水库水温研究进展及趋势
2023-03-202
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(1.长江科学院 流域水环境研究所，武汉 430010； 2.河海大学 水文与水资源学院，南京 210024)
1 研究背景
水温是河流系统中理化生物过程的关键因素和主要调控因子。大型水电工程的修建给流域防洪、发电、灌溉、航运等带来巨大效益、促进社会经济发展的同时，水库的蓄水在一定程度上会改变水温时空分布。例如，溪洛渡水库在蓄水至运行初期，在垂向会形成水位变动区、温度不稳定区、温度过渡区和温度相对稳定区,且不同区域水温随季节变化的特性不同[1]。同时，水库的蓄水运行会在特殊季节造成水温垂向分层以及下泄水温异于河流水温的现象[2]，这将显著改变库区和下游河流温热节律，引发下游河道“滞温”与“滞冷”效应。库区水体和下游河道水温变化会改变水生植物生长条件、生物数目及分布，并且影响水体中鱼类的生存、生长发育[3]，以及栖息地发生变化[4]，可能对库区及下游河道的水文节律和水生态系统造成不利影响[5]。因此，研究水库水温分层特性、生态环境影响具有十分重要的意义，促进流域水电开发与环境保护的协调发展。
本文首先回顾了国内外水库水温研究历程，介绍了主要的水库水温结构判别方法和水库水温研究方法，重点论述了水库水温机理性模型与智能算法模型的最新动态及前沿进展，总结归纳了水库水温分层特性、生态环境影响及其改善措施的最新研究成果，并结合已有研究提出未来重点研究方向，为大型水利工程水温研究提供科学建议。
2 国内外水库水温研究历程
世界各国从生态环境保护、供水或灌溉工程水温要求、水库流场与温度场耦合计算等需求出发，开展了大量水库水温的基础理论研究和工程实践。美国和日本在水库水温研究开展较早并取得了较多成果。美国从20世纪30年代初开始研究水库水温问题，主要是应对水库富营养化加速问题，进行了系统的水温原型观测，40—50年代主要研究水温与电站取用水的关系及坝前温度场计算，70年代水温数学模型得到大力发展，并出现了大量分层取水结构[6]。日本的水库水温研究兴于第二次世界大战后，研究内容主要集中在水温与作物生长关系、水库水温分层特性以及分层选择取水结构等方面，取得较多成果。苏联及北欧一些国家早期的水温研究从防冰害开始，20世纪70年代以后普遍开始了水库水温的实地监测分析、分层取水、热力计算等工作[7]。目前国外的流域水环境综合治理中，通常把水温作为水质的最主要指标之一，研究的深度和广度在不断拓展。
我国水库水温研究最早是由于水库工程设计和施工的实际需要[6-7]，在20世纪50—60年代进行了部分水库水温测量及时空特性分析；70年代华东勘测设计研究院、中国水利水电科学研究院、中南水利水电勘察设计研究院等单位在综合分析众多水库水温实测资料基础上，提出了许多水库水温估算的经验性公式，如李怀恩法[8]、张大发法[9]、朱伯芳法等[10]；90年代以后，在对国外数学模型方法引进和吸收、发展的基础上，国内水库水温数学模型技术不断发展，应用范围也逐渐扩大，在三峡水库及金沙江、雅砻江等一些水电开发重点河段的水温研究和工程实践中取得了较好的成效。现阶段我国致力于天然水温恢复技术研究(如分层取水)，积极开展大型水库工程的水温控制和科学管理研究。
3 水库水温研究方法
水库水温空间分布特性和动态变化的主要研究手段包括原型观测、物理模型试验和数值模拟。20世纪50—60年代起，国内开始对水库水温进行观测，随后开展了水库水温物理试验研究，并逐步发展了水库水温模拟的各种计算方法，现阶段基于物理机制的水温模型不断深化和发展，同时，人工智能和水温模型融合的新技术、新成果不断涌现。
