長距離引調水水溫影響研究
——以東風水庫為例

吳 松，段光福，張仲偉

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430010)

1 研究背景

滇中引水工程是解決滇中地區嚴重缺水問題的特大型長距離跨流域引水工程，是解決滇中地區水資源時空分布不均的有效手段，但潛在的水環境影響卻是復雜的。因此，厘清工程外調水對受水區水域可能的水環境問題至關重要。工程從金沙江虎跳峽以上河段引水，由于工程水源區與受水區地理氣候不同，兩者水域水溫存在顯著差異，長距離引水將對受水湖庫水溫產生影響：一方面入庫水量的增加將破壞或削弱水溫分層型水庫的水溫結構[1]，引水后水體摻混對受水湖庫水溫產生影響；另一方面，水源區與受水區水溫差異受長距離氣象或地質環境影響，沿程水溫可能會顯著變化，如高寒地區輸水渡槽或明渠冬季冰害[2-3]、深埋引水隧洞水溫受地熱影響[4-5]等。

受水區已有水溫分層水庫取用低溫水[6～8]，隨著水源區“低溫水”的調入，水庫取用低溫水現象可能會進一步加劇。這將不利于受水區農業生產，特別是水稻等喜溫性作物產生不利影響，表現為抑制作物生育，植株莖稈生長不良等，導致糧食減產[9-10]。因而，研究滇中引水工程外調水對已有分層型水庫的水溫影響具有重要的工程意義。本文以滇中引水工程沿線充蓄水庫——東風水庫為研究目標，構建寬度平均的立面二維數值模型，研究分析滇中引水工程不同典型年對典型充蓄水庫的庫區水溫及灌溉取用水的水溫影響。

2 研究區概況

滇中引水工程從金沙江上游石鼓鎮附近取水，由泵站提水至總干渠渠首，輸水工程跨越了金沙江、瀾滄江、紅河、南盤江四大水系，穿越滇西北橫斷山脈、中山地貌區及滇中、滇東南盆地山原區，沿途地理氣候差異較大。沿途主要采用隧洞輸水，輸水線路全長661.07km，工程布局圖如圖1所示。玉溪東風水庫為輸水工程沿線16座充蓄水庫之一，位于云南省玉溪市紅塔區，壩高47.4m，總庫容9 025萬m3，具有供水、灌溉功能。經庫水交換次數法(α-β指數法)判斷，該水庫水溫結構為分層型。

圖1 滇中引水工程布局圖Fig.1 Central Yunnan water diversion project layout

3 寬度平均立面二維模型

采用美國陸軍工程兵團開發寬度平均的立面二維模型CE-QUAL-W2模型[11-12]對受水水庫進行水溫模擬，模型采用連續方程、動量方程、狀態方程、質量(熱)輸運方程及自由水面方程聯合求解。

連續方程：

(1)

動量方程x方向：

(2)

動量方程z方向：

(3)

狀態方程：

ρ=f(Tw)

(4)

自由水面方程：

(5)

質量(熱)輸運方程：

(6)

式中，B為水體寬度，m；u和w分別為縱向和垂向流速，m/s；q為側向單位體積凈入庫流量，1/s；η為水位，m；α為河道傾角，rad；ρ為水體密度，kg/m3；τxx為控制體在x面x向的湍流剪應力，N/m2；τxz為控制體在z面x向的湍流剪應力，N/m2；f(Tw)為密度與水溫的函數關系；Bη為水面寬度，m；Dx為縱向離散系數，m2/s；Dz為垂向離散系數，m2/s；qΦ為單元控制體側向熱量(水質)出入流的速率，J/m3/s(mg/L/s)；SΦ為源匯項，J/m3/s(mg/L/s)。

4 邊界條件

根據東風水庫地形，將庫區概化為65×26(縱向×垂向)個矩形網格，縱向網格尺寸為600m，垂向網格尺寸為2m。氣象條件的選擇依照就近原則，采用玉溪多年平均氣象監測資料作為水庫氣象條件，并修正高程差異的影響。

4.1 進出庫流量邊界

以豐水年、平水年和枯水年東風水庫入庫流量及引水流量作為入庫邊界；模型采用東風水庫2條輸水隧洞及溢洪道作為出流口，出庫以對應取水及下泄流量作為出庫邊界。出口假定為充分發展的紊流，出口截面上流動方向的變量為局部單向，入庫及出口流量過程見圖2所示。

圖2 東風水庫引水后出入庫流量過程Fig.2 Flow process after water diversion

4.2 入流水溫邊界

蔣紅等[13]對多個引水電站引水隧洞水溫變化進行了原型觀測，結果表明引水隧洞對水體加熱效果不明顯。陳明乾等[14]建立地熱-圍巖-流體換熱數學模型，對深埋長引水隧洞引起的水溫變化作了計算，表明水流受地溫影響很小。李然等[15]對深埋長引水隧洞三維水溫開展了模擬預測，表明隧洞洞徑與過流量較大，水流在隧洞內滯流時間短，水溫升高不明顯。借鑒上述研究成果，考慮滇中引水工程輸水線路沿程水溫保持不變。

石鼓及東風水庫壩址水溫過程如圖3所示，石鼓多年平均水溫較壩址水溫偏低5.4℃，月均水溫偏低3.9～6.4℃。類比鄰近流域小江上的小江(二)

