乌江梯级电站对乌江渡水库水温累积性影响分析

贾洪涛

(黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004)

引 言

水电站的大规模开发一方面带来了经济效益，另一方面也带来了较大的环境问题，水温作为水环境的重要影响因子之一，水库温度场的分布情况对水生态系统以及水质情况均有较大影响[1-2]，因此水库水温分层结构特征一直是广大学者研究的热点。目前水库水温模拟软件有MIKE、CE-QUAL-W2、EFDC、SWAT、WASP等[3-6]，这些水动力模型的不断完善在国内外湖、库水温模拟上发挥了巨大的作用。如刘晋高等[7]通过CE-QUAL-W2模型模拟了在多种类型的倒灌异重流下三峡库区水体水温分布情况；龙圣海等[8]通过MIKE3建立了金盆水库的三维水温模型预测并分析了入流水温和泄洪洞位置对库区水温结构的影响；程伟平等[9]运用EFDC模拟滇池外海流域温度时发现湖体的表层水温分布情况与对流热传递系数大小关系较为密切；啜明英等[10]模拟了整流幕设置前后香溪河库湾水温分布特征。

梯级水电的开发很大程度上改变了天然河道的水温情况，对库区及下游河段的水生生物、农田灌溉、工农业和生活用水等将产生一定影响，这种影响是群体性、系统性、累积性的[11]。梯级电站的开发对下游库区水温环境影响主要包括上游梯级水库建成后对天然河道水温影响以及单库对天然河道水温影响[12]，而不同的水温结构对天然水温的影响也不同，水库水温结构分为稳定分层型、过渡型和混合型三种，水温累积效应主要包括单个水库不同开发阶段的下泄水温变化和梯级水库联合运行时下泄水温的变化，下泄低温水一方面可以改变原有天然河道的水温分布，另一方面水温可影响水质状况(如生化耗氧及复氧过程)，进而导致水体中各种成分含量的变化，最终会对河道下游农作物及鱼类等对水温(水质)变化较为敏感的物种产生不利影响。目前，国内外有关水温方面的研究主要集中在单个湖泊或水库中，而在梯级电站方面的研究主要集中在水文形势、水质情况、生态需水量等方面[13-14]，而对梯级电站联合运行时下游库区的水温的累积性影响方面研究较少。本文拟以乌江渡水库为例，分析乌江梯级电站联合运行时乌江渡水库水温分布特征，研究结论可为研究减少梯级电站下泄低温水的防治对策提供理论参考。

1 研究区概况

乌江流域位于东经104°18′～109°22′，北纬26°07′～30°22′，流域总面积87 920 km2，其中，贵州境内为66 849 km2，占76%，是云贵高原上的一条大河，长江的主要支流之一。源于云、贵两省交界线上的乌蒙山东麓的三岔河，在贵阳西北与六冲河汇合成乌江上游干流。乌江上游水电站依次为普定水电站-引子渡水电站-洪家渡水电站-东风水电站-索风营水电站-乌江渡水电站，东风水电站于1995年建成并投产使用，索风营水电站于2006年投产发电，乌江渡水电站于1982年年底投产使用。乌江渡水库是乌江梯级开发的第6级电站，位于贵州省遵义市遵义县，地处川黔线上、乌江南(右)岸，北靠遵义市，南邻贵阳市，西面是毕节县，东面是玉屏县，工程规模为一等，是一座以发电、防洪为主，兼有航运等功能的大型水库，共装有3台水轮发电机组，总装机流量60万千瓦，控制流域面积27 790 km2，多年平均流量502 m3/s，总库容23亿m3，坝高165 m(为当时我国已建水电站中第一坝高)，正常蓄水位760 m，死水位720 m，研究区地理位置见图1。

图1 工程地理位置

2 模型建立与率定

EFDC(The Environmental Fluid Dynamics Code)模型由美国环保署资助开发，是一个集水动力、水质、沉积物、泥沙及有毒物质等于一体的三维流体动力学模型[15]，因在处理边界条件以及底部地形拟合效果较好而被广泛应用于模拟水系统一至三维流场中物质输运、淡水入流以及生态过程。当前水库水温结构判定采用较多的是径流一库容比数法，计算方法见参考文献[12]，算得乌江渡水库为温度分层型，且洪水对水温结构有一定影响，故本文建立了乌江渡库区EFDC三维水温模型。

2.1 基本方程

采用二阶精度的空间有限差分格式求解EFDC控制方程，垂向上采用σ坐标变换，采用平面曲线正交、交叉网格变量控制、二阶精度的三层有限差分格式进行时间积分，动量方程、连续性方程、温度输运方程、具体的计算方法以及方程的离散求解查阅相关文献[3]、[8]。