3.1 水温结构判别及影响因素
水温分层是水库水体的重要特征，是水库水温研究的基础内容之一。国外通常将水库水温结构分为3 类：强分层型、弱分层型和混合型。我国通常是根据垂向水温分布的均匀度和库底水温年较差大小，把水库水温结构划分为3 种类型：混合型、分层型和界于这两者之间的过渡型，常用的判别方法有库水交换次数α-β法、密度弗劳德数判别法、水库宽深比判别法[11]，分述如下：
(1)库水交换次数α-β法。α、β的计算式分别为：
(1)
(2)
当α=10时，为稳定分层型水库水温；10<α<20时，为不稳定分层型水库水温；当α>20时，为混合型水库水温。对于分层型水库，如果遭遇β>1的洪水，会出现临时混合现象；但如果β<0.5，则洪水对水库水温结构几乎没有影响。
(2)密度弗劳德数判别法。其判别公式为
(3)
式中：Fr为密度弗劳德数；L、H、V分别为水库长度、平均水深和库容；Q为入库流量；g为重力加速度；G为标准化的垂向密度梯度(量级为10-3/m，推荐值为10-3/m)。
当Fr<0.1时为稳定分层型水库水温；当0.1
(3)水库宽深比判别法。其判别公式为
R=B/H。
(4)
式中:R为水库宽深比；B为水库水面平均宽度；H为水库平均水深。当H>15 m，R>30时为混合型水库水温；R<30时为分层型水库水温。
上述3种方法均为经验性判别方法，部分学者还从水库水温结构类型与其影响因素之间的非线性、多元相关关系出发，采用人工神经网络[12]、模糊回归[15]、高斯过程机器学习[14]方法等模式识别方法来判别水库水温结构。
近年来，部分学者对水温结构影响因素展开了研究。张士杰等[15]认为水库水温结构主要会受到气象要素变化、库区来水流量和温度变化、水库出流位置及流量大小等因素的影响；陶美等[16]研究发现洪水历时、洪量以及水库库容对水温分层结构有显著影响；魏浪等[17]研究发现水温结构日变化的影响因素主要是气温和太阳辐射；吕晓龙等[18]研究成果表明，暴雨径流的汇入使水库热分层结构稳定性受到一定破坏；华逢耀等[19]进一步研究了不同降雨径流强度对水库热分层结构的影响。
3.2 原型观测与物理模型试验
原型观测是最直接、准确获得水温数据的技术手段，我国真正意义上开展系统的原型观测工作起于21世纪初。学者们对众多大型水库进行水温原型观测和水温时空特征分析，如刘家峡水库[20]、三峡水库[21]、丰满水库[22]、功果桥水库[23]等。水温原型观测手段大多应用于水库水温分层现象和坝下河道水温沿程变化研究，可为水库水温物理模型与数值模拟研究提供基础数据和科学支撑，但是水温原型观测无法反映水库水温垂向变化的动态过程，同时因时空布置、环境条件等因素的限制，具有较大局限性。
物理模型是通过模型来研究原型的最直观方法，目前多用于模拟水库水温分层流动或分层取水过程。高学平等[24]对水库水温物理模型试验的相似关系进行了理论分析，提出模型和原型相似应满足的条件，并改变取水口淹没深度和取水流量，对下泄水温进行了试验研究，探讨了下泄水温与水库水温、取水口淹没深度和取水流量之间的关系[25]。武玉涛等[26]采用水槽试验对不同温度分层条件下的水库密度流运动进行了模拟，分析了水体分层强度和出口条件对密度流运动的影响。武玉涛等[26]通过物理模型试验模拟了春末夏初水库库首水温分层的形成和演化过程，分析了流量和出水口位置对水温在垂向和水平分布的影响。李军等[27]开展叠梁门式分层取水进水口水力学试验，研究了不同叠梁门放置高度对取水口流态与流速分布特性的影响。
3.3 水温数值模拟
