水电开发对大渡河瀑布沟以下河段的水温影响

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水电开发对大渡河瀑布沟以下河段的水温影响

脱友才，周晨阳，梁瑞峰，李克锋

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都　610065)

摘要：为探究水电开发对大渡河水温过程的影响，采用原型观测和数学模型相结合的方法，对比分析了瀑布沟电站开发前后下游河道的水温时空变化特性。研究成果表明，与天然情况相比，现阶段瀑布沟下游沿程水温出现了明显的均化效应和延迟效应以及春夏季低温水、秋冬季高温水现象，最大降温2.4 ℃出现在4月的龚嘴尾水断面，最大升温3.3 ℃出现在12月的瀑布沟尾水断面；瀑布沟下游小型水库均未出现水温分层现象，但形成的蓄水体对沿程升温有一定的弱化，沿程增温率由天然状态的0.8 ℃/100 km降至现阶段的0.5 ℃/100 km；采用考虑了机械能转化的数学模型能较好地模拟瀑布沟下游河道的水温过程，率定得到的“机械能—内能”转化率为55%。

关键词：水电梯级开发；水温累积影响；纵向一维；增温率；原型观测

水温是水环境中重要的水质参数，水库修建对河流水温的影响研究是水电工程环境影响评价中的重要环节。高坝大库蓄水运行后，由于库容大、水体流动迟缓，形成的封闭性蓄水体在气象作用下易产生水温分层现象[1-3]。由于取水口位置较低，使得下泄水体在春夏季温度有所降低，而在秋冬季由于水库的蓄热作用，下泄水温有所升高。鱼类自然繁殖与产卵场的水文状况密切相关，其中水温决定了鱼类的产卵季节范围，产卵季节河道水温过程的改变将对某些珍稀鱼类造成较大的负面影响[4-5]。灌溉农作物的生长过程对水温也十分敏感，春季低温水会使土壤温度相对降低，从而对农作物的生长带来不利影响[6]。梯级水库的兴建，特别是多级调节性能较强的高坝大库容水库的形成，将导致上述现象在时空变化上更加明显[7-8]，形成水温累积性效应，从而对流域沿程的生态系统造成进一步破坏。

随着流域开发程度的提高和相关水温实践的深入，流域梯级开发引起的水温累积性影响问题受到了全世界水利学者的关注。国外学者主要以实测资料为基础，通过统计多年实测数据对水电梯级开发的影响进行定量分析[9-10]，国内学者则多以数理统计或数值模拟为方法进行定量和定性的研究[11-16]。通过一系列研究发现，流域梯级开发后的沿程水温在气象及水库运行过程等综合作用下呈现出独特的时空特性，梯级电站布置个数和控制性水库工程规模对水温累积效应起决定性作用，流域梯级开发程度愈高，累积效应愈明显，但下游水温的累积效应强度会随着与控制级水库距离的增加而趋缓。虽然国内外对流域梯级开发造成的水温影响研究已有一定成果，但这些成果采用的方法多为数值模拟或数理分析，缺乏关于水温累积效应的系统性原型观测，对相关变化过程及规律还缺乏全面的认识。其中关于山区河流的沿程增温问题研究甚少。少量的成果表明影响河流增温率的主要因素为气象,且气温影响起主导作用[17]。山区河流的水温结构复杂，受到调度、气象、地形等多种因素的影响[18-19]，为更加直观地了解水电开发对水温造成的影响，为相关数学模型的验证与预测提供实践支撑，开展河流在天然状态及各开发时期的现场水温观测具有重要意义。

本文以大渡河瀑布沟—沙湾河段为研究对象，对该河段现阶段的水温状况进行了系统性的原型观测，分析了梯级电站建成前后的水温时空变化特性。在此基础上对考虑了机械能影响的纵向一维数学模型进行了验证，并对瀑布沟电站下游河段的水温演变规律进行了讨论。研究成果可为山区河流水电梯级开发的环境影响评价和环境影响后评价提供理论与数据参考。

1　河段概况

瀑布沟—沙湾河段位于大渡河下游，全长151 km，天然落差256.3 m，沙湾坝址断面处年径流量470亿m3。河段自上而下规划了瀑布沟、深溪沟、枕头坝一级、枕头坝二级、沙坪一级、沙坪二级、龚嘴、铜街子、沙湾共9级电站，现已建成瀑布沟、深溪沟、龚嘴、铜街子、沙湾共5级。其中，瀑布沟具有季调节性能，其余只有周、日调节性能。大渡河流域规划为29级开发，瀑布沟上游规划了下尔呷、双江口、金川、猴子岩和长河坝5座季调节以上电站及一批日调节性能电站，现阶段仅建成2座日调节性能电站。研究河段各梯级及其上游控制级电站主要工程特性见表1。

