缓解水温失调问题的水库生态调控策略
2023-08-17张弛张洋吴雨娇李昱陈豪
张弛 张洋 吴雨娇 李昱 陈豪
摘要：水库蓄水改变了水温的时空分布，进一步引起库区生态系统紊乱及低温水下泄等生态问题，对土著鱼类的生长、繁殖产生不利影响。通过 Delft3D 模型建立三维水温模型，模拟了典型气象水文条件下的糯扎渡水库横向、纵向及垂向多个维度上水温的动态变化过程。在此基础上，结合下游鱼类生态水温需求，制定了以生态水温为目标的叠梁门分层取水方案;结合增殖放流要求，确定了糯扎渡库区土著鱼类（中国结鱼）最适宜放流的位置及时间。结果表明：不同年份叠梁门分层取水方案及增殖放流适宜的位置和时间均存在差异，综合典型年份水温需求以及叠梁门工程条件，制定了具有普适性的叠梁门分层取水规则，确定了适宜投放中国结鱼鱼苗的位置为小黑江支流河段、时间为8—9月份。本文可为制定缓解水温失调问题的水库生态调度策略提供一定的科学依据。
关键词：水温失调;分层取水;生态调度;糯扎渡水库
中图分类号：TV697
文献标志码：A
文章编号：1001-6791（2023）01-0134-10
收稿日期：2022-07-19;
网络出版日期：2022-11-14
网络出版地址：https：∥kns.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20221111.1050.002.html
基金项目：国家自然科学基金资助项目（92047302;51925902）
作者简介：张弛（1975—），男，辽宁大连人，教授，博士，主要从事水资源高效利用方面研究。E-mail：czhang@dlut.edu.cn
通信作者：李昱，E-mail：liyu@dlut.edu.cn
水温是水体重要的物理特征指标之一，也是水环境变化的重要驱动因子［1-2］。水库蓄水减弱了水体的垂向交互作用，改变了水温时空分布［3］，库内出现垂向分层现象，低温水下泄进一步影响下游鱼类的生长繁殖，甚至导致该流域原有土著鱼类物种的丧失［4］，呈现出水温失调问题。因此，亟需采取合理的生态调度措施减小水库运行对库区及下游鱼类的不利影响。
目前，分层取水是水库调控下泄水温的有效生态措施之一［5-6］。分层取水设施的运行效果与水文、气象条件和调度策略等密切相关，现实情况下，由于来水条件一直处于动态变化状态［7］，水温结构也相应改变，如何综合来水条件和工程约束制定具有普适性的分层取水调度规则是目前研究的难点问题。库区内的水生生物增殖放流可以补充库区鱼类资源，对物种多樣性的恢复具有重要意义。相关研究表明，放流幼苗的成活率受到放流位置、放流时间［4］等多种因素的影响，位置和时间的选取取决于适宜幼苗生活的水温在放流水域中的时空分布特征，同样也受到水文气象条件的制约。因此，开展库区水温结构时空变化的研究是制定分层取水调度规则和确定增殖放流位置的重要基础。
当前，水温研究主要包括现场观测和数值模拟等技术手段［8］，针对水库水温的数值模型已经相当成熟，垂向一维、立面二维和三维数值模型已在国内多处水库得到良好应用。相较于一维、二维模型，三维模型能够更好地表述出水体流场与温度场之间的相互作用及其紊动特性［9］，在空间上可以较好地实现多维水温模拟，在时间上可以连续模拟水温动态变化过程。在中国西南300 m级别的典型河道型水库中，由于深大水库库区回水达到200 km以上，跨越多个纬度，具有水域面积大、水深深度大等特点，水库水温在垂向、横向以及时间上的动态变化［10-11］更加剧烈，水温失调问题更加显著。受制于测点位置和仪器精度等因素，水温现场观测难以得到水温的时空连续分布特征，分层取水调度规则、增殖放流位置和时间更难确定。
本文选取澜沧江下游河段糯扎渡水库为研究对象，综合考虑典型水文气象条件，通过三维水温模型模拟，得到糯扎渡水库典型年份水温分层结构及其动态变化过程。在此基础上，结合叠梁门的工程条件、物理约束，制定叠梁门分层取水的相应调度规则;结合增殖放流基本要求，确定库区中国结鱼鱼苗最适温度条件下对应的放流位置及时间。
1 研究区域概况与问题分析
1.1 糯扎渡水库概况
