水庫水溫

通常采用實測法、指數(shù)法和水溫模型法。中國、日本常采用指數(shù)法，即用入庫年水量與庫容的比值和一次洪水量與庫容的比值進(jìn)行判斷。分析和預(yù)測水庫水溫變化，一般采用經(jīng)驗公式和水溫模型。水溫模型比經(jīng)驗公式準(zhǔn)確，能進(jìn)行較短時段的預(yù)測。

水庫下泄水的溫度在一定程度上可通過水庫調(diào)度和多層出水口配合放流的方式，按供水水量、水質(zhì)和水溫的要求予以控制，以滿足下游農(nóng)作物、魚類、生活、娛樂和冷卻用水的需要。

水庫水體在水文、氣象、地形、地理位置、出水口位置、調(diào)度運行方式等因素的影響下，形成不同的水溫結(jié)構(gòu)。水庫水溫結(jié)構(gòu)可分為分層型和混合型兩類。分層型水庫隨季節(jié)變化，上下層水溫發(fā)生不同的變化；而混合型水庫全年水庫上下層水溫沒有明顯區(qū)別，基本保持天然河流狀態(tài)。

分層型水溫結(jié)構(gòu)年周期性變化：初春，溫帶水庫水溫常保持在4℃左右，整個水體是不穩(wěn)定的，易受風(fēng)的作用而使上下層完全混合。夏季，氣溫上升，太陽輻射增強(qiáng)，水庫表層水體受熱升溫，密度減小，停留在其下面的溫度較低、密度較大的水層之上；但初夏時，溫差較小，受風(fēng)的作用能完全混合。當(dāng)某一時刻，由于溫差較大，風(fēng)的作用不足以混合整個水體時，就形成了穩(wěn)定的三層式溫度分層：水庫上部水溫呈均勻分布，稱為庫面溫水層；在此以下的溫度突變區(qū)，稱為溫躍層，一般水深增加1m，水溫可下降1℃以上，溫躍層的深度很大程度上取決于作用在水面上的風(fēng)力；溫躍層以下，水溫很低且較均勻，為停滯靜水，稱為庫下冷水層。由于水體密度分層，敵水庫的進(jìn)、出水將產(chǎn)生異重流運動。秋季，氣溫下降，太陽輻射變?nèi)?，表層水溫下降，密度增加，庫面溫水層與其下層水由于重力和風(fēng)的作用產(chǎn)生對流，厚度逐漸加大，溫躍層向下層擴(kuò)展，最后因混合作用擴(kuò)展至不同水深，形成等溫狀態(tài)，稱為秋季對流。入冬，水溫繼續(xù)下降，若表層水溫低于4℃，則在無風(fēng)和有冰層的情況下，將出現(xiàn)底層水溫比表層水溫高的逆分層。春天來臨，冰層開始融化，逆分層將混合消失，稱為春季對流。隨后，水庫水體再一次出現(xiàn)溫度分層。庫面溫水層水溫在分層季節(jié)變化較大，與河流水溫差不多或略高。庫下冷水層溫度變化較小，變化程度取決于分層前的水溫，與冬春河流水溫差不多。一般分層型水溫結(jié)構(gòu)多出現(xiàn)在蓄水水庫；徑流式水庫不發(fā)生典型的三層式溫度分層現(xiàn)象。

影響的大小主要取決于水溫的分層溫度高低的變化、出水口高程和環(huán)境對水溫的敏感性。影響范圍包括庫區(qū)和出水口下游?；旌闲退疁亟Y(jié)構(gòu)對環(huán)境的影響比分層型小。

水庫水溫水溫分層對水體的化學(xué)和生態(tài)的影響

庫面溫水層通過水面通氣和水生植物的光合作用保持較高的溶解氧含量；而庫下冷水層溶解氧含量較低，當(dāng)由浮游生物死后的殘體和沉淀物產(chǎn)生的生化需氧量較大時，將出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象，變成或接近于厭氧微生物層。溶解氧的分布特性與水庫的生產(chǎn)力有關(guān)。由于庫面溫水層的生物作用和庫下冷水層的缺氧，使pH值、二氧化碳、硝酸鹽、氨、二氧化硅、鉀、鎂、鈣、鐵、錳、硫化氫等產(chǎn)生分層現(xiàn)象。營養(yǎng)物多積累在冷水層，庫面溫水層的營養(yǎng)量低于最大浮游植物產(chǎn)量所需的營養(yǎng)量水平，從而影響動物的數(shù)量。溫度、水質(zhì)的分層常使水生生物的種類呈垂直分布，在缺氧的冷水層中只能生長適宜于低溫和低溶解氧的生物種類。秋季對流時，冷水層的營養(yǎng)物呈均勻分布，若含量較大，則將使水庫水體和下游藻類急劇生長。水面較大的水庫，表層水溫的變化會引起蒸發(fā)和水面長波輻射等的較大變化，影響局地氣候。水溫分層還會影響水庫大壩（特別是混凝土壩）的應(yīng)力分布。