研究河段自上而下依次有石棉(瀑布沟上游)、沙坪(深溪沟与龚嘴之间)及铜街子(龚嘴下游)3个水文站，瀑布沟水库建设前各水文站1978—1987年多年平均月均水温资料见表2。研究河段附近有汉源(瀑布沟坝址附近)和峨边(深溪沟与龚嘴之间)2个气象站，瀑布沟水库建成后2012年5月至2013年4月(观测期)的气象过程见表3。

表1　大渡河流域控制级电站及研究河段电站主要工程特性

Table 1　　　Main engineering features of the control power stations along the Dadu River and the cascade power stations in the studying reach

电站名称正常蓄水位/m最大坝高或壅水高/m正常蓄水位以下库容/亿m3装机容量/MW调节性能水温结构建成时间下尔呷3120.00223.0028.00540多年分层型待建双江口2500.00314.0027.322000年分层型在建金川2260.00122.006.090800季分层型待建猴子岩1842.00224.006.6201700季分层型在建长河坝1690.00240.0010.152600季分层型在建瀑布沟850.00186.0050.643300季分层型2010-12深溪沟660.0050.000.3300660日混合型2011-06枕头坝一级624.0084.000.4400640日混合型在建枕头坝二级590.0050.000.0900230日混合型待建沙坪一级578.0052.000.3700480日混合型待建沙坪二级554.0061.000.2100345日混合型在建龚嘴528.0086.003.100700周混合型1978-12铜街子474.0082.002.020600日混合型1994-12沙湾432.0021.000.4600480日混合型2010-02

表2　研究河段天然多年平均逐月水温　℃

Table 2Average monthly nature water temperature in the studying reach

站名距河口距离/km1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月石棉2676.27.611.114.415.815.817.417.516.113.59.96.9沙坪1267.69.012.715.917.917.719.219.717.814.811.88.7铜街子647.69.313.116.317.518.219.819.618.215.212.19.1

表3　研究河段附近气象站2012年5月至2013年4月逐月气象月均过程

Table 3Average monthly meteorological data of the studying reach from May, 2012 to Apr., 2013

月份气温/℃太阳辐射/(W·m-2)相对湿度/%风速/(m·s-1)总云量/%汉源峨边汉源峨边汉源峨边汉源峨边汉源峨边18.56.996.169.659731.02.06986210.08.2109.180.658741.22.17789314.512.0152.8108.659731.32.47589418.917.0172.6142.262721.22.47986522.020.8164.1147.767731.02.18888623.423.2149.6144.574760.71.89191725.525.1181.0170.477790.61.98686825.524.9182.0174.776790.72.08280921.820.9120.8108.378830.61.591931018.317.2102.989.975810.61.690921114.012.692.372.169790.71.78190129.98.389.363.863750.81.87086

2　原型观测

2.1　观测方案

水温观测范围为瀑布沟坝下尾水至沙湾坝下尾水河段，为控制不同区段的水温变化过程，并结合现场条件，共布设水温连续监测点6处，分别位于瀑布沟坝下尾水(距离大渡河河口193.5 km)、深溪沟坝下尾水(177.5 km)、峨边大桥(127.0 km)、龚嘴坝下尾水(87.0 km)、铜街子坝下尾水(53.6 km)、沙湾坝下尾水(42.5 km)。同时，为了解不同水期瀑布沟下游水库坝前垂向水温结构，选取典型月份观测深溪沟、龚嘴、铜街子的坝前垂向水温。各观测断面分布如图1所示。

水温连续监测点观测时间为2012年5月1日至2013年4月30日，为期1年。坝前垂向观测分4个时期开展，时间分别为2012年8月9日、11月24日和2013年3月9日、5月24日。连续水温测量设备采用ZDR自记式温度仪，分辨率为0.1 ℃，精度为±0.2 ℃，每2 h记录1次数据。坝前水温测量设备采用YSI6600多参数水质仪，分辨率为0.01 ℃，水温精度为±0.15 ℃，深度精度为0.3 m。观测时在河道横断面的左、中、右位置分别布设1条垂线进行测量，仪器沿水深方向每间隔1.0 m记录1次，若相邻测点之间温差超过0.5 ℃，根据实际情况增加测点。