糯扎渡水库位于云南省普洱市境内，是澜沧江中下游河段梯级规划“两库八级”中的第五级，上接大朝山电站，下接景洪电站，如图1（a）所示。水库功能以发电为主，兼顾防洪、航运，是国家“西电东送”的骨干电源工程。库区地处高山峡谷地区，河道狭长，河岸陡峭，断面呈现“Ｖ”型，水下地形十分复杂，如图1（b）所示。水库坝高262 m，总库容237亿m3 ［12］，是典型的高山峡谷深大型水库。水库内呈现明显的温度分层现象，且随年内季节的变化而变化。冬、春季分2层：表层水温约为19.0～24.0 ℃，水层厚度约为20～40 m;下层至库底，水温约为14.0～19.0 ℃。夏、秋季分3层：表层水温约为21.5～26.2 ℃，厚度约为15～20 m;中层水温约为18.2～21.5 ℃，厚度为40～50 m;底层直至库底，水温约为14.0 ℃。库区气候属亚热带气候，降水季节变化明显，蒸发量大，太阳辐射强。
1.2 叠梁门工程概况
糯扎渡水库采取叠梁门分层取水的方式进行调度运行［13］。叠梁门于2008年1月开工建设，2012年3月完成安装，2015年4月开始试运行［14］，基本采用叠梁门第1层门叶挡水运行，挡水高度为748.68 m。水电站共设9台机组，每台机组设4孔叠梁门，每孔叠梁门由3层门叶组成。叠梁门3层门叶总高程由736.00 m至774.04 m，总挡水高度为38.04 m，每层门叶高12.68 m、质量17.5 t。设计要求表明，为满足机组运行稳定性对引水流态的要求，相应的取水水位需高于每层门叶的门顶高程29 m，分层取水按4×9=36节门叶为同层挡水使用，不得只启或闭同层中的部分门叶，且需静水启闭［12］。通过启闭不同的门叶调整取水口高程，可以实现分层取水，叠梁门具体运行规则如表1所示。叠梁门取水位置取决于水位高低，第1层取水层为774.04 m以上，要求水库此时实际运行水位必须高于803.00 m;第2层取水层为761.36 m以上，要求水库此时实际运行水位必须高于790.40 m;第3层取水层为748.68 m以上，要求水库此时实际运行水位必须高于777.70 m;第4层取水层为736.00 m以上，要求水库此时实际运行水位必须高于765.00 m。
1.3 鱼类物种及水温需求
叠梁门调度运行、增殖放流均需考虑其研究区域内保护物种的水温需求。依据《澜沧江鱼类物种空间分布统计》［15］，糯扎渡水库库区及下游生活着长腹华沙鳅、中国结鱼、中华鲱鲇、巨魾、后背鲈鲤等48种土著鱼类，占总种数的39.3%［16］，鱼类资源丰富。其中，中国结鱼是澜沧江中下游特有的土著保护鱼种，也是糯扎渡增殖放流站主要培养的鱼苗之一;中国结鱼对环境的敏感性较高，是衡量该流域生境质量变化的鱼类指示物种之一［17］。鉴于中国结鱼的极大生态价值和经济价值，本文把中国结鱼作为重点研究鱼类。
研究区域内的鱼类多属温热带鱼类，产卵期通常为每年的4—8月。有研究表明，糯扎渡水电站每年3—9月期间下泄水温低于原天然河道水温，会影响鱼类性腺发育并延迟其产卵［12］。为避免不同年份下泄水温波动对鱼类产卵时间的影响，本文选取每年的3—9月作为下泄水温调节时段。其中，为保护中国结鱼这一特殊鱼类，繁殖期7—9月下泄水温调控范围依据中国结鱼理想繁殖及幼苗生长水温范围（20～22 ℃）确定;3—6月只需满足大部分鱼类的生态水温需求，采用王海龙等［12］的研究成果。综上，形成以中国结鱼为主，兼顾大部分魚类的下泄水温调控目标范围，如表2所示。
2 研究方法
本文面向高坝大库建设后低温水下泄和库区内水温时空分布改变等问题，拟通过叠梁门分层取水和水生生物增殖放流2种有效措施来减缓河流水温失调引发的生态问题。针对低温水下泄问题，实行以生态水温为目标的叠梁门分层取水方式，分层取水下泄水温调控目标以满足中国结鱼水温需求为主，兼顾大部分鱼类;针对库区增殖放流问题，根据库区水温结构寻找中国结鱼适宜繁殖水温对应的放流时间与位置，提高幼苗存活率。
