如何解读三峡水库蓄水对宜昌—城陵矶河段水温情势影响

原标题：

三峡水库蓄水对宜昌—城陵矶河段水温情势影响研究

摘 要:

为研究三峡水库对长江中游河道水温的影响，采用一维水温模型对宜昌至城陵矶河段 1983—2013 年水温进行模拟反演，分析了不同蓄水工况不同时间尺度下水温时空变化规律。结果表 明: ( 1) 三峡水库蓄水后，宜昌－城陵矶河段升温期( 3—6 月) 降温、降温期( 9—12 月) 升温效应明 显，并伴随着水温滞迟和平坦化现象，且随蓄水位升高现象愈加显著，越靠近三峡大坝，河段水温较 蓄水前变化越大。( 2) 坝下河段水温 “滞温”、 “滞冷”效应主要由三峡水库蓄水引起，水库调蓄作 用下的水温变化沿程减缓。气象条件的影响对水库调蓄引起的水温变化恢复有限，三峡水库 175 m 蓄 水期城陵矶断面仍存－2. 14 ℃ ～3. 40 ℃的水温变化。研究成果可为长江生态环境保护修复提供科学 依据。

关键词:

三峡水库; 水温模型; 宜昌—城陵矶河段; 温滞;

邱如健(1997—),女,硕士研究生,研究方向为水文水资源。E-mail:mg1829060@smail.nju.edu.cn (1981—),男,副教授,博士,研究方向为水文水资源。E-mail:yuankunw@nju.edu.cn;

基金：

国家自然科学基金(51679118);

国家重点研发计划(2017YFC1502704);

引用：

邱如健，王远坤，王栋，等． 三峡水库蓄水对宜昌—城陵矶河段水温情势影响研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 3) : 108-115.

QIU Ｒujian，WANG Yuankun，WANG Dong，et al． Impact from impoundment of Three Gorges Ｒeservoir on water temperature regime of Yichang-Chenglingji reach［ J］ . Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 3) : 108-115.

0 引 言

水温是重要的水化学因素和生态因子,与水质因素和水生生态紧密联系,影响着生化耗氧、复氧、鱼类产卵 。水温的变化受自然条件和人为扰动等因素影响,例如气候变化和筑坝 。三峡水库是治理和开发利用 大型水利工程,三峡水库蓄水改变了下游河道天然水文情势,使得中华鲟、四大家鱼等鱼类的产卵条件发生变化 。因此,关于三峡水库对水温变化的影响研究受到了众多关注。邹振华等 对比分析宜昌和寸滩站同时期旬水 温差值变化、水温及水温温变率相关性,发现三峡水库修建对宜昌水温特性影响显著。郭文献等 定量分析了 库蓄水前后中华鲟和四大家鱼产卵期生态水文情势变化,结果表明水库蓄水后中华鲟和四大家鱼产卵时间平均 d左右。陶雨薇等 利用水库对河流水温影响的评价指标量化评价了三峡水库对宜昌站水温过程的影响程度 等 利用一维水温模型模拟分析了三峡水库下泄水温对中游部分河段的影响,并进行了生态敏感特征水温延迟 三峡水库修建后坝下河段水温时空变化规律及其引发的生态影响研究尚未深入开展。

MIKE11软件是由丹麦水力研究所(DHI)开发的一维河流水动力学和水环境模拟软件,被广泛应用于实时 、河流泥沙输运、河流水质水温等模拟研究 。马中良 基于MIKE11软件分析了支流流量变化对下 水温的影响,结果表明利用支流间的相互影响可在一定程度上调整河道水温分布。郑江涛等 利用MIKE软件 中下游河道水温进行模拟计算,对比分析了水库建成前后天然河道水温与下泄水温过程。已有研究表明MIKE1 度较高,能准确预测河道水温。

研究区域为长江中游宜昌至城陵矶河段,全长约385 km,河段设有宜昌、枝城、沙市、监利水文站。宜昌水 于三峡水库下游44 km处,是三峡水库的出库控制站。宜昌至枝城河段长约60 km,属山区向平原的过渡河段,河 清江入流,入流进口段设有高坝洲水文站;枝城至藕池口河段为上荆江,河段长约165 km,河段内有松滋河和虎渡 入洞庭湖,松滋河东、西支设有沙道观、新江口水文站,虎渡河进口段设有弥陀寺水文站;藕池口至城陵矶河段 江,河段全长约160 km,河段内有藕池河分流入洞庭湖,藕池河东、西支设有管家铺、康家岗水文站;洞庭湖出口 城陵矶水文站 。研究区域如图1所示。

