水庫(kù)水溫判斷水溫結(jié)構(gòu)類型的方法

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

水庫(kù)水體在水文、氣象、地形、地理位置、出水口位置、調(diào)度運(yùn)行方式等因素的影響下，形成不同的水溫結(jié)構(gòu)。水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)可分為分層型和混合型兩類。分層型水庫(kù)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(kù)全年水庫(kù)上下層水溫沒(méi)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(kù)水溫常保持在4℃左右，整個(gè)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(yáng)輻射增強(qiáng)，水庫(kù)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(shí)，溫差較小，受風(fēng)的作用能完全混合。當(dāng)某一時(shí)刻，由于溫差較大，風(fēng)的作用不足以混合整個(gè)水體時(shí)，就形成了穩(wěn)定的三層式溫度分層：水庫(kù)上部水溫呈均勻分布，稱為庫(kù)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(kù)下冷水層。由于水體密度分層，敵水庫(kù)的進(jìn)、出水將產(chǎn)生異重流運(yùn)動(dòng)。秋季，氣溫下降，太陽(yáng)輻射變?nèi)酰韺铀疁叵陆?，密度增加，?kù)面溫水層與其下層水由于重力和風(fēng)的作用產(chǎn)生對(duì)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(duì)流。入冬，水溫繼續(xù)下降，若表層水溫低于4℃，則在無(wú)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(lái)臨，冰層開(kāi)始融化，逆分層將混合消失，稱為春季對(duì)流。隨后，水庫(kù)水體再一次出現(xiàn)溫度分層。庫(kù)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(kù)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(kù)；徑流式水庫(kù)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(duì)水溫的敏感性。影響范圍包括庫(kù)區(qū)和出水口下游?；旌闲退疁亟Y(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的影響比分層型小。

水庫(kù)水溫水溫分層對(duì)水體的化學(xué)和生態(tài)的影響

庫(kù)面溫水層通過(guò)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(kù)下冷水層溶解氧含量較低，當(dāng)由浮游生物死后的殘?bào)w和沉淀物產(chǎn)生的生化需氧量較大時(shí)，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(kù)的生產(chǎn)力有關(guān)。由于庫(kù)面溫水層的生物作用和庫(kù)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(yíng)養(yǎng)物多積累在冷水層，庫(kù)面溫水層的營(yíng)養(yǎng)量低于最大浮游植物產(chǎn)量所需的營(yíng)養(yǎng)量水平，從而影響動(dòng)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(zhǎng)適宜于低溫和低溶解氧的生物種類。秋季對(duì)流時(shí)，冷水層的營(yíng)養(yǎng)物呈均勻分布，若含量較大，則將使水庫(kù)水體和下游藻類急劇生長(zhǎng)。水面較大的水庫(kù)，表層水溫的變化會(huì)引起蒸發(fā)和水面長(zhǎng)波輻射等的較大變化，影響局地氣候。水溫分層還會(huì)影響水庫(kù)大壩（特別是混凝土壩）的應(yīng)力分布。

水庫(kù)水溫分層型水庫(kù)對(duì)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(yíng)養(yǎng)化程度提高，水庫(kù)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(kù)放水對(duì)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(kù)，將使下游水溫偏低，對(duì)水生生物的生長(zhǎng)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(kù)冷害。當(dāng)河流上建有梯級(jí)水庫(kù)時(shí)，上游水庫(kù)泄放的冷水還會(huì)使下游水庫(kù)冷水層貧氧情況繼續(xù)存在，甚至加劇。

水庫(kù)下泄水的溫度在一定程度上可通過(guò)水庫(kù)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(lè)和冷卻用水的需要。

由于大型水庫(kù)水溫分層現(xiàn)象引起的低溫水效應(yīng)已對(duì)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(kāi)對(duì)大型水庫(kù)低溫水效應(yīng)減緩措施研究勢(shì)在必行。對(duì)低溫水的減緩措施主要從預(yù)測(cè)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫、工程設(shè)施提高水庫(kù)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(kù)洪水調(diào)度運(yùn)行減緩低溫水下泄等方面進(jìn)行。