在上述研究过程中，库区内水温的时空分布以及垂向分层结构的动态变化过程是关键。本文采用Delft3D三维水动力模型精细化模拟糯扎渡水库水温的时空分布过程，其求解是基于 Boussinesq 假设下的 Navier-Stokes方程［18］，在垂向动量方程中忽略了垂向加速度，得到静水压方程。在三维模型中，垂直速度由连续性方程计算。由收集到的天然条件下糯扎渡水库多年径流系列（1998—2018年）可知，2015年为特枯水年（来水频率为97.66%），2016年为偏枯水年（来水频率为74.92%），2017年为平水年（来水频率为56.03%）。因此，选择建库后2015—2017年连续3a的时间作为模拟的时间范围具有代表性，能够反映水温连续变化规律。其中，2015年为率定期，2016年为验证期，2017年为测试期。综合3a的水温模拟结果，可以得到不同来水条件下库区水温的多维度时空分布特征，相应得到不同水温分布条件下的叠梁门分层取水方案及增殖放流最佳的位置和时间。
Delft3D模型建立及率定过程如下：
（1） 建模区域。纵向选取坝址至上游 140 km 的库区，横向选取水库正常蓄水位左右岸淹没线，垂向选取全水深［14］。
（2） 建模参数。考虑库底复杂地形及垂向水温模拟需求，垂向上选用σ坐标系;计算采用三维矩形网格，尺寸为200 m×200 m×9 m （坝前最深处纵向×横向×垂向），时间步长为120 s。
（3） 边界条件。为更好地维持深大水库库区的水量平衡，采用入流流量边界与出流水位边界相结合的形式;入流流量数据采用实测日均入库流量数据;入流水温边界采用大朝山水文站实测日均水温数据，插值方式采用能体现垂向水温分层特点的Step插值方式;气象条件选用距离库区最近且均匀分布于河道两岸的数据，综合考虑气温、太阳辐射等因素对水温的影响。
（4） 率定验证。通过水位和水温多个参数、表层和深层多个维度、库尾和坝址多个断面进行层层率定。水动力学参数取值参照毕晓静［16］研究成果，曼宁糙率系数取值为0.03，横向黏滞度和扩散系数分别采用推荐值1 m/s和10 m2/s。纵向黏滞度和扩散系数由Delft3D模型根据传输方程的能量项自动计算，紊流模型采用k-ε模型。选择纳什效率系数（ENS）和决定系数（R2）作为模型适用性评价指标，以此评价模型水位、水温模拟结果的好坏（指标值越接近1，模拟结果越好）。具体公式如下：
式中：Qo，i为 i 时刻的实测值;Qm，i为i时刻的模拟值;Qo为实测值的平均值;Qm为模拟值的平均值。
3 结果及分析
3.1 Delft3D模型率定及验证结果
率定年2015年、验证年2016年水位模拟值与实测值拟合情况如图2（a）所示，ENS、R2均大于0.95;率定年2015年、验证年2016年不同断面表层水温模拟结果如图2（b）和图2（c）所示，ENS、R2均大于0.94。2017年评价指标ENS为0.91～0.94，R2为0.94～0.98，表明模型水位和表层水温模拟效果较好。2015—2017年下泄水温模拟值与实测值对比结果如图2（d）所示，糯扎渡水文站位于糯扎渡水库大坝下游，距离坝址较近，站内监测水温可作为水库下泄水温。由图2（d）结果可得，模型模拟的发电取水水温与糯扎渡水文站水温观测值变化趋势一致，汛期水温升高，非汛期水温降低。模拟值与实测值平均误差为0.36 ℃，低于下泄水温调控目标上下限差值2.0～5.0 ℃（表2）。因此，模型模拟结果较为可靠，对生态水温识别的影响较小。
垂向上，率定年2015年2月和6月从库尾到坝址沿程垂向水温变化如图3（a）所示，水温分层随季节的不同而不同，2月由于表层水温较低，垂向分层并不明显，6月表层水温上升，由于水深及密度的影响，表层的高水温并未影响底层的低水温，出现明显的分层现象。6月水温基本分为3层，表层水温为20.9～25.1 ℃，水层厚度约为15 m;中层水温为17.0～20.9 ℃，水层厚度约为25 m;下层水温为14.0～17.0 ℃，水层厚度直至库底;2015年及2016年代表月坝前垂向水温模拟值与实测值拟合结果如图3（b）所示，代表月月均垂向水温模拟值与实测值的拟合程度较高，表明模型模拟结果满足研究所需精度。
3.2 满足下游鱼类生态水温需求的叠梁门分层取水方式
以表2所示的下泄水温调控范围为目标，得到2015年的叠梁门分层取水方案，如图4所示（其中，①—④分别代表自上而下从第1—4层取水层取水，后同）。水库实际运行水位随时间变化而变化，2015年糯扎渡水库运行水位在802.25～775.53 m范围内波动。根据2015年库区垂向水温模拟结果，从模型导出坝前断面水温垂向分布数据，进一步整理坝前断面100 m水深范围内（100 m水深以下水温全年基本不变）各层水深及其对应水温值，进而确定3—9月各月满足生态水温要求的取水高程上限和下限，中间的区间即为满足下游鱼类生态水温目标的取水范围。雖然水温调控取水高程下限可以取到736.00 m以下，但受制于叠梁门工程的约束（表1），出流水位下限为736.00m（原固定取水口，第4层取水层的下限），因此只能从736.00 m以上取水。