图1　测点分布示意
Fig.1Distribution of observation points

2.2　观测结果分析

2.2.1　连续监测点观测结果

研究河段各监测点实测水温与天然水温的比较见表4, 观测期瀑布沟电站出库流量与坝址断面天然多年平均流量的比较见表5。

瀑布沟电站修建后，研究河段水温沿程变化与天然情况相似，总体仍呈升温趋势。与天然情况相比，沿程水温出现了明显的均化效应及延迟效应。由于水文、气象条件年际间具有不确定性和随机性，本次观测期刚好处于水量较丰的年份，年均流量为1 470 m3/s，较天然多年年均流量1 088 m3/s增长了近40%。实测月均沿程增幅范围为0.2～1.3 ℃，年均沿程增温0.7 ℃；天然月均沿程增幅范围为0.7～1.6 ℃，年均沿程增温1.2 ℃。至沙湾尾水断面，开发前和观测期最高水温分别出现在7月和8月，其差异为1.6 ℃，最低水温均出现在1月，其差异为2.2 ℃，年内水温范围分别为7.6～19.9 ℃、9.8～18.3 ℃，3—9月平均水温分别为17.6 ℃、16.3 ℃，11月—翌年1月平均水温分别为9.7 ℃、11.5 ℃。

瀑布沟的修建使得下泄水体“水-气”热量差发生改变，加上瀑布沟的调节作用造成枯水期流量较天然流量成倍地增长，而丰水期中6月、8月的流量较天然流量有所减小，使得各时段的水温规律均发生了变化。从研究河段各测点实测水温与天然水温年均差值来看，研究河段沿程年均水温变化不大，差值均在0.5 ℃以内。各断面实测水温，与开发前相比已表现出明显的春夏季低温水和秋冬季高温水现象。3—8月实测水温低于天然水温，各观测断面降幅范围为0.3～2.4 ℃，最大降幅出现在4月；10月—翌年2月实测水温高于天然水温，各观测断面增幅范围为0.3～3.3 ℃，最大升幅出现在12月。

表4　研究河段实测水温与天然水温比较　 ℃

Table 4Comparison of water temperature in observed and natural periods

月份瀑布沟尾水深溪沟尾水峨边大桥龚嘴尾水铜街子尾水沙湾尾水实测天然差值实测天然差值实测天然差值实测天然差值实测天然差值实测天然差值19.56.92.69.57.12.49.67.62.09.77.62.19.57.61.99.87.62.229.08.30.79.08.50.59.39.00.39.69.20.49.69.30.39.99.40.5310.611.9-1.310.312.1-1.810.712.7-2.011.113.0-1.911.513.1-1.611.613.2-1.6413.515.2-1.713.315.3-2.013.615.9-2.313.816.2-2.414.316.3-2.014.416.4-2.0515.816.9-1.116.217.1-0.916.317.9-1.616.417.6-1.216.917.5-0.617.117.4-0.3616.116.8-0.716.517.0-0.516.617.7-1.116.618.0-1.417.118.2-1.117.318.3-1.0716.718.3-1.617.518.5-1.017.619.2-1.617.519.6-2.117.519.8-2.317.519.9-2.4817.518.6-1.118.118.9-0.818.219.7-1.518.319.6-1.318.319.6-1.318.319.6-1.3917.417.00.417.717.20.517.817.8017.818.1-0.317.818.2-0.417.818.3-0.51015.314.21.115.614.31.615.914.81.115.915.10.815.915.20.716.115.30.81113.310.92.413.311.12.213.311.81.513.312.01.313.312.11.213.512.21.31211.17.83.311.18.03.111.28.72.511.29.02.211.19.12.011.39.22.1年均13.813.60.214.013.80.214.214.4-0.214.314.6-0.314.414.7-0.314.615.1-0.5注:天然水温为梯级建设前各水文站水温资料内插得到的月均值。

表5　瀑布沟天然与观测期月均出库流量比较　m3/s

Table 5Comparison of the monthly-average outflow in natural and observed periods at Pubugou site

月份123456789101112年均天然386351341432807235021202340146011507945201090观测期6897069499151030177038602270188019409087081470注:天然流量为沿程水文站天然多年平均流量资料内插得到的月均值。

2.2.2　坝前垂向观测结果

图2给出了2012年8月9日、11月24日及2013年3月9日、5月24日深溪沟、龚嘴、铜街子坝前断面的垂向水温分布情况，由于坝前横断面的左、中、右3条垂线在垂向上水温一致，所以仅给出中垂线的观测结果。可以看出，由于瀑布沟下游水库库容小，库水交换率高，坝前水体为同温状态，水库的修建不会造成下泄“高温水”和“低温水”现象。结合表4可知，瀑布沟下游小型电站仅是对沿程升温幅度有一定的弱化，所以瀑布沟下游河道水温规律的改变主要是受瀑布沟电站运行的影响。

