大型水库水温分层影响及防治措施

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量有重大影响. 水库表面的温水层可通过水面与大气 交换 ,保持较高的溶氧水平 ,如有植物的光合作用 ,溶 解氧量往往达到过饱和. 在此状态下 ,如果水库氮 、磷 含量较高 ,就会使水体中的浮游生物及水生植物大量 繁殖 ,出现富营养化和水质恶化现象. 而水库库底冷 水层 ,由于紊动扩散很低 ,氧的补充非常小 ,加上库面 水生浮游生物死亡后沉于库底 ,其分解要消耗库底的 溶解氧 ,并产生大量的硫化氢. 所以库底常常是缺氧 状态 ,成了厌氧微生物的活动环境. 因此 ,水库水温的 分层不仅对水质有一定影响 ,而且也会影响水中生物 结构的变化.
在夏季 ,分层型水库形成稳定的正温分层 ,在水 库中敷设的水电设施为了满足发电量要求通常将取 水口设置在水库的冷水层 (滞温层) ,因此通过水电站 下泄到下游的水流温度均低于原河道当月平均水温 , 形成低温水. 低温水的下泄对下游农业和渔业将产生 较大的影响. 例如黄梅县灌溉试验站对其灌溉水温近 3 年的试验观测表明 ,适温水塘水灌溉早稻比低温水 库底层水灌溉 ,禾苗提前 3 d 齐穗 ,千粒重多 2 g ,亩产 高 32. 55 kg. 特别是水稻生长前期 ,用低温水灌溉会 使稻苗迟发 ,成熟推迟 ,不仅影响早稻产量 ,且推迟了 晚稻 ,使晚稻易受“寒露风”危害 ,造成秕谷多 ,甚至发 生不结谷的“翘稻头”,致使早晚稻都减产. 水温也是 影响鱼类洄游的基本外因之一. 鱼类洄游到岸边和河 口段的时期 ,多种鱼类都要求一定的水温. 例如鲤鱼 在水温低于 8 ℃或超过 30 ℃便停止取食 ,当水温低于 18 ℃则不能繁殖. 根据尼基伏洛夫的资料 ,伏尔加鲤 鱼从产卵到幼鱼孵出 ,当水温 13 ℃时需要 268 h ,而在 水温 26 ℃时只要 76 h. 因此 ,低温水的下泄将使鱼类 繁殖 、生长及捕食受到严重影响[4] . 世界上许多大型 水库在鱼类洄游产卵期泄放的水温明显低于同期天 然河道水流的水温 ,致使这些河流的鱼种数量锐减或 濒于绝迹的例子不少.
Effects of Water Temperature Delamination in Large2scale Reserviors and Protection Methods
Wang Yu Dai Huichao
(College of Civil & Hydropower Engineering , China Three Gorges U niv. , Yichang 443002 , China)
1 水库水温分层结构的形成
水库的修建使流水环境改变为静水环境 ,由此在 库区出现一系列物理 、化学及生物学现象的改变. 其 中最大的变化之一是水温结构的变化 ,而水温又很大 程度地决定着水库在物理 、化学及生物上的特性. 水 库的水温来自太阳辐射 ,并由大气与水面的接触 ,输送 至水中. 随着水库深度的增加 ,热量的吸收程度不同. 由于水的热传导性远较其它物质弱 ,所以在不考虑其 它因素的前提下 ,热量是不会传导至库中或水库很深 之处. 如果水库升温过程中 ,有风力的吹动 、一定的入 流水量 ,水库热表面的水可与深层的水混合 ,其混合 程度可决定水温的结构状况. 当然水库温度结构还与 水库的规模 、深度 、地理位置 、气候条件等因素有关.
水深 (m) ;V 为水库总库容 ( m3 ) ; E 为水体分层特征
密度梯度 ,可取 10 - 6 (1/ m) ; g 为重力加速度.
Fd < 0. 1 时为稳定分层型 ; 0. 1 < Fd < 1. 0 时为
弱分层型或混合型 ; Fd > 1. 0 时为完全混合型.
(3) 水库宽深比判别法
水库宽深比判别法公式为 :
年入湖 (库) 总流量 总湖 (库) 容
,β =
一次洪水总流量 总湖 (库) 容
当α< 10 时 , 湖库为稳定的分层型 ;α> 20 , 则为
混合型湖库. 一般而言 ,α值可判断湖库为分层型还
是混合型. 但当洪水条件不同时 , 分层型也可能成为
混合型 ,所以采用β值作为第二判别标准. 分层型湖
摘要 :大型水库的建成与投产 ,为我国的现代化建设提供了巨大的经济效益和社会效益. 同时 ,大 型水库特别是调节性能好的水库由于大量水体的蓄积 ,使水库在沿水深方向出现了有规律的水温 分层现象. 这种水温分层现象使库区内水生生物结构发生变化 ,影响库区的水质. 又由于水电站泄 水设施因发电要求而使泄水口高程较低 ,因此水库的水温分层使冬季下泄水温较天然情况高 ,而 春 、夏季下泄水温较天然情况低. 下泄低温水可使鱼类在产卵 、生长及捕食方面受到极不利的影 响 ,造成鱼类资源的减产甚至某些鱼种的灭绝. 下泄低温水还会对农作物产生“冷害”影响 ,造成减 产甚至绝产. 因此 ,在进行大型水电工程规划 、设计 、运行的同时应积极开展水库水温结构及下泄 水温计算和研究 ,及时采取有效减缓低温水下泄的各项措施 ,以实现水资源开发利用和生态保护 的“双赢”. 关键词 :大型水库 ; 水温分层 ; 低温水 ; 生态保护 中图分类号 : TV213. 4 文献标识码 :A 文章编号 :16722948X(2009) 0620011204
收稿日期 :2009209227 基金项目 :国家自然科学基金项目 (50779028) ;国家杰出青年基金 (50925932) 通讯作者 :王 煜 (1976 - ) ,女 ,讲师 ,博士研究生 ,主要从事水力学及河流动力学研究. E2mail :wangyuhoney @163. co m
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Байду номын сангаас
2 水库水温结构类型判别模式
目前常用的水库水温结构判别模式有 :入流与库
容比值法 (又称α法) 、密度佛汝德数法 、水面宽深比
法等. 其中α法最为简单实用 ,经部分水库的实测资
料检验 ,其预测结果基本符合实际.
(1)α指标法
目前 ,国内划分湖泊水库是否产生分层状态 ,一
般用该法作为判别标准 :
α=
三 峡 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 2009 年 12 月
大型水库的兴建 ,对水资源的合理开发利用及当 地的经济和社会发展具有重要意义. 同时由于水库的 引蓄水会使库区水流速度变缓 ,水深增大 ,导致水温 结构的变化 ,形成水库水温的分层结构. 这种水温分 层结构一方面会引起原有水体在物理性质 、化学性 质 、水生生物特征和分布上的变化 ;另一方面又会使 下泄低温水影响坝下河道鱼类生活和繁殖 ,以及受灌 农作物的生长. 因此 ,了解水库形成过程中水温的变 化规律 ,预测水库形成后水温的结构特点 ,设计有效 的低温水效应减缓措施 ,对水利工程和生态保护的和 谐发展具有重要意义.
Abstract The co nst ructio n and operatio n of t he large2scale reservio r have eno rmo us eco no mic and social bene2 fit for China. But t he water temperat ure was co me o ut to be layered alo ng t he dep t h in t he large2scale re2 servio rs especially t hat have