图1 研究区域示意

2 河道水温模型

2.1 基本方程

长江宜昌至城陵矶河段水温模拟采用MIKE11一维水温模型,以水温T为变量,主要考虑热交换过程中的太阳 射、风等因素的影响,在一维水动力模块(HD)基础上增加对流扩散模块(AD)。

MIKE11水动力模块(HD)基于圣维南方程组,采用6点中心隐式差分格式对圣维南方程组进行离散,交错 格 算流量点和计算水位点,数值计算采用双重扫描法

式中,Q为流量,m /s;x为空间坐标,m;A为过水断面面积,m ;q为旁侧入流量,m /s;t为时间坐标,s;α为动量 数;g为重力加速度,m/s ;h为水位,m;C为谢才系数,m /s;R为水力半径,m。

MIKE11对流扩散模块(AD)基本原理是一维对流扩散方程。对流扩散方程离散采用完全时间和空间中心隐 格式,数值计算采用双重扫描法

式中,A为过水断面面积(m );t为时间坐标(s);Q为流量(m /s);x为空间坐标(m);D 为纵向扩散系数(m /s),由 确定,a为扩散系数因子(m /s),b为扩散系数指数;T为水温(℃);B为河宽(m);S为单位表面积净热交换通量(W/m 的密度(kg/m );C 为水的比热[J/(kg·℃)]。

2.2 模型构建

一维水温模型包含河 、断面、边界、参数、模拟文件。利用宜昌—城陵矶水道地形、断面实测资料构建 断面文件,共210个实测断面,平均断面间距1.8 km。宜昌站逐日流量、水温设为上游边界,城陵矶站水位设为 界。清江采用高坝洲站流量、水温数据,分别以新江口及沙道观站合流量、弥陀寺站流量、管家铺及康家岗站 作为松滋河、虎渡河、藕池河出流边界,采用宜昌、荆州、监利站逐日气温等气象资料控制相应河段的气象条 下游初始水位分别设为40 m、20 m,初始流量、水温全域值分别设为0 m /s、13 ℃。河床糙率、扩散系数因 散系数指数b率定后设为0.037、10、1。考虑大流量和滩地对糙率的影响,分流量分滩槽设定阻力系数因子。 间步长设为30 s。

2.3 模型验证

以枝城、沙市、监利断面2010年实测流量、水位及小墨山断面2010年实测水温验证一维水温模型。 城、沙市、监利断面水位及小墨山断面水温模拟和实测结果对比。利用平均绝对误差(MAE)、均方根误差(R 纳什效率系数(NSE)对模型进行评估

式中, y 为模拟值;y 为实测值。

模型评估结果如表1所列。平均绝对误差和均方根误差值越小,说明模型模拟结果越好;纳什效率系数值越 明模型可信度高 。枝城、沙市、监利断面水位、流量及小墨山断面水温平均绝对误差和均方根误 合理范围内,纳什效率系数均接近于1,表明MIKE11 一维水温模型可信度高。

图2 模拟与实测结果对比(S、O表示模拟、实测值)

表1 一维水温模型模拟结果分析

3 三峡水库蓄水对宜昌—城陵矶河段水温情势影响分析

3.1 河段水温时间分布特征

为探究三峡水库蓄水对宜昌至城陵矶河段水温的影响,运用MIKE11一维水温模型对坝下河段1983—201 模拟反演,并根据三峡水库调蓄运行方式将研究时段划分为蓄水前(1983年1月—2003年5月)、135 m蓄水期(2 月—2006年8月)、156 m蓄水期(2006年9月—2008年8月)、175 m蓄水期(2008年9月—2013年12月)4个蓄水 图3分别对比了宜昌、枝城、沙市、监利、城陵矶断面不同工况下多年平均旬水温变化过程,其中宜昌断面采用 温,其余4个断面采用模拟水温。如图3所示,各断面蓄水后升温期(3月上旬—6月下旬)降温和降温期(9月上旬— 旬)升温现象明显,即出现“滞冷”和“滞温”现象,最低水温和最高水温出现时间推迟。