水庫水溫分層型水庫對下游水溫和水質(zhì)的影響

影響程度與出水口的高程有關(guān)。采用底層出水口將使含有大量離子成分的、溶解氧較低的冷水層捧出，使下游水質(zhì)變差和營養(yǎng)化程度提高，水庫生產(chǎn)能力降低。采用較高的出水口，下泄水溫度較高，具有高溶解氧、低含量的懸浮固體和鐵、錳等，水質(zhì)較好；但水溫較高又可能使下游生化需氧量增加，使水質(zhì)變差。水庫放水對下游水溫的影響，一般是推遲下游春季水溫上升和秋季水溫下降，使水生生物群落發(fā)生變化。采用底孔泄水的分層水庫，將使下游水溫偏低，對水生生物的生長和繁殖產(chǎn)生不利影響。使灌溉農(nóng)作物減產(chǎn)，這種現(xiàn)象稱為水庫冷害。當(dāng)河流上建有梯級水庫時，上游水庫泄放的冷水還會使下游水庫冷水層貧氧情況繼續(xù)存在，甚至加劇。

由于大型水庫水溫分層現(xiàn)象引起的低溫水效應(yīng)已對我們的生態(tài)環(huán)境及生活環(huán)境造成了較大的影響，因此展開對大型水庫低溫水效應(yīng)減緩措施研究勢在必行。對低溫水的減緩措施主要從預(yù)測水庫水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫、工程設(shè)施提高水庫下泄水溫、農(nóng)業(yè)技術(shù)減緩低溫水效應(yīng)、合理利用水庫洪水調(diào)度運行減緩低溫水下泄等方面進(jìn)行。

水庫垂直水溫分布及下泄水溫預(yù)測：水庫的運用水溫和水電站發(fā)電泄水水溫，均與水庫的水溫結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。對水庫水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫的預(yù)測計算是建立生態(tài)型水電工程的重要前提。只有正確預(yù)測水庫水溫結(jié)構(gòu)和下泄水溫才能對水電設(shè)施進(jìn)行有效設(shè)計，確定合理的運行調(diào)度方案，使其對生態(tài)的影響達(dá)到最小。水庫垂向水溫預(yù)測方法一般分為兩大類：一是經(jīng)驗公式法。通過對實測資料的分析，總結(jié)出水溫垂向變化的形式(指數(shù)函數(shù)形式或多項式)，即經(jīng)驗公式。由于該法很難考慮入庫、出庫水流，以及經(jīng)驗參數(shù)的地區(qū)適用性，所以其應(yīng)用受到很大限制。二是數(shù)學(xué)模型法，應(yīng)用較廣泛的是垂向一維擴(kuò)散模型。該模型考慮了入庫、出庫水流及垂向擴(kuò)散對水溫的影響，并在理論上認(rèn)為垂向水溫連續(xù)分布。在實際計算中，由于其解析解的獲得頗為困難，一般采用數(shù)值方法求解，即其結(jié)果仍是呈離散的階梯狀分布。

經(jīng)驗法：20世紀(jì)70年代以來，為解決生產(chǎn)實際問題，國內(nèi)提出了許多經(jīng)驗性水溫估算方法。這些方法都是在綜合分析國內(nèi)外水庫實測資料的基礎(chǔ)上提出的，具有簡單實用的特點。其中水利部東北勘測設(shè)計院張大發(fā)提出的方法編入水文計算規(guī)范，水科院朱伯芳提出的方法編入混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范。1993年中南勘測設(shè)計院《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》編制組和水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所，在朱伯芳提出的方法基礎(chǔ)上，利用數(shù)理統(tǒng)計原理進(jìn)行統(tǒng)計分析，并按最小二乘原理擬合得出了一套計算公式(即水庫水溫的統(tǒng)計分析公式)。2100433B