圖3 石鼓、東風水庫壩址水溫Fig.3 Comparative analysis of water temperature between Shigu and Dongfeng reservoir

水文站氣溫與水溫的相關關系，根據當地氣溫擬合東風水庫壩址天然水溫。根據東風水庫天然入流水溫和引調水的水溫，采用混合模型計算東風水庫引水后的入庫水溫。引水后東風水庫入流水溫為10.3～20.3℃，水溫過程如圖4所示。

圖4 引水后不同典型年水庫入流水溫Fig.4 Inflow water temperature after water diversion in typical years

5 預測結果及分析

5.1 水庫壩前垂向水溫分布變化

模擬平水年水庫引水前后庫區水溫結構，提取壩前垂向水溫分布如圖5(a)、(b)所示。平水年水庫水位基本維持在死水位附近，取水建筑物取用表層水，4～8月出現較為明顯的水溫分層現象，溫躍層出現在水位1 637m～1 645m，庫表與庫底水溫最大溫差為7.8℃。水庫水溫結構為不穩定分層型，全年庫表水溫在11.6～22.9℃之間；受水庫運行調度影響，庫底水溫不穩定，為11.7～17.3℃。預測結果表明，受水庫調節性能影響，水庫水溫分布結構基本未受工程引調水影響，工程引水后水庫水溫結構為不穩定分層型，庫表與庫底水溫最大溫差為6.5℃；庫表逐月水溫較引水有所降

圖5 東風水庫引水后壩前水溫分布Fig.5 Water temperature distribution in front of dam

低，在11.6～21.9℃之間，而庫底水溫與引水前基本一致，為11.6～17.3℃。

模擬引水后豐、枯水年東風水庫庫區水溫結構，提取壩前垂向水溫分布如圖5(c)、(d)所示。豐、枯水年水庫壩前垂向水溫與平水年大體一致，4～8月表現出水溫分層現象，其余月份分層不明顯；水庫庫底水溫不穩定，為11.7～17.9℃。受入流水溫及庫區水動力條件影響，豐水年10～12月壩前水溫較平、枯水年同期水溫顯著偏高，幅度為0.8～1.4℃。

5.2 不同典型年灌溉取水水溫變化

引水后豐、平、枯水年水庫灌溉取水水溫與壩址天然水溫對比結果如圖6所示。引水后，受庫區水位變動及水庫來流影響，加之外調水量較當地入流量偏小，東風水庫豐水年2到7月，取水水溫較壩址天然水溫偏低0.1～1.7℃；8到次年1月，取水水溫較壩址天然水溫高0.1～1.6℃。平水年及枯水年，受水庫調度影響，2～6月取水水溫較壩址天然水溫偏低0.5～1.7℃；而7到次年1月，水庫取水水溫與壩址天然水溫差異較小，最大僅偏高0.6℃。總體來看，較建庫前天然水溫而言，豐水年年均灌溉引水溫度較平、枯水年高；引水后，不同典型年在4～6月灌溉期均存在一定程度的低溫水現象，幅度在0.5～1.5℃。

圖6 引水后東風水庫取水水溫與壩址天然水溫對比Fig.6 Comparative analysis of irrigation water temperature in normal year before and after water diversion

5.3 平水年引水前后灌溉取水水溫變化

為分析滇中引水工程水源區“低溫水”對東風水庫取水水溫的影響，比較平水年引水前后水庫灌溉取水水溫，如下表所示。平水年1至3月滇中引水工程未向東風水庫引水，入庫徑流過程及入流水溫保持天然狀態，灌溉取水水溫保持不變。4～11月，工程向東風水庫引水0.9～3.72m3/s，水源區“低溫水”與當地徑流的混合水溫，較天然水溫有所降低，導致水庫取水水溫也相應降低；12月工程未向水庫引水，但受11月低溫水延遲影響，較引水前仍有所偏低。同時，引水前水庫取用低溫水時間為2～5月，引水后取用時間為2～12月，取用低溫水時間延長7月。總體來看，工程引水后平水年4～12月水庫灌溉取水水溫較引水前偏低0.4～2.0℃。

滇中地區包括昆明、玉溪、楚雄、曲靖，是優質的水稻基地，水稻種植面積占云南省的70%以上。水稻為喜溫作物，生長期為4～9月，歷經返青、分蘗、孕穗、抽穗揚花、乳熟黃熟等階段，最低水溫要求為18℃、19℃、18℃、20℃、20℃。4～9月，引水后水庫取用水溫較天然水溫偏低0.5～1.6℃，影響水稻生長，進而影響作物產量。

表 平水年東風水庫引水前后灌溉取水水溫對比Tab. Comparative analysis of irrigation water temperature in normal year before and after water diversion (℃)

6 結 語

本文以滇中引水工程沿線充蓄水庫——東風水庫為研究目標，構建寬度平均的立面二維數值模型，研究分析滇中引水工程不同引水過程對典型充蓄水庫的庫區水溫及灌溉取用水的水溫影響。結果表明，由于東風水庫調節性能較強，引水后水庫水溫結構仍為不穩定分層型；引水后不同典型年2～6月取水水溫較天然水溫偏低0.5～1.7℃，取用低溫水時間較引水前有所延長；平水年4～12月東風水庫灌溉取水水溫較引水前偏低0.4～2.0℃，應加強庫區和渠道水溫監測，適當采用水溫恢復措施，減緩低溫水灌溉的不利影響。