图3 不同工况下旬水温变化过程

细化分析河段水温蓄水后升温期和降温期水温变化,表2和表3统计了各断面4个工况下升温期(3月上旬—6 平均水温、降温期(9月上旬—12月下旬)平均水温、最低旬水温、最高旬水温及相应出现时间情况。整体上看 段所有断面自156 m蓄水期出现升温期“滞冷”效应,自135 m蓄水期出现降温期“滞温”效应,水温变化随水库蓄水 愈加显著,水温最大变幅发生于175 m 蓄水期4月下旬和12月下旬,位于河段上游的宜昌断面,较蓄水前,3个蓄水 期平均水温依次降低0.73 ℃、1.37 ℃、2.18 ℃,降温程度依次增大;降温期平均水温则随蓄水阶段推进逐渐升 m蓄水期升温2.61 ℃。水温于175 m 蓄水期4月下旬(-3.94 ℃)和12月下旬(4.34 ℃)变化最大。175 m蓄水期宜最低旬水温由蓄水前9.77 ℃升高至11.21 ℃,最高旬水温则降低0.02 ℃,最大旬温差减小1.46 ℃,相应出现时间 迟4旬、1旬。相比宜昌断面,河段下游城陵矶“滞冷”、“滞热”现象减缓。蓄水前后城陵矶断面升温期平均水温依 0.36 ℃、-0.61 ℃、-1.04 ℃,随水库蓄水位升高降温愈加明显;降温期平均水温则从蓄水前18.69 ℃升高至17 期20.89 ℃,同样于175 m蓄水期水温变化最大。较蓄水前,175 m蓄水期城陵矶断面存在-2.41 ℃和-3.40 ℃的 化,最低旬水温升高1.74 ℃,出现时间推迟3旬;最高旬水温升高0.43 ℃,出现时间推迟1旬,最大旬温差减小1.31

表2 不同工况下升温期和降温期平均水温统计

月尺度下水温变化规律与旬尺度相似,但月尺度下最高水温出现时间仅156 m蓄水期发生推迟。蓄水后多年 水温在升温期3—6月降温、降温期9—12月升温明显,4月和12月水温变幅最大,且随水库蓄水位升高水温变幅 以宜昌断面为例,当三峡水库运行至175 m蓄水期时,宜昌断面4月水温较蓄水前降低3.50 ℃,12月水温则由蓄水 5 ℃升高至16.90 ℃,最大温差减小1.33 ℃。

表3 不同工况下最低旬水温、最高旬水温统计

3.2 河段水温空间分布特征

水库蓄水后河段各断面水温均出现“滞冷”、“滞温”效应,鉴于4月和12月水温变化最明显,以4月和12月为代 分析河段水温沿程分布特征。图4分别对比了4月和12月宜昌、枝城、沙市、监利、城陵矶断面蓄水前后水温 由图4(a)可知,蓄水前4月水温自宜昌至城陵矶断面沿程降温明显,降温率为-0.30 ℃/100 km。蓄水后河段沿程 化较平缓,当三峡水库运行至175 m蓄水期时,河段沿程水温小幅度升高0.10 ℃/100 km。此时,宜昌、枝城、沙 利、城陵矶断面升温期水温降温幅度最大,分别较蓄水前降低3.50 ℃、3.13 ℃、2.78 ℃、2.24 ℃、1.97 ℃,降 沿程减小。由图4(b)可知,蓄水前12月中游河段水温沿程升高,增温率为 0.20 ℃/100 km。蓄水后河段沿程水温 趋势,各蓄水期水温降温率分别为-0.10 ℃/100 km、-0.18 ℃/100 km、-0.10 ℃/100 km。较蓄水前,175 m蓄 月水温升温最明显,各断面水温分别升高4.15 ℃、3.89 ℃、3.59 ℃、3.17 ℃、2.98 ℃,升温幅度沿程减小。说 近三峡大坝,水温变化越大。

