水庫水溫分層結構判定方法及其應用

陳浩

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

大壩攔截后，改變了原有河流的徑流過程，對于調節性能較好的水庫，水體在庫內滯留時間長，在重力和熱力作用下，垂向水溫呈現出分層現象。特別是多年調節水庫或年調節水庫，有可能形成穩定的水溫分層結構，庫底常年處于低溫水狀態。水庫水溫的分層結構改變了水庫庫區的水生態環境，根據調查，對于一些典型的分層型水庫，夏季下泄水溫較天然水溫可能低10℃以上，從而帶來一系列低溫水影響，如對下游河道水生生態的影響，對農業灌溉的影響，這成為水庫項目環評中重點關注的問題。因此，本文通過梳理水溫分層結構判定方法，并結合工程實例，總結各水溫判定方法在實際應用中的優劣勢，為水庫水溫分層結構判定在環評中的應用提供參考。

1 水庫水溫影響因素

（1）水庫幾何特征，包括庫容、水深、面積、平均寬度、庫底坡等；

（2）水文水力因素，如入出庫流量、水體流態、平均流速等；

（3）地質地貌，如庫周地形、庫底質、糙率等；

（4）氣象因素，如太陽輻射、氣溫、風速風向、降雨、蒸發等；

（5）地理位置，水庫所處地理緯度不同，則太陽高度角的大小、晝夜和四季長短、太陽輻射強度、水庫熱量收支及地溫等都不一樣。

2 水庫水溫結構的判別方法

現行的水庫水溫分層判別方法主要有參數αβ判別法、Norton密度佛汝德數判別法及水庫寬深比判別法，它們實際上都是一種公式加經驗的判別方法。

（1）參數α-β判別法。

當α<10時，水庫水溫為穩定分層型；當10<α< 20時，水庫水溫為不穩定分層型；當α>20時，水庫水溫為混合型。對于分層型水庫，如果遇到β>1的洪水，將出現臨時混合現象；但如果β<0.5時，洪水對水庫水溫的分布結構沒有影響。

（2）Norton密度佛汝德數判別法。

Norton密度佛汝德數判別公式為：Fr=（LQ/HV）（gG）-1/2

式中 Fr——密度佛汝德數；

L、H、V——分別為水庫長度、平均水深和庫容；

Q——入庫流量；

G——重力加速度；

G——標準化的垂向密度梯度（量級為10-3/ m，推薦值為10-3/m）。

當Fr<0.1時水庫水溫為穩定分層型；當0.1< Fr<1.0時，水庫水溫為弱分層型或混合型；當Fr> 1.0時水庫水溫為完全混合型。

（3）水庫寬深比判別法。

水庫寬深比判別法公式為：R＝B/H

式中 B——水庫水面平均寬度；

H——水庫平均水深。

當H>15m，R>30時水庫為混合型；R<30時水庫為分層型。

3 環評中關于計算公式中參數概念及推薦的計算方法

在水溫判別方法各計算公式中，部分參數在公式中未給出具體的選取原則，部分參數無法從水文數據中直接獲得，這是水溫結構判別計算中會遇到的問題，比如對于中型水庫，采用不同標準的一次洪水量，β值變化跨度較大，會影響判斷洪水對水庫水溫的分布結構的影響分析結論。作者根據實際經驗，在本文中給出基本選取原則和推薦方法，并在案例計算中予以驗證。

（1）在參數α-β判別法中“一次洪水量”的定義。

一次洪水總量：一次洪水過程中或給定時段內通過河流某一斷面的洪水體積即為一次洪水量。

推薦取值原則：在水文計算中，一般會給出5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇洪水量；我們在計算時建議采用水庫設計的防洪標準設定的一次洪水量，比如水庫設計的防洪標準是20年一遇，即選擇20年一遇的一次洪水量作為計算取值。

（2）Norton密度佛汝德數判別公式中參數的選定。

G為標準化的垂向密度梯度 （量級為10-3/m）；單位垂向距離內的流體密度差異我們也可稱之為垂向密度梯度，并形成與之相應的密度梯度力。流體之間的密度差異越大，由密度差異產生的密度梯度力也越大。