叠梁门分层取水方案需要综合考虑工程约束条件和水温约束条件。以2015年4月份为例，在4月初，受表1中工程条件约束，水库运行水位高于790.40 m时、可选择从第2层、第3层或者第4层取水，随着水位下降，运行水位开始低于790.40 m、高于777.70 m，可以从第3层或者第4层取水。进一步考虑满足中国结鱼水温要求对应的下限水位与各取水层下限（叠梁门门顶高程）的位置关系，对比发现满足中国结鱼水温要求对应的下限水位大部分都高于748.68 m（第3层取水层下限），为满足水温要求，取水层可以选择第3层及以上。最后再根据尽量减少叠梁门启闭，降低运行成本的约束条件，最终确定3月运行水位高于790.40 m时，从第2层取水层取水，低于790.40 m时应从第3层取水层取水。其中较为特殊的是，6月、7月运行水位低于777.70 m（对应第4层取水层上限），即使满足中国结鱼水温要求对应的下限水位高于748.68 m（第3层取水层下限），也只能选择从第4层取水层取水。依此规则，得到各月份的叠梁门分层取水方案。
2016年的叠梁门分层取水方案如图5所示。由于来水量、气象等条件的差异，2016年糯扎渡水库实际运行水位与2015年略有差异，水位变幅为806.28～770.36 m，最高水位较2015年高出4.03 m，最低水位较2015年降低5.17 m。由于水位和水温的差异，模拟得到的坝前垂向水温结构也不同，对比图4和图5可以看到，在中国结鱼的繁殖期7—9月，二者的垂向水温分布结构有较大差异。2015年7—9月表层水温相对较高，温跃层位置位于765.00 m以下，而2016年表层水温较低，温跃层位置位于765.00 m以上，更靠近表层。这就使得2015年和2016年满足中国结鱼水温需求的取水水深范围存在一定的差异，2015年7—9月运行水位上限较低，只能从第3层、第4层取水层取水，而2016年7—9月实际运行水位较高，满足中国结鱼水温需求的取水水位上限较高，因此8月末和整个9月可从叠梁门第1层、第2层取水;并且2016年7—9月满足水温需求的取水水深范围较2015年更小，导致叠梁门的变动比2015年更频繁。
结果表明，不同年份垂向水温结构的差异导致了叠梁门分层取水方案的差异，使得叠梁门调度运行方案的制定更加复杂。通过模型精确模拟水库水温的垂向分层结构，可以得到适应不同年份来水、气象条件的精确调度方案。在此基础上，为满足所有年份的水温需求，结合尽量避免频繁启闭叠梁门的原则，依据各年相同运行水位范围内的取水方式取交集、不同运行水位范围内的取水方式取并集的规则，可以得到2015—2017年综合性的、具有普适性的叠梁门分层取水方案。以2015—2017年4月份为例，水库运行水位为790.00～793.00 m时，2015年4月可以从第2层或者第3层取水层取水，2016年4月运行水位不在此区间内，2017年4月只能选择从第2层取水，因此，综合3 a结果，运行水位为790.00～793.00 m时，为满足所有水温要求，只能选择从第2层取水层取水，即为取交集;水库运行水位为778.00～781.00 m时，2015年4月、2017年4月运行水位均不在此区间内，只能选择2016年4月的调度方式，即从第3层取水层取水，即为取并集。其他月份采用相同方式分析，得到最终结果如表3所示。根据表3，可以得出：水位高于803.00 m时，从第1层取水层取水;水位为790.00～803.00 m时，从第2层取水层取水;水位为778.00～790.00 m时，从第3层取水层取水;水位为770.00～778.00 m时，从第4层取水层取水。
3.3 适宜中国结鱼的增殖放流位置及时间