图4 不同工况下河段沿程水温变化过程

图5 研究区域不同工况下月气温变化过程

3.3 河段水温变化归因分析

三峡水库蓄水后,宜昌至城陵矶河段水温时空分布特征发生了明显变化。坝下河段水温变化受到水库调蓄 条件的共同作用 。根据宜昌、荆州、监利气象站1983—2013年实测逐日气温资料,图5对比了各断面不 下多年平均月气温变化过程。整体上看,宜昌断面各蓄水期气温较蓄水前均升高,且依次升高0.56 ℃、0.69 ℃ ℃。在水温升温期4月,蓄水前后气温依次为17.19 ℃、19.86 ℃、17.80 ℃、17.55 ℃,蓄水后气温比蓄水前升 175 m蓄水期升幅最小;水温降温期12月,蓄水后气温较蓄水前变化了-0.33 ℃、0.52 ℃、-0.05 ℃,仅156 m蓄 温较蓄水前升高。荆州、监利断面4个工况下年内气温波动情况与宜昌断面相似。

已有研究表明,气温是影响水温的主要因素 。基于宜昌、荆州、监利断面4个工况下多年平均月 气温数据,利用spearman相关系数检验出各断面水温与气温相关系数均为0.89,可知水温和气温相关性较高。 别建立宜昌、荆州、监利断面蓄水前多年平均月水温与气温的回归方程,计算出各断面4个工况下多年平均月气 下的水温值,进而计算出各断面蓄水前后气温变化影响下的水温温差,并分离出由于水库调蓄引起的水温变化量

图6展示了宜昌断面不同蓄水期分别受气象条件和水库调蓄作用下月水温温差。当水库达到175 m蓄水位 面受水库调蓄影响的水温变化最显著。175 m蓄水期升温期4月,气温升高0.36 ℃引起水温升高0.25 ℃,水库蓄 水温降低3.75 ℃,最终水温较蓄水前降低3.50 ℃。降温期12月,水温蓄水前后升温4.15 ℃,其中气温降低0.05 水温降低0.03 ℃,水库蓄水引起水温升高4.18 ℃。可见蓄水后坝下河段水温的“滞冷”、“滞温”效应主要由三峡 蓄导致,且随蓄水位升高,水库调蓄对水温的影响越大。三峡水库蓄水后,水深明显增加,出现水库水温分层现象 库深层下泄水流改变了下游天然河道水温,使得下游河道水温出现“滞冷”和“滞温”现象 。

图6 宜昌断面水温受水库调蓄和大气热交换作用温差变化

图7 河段水温受水库调蓄和大气热交换作用沿程温差变化

为进一步探究蓄水后中游河段水温沿程减缓的原因,图7(a)、(b)分别对比了4月和12月宜昌、荆州、监利 m蓄水期受水库调蓄和气象条件影响沿程温差变化。由图7(a)可知,升温期4月,各断面受水库调蓄作用降温明 库调蓄引起的降温效应沿程减缓。4月河段气温较蓄水前全程升高,河段水温相应全程升高,对水库调蓄引起的 应起一定恢复作用。由图7(b)可知,降温期12月,水库调蓄引起的“滞温”效应同样沿程减缓。宜昌、荆州断面水 象条件影响下降温,监利断面水温升温。由于气象条件对水库蓄水产生的升温变化恢复有限,水库蓄水引起的 应仍会影响至监利断面以下河段。正如前文分析,水库175 m蓄水位运行下城陵矶断面旬水温蓄水前后存在-2 0 ℃的变化。

4 结 论

(2)三峡水库蓄水后,宜昌至城陵矶河段水温升温期(3—6月)降温效应和降温期(9—12月)升温效应明显,4月 水温变幅最大,并伴随明显的滞迟和平坦化现象,且随蓄水位升高水温变化愈加显著。蓄水前后的水温变化幅度 大坝的距离增加而减缓。

(3)坝下河段水温变化主要受三峡水库调蓄影响,水库调蓄导致的“滞冷”、“滞温”效应沿程减缓。这种变化会 于繁殖季节的鱼类产卵及孵化等生物行为,因此有必要开展针对重要鱼类保护的水库生态调度,以保障其繁殖期 水温条件,为河流生态修复提供科学支撑。

水利水电技术

水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也 道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。