水庫(kù)垂直水溫分布及下泄水溫預(yù)測(cè)：水庫(kù)的運(yùn)用水溫和水電站發(fā)電泄水水溫，均與水庫(kù)的水溫結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。對(duì)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及下泄水溫的預(yù)測(cè)計(jì)算是建立生態(tài)型水電工程的重要前提。只有正確預(yù)測(cè)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)和下泄水溫才能對(duì)水電設(shè)施進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，確定合理的運(yùn)行調(diào)度方案，使其對(duì)生態(tài)的影響達(dá)到最小。水庫(kù)垂向水溫預(yù)測(cè)方法一般分為兩大類：一是經(jīng)驗(yàn)公式法。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)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(xiàng)式)，即經(jīng)驗(yàn)公式。由于該法很難考慮入庫(kù)、出庫(kù)水流，以及經(jīng)驗(yàn)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(kù)、出庫(kù)水流及垂向擴(kuò)散對(duì)水溫的影響，并在理論上認(rèn)為垂向水溫連續(xù)分布。在實(shí)際計(jì)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(yàn)法：20世紀(jì)70年代以來(lái)，為解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，國(guó)內(nèi)提出了許多經(jīng)驗(yàn)性水溫估算方法。這些方法都是在綜合分析國(guó)內(nèi)外水庫(kù)實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上提出的，具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)。其中水利部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院張大發(fā)提出的方法編入水文計(jì)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(jì)規(guī)范。1993年中南勘測(cè)設(shè)計(jì)院《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)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(jì)原理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并按最小二乘原理擬合得出了一套計(jì)算公式(即水庫(kù)水溫的統(tǒng)計(jì)分析公式)。2100433B

根據(jù)水溫結(jié)構(gòu)，水庫(kù)可分為分層型和混合型兩類水庫(kù)。在夏季，分層型水庫(kù)的水溫可分為，庫(kù)面溫水層(溫變層)，水庫(kù)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(kù)面溫水層和庫(kù)下冷水層的溫度差可超過(guò)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(kù)面水下沉，產(chǎn)生對(duì)流現(xiàn)象，進(jìn)入對(duì)流期。這樣入流和出流的流動(dòng)，再加上上庫(kù)來(lái)水的均勻滲混，使庫(kù)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(lái)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(shí)，會(huì)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(kù)水溫達(dá)到了均勻的分布。隨著夏季的來(lái)臨，水庫(kù)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(kù)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(kù)水溫分層結(jié)構(gòu)。這種分層型水庫(kù)多在規(guī)模較大，并且水流較慢的大型水庫(kù)出現(xiàn)?；旌闲退畮?kù)，一般在庫(kù)內(nèi)水流湍急，交換迅速的中、小型水庫(kù)出現(xiàn)。一年四季，這類水庫(kù)的水溫垂向分布大致相同 。

水庫(kù)的修建使流水環(huán)境改變?yōu)殪o水環(huán)境，由此在庫(kù)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(kù)在物理、化學(xué)及生物上的特性。水庫(kù)的水溫來(lái)自太陽(yáng)輻射，并由大氣與水面的接觸，輸送至水中。隨著水庫(kù)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(huì)傳導(dǎo)至庫(kù)中或水庫(kù)很深之處。如果水庫(kù)升溫過(guò)程中，有風(fēng)力的吹動(dòng)、一定的入流水量，水庫(kù)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(kù)溫度結(jié)構(gòu)還與水庫(kù)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(kù),水庫(kù)蓄水后帶來(lái)了發(fā)電、防洪、灌溉、航運(yùn)、旅游等綜合效益,但同時(shí)由于水庫(kù)蓄水,將改變庫(kù)區(qū)及大壩下游河段的水文情勢(shì)和水環(huán)境狀況,水溫是水質(zhì)因素的一個(gè)重要變量，在確定其他水質(zhì)指標(biāo)的過(guò)程中往往與水溫有關(guān)。而水溫的變化,對(duì)庫(kù)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(duì)水工壩體溫度應(yīng)力分析、施工溫控設(shè)計(jì)、繼電機(jī)組冷卻等也有重要影響。

水溫不僅是水庫(kù)水環(huán)境中的主要研究?jī)?nèi)容,也在水庫(kù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)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(kù)的功能,提高水庫(kù)效益；另一方面為了更好地利用水資源,因此研究水庫(kù)水溫的變化規(guī)律,對(duì)于工程的環(huán)境保護(hù)和工程的建設(shè)及運(yùn)行有重要意義 。