大型水庫不同取水方式對下游魚類生態環境影響研究
——以貴州省夾巖水利樞紐工程為例

2019-08-27 02:42:54鄧偉鑄徐婉明

人民珠江 2019年8期

鄧偉鑄，徐婉明，劉斌，廉浩

(1.珠江水資源保護科學研究所，廣東廣州 510611；2.國家海洋局南海規劃與環境研究院，廣東廣州 510300)

大型水利樞紐工程的建設，對水庫庫區及下游河道的環境帶來明顯影響。高壩大庫的形成，使原來流速較快、水溫均勻的天然河道變為相對靜止的大型水體，受太陽輻射、對流混合和熱量傳輸的影響，庫區水體垂向水溫出現躍層分布，底層水體水溫較天然水溫低[1-3]。傳統單層取水方式會造成水庫下泄水溫在夏季低于河道天然水溫，在冬季高于河道天然水溫現象，水庫下泄的低溫水對下游河道水生生物的繁殖生長產生明顯不利影響。在綠色發展的背景下，低溫水下泄成為水利水電工程建設引起的重要環境問題之一[4]。在明確水溫分層情況下，采取必要的工程措施是減緩水庫下泄低溫水對環境和生態的不利影響的有效手段[5]，李璐等探討了分層取水措施對減緩下泄低溫水的效果[6]。大型水庫水溫研究方法主要為數值模擬法，陳永燦等利用一維水溫模型預測了密云水庫垂向水溫分布規律[7]，江春波、楊芳麗利用二維水溫模型模擬了河道水溫及污染物分布規律[8-9]，高學平等利用三維水溫模型對糯扎渡水電站下泄水溫進行模擬[10]。本文以貴州省夾巖水利樞紐工程為例，采用三維數值模擬方法預測水庫庫區水溫分布，研究大型水庫不同取水方式對下游魚類生境的影響。

1 概況

夾巖水利樞紐工程位于貴州省畢節市，工程以供水和灌溉為主，兼顧發電等綜合利用。工程由水源工程、灌區輸水工程及畢大供水工程組成，工程等別為I等。其中水源工程夾巖水庫正常蓄水位1 323 m，死水位1 305 m，總庫容13.25億m3，調節庫容4.519億m3，最大壩高154 m，壩頂長428.93 m；壩后電站裝機容量70 MW，多年平均年發電量2.228億kW·h。工程總投資168.16億元，總工期66個月[11]。

2 壩下河道基本情況

水庫位于烏江上游北源六沖河中游河段，壩址以上流域面積4 312 km2，多年平均徑流量19億m3，多年平均流量59.7 m3/s。水庫下游2.7 km為總溪河水文站，下游3.3 km為九洞天國家重點風景名勝區上邊界。風景名勝區地理坐標為東經105°11′54″至105°23′12″，北緯26°55′30″至27°03′36″。六沖河在風景區內總長26 km，從上游至下游依次為總溪河、梯子巖、九洞天三部分景區，總面積86.2 km2。

壩下河道存在的產卵場主要為維新產卵場和九洞天產卵場，維新產卵場位于壩址下游5 km處，九洞天產卵場位于壩址下游15 km處。產卵魚類主要為白甲魚、鯽魚、長薄鰍等，適宜生長流速為0.5～2.0 m/s，適宜水深為0.5～1.5 m，產卵敏感需水期為2—7月。

3 庫區水溫預測

3.1 庫區水溫結構判定

大型水庫庫區水溫分類包括混合型、過渡性和分層性，低溫水下泄主要出現在水溫分層型水庫。庫區水溫結構判定主要采用庫容比法和弗汝德數法[12]。

a) 庫容比法判別系數計算公式：

(1)

式中α——判別系數；W——多年平均年徑流量，m3；W總——總庫容，m3。

當α<10時，水庫水溫為穩定分層型；當10<α<20時，水庫水溫為過渡型；當α>20時，水庫水溫為混合型。

b) 弗汝德數法計算公式：

(2)