图2　瀑布沟下游水库坝前垂向水温分布
Fig.2 Vertical water temperature distribution in front of dam in the lower reservoirs of Pubugou

3　模型研究

3.1　数学模型

河道一维非恒定流水温模型由圣维南方程组和一维温度对流扩散方程两部分组成。

(1)圣维南方程组

变量为z、Q情况下的圣维南方程组可写为：

(1)

(2)

式中:z为水位，m；Q为流量，m3/s；B为河面宽度，m；A为过水断面面积，m2；n为糙率；R为水力半径；C为谢才系数；q为支流流量，m3/s。

(2)纵向一维温度方程

忽略水体与河床的热交换以及河道横向上的热量差异，纵向一维温度对流扩散方程为

(3)

式中:DL为纵向弥散系数，m2/s；ρ为水的密度，kg/m3；Cp为水的比热，J/(kg· ℃)；S为“大气-水”净热交换量，W/m2；A?T/?t为储存热的净变化率；/?x分别为移流和离散引起的净热变化率；BS/ρCp为净的表面热交换率；βiQg/Cp为机械能转换引起的净热变化率，其中i为河道坡度，g为重力加速度，β为水流的“机械能—内能”转化系数。

(3)纵向弥散系数

(4)

式中:为断面平均流速，m/s；h为断面平均水深，m；为摩阻流速，m/s。

(4)模型求解

采用有限差分的隐式格式对式(3)离散。运用TDMA(Tridiagonal Matrix Algorithm)法，即追赶法求解。

3.2　模型验证

研究河段由于沿程支流流量甚小，仅为干流流量的5%以下，故忽略支流对干流水温的影响。同时，通过瀑布沟下游水库坝前垂向水温观测结果可知，瀑布沟下游弱调节能力水库对沿程水温没有影响，故无需对瀑布沟下游水库库内水温再做进一步的水温分层计算。研究河段共有36个地形大断面，最大断面间距5 km，最小为1 km，将研究河段内插成间距为500 m的断面进行计算，计算时间步长取1 h。以本次观测期间瀑布沟下泄水温作为入流条件，采用瀑布沟实测出库流量及观测期气象资料作为边界条件对水温模型进行验证。

表6为深溪沟、龚嘴、铜街子及沙湾尾水断面处采用纵向一维水温模型模拟得到的水温与实测水温的对比。通过考虑不同转化系数的模拟结果与实测值的对比分析，选取了模拟结果与实测值的标准差最小的转化系数(0.55)值为本文的率定结果。在此基础上，利用ΔT=βgΔH/C,简化计算得到机械能由于高程(落差)变化对水温的贡献值(0.3 ℃)。从模拟结果来看，各断面计算水温与本次实测水温差异极小，各月份计算误差的绝对值均在0.5 ℃内，相对误差均在4%以内，计算精度满足工程设计要求，因此该模型能较好地反映瀑布沟电站下游河道的水温过程。

表6　研究河段实测水温与模拟水温的比较　℃

Table 6Comparison of the measured and simulated water temperatures

月份深溪沟尾水龚嘴尾水铜街子尾水沙湾尾水模拟实测误差模拟实测误差模拟实测误差模拟实测误差19.59.509.79.709.79.50.29.79.8-0.129.09.009.49.6-0.29.59.6-0.19.59.9-0.4310.710.30.411.211.10.111.311.5-0.211.411.6-0.2413.613.30.314.313.80.514.514.30.214.614.40.2516.016.2-0.216.616.40.216.916.9017.017.1-0.1616.216.5-0.316.716.60.117.017.1-0.117.117.3-0.2716.817.5-0.317.217.5-0.317.417.5-0.117.517.50817.618.1-0.518.118.3-0.218.418.30.118.518.30.2917.417.7-0.317.917.80.118.017.80.218.217.80.41015.315.6-0.315.615.9-0.315.815.9-0.115.916.1-0.21113.313.3013.613.30.313.713.30.413.713.50.21211.111.1011.211.2011.311.10.211.311.30

4　讨　　论

表7比较了研究河段在现阶段和开发前沿程月均增温率规律；图3比较了现阶段和开发前沿程月均水温与气温的差值(气温资料取自研究河段附近的峨边气象站；沿程月均水温为研究河段各测点各月水温的平均值)。为准确了解瀑布沟下游沿程水温的变化规律，通过月(年)均沿程增温率对水温过程进行定量分析。月(年)均沿程增温率，指的是一个完整月(年)内，两个断面的月(年)均水温之差与断面间距的比值。