对于增殖放流而言，适宜的水温和放流位置是提高鱼苗存活率的关键。依据中国结鱼的生活习性及增殖放流最远距离等约束条件，以目前记载的最远放流位置（坝前约30 km）作为重点研究区域，以繁殖期7—9月作为重点研究时段，以理想繁殖水温20.0～22.0 ℃作为适宜温度范围，以中国结鱼产卵适宜性曲线确定的产卵适宜水深2～8 m作为增殖放流水深范围，最终确定最适宜中国结鱼增殖放流投放鱼苗的时间及位置。根据水温模型模拟结果，中国结鱼最适宜水深2～8 m基本对应第1层（表层）的模拟结果，综合上述条件得到中国结鱼适宜增殖放流结果如图6所示。
由图6可以得出，由于2015—2017年库内的水温时空分布存在一定的差异，不同年份满足中国结鱼幼苗生存水温的位置和时间也存在一定的差异。2015年7—9月小黑江支流位置是最满足中国结鱼幼苗生存水温需求的区域，且8月月内满足水温需求的天数最多;7月坝前部分河段满足水温需求，8月及9月黑河支流部分河段满足水温需求。2016年由于表层水温较低，满足中国结鱼幼苗生存水温需求的区域较少，仅8月及9月小黑江支流部分河段满足水温需求，且月内满足水温需求的天数较少，表明2016年整体上满足水温需求的位置和时间较少。2017年9月小黑江支流河段的水温最满足中国结鱼幼苗生存需求，月内满足水温需求的天数较多，7月和8月几乎不能满足中国结鱼幼苗生存的水温需求。
总体上，不同年份中国结鱼的放流位置和时间存在共性。空间上，2015—2017年最能满足温度需求的位置均位于小黑江支流部分河段;时间上，2015—2017年最能满足温度需求的月份为8—9月。传统的中国结鱼增殖放流投放的位置大多位于糯扎渡坝前，由库内的水温分布可知，除2015年7月，该位置的水温几乎不能满足中国结鱼幼苗生存需要的水温范围（20.0～22.0 ℃）。另外，考虑发电取水的影响，坝前也不宜进行放流。因此，传统的在坝前进行投放鱼苗的方式，不利于幼苗存活;为提高中国结鱼幼苗的存活率，在8—9月的小黑江支流河段进行投放，更利于鱼苗的存活和生长。
4 结论
本文基于Delft3D模型精细模拟了糯扎渡水库2015—2017年水温的时空分布特征，通过库内的水温时空分布及坝前的垂向水温分层结构，明确了满足中国结鱼下泄水温需求的叠梁门分层取水方式，给出了最适宜中国结鱼增殖放流的位置及时间。上述研究有利于提高中国结鱼幼苗存活率，缓解低温水下泄和库内土著鱼类减少引发的生态环境问题。主要结论如下：
（1） Delft3D模型能够精确模拟糯扎渡水库横向、纵向及垂向等多个维度上库内水温结构以及动态变化过程，模拟结果与实测数据吻合较好，证明Delft3D模型在深大水库垂向水温模拟方面适用性较好。
（2） 不同年份来水、气象等条件差异造成叠梁门分层取水方案的差异，通过模型模拟水库水温的垂向分层结构，可以得到适应不同年份来水、气象条件的分层取水方案，即水位高于803.00 m时，从第1层取水层取水;水位为790.00～803.00 m时，从第2层取水层取水;水位为778.00～790.00 m时，从第3层取水层取水;水位为770.00～778.00 m时，从第4层取水层取水。
（3） 不同年份适宜中国结鱼增殖放流的位置和时间存在差异，通过模型精确模拟库内水温分布，可以确定每年适宜放流的位置和时间，总体上糯扎渡库区内最适宜中国结鱼增殖放流的位置是小黑江支流河段，最适宜投放鱼苗的月份为8—9月，在该条件下更利于鱼苗的存活和生长。
（4） 本文虽然制定了以生态水温为目标的叠梁门分层取水方式，但是仅考虑了生态水温阈值范围这一单一目标，具有一定的局限性，后续可以综合考虑生态水温、生态流量及水库自身的发电、防洪、供水等因素，进行多目标综合调控。
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Reservoir ecological regulation strategy to alleviate water temperature imbalances
The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China（No.92047302;No.51925902）.
ZHANG Chi1，ZHANG Yang1，WU Yujiao1，LI Yu1 ，CHEN Hao2
（1. College of Hydraulic Engineering，Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China;2. Huaneng Lancang River Hydropower INC.，Kunming 650214，China）