根據(jù)水溫結(jié)構(gòu)，水庫可分為分層型和混合型兩類水庫。在夏季，分層型水庫的水溫可分為，庫面溫水層(溫變層)，水庫大多數(shù)增暖和冷卻都在溫水層進(jìn)行；溫水層以下是溫度變化較迅速的斜溫層(溫躍層)；斜溫層以下是熱量難以交換的冷水層(滯溫層)。庫面溫水層和庫下冷水層的溫度差可超過15℃ ～ 20℃ 。夏季水溫分層后，形成穩(wěn)定的斜溫層。水溫在水平方向上保持不變，僅垂直方向變化。而且由于水溫引起的垂直方向的密度梯度，上下很難產(chǎn)生滲混，往往形成入流和出流的水平層流。而在秋季以后，表層水溫度降低，密度增加，庫面水下沉，產(chǎn)生對流現(xiàn)象，進(jìn)入對流期。這樣入流和出流的流動，再加上上庫來水的均勻滲混，使庫水溫達(dá)到了均勻分布。冬季則可能形成表面冰蓋，而冰蓋下面是4℃的水，形成冬季逆溫分層。春季來臨，湖泊上層熱量的輸入大于支出，使表面溫度升高，接近4℃時，會發(fā)生上下水層之間的水量交換，如遇有強(qiáng)風(fēng)，則全深度的水達(dá)到均勻的密度分布，水庫水溫達(dá)到了均勻的分布。隨著夏季的來臨，水庫表面溫度升高，由于外力影響，熱量向較深層傳遞在表面形成暖而輕的水層，冷而重的水分布在庫底。如果混合不能充分補(bǔ)償這種溫度和密度的垂直分布，則形成夏季水庫水溫分層結(jié)構(gòu)。這種分層型水庫多在規(guī)模較大，并且水流較慢的大型水庫出現(xiàn)?；旌闲退畮欤话阍趲靸?nèi)水流湍急，交換迅速的中、小型水庫出現(xiàn)。一年四季，這類水庫的水溫垂向分布大致相同 。

水庫的修建使流水環(huán)境改變?yōu)殪o水環(huán)境，由此在庫區(qū)出現(xiàn)一系列物理、化學(xué)及生物學(xué)現(xiàn)象的改變。其中最大的變化之一是水溫結(jié)構(gòu)的變化，而水溫又很大程度地決定著水庫在物理、化學(xué)及生物上的特性。水庫的水溫來自太陽輻射，并由大氣與水面的接觸，輸送至水中。隨著水庫深度的增加，熱量的吸收程度不同。由于水的熱傳導(dǎo)性遠(yuǎn)較其它物質(zhì)弱，所以在不考慮其它因素的前提下，熱量是不會傳導(dǎo)至庫中或水庫很深之處。如果水庫升溫過程中，有風(fēng)力的吹動、一定的入流水量，水庫熱表面的水可與深層的水混合，其混合程度可決定水溫的結(jié)構(gòu)狀況。當(dāng)然水庫溫度結(jié)構(gòu)還與水庫的規(guī)模、深度、地理位置、氣候條件等因素有關(guān)。

在河流上修建大壩形成水庫,水庫蓄水后帶來了發(fā)電、防洪、灌溉、航運、旅游等綜合效益,但同時由于水庫蓄水,將改變庫區(qū)及大壩下游河段的水文情勢和水環(huán)境狀況,水溫是水質(zhì)因素的一個重要變量，在確定其他水質(zhì)指標(biāo)的過程中往往與水溫有關(guān)。而水溫的變化,對庫區(qū)及下游河段的水生生物、農(nóng)田灌溉、和生活用水等將產(chǎn)生重大影響，并且對水工壩體溫度應(yīng)力分析、施工溫控設(shè)計、繼電機(jī)組冷卻等也有重要影響。

水溫不僅是水庫水環(huán)境中的主要研究內(nèi)容,也在水庫的規(guī)劃設(shè)計和運用管理中起著重要作用。一方面為了更好地發(fā)揮已建水庫的功能,提高水庫效益；另一方面為了更好地利用水資源,因此研究水庫水溫的變化規(guī)律,對于工程的環(huán)境保護(hù)和工程的建設(shè)及運行有重要意義 。