2.2 初始条件

初始水位 采用2002年乌江渡水库坝前实测的月均水位资料，见表1。

表1 2002年乌江渡水库各月平均水位

初始水温 根据乌江渡水温实测资料情况，乌江渡水库库区水深0～5 m，水温均匀分布；5～20 m为温跃层，20 m以下温度趋于稳定，水温均匀分布。按照水库水温的分层情况，将水库平均分成20层。初始水温分布根据2002年乌江渡水库坝前实测垂向分布水温设定，取值为模拟月份前一个月的水温垂向分布值，没有给定的水层初始水温按相邻两层的数值进行线性内插。

流量、水位边界 选取索风营水库下游200 m以下至乌江渡坝址范围内河段为研究对象，建立EFDC模型，乌江渡水电站共设三个开边界，上游边界分为主干流和偏岩河支流，下游设出库断面，见图2。由于没有2002年1月1日至2002年12月31日库区实测日平均入库流量，根据多年乌江渡断面各月平均流量进行类比作为库区日均入库流量。乌江渡库区模型计算范围内主要支流有偏岩河，其年平均流量为29.2 m3/s，乌江渡水电站出库流量没有2002年实测数据，同时考虑模型计算的稳定性，按月均水位给定下游水动力边界条件。

图2 乌江渡库区流量边界

温度边界 根据2002年乌江渡水库坝前水温实测资料，水温边界条件根据分层情况确定，没有实测水温的水层水温按相邻两层线性内插得到。

大气边界 大气边界条件中大气压、空气温度、空气湿度、降雨量根据实测资料给定，蒸发量、太阳辐射量及云量根据模型内部给定的大气压、空气温度而定。

2.3 模型率定验证

根据2002年乌江渡水库坝前断面各月垂向水温进行模型的率定验证，坝前断面各率定月份模型模拟出的水温垂向分布曲线和实测值对比分别见图3。

从图3可知乌江渡2002年3、6、9、11月坝前断面水温模型计算值与现场监测值温度差在0.1 ℃～1.1 ℃，模型计算与实测误差在15%范围内，可以用来模拟和计算乌江渡库区的水温分布。

图3 2002年3月、6月、9月和11月乌江渡坝前断面垂向水温

根据对乌江渡水电站水温的率定，得到EFDC模型计算水温率定的参数中的蒸发传热系数、总悬浮固体消光系数、净水消光系数、初始河床温度、河床热力厚度、水体表层水最小太阳辐射吸收率、河床和水体之间的传热系数和河床反射到水体的太阳辐射的比率分别为1.5、0、4.5、12 ℃、13 m、0.3和0.003。

3 结果与分析

3.1 乌江渡水库水温实测资料的累积性影响分析

乌江渡水库于1983年下闸蓄水，由于索风营水库2006年投产，故自2006年起乌江渡水库水温受上游水库索风营水库的影响。取乌江渡水库水位为695 m处的水温作为下泄水温，根据乌江渡1983—2006年的水温实测资料，选择上游梯级水库索风营未建成时下泄水温最高值18.8 ℃(1998年7月)和上游索风营水库建成后下泄水温最低值16 ℃(2006年7月)，用这两年的实测数据做累积性影响的模型率定结果和分析。1998年7月年和2006年7月的水温实测数据见表2。

表2 1998年7月和2006年7月乌江渡水库坝前断面水温实测值

从表2可知：上游索风营水库建成后，同一深度处乌江渡水库水温比上游索风营水库未建成时的水温要低，温差在-3.2 ℃～0.6 ℃，其中2006年和1998年的下泄水温温差最大为-3.2 ℃，体现了梯级水库的水温累积性效应。上游索风营水库建成后，乌江渡水库水位为738.2 m处的水温比未建时高0.6 ℃，笔者分析这可能是实测误差或水流的扰动所致。

3.2 下泄低温水对乌江渡水库坝前垂向水温影响分析

下泄低温水的水温、流量和水库的库容等对下游水库坝前垂向水温均会产生一定的影响，同温度不同流量、同流量不同温度、同流量同温度不同库容的下泄低温水对水库坝前断面的垂向水温所产生的影响也不一样[16]。为了研究这些因素所造成的累积性影响，选取天然水温与入流温度温差分别为3 ℃、6 ℃和9 ℃(据报道[17]，对于稳定分层型水库，水库下泄水温一般比天然水温低0—10 ℃不等)对乌江渡水库进行模型计算，同时根据上游梯级水库的下泄流量选取不同的流量值计算出上游索风营水库建成前后乌江渡水库水深5、20、40、80 m处的水温差，计算结果见图4。