H為水庫平均水深，推薦計算公式：H=正常蓄水位時的庫容/正常蓄水位時的水面面積。

（3）水庫寬深比判別法中參數的選定。

B為水庫水面平均寬度，推薦計算公式：B=正常蓄水位時的水面面積/回水長度。

4 案例計算及驗證

中國水利工程中對水庫的級別劃分為5級，大、中、小型水庫的等級是按照庫容大小來劃分的，即大（I）型水庫庫容大于10億m3；大（II）型水庫庫容大于1億m3而小于10億m3；中型水庫庫容大于或等于0.1億m3而小于1億m3；小（I）型水庫庫容大于或等于100萬m3而小于1000萬m3；小（II）型水庫庫容大于或等于10萬m3而小于100萬m3。

本文選取大中小型各個級別的代表性水庫作為案例進行水溫判別計算，其中涔天河水庫為大（I）型水庫，莽山水庫為大（II）型水庫，蘆江水庫及烏巢河水庫為中型水庫，營樂源水庫為小型水庫。

4.1 水庫基本情況簡介

（1）大（I）型水庫——涔天河水庫。涔天河水庫擴建工程位于湘江一級支流瀟水上游河段，系瀟水流域開發的第一梯級。行政區屬湖南省永州市江華瑤族自治縣，壩址距江華縣城12km。地理坐標：東經110°39′53″，北緯25°8′52″。涔天河水庫正常蓄水位313.0m，總庫容15.1億m3，屬于大（I）型水庫。

（2）大（II）型水庫——莽山水庫。莽山水庫工程位于珠江流域北江二級支流長樂水的上游，系長樂水流域開發17個梯級中的第7級。行政區域屬于湖南省郴州市宜章縣境內，下距宜章縣城72km。地理坐標：東經112°38′～113°4′，北緯24°53′～25°16′。莽山水庫正常蓄水位395.0m，總庫容1.33億m3，屬于大（II）型水庫。

（3）中型水庫——蘆江水庫。蘆江水庫工程位于湘江一級支流蘆洪江上游，行政區劃為湖南省東安縣東北部新圩江鎮源塘村境內，地理坐標：東經111°21′40″～111°34′10″，北緯26°31′25″～26°44′30″。蘆江水庫正常蓄水位為218.5m，總庫容2210萬m3，屬于中型水庫。

（4）中型水庫——烏巢河水庫。烏巢河水庫位于沅江流域武水水系沱江支流烏巢河下游，鳳凰縣落潮井鄉武岡村巖拉寨，地理坐標：東徑109°20′ 24″，北緯27°59′30″。烏巢河水庫正常蓄水位521m，總庫容1810萬m3，屬于中型水庫。

（5）小型水庫——營樂源水庫。營樂源壩址位于湖南省道縣清塘鎮中坪村大溶壩河上游，地理坐標：東經111°22′04″～111°23′41，北緯25°30′43″～25° 31′32″。營樂源水庫正常蓄水位405m，總庫容為495.3萬m3，屬于小型水庫。

4.2 水庫基本水文參數

涔天河水庫、莽山水庫、蘆江水庫、烏巢河水庫、營樂源水庫基本水文參數見表1。

表1 水庫基本水文參數一覽表

4.3 判定模式計算結果

根據參數α-β判別法、水庫寬深比判別法、Norton密度佛汝德數判別法三種水庫水溫結構判定模式，分別對涔天河水庫、莽山水庫、蘆江水庫、烏巢河水庫、營樂源水庫的水溫結構進行計算判定，計算及判定結果見表2。

表2 水庫水溫結構計算判定結果一覽表

4.4 判定模式特點分析

通過大中小型各個級別的代表性水庫的案例計算分析，參數α-β判別法、水庫寬深比判別法、Norton密度佛汝德數判別法三種判別方法對水庫水溫結構的判定結果是一致的，證明推薦采用的判定公式中的參數定義及其推薦計算方法是可行的，無論采用哪種判定方法在實際計算過程中都是實用的，但各判別法各自具有一定的特點，詳見表3。

表3 水庫水溫判定模式特點一覽表

5 結論及建議

（1）本文通過對判定公式中參數的具體解讀，并通過實際案例得以驗證，為水庫水溫結構判定提供參考性建議。

（2）由于近數十年來迅速發展的水利建設，各個地區都已建成了成百上千的水庫，因此對新建水庫水溫的判定，建議結合公式判別及類似條件已建水庫實測水溫觀測進行綜合判定。

（3）前述的判定是利用全年水文數據對水庫總體水溫結構的判定，實際上當前水庫水溫判定最重要的意義在于對農業灌溉影響的分析，因此，在環境影響分析過程中，最應特別關注的是灌溉期的水庫水溫結構，結合水庫運行調度方式和每月水文參數，判定各灌溉月份的水庫水溫結構更具有實際意義。