當Fd<0.1時，水庫水溫為穩定分層型；當0.11.0時，水庫水溫為混合型。

夾巖水庫庫區水溫分層判定結果見表1，該水庫庫區水溫為穩定分層型。

表1 夾巖水庫庫區水溫分層判定結果

3.2 庫區水溫預測

3.2.1水溫模型驗證

本文采用三維數值模型對夾巖水庫庫區垂向水溫進行預測，并采用下游洪家渡水庫實測水溫資料對模型進行驗證，洪家渡水庫位于擬建夾巖水庫下游，為烏江上已建第一個梯級，其匯流來水主要為烏江上游六沖河來水，兩者地理位置、氣候條件、來水情況、匯流方式等條件均相似，將驗證后的模型用于夾巖水庫水溫數值模擬。模型考慮的模塊包括水動力模塊、湍流封閉模塊、溫度輸移模塊等。

庫區水溫模型模擬步長為30 s，模擬時間至水溫分層穩定；底摩擦力由二次拖曳系數設定，取定值0.03 m；柯氏力由計算經緯度確定；水平渦黏系數用Smagorinsky公式計算，Cε取值0.28；垂向渦黏系數采用k-ε模式確定，與TKE耗散率相關的及水溫模型主要參數見表2。水平和垂向湍流動能都取1 m2/s2，TKE擴散率k取1.3[13-14]。

表2 三維水溫模型參數取值

下游洪家渡水庫1—2月和7—12月壩前垂向水溫模擬結果與實測結果對比見表3、圖1，其中實測水溫引用《貴州烏江水電開發環境影響后評價報告》中實測水溫內容[15]。表層、底層水溫的平均絕對誤差平均值分別為-0.49℃、0.58℃、-0.89℃，模擬結果較可信。洪家渡壩前各月水溫垂向季節性分層明顯，水溫分層隨季節變化，8、9月表底溫差達到最大；入冬后氣溫和光照條件均減弱，水汽熱量交換減緩，垂向水溫分布趨于均勻，分層現象漸不明顯。模型模擬結果與實測水溫觀測結果變化規律較一致。本文研究的夾巖水庫與洪家渡水庫均在六沖河干流上，所處的緯度相同，光照和氣象條件相近，可見其庫區水溫分布特征相似，模型參數可用于夾巖水庫庫區水溫預測。

表3 水溫驗證對比 ℃

a) 1月 b) 2月

c) 7月 d) 8月

e) 9月 f) 10月

g) 11月 h) 12月圖1 洪家渡壩前斷面垂向水溫驗證

3.2.2夾巖水庫庫區水溫預測

夾巖水庫庫區水溫與天然水溫對比見圖2。受水庫的調蓄作用影響，2—8月水庫庫表水溫比天然水溫低；10月至次年1月水庫庫表水溫比天然水溫稍高。夾巖水庫壩前水溫垂向分布見圖3、表4，模擬分析結果表明，夾巖水庫庫區水溫處于常年分層狀態，屬于典型的水溫分層型水庫。1—2月為低溫期，受水庫所在區域氣溫和太陽輻射強度較低影響，溫度垂向分布出現輕微逆溫現象；3—5月份為升溫期，隨著庫區氣溫和太陽輻射大幅度上升，水體溫度逐漸攀升，表層水溫增速明顯，從3月的12.87 ℃升至8月份的19.16℃；水庫表層的年最高水溫出現在9月份，10—12月為降溫期，隨著入流水溫、氣溫和太陽輻射的逐漸下降，水體向大氣散失熱量開始降溫，溫度躍層現象減緩?？傮w上，庫區表底層溫差隨著季節變化明顯，表層水溫主要取決于光照強度，底層水溫較穩定。

圖2 夾巖水庫壩前庫表庫底水溫與天然水溫對比

圖3 夾巖水庫壩前水溫垂向分布

表4 夾巖水庫壩前斷面垂向水溫分布預測

4 低溫水減緩效果分析

4.1 下泄水溫對比

夾巖水庫死水位為1 305 m，正常蓄水位為1 323 m，水庫消落深度為18 m。為滿足機組淹深要求，底層取水口地板高程為1 294.5 m，取水口尺寸為6.8 m×6.0 m。以水庫壩址多年平均來水條件為例，考慮年內豐枯來水量變化及相關洪水過程，夾巖水庫5月份蓄水位為死水位1 305 m；從5月開始蓄水，至10月蓄至接近年內最高水位；至次年5月再次降至死水位1 305 m。單層取水方式和分層取水方式(兩層)下泄水體水溫對比見表5，單層取水方式下泄水體水溫為10.7℃～16.4℃，與天然水體溫差為-3.7℃～1.3℃，最大溫差出現在7月，人類活動導致降溫超過-2℃的月份為6—8月；分層取水方式下泄水體水溫為10.5℃～17.5℃，與天然水體溫差為-2.5℃～1.1℃，最大溫差出現在7月，人類活動導致降溫超過-2℃的月份為7—8月。與單層取水方式相比，分層取水方式能有效提高夏季下泄水體水溫，降低下泄水體與天然水體溫差(表5)。