Abstract：Reservoir impoundment has changed the temporal and spatial distribution of water temperature and caused ecological problems，such as ecosystem disorder and low-temperature underwater discharge in reservoir areas.This resulted in adverse effects on the growth and reproduction of indigenous fish.The 3-D water temperature model was established using the Delft3D model.The dynamic change process of water temperature in the transverse，longitudinal，and vertical dimensions of the Nuozhadu Reservoir under typical meteorological and hydrological conditions was simulated.Considering this context，and combined with the ecological water temperature demand of downstream fish，a layered water intake scheme of stacked beam doors with ecological water temperature as the goal was formulated.The most suitable location and time for releasing indigenous fish （Tor sinensis） in Nuozhadu Reservoir were determined by combining the requirements of the species involving breeding and release.It was shown in the results that there are differences in the layered water intake scheme of stop logs in different years and the suitable location and time for proliferation and release.The universal layered water intake rules for stop logs were formulated based on the water temperature demand in typical years and the engineering conditions of stop logs.The most suitable location for placing Chinese snakehead fry was the Xiaoheijiang tributary，preferably from August to September.A scientific basis for developing a reservoir ecological dispatching strategy to alleviate the water temperature imbalance may be provided by the results of this study.
Key words：water temperature imbalances;stratified intake;ecological dispatch;Nuozhadu Reservoir