根据图4可知，天然水温与入库水温温差为3 ℃时，随入库流量加大，上游索风营水库建成后与建成前乌江渡水库5、20、40、80 m处水温差分别在-0.2 ℃～-2 ℃、-1 ℃～-2.75 ℃、-1.25 ℃～-2.6 ℃、-1 ℃～-2.32 ℃范围内变动；天然水温与入库水温温差为6 ℃时，随入库流量加大，上游索风营水库建成后与建成前乌江渡水库5、20、40、80 m处水温差分别在-0.43 ℃～-2.47 ℃、-1.5 ℃～-3.4 ℃、-2 ℃～-3.5 ℃、-1.1 ℃～-3.03 ℃范围内变动；天然水温与入库水温相差9 ℃时，当入库流量由2 000 m3/s增至5 000 m3/s时，上游水库建成后与建成前乌江渡水库5、20、40、80 m处水温差分别在-1.1 ℃～-2.9 ℃、-1.75 ℃～-3.55 ℃、-1.87 ℃～-3.25 ℃、-1.98 ℃～-3.2 ℃范围内变动。说明当入库流量越大时，下泄低温水影响越大，水温的累积性作用越明显，即乌江渡水库各个深度的温度与上游索风营水库未建时同一深度的温差越大；当入库流量相同时，天然水温与入流温度温差越大，水温的累积性作用越明显，即乌江渡水库各个深度的水体温度与上游索风营水库未建时同一深度的水体温差越大。

图4 不同温差、不同流量下乌江渡各水深处水温与索风营水库未建前同一深度水温差

3.3 下泄低温水对乌江渡水库表层水温分布影响

一般而言，水库除用于发电和防洪外，还应满足其他农业上用水的需求，特别是当作为农业灌溉时对水温的要求较高。上游下泄低温水进入下游水库时，由于库尾段库区水深不大，水体混合较为充分，经过水体内部的热交换以及水体和大气之间的热交换后，库表水温会沿程逐渐升高[18]。当在水库表层取水时需知道取水口水温是否适宜农作物的生长，否则会造成粮食减产等损失，因此需要对库区表层水温进行沿程变化分析，使水库取水口的温度满足各用途要求。

为分析不同流量和不同温度下的上游下泄低温水对乌江渡水库表层水温分布的影响，取乌江渡水库兴利库容15.8亿m3进行模型计算，同时取三组不同的温度(分别为上游水库下泄水温较天然河道水温低3 ℃、6 ℃和9 ℃)，再分别取五组不同的流量(900、1 350、2 100、2 400和2 700 m3/s)进行计算，结果见图5。

图5 天然水温与入流水温温差3 ℃、6 ℃和9 ℃时乌江渡库表水温与天然水温的温差

由图5分析可知：当天然水温与入流水温温差为3 ℃时，五组流量下库表水温与天然水温温差较小变化不大，依次分别为2.5 ℃、2.4 ℃、2.1 ℃、1.8 ℃和1.6 ℃；当天然水温与入流水温温差为6 ℃时，五组流量下对应的库表水温与天然水温温差依次分别为2.3 ℃、2.1 ℃、1.8 ℃、1.0 ℃和0.4 ℃；当天然水温与入流水温温差为9 ℃时，五组流量下对应的库表水温与天然水温温差依次分别为2.1 ℃、0.3 ℃、-0.9 ℃、-2.1 ℃和-3 ℃。说明上游下泄低温水与天然河道温差相同时，下泄流量越大，相同位置处库表水温越低；下泄流量相同时，天然水温与下泄水温温差越大，相同位置库表水温越低。

4 结论

本文以乌江干流乌江渡水电站为研究对象，通过建立EFDC三维水温模型，根据往年乌江渡实测水温资料对模型进行了率定及验证，确定了模型计算参数，分析了乌江渡上游索风营水电站建成前后下泄低温水对乌江渡坝前垂向水温以及库表水温的累积性影响，结果表明：

(1)EFDC模型能够较好的模拟乌江渡水电站水温垂向分布特征情况；

(2)乌江渡入库流量越大，下泄低温水影响越大，水温的累积性作用越明显，乌江渡水库各个深度的温度与上游索风营水库建成前同一深度的温差越大，水温的累积性影响越明显；入库流量相同时，天然水温与入流温度温差越大，水温的累积性作用越明显；

(3)上游下泄低温水与天然河道温差相同时，下泄流量越大，相同位置处库表水温越低；当下泄流量相同时，天然水温与下泄水温温差越大，相同位置库表水温越低。