表5 單層取水方式與分層取水方式下泄水溫對比

4.2 水溫沿程恢復分析

單層取水方式和分層取水方式水溫沿程恢復情況對比見圖4、表6。單層取水方式下泄水溫與天然水溫溫差大于-1℃的月份為3—9月，溫差超過-2℃月份為6—8月，下泄水體水溫恢復至與天然水溫溫差為-2℃的最大恢復距離為20.8 km(7月)，恢復至與天然水溫溫差為-1℃的最大恢復距離為39.5 km(7月)。分層取水方式下泄水溫與天然水溫溫差大于-1℃的月份為3—5、7—8月，溫差超過-2℃月份為7月，下泄水體水溫恢復至與天然水溫溫差為-2℃的最大恢復距離為9.4 km(7月)，恢復至與天然水溫溫差為-1℃的最大恢復距離為20.0 km(7月)。與單層取水方式相比，分層取水方式能有效提高夏季下泄水體水溫，縮短下泄低溫水恢復距離。

a) 單層取水

b) 分層取水圖4 單層取水方式與分層取水方式水溫沿程恢復對比

5 環境敏感點影響分析

夾巖水庫下游水溫環境敏感點主要為維新產卵場和九洞天產卵場，維新產卵場位于壩址下游5 km處，九洞天產卵場位于壩址下游15 km處。產卵魚類主要為白甲魚、鯽魚、長薄鰍等，適宜生長流速為0.5～2.0 m/s，適宜水深為0.5～1.5 m，產卵敏感需水期為2—7月。

表6 單層取水方式與分層取水方式水溫沿程恢復對比

單層取水方式、分層取水方式下泄水體水溫對特征魚類產卵的影響對比見表7。白甲魚、鯽魚產卵適宜水溫為13℃～15℃，壩址下游河道2—5月天然水溫為11.6℃～18.3℃。夾巖水庫單層取水方式和分層取水方式下泄水體水溫均為10.9℃～16.4℃，工程建設使白甲魚、鯽魚產卵月份從3—4月推遲至4—5月。

表7 評價河段魚類受下泄低溫水影響產卵期變化情況及

長薄鰍、鲿科及鮡科等魚類產卵適宜水溫為15℃～17℃，天然水溫情況下產卵月份為4—5月。單層取水方式4—8月下泄水體水溫為14.5℃～16.4℃，單層取水方式使下游長薄鰍、鲿科及鮡科等魚類產卵時間推遲至5—8月。分層取水方式4—8月下泄水體水溫為14.5℃～17.5℃，其中6月水溫已達17.2℃，為長薄鰍、鲿科及鮡科等魚類的適宜產卵水溫，分層取水方式其產卵時間推遲至5—6月，其產卵時間接近天然水溫環境下的產卵時間。與單層取水方式相比，分層取水下泄水體水溫對魚類產卵的影響明顯得到減緩。

6 結論和建議

6.1 結論

本文采用三維數值模型對夾巖水庫庫區水溫進行預測，結果表明夾巖水庫庫區垂向水溫穩定分層，庫區表底層溫差隨著季節變化明顯，表層水溫主要取決于光照強度，底層水溫較穩定。水庫采用單層取水方式下泄水體水溫與天然水體溫差為-3.7℃～1.3℃，采用分層取水方式下泄水體水溫與天然水體溫差為-2.5℃～1.1℃，分層取水方式能有效提高夏季下泄水體水溫，降低下泄水體與天然水體溫差，縮短下泄低溫水恢復距離，減緩對下游河道特征魚類生存環境的負面影響。分層取水措施能有效緩解大型水利樞紐下泄低溫水引起的生態環境負面效應，具有重要環境效益。