄水温在5月11日到达23.5℃，延迟了26d。

3 灌溉干渠分水口水温预测

3.1 研究方法

本文采用类比实测法，通过测量已建类似渠道的水温增温率，来推求灌溉渠道引水后的沿程水温变化情况。水库所在地区具有高温、高湿、高辐射的气候特征，根据2017年2月24日、3月6日对同县境内已建东支渠的水温观测结果，增温率为0.09℃/km，增温明显。

3.2 干渠分水口水温预测

采用沿程增温率方法推求得到的平水年灌区各干渠的各个分水口的灌溉水温及与水库坝址处天然水温的温差，其中东干渠各分水口水温见表2。

表2 水库灌区的东干渠沿程分水口水温 (℃)

根据预测结果，与坝址处的天然水温相比，东干渠1#～3#分水口4月最大温降1.2～1.6℃，距离坝址最远的11#分水口最大温降为0.1℃。可见，虽然东干渠渠首在2—7月存在一定的低温水现象，但灌溉引水进入渠道后增温迅速，至东干渠渠末基本不存在低温水现象。

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[6]。

研究水库灌区农作物主要为水稻、玉米等喜温性作物。因水稻灌溉亩产需水量最大，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。

研究水库4—6月的灌溉取水水温与水稻生长各期的最低耐受水温比较情况，见表3。4—6月的灌溉水温为23.5～26.2℃左右，比4—5月水稻发芽期、返青期的最低水温12℃高出11.5～13.0℃，比6月水稻分叶期要求的最低水温15℃高出10.6℃。因此，水稻生长期间的水库灌溉引水水温完全满足水稻生长各期的最低水温要求，研究水库供水水温不影响作物正常生长。