水库水温的计算方法包括经验公式法和数学模型法。经验公式法具有简单、实用、参数少等优点，但水库水温由于受气象变化、出入流、水气间的热交换等多种因素影响呈现显著时空复杂性[28-30]，经验公式法预测精度相对较低，不具有普适性。随着数字技术和模型算法迅速发展，水温数值模拟逐渐成为国内外水库水温时空分布和垂向分层结构模拟等研究的重要手段。自20世纪60年代美国水资源工程公司(Water Resources Engineering, Inc.，WRE)、麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)分别提出了WRE[31]、MIT[32]等经典水温模型后，水温模型历经垂向一维、立面二维(如CE-QUAL-W2模型)和三维(如MIKE3、EFDC(The Environmental Fluid Dynamics Code)等模型)的发展历程。已有文献对各模型的原理、适用性及模拟效果进行了综述[33]，本文重点分析水温模拟近年来的研究进展及前沿热点。
3.3.1 机理性水温模型及应用
近年来，机理性水温数值模拟的研究主要围绕两方面展开：
(1)水温分层现象和水温结构。高志发等[34]利用Delft3D数值模拟软件建立三峡水库香溪河库湾三维水动力-水温耦合数学模型，分析了香溪河库湾水温结构及其对水动力影响；四川大学阮娅等[35]采用宽度平均的立面二维水温数学模型，完成了对水库水温结构的预测；段扬等[36]基于Delft3D软件建立丹江口水库三维水动力水温模型，对丹江口水库不同季节水流和水温分层特性进行分析；中国水科院刘畅等[37]采用CE-QUAL-W2模型建立了立面二维水温模型，得到了平原型水库热分层的季节性变化及水质响应特征；云南大学梁斯琦等[38]完成了小湾水电站坝前垂向水温分布特征的相关研究；三峡大学龙良红等[39-40]通过建立CE-QUAL-W2立面二维水温模型，得到了向家坝水库水温的季节性分层，并通过监测水温水质数据，结合上游水文数据，研究了汛期水位对热分层特性及水质的影响。伦冠海等[41]采用了Delft3D软件建立前坪水库温度计算模型，研究得到了高水头水库的水温垂向分布规律及分层取水对放水温度的影响；方晴等[33]采用垂向一维水温模型——DYRESM模拟水温分布，研究了松涛水库水温结构及垂向水温年内演变规律。
(2)将水温与各领域结合的精细化模拟。例如，将水温与水工结构结合，啜明英等[42]利用CE-QUAL-W2模型，比较分析了整流幕设置前后香溪河库湾水温的时空变化规律；高学平等[43]研究得到了不同控制幕运行方式对下泄水温的改善效果，并总结了下泄水温规律；邱如健等[44]采用一维水温模型，分析得到了不同蓄水工况不同时间尺度下的水温时空变化规律；云南大学毕晓静等[23]研究了坝下河道沿程水温的时空分异特征，分析得到功果桥电站对坝下河道水温产生的影响；中国水利水电科学研究院王岑等[45]完成了水库叠梁门取水近区水动力-水温耦合作用机理及取水层的范围和厚度变化规律相关的研究；四川大学谭升魁等[46]研究得出了水库叠梁门分层取水措施对低温水的改善效果；河海大学惠清等[47-48]研究得到了三峡水库蓄水10 a后水温变化情势和影响葛洲坝下游中华鲟产卵江段特定水温的原因，并研究了三峡水库蓄水前后四大家鱼产卵期的水温变化规律，以及关键断面水温差值及滞冷效应。
3.3.2 基于智能算法的水温模型及应用
近几年，随着大数据与人工智能的快速发展，神经网络、遗传算法等智能算法以及统计模型被广泛地应用到水温模拟研究，并取得了较好的效果。Letcher等[49]建立了一种基于空气-水流温度同步、自相关、和时间滞后的水温预测模型；Laanaya等[50]比较了广义相加模型(Generalized Additive Model，GAM)、逻辑回归、残差回归、线性回归这4种不同统计学模型对河流水温预测的拟合度，发现广义相加模型(GAM)拟合度最高；Stajkowski等[51]采用遗传-长短期记忆(GA-LSTM)算法来预测城市河流的水温；Graf等[52]建立了一种基于离散小波变换和人工神经网络的混合模型来预测河流水温，取得了较好的模拟预测效果。Al-jashaamí等[53]建立了空气-水非线性回归模型，模拟计算河流水体热通量；Adam等[54]将Dropout技术应用于神经网络水温模型，解决了模型运行的过拟合问题，有效提高了模型的运行速度和精度。在国内，柳海涛等[55]将建立的人工神经网络水温预报模型用于预测丰满电站下游鱼类产卵场的水温情势变化；朱森林等[56]建立水温-气温的高斯过程回归水温模型，模型预测值与实测值较为吻合，相关系数在0.96以上。
除上述两种模型外，部分学者也通过建立多过程耦合模型来进行水温研究。Charron等[57]考虑环境流和气候变化构建了水文-水温耦合模型，对加拿大威尔莫特河的水温进行预测研究；Ouellet等[58]综合考虑河流水温与鱼类栖息地变化情况，构建了河流水温-鱼类栖息地指数耦合模型，研究劳伦斯河水温变化对鱼类生存繁殖的影响；Toffolon等[59]开发的一种新型数据驱动模型——Air2stream，该模型利用外部热传递产生的能量转化为水体热通量的原理建立方程式，将历史气温和流量序列输入到模型当中，即可模拟河流水温的日均变化，具有精度稳定性好的优点，并且可有效判断河流水温主要影响因子的权重；唐雨佳等[60]运用Air2stream模型，检验三峡下游河流水温的异变现象和幅度，定量分析了自然气候与三峡大坝对下游水温的影响幅度。
4 水库水温特性及其对生态环境的影响
4.1 水库水温分层特性
水库水温分层后，在垂向上形成表温层、温跃层、底温层3层水体[19](图1)。对于分层型水库而言，其水温分层现象在一年内呈现周期性的变化规律，但因水库地理位置、气象条件等因素的不同，这种变化规律存在一定的差异。例如，龙良红等[39]研究发现向家坝水库水温存在季节性分层现象，4—8月份出现水温分层，9月份至次年3月份垂向水温几乎不发生分层；段扬等[36]的研究成果表明，丹江口水库温度分层现象在夏季最为明显，而在春秋季减弱，冬季基本丧失，且水温变化趋势与气温相似。
图1 水库水温垂向分层结构Fig.1 Vertical layered structure of reservoir watertemperature
为定量表征水库热分层特性，研究人员在对水温分层与主要驱动因素相关关系的认知基础上，提出了许多指标参数及其估算公式，如Lake number指数、水库潜在势能指数(简称APE指数)[61]、稳定分层度[62]、温度分层指数、Wedderburn指数[63]、RWCS指数[64]等。以上参数的阐述较完整并有明确的计算公式，APE指数、温度分层指数、稳定分层度在实践中应用较多，其他参数的计算较繁琐且所需数据量巨大。还有一些特征参数在实际计算中存在多个判断标准，如混合层深度，常见的判断标准有密度阈值[65]、温度阈值[66]、溶解氧阈值[67]等。
4.2 水库水温的生态环境影响及缓解措施
水库水温分层对库区水环境、水生生态系统产生较大影响。研究表明，水库的热分层对水体溶解氧含量及分布有重要的影响[68]。对于平原型深水水库而言，水库热分层为溶解氧的层化结构的形成提供了垂向分异性物理环境，垂向各层不同生化过程的作用为溶解氧浓度空间差异性演变提供了驱动力[69-70]，水库热分层结构是缺氧区形成的主要诱因[37]。中层温跃层阻碍了水体上下层的物质迁移和能量交换[71]，进而影响溶解氧、营养盐的垂向分布[72-73]，底层长期处于厌氧环境下加剧污染物的累积和释放，导致底层污染物含量远高于表层，使水库底层面临水质恶化风险。之后受环境温度骤降等影响，水库水体在垂直方向上由于密度的差异而发生“翻库”现象，分层时期积聚在底层的氮磷等营养物质被交换至上层水体，导致水体营养盐含量过高，使得库区水体水质恶化[74]。除此之外，水温分层结构会对四大家鱼、薄鳅属等鱼类的生存生长、摄食、繁殖等生命过程造成显著影响[75-76]。同时，研究成果表明，水库水体中浮游植物的数量分布、群落功能类群演替与水温的季节性垂向分布具有显著的正相关关系[77-78]，也有研究发现，水库热分层结构是影响水体中细菌、真菌种群群落结构垂向分布的重要驱动因子[73-72]，水温分层结构对水生生态系统的结构与功能具有显著的影响。
受水温分层影响，水库泄流会显著改变坝下河道的水温，主要表现为秋冬季(10月—次年2月)的“滞温效应”，以及春夏季(3—7月份)的“滞冷效应”。例如，在溪洛渡-向家坝梯级电站运行后，位于向家坝坝下的向家坝水文站受向家坝秋冬季下泄高温水影响，10月—次年1月水温较历史同期偏高约2 ℃，而春季受下泄低温水影响，4—5月份水温较历史同期偏低约3 ℃[79]。骆辉煌等[80]采用立面二维水温模型模拟了金沙江下游梯级水库联合运行后向家坝的下泄水温，溪洛渡、向家坝两库运行后春、夏季达到此水温的时间将延后34 d。毛劲乔等[48]研究发现三峡水库蓄水泄流带来的“滞冷效应”对四大家鱼产卵江段水温的影响属于可控范围，但有研究表明当流域梯级水库联合运行时，下泄低、高温水对河道生态环境的不利影响可能产生累积效应[81]。梁瑞峰等[82]通过对金沙江下游梯级水库水温变化模拟分析发现，梯级下泄水温的延迟效应和平坦化效应随梯级数量增加而强化，下游库区水温同温化现象显著。赵高磊等[83]认为梯级水库带来的这种水库累积效应存在一定的极限。
水库分层取水是改善水库水温分层对生态环境不利影响的有效措施。水电工程中应用最多的分层取水形式(图2)主要有4种：溢流式取水口(叠梁门)[84]、多层孔型取水口[25]、控制幕取水[43]以及新型隔水幕取水[85]。大型水库常采用叠梁门取水方式作为改善春季下泄低温水的有效手段；多层孔型取水口也是一种较为常见的水库灌溉取水结构；与其他三者分层取水方式相比，新型隔水幕取水结构也能够有效提高水库下泄水温，目前隔水幕取水结构在国外已得到大量应用。
图2 常见的分层取水形式Fig.2 Common forms of layered water withdrawal
5 国内水库水温研究现状及问题
(1)对于水温结构判别，最常用的方法主要有库水交换次数α-β法、密度弗劳德数判别法、水库宽深比判别法，也有学者引入感知器算法、人工神经网络等技术来判别水库水温结构。近年来对水温结构判别方法的创新比较少见，仍然沿用前面所述的这3种方法进行研究，围绕水温结构影响因素及其相互关系研究成为水温结构识别的一大热点。
(2)原型观测和物理试验是河流水温模拟研究较为常用的方法，在仅需研究水温分布、时空变化时，多用原型观测方法；当研究实际水库不同工况下水温问题时，常常使用物理试验的方法。原型观测的优点是较为直观，物理试验的优点是与实际工况拟合度较高，但这2种方法都需要耗费一定的人力财力，且部分物理试验操作较为复杂。
(3)数值模拟是目前水温研究最常用的方法。国内水温模型的研究非常广泛，但是自主研发的模型成果不多，目前多用成熟商业软件进行模拟计算，而国外已经有大量基于优化算法和机器学习算法的水温模型研究成果，且拟合度较高。在这一方面国内的研究成果相当匮乏，因此这是未来国内水温模型发展的重中之重。此外，目前对于单一水库垂向水温研究，大多数模型都能维持较高的模拟精度，得到较为准确的研究结果；但对于流域梯级水库水温调度研究和水动力-水温-水质多过程耦合模拟研究，多模型、多过程带来的模型精度下降问题，需要进一步解决。
6 展 望
水库水温未来重点研究问题如下：
(1) 梯级水库影响下流域河-库系统水热传递规律。以长江流域为例，长江上中游水电梯级开发形成的高坝深水水库(如溪洛渡、向家坝、三峡水库)显著改变长江干流天然的水热传递过程与水温结构，造成了部分水库的水温分层和“滞温”与“滞冷”效应。长江宜宾以上金沙江、雅砻江和大渡河等支流位于干热河谷(太阳的辐射强度超过1 700 kW·h/m2)，而四川盆地至三峡河谷属于低热地区(太阳的辐射强度仅800 kW·h/m2)，受地理环境和水利调度影响，金沙江干热河谷大型水库蓄水后，形成极具特点的水温分层结构，下泄水体从滇东高热区进入相对低温、低热的三峡和长江中游，加上岷江等大型支流水热汇入，使得三峡水库库内和坝下游河道水温情势发生显著变化，进一步加强水库群集、叠和滞热的环境效应[86]。针对气候变化、梯级水库运行及支流入汇等多因素综合影响下，流域尺度上干支流与河-库系统的水热传递规律及其主要驱动机制有待进一步明晰。
(2)基于非静压的水库水流水温耦合计算。水库水温的精细化模拟是未来研究的重要方向。水温数学模型通常是将水动力模型作为基本方程，将温度方程和水动力模型进行耦合求解。但传统水温模型中水动力方程往往忽略了垂向加速度，假设水体压强符合静水压分布，即“静压假设”。然而，大量研究表明[87-88]，分层水体流动(包括水库密度流)过程中会产生显著的垂向加速度及沿水深变化的动水压强，特别是在低/高温水入库、水面温度急剧变化造成强烈的垂向紊动情况下，“静压假设”已不再适用，水流的垂向加速度及动压引起的垂向流速变化不可忽视。传统静压模型由于忽略了水流的垂向加速度，不计水体垂向紊动产生的动水压强对垂向流速的影响，难以精确地模拟水库密度流的真实流场。因此，亟需在传统静压模型基础上，考虑水体垂向紊动产生的动水压强对水流结构的影响，建立能够反应水库垂向运动特性的三维非静压水动力-水温耦合模型。
(3)面向下游水温改善的水库分层取水生态调度。水库生态调度是指一种降低大坝的建设和运行对河流生态系统负面影响的措施。目前，针对水库分层取水生态调度研究，取得了一些成果[89-90]。以溪洛渡水库叠梁门分层取水为例，在溪洛渡-向家坝梯级水库生态调度试验中，梯级水库对坝下水温的影响主要表现为春季低温水下泄以及冬季的高温水下泄；分层取水生态调度使溪洛渡坝下泄水温提升约0.4 ℃，但对向家坝坝下河段的水温几无影响[88]，但该生态试验刚刚起步，且受水情和综合调度需求限制，设计中的四层叠梁门仅运用了一层，故其改善下泄水温的程度有限，后续可增加叠梁门运用层数，最大程度发挥工程措施的效用。此外，也有研究表明，水库运行调度方式对下泄水温也会产生一定的影响。例如，溪洛渡库区水温结构分层时，泄洪高程决定下泄水温；泄洪量增大时，下泄水温略有降低；另外，水库水温结构为增温过程时，泄洪时长增加，下泄水温逐渐增加[91]。
目前，大部分水库水温调度研究尚处于起步阶段，亟需进一步查明不同分层取水方式得到下泄水对下游生态系统的定量影响。同时，基于现有梯级水温调度研究成果，继续开展水库群联合调度条件下“滞温”和“滞冷”效应研究，研究不同调度时期水库群低温水或高温水下泄对水库下游环境因子的影响途径和影响程度，并基于鱼类自然繁殖的水温需求，优化水温定性改善的分层取水生态调度方案，更好地保障水电工程综合效益得到充分发挥。