由图3可以看出，4—10月水温低于气温，且现阶段沿程水体的“水-气”热量差更大，水体从大气等外部环境吸收的能量较开发前更多；12月—翌年2月水温高于气温，且现阶段的沿程水体与气温的差值更大，向大气等外部环境释放的能量较开发前更多。通过表7发现，无论现阶段较开发前向大气吸收更多的热量或是释放更多的热量，其沿程月(年)均增温率较开发前更低。这是因为梯级水库的调节作用使得沿程流量增大，造成水体在河道中流速更快、滞留时间更短且更难以蓄积热量，同时梯级电站筑坝蓄水弱化了机械能向内能的转化，造成现阶段的沿程增温率较开发前变小，所以总体上水电梯级开发对沿程增温效果起到了弱化作用。

表7　现阶段与开发前研究河段沿程月均增温率比较　 ℃/100 km

Table 7Comparison of the monthly-average temperature-increasing ratio in different stages

月份123456789101112年开发前0.50.70.90.80.31.01.10.70.90.70.90.90.8现阶段0.20.60.70.60.90.80.50.50.30.50.10.10.5

图3　现阶段与开发前沿程月均水温与气温的差值
Fig.3　　　Differences of both monthly-average water and air temperatures in different stages

随着流域梯级电站高坝大库的逐渐建成(表1)，水库群对下游河道流量和水温的调节作用将十分突出，特别是春夏季低温水现象将更为明显。由于开发前、后“水-气”热量差和流量过程的变化，下游河段水流的沿程增温率也将发生改变。影响沿程增温率的因素有河宽、“水-气”热量差、流量及机械能转化。梯级开发河段的沿程增温率变化与热量转换的倍比关系(河宽×热通量/流量)密切相关，其倍比值越大，沿程增温率则越大。可以预计，随着上游控制性水库的持续开发，下游河道在春夏季的沿程增温率将较现阶段变大，而冬季沿程增温率则将小于现阶段，甚至出现沿程降温的现象。

5　结　　论

(1)受瀑布沟电站对热量和径流调节的影响，其下游河段的水温情势发生了变化，瀑布沟下游河段的小型电站对沿程增温幅度有一定弱化作用。与开发前相比，观测期瀑布沟下游河道全年沿程增温幅度变小，年均沿程增温降低0.5 ℃，且下游河道全程水温受瀑布沟的影响出现了明显的延迟效应、均化效应及春夏季降低、秋冬季升高的现象，3—8月各观测断面降幅范围为0.3～2.4 ℃，10月—翌年2月各观测断面增幅范围为0.3～3.3 ℃。

(2)建立考虑了“机械能—内能”转化作用的山区河流纵向一维水温模型，并用原型观测数据进行了验证。结果表明，计算值和实测值吻合较好。经过率定，现开发阶段研究河段的“机械能—内能”转化系数为0.55。

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*The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51309169; No.51279114).

DOI:10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.015

收稿日期:2015-08-28;网络出版时间：2016-03-14

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51309169;51279114)

作者简介：脱友才(1981—)，男，四川南充人，讲师，博士，主要从事环境水力学及水污染方面的研究。E-mail：[e-mail]通信作者：周晨阳，E-mail：[e-mail]

中图分类号：TV697.2

文献标志码：A

文章编号：1001-6791(2016)02-0299-08

Influence of hydroelectric development on water temperature downstreamthe Pubugou hydropower station of the Dadu River

TUO Youcai, ZHOU Chenyang, LIANG Ruifeng, LI Kefeng

(State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Abstract:To research the influence of hydroelectric development on water temperature of the Dadu River, a comparative analysis was done to describe the characteristics of temporal and spatial water temperature changes downstream river reach after and before completion of the Pubugou hydropower station by means of prototype observation and numerical simulation. The study showed that compared with natural condition, the current water temperature downstream the Pubugou reach had clear features of both averaging and delayed effects, as well as the phenomena of low temperature water in spring and summer and high temperature water in autumn and winter with the biggest drop of 2.4 ℃ at Gongzui tailrace in April and the biggest rise of 3.3 ℃ at Pubugou tailrace in December. The temperature stratification didn′t occur in small lower reservoirs downstream the Pubugou reach, but the reservoir water weakened the water temperature rising along the reach. The water temperature process downstream the Pubugou reach was simulated well by the model that took the mechanical energy conversion into consideration, and the conversion rate of “mechanical energy and internal energy” came to 55% after calibration.

Key words:development of cascade hydropower stations; cumulative effect of water temperature; longitudinal one-dimension; warming rate; prototype observation

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20160314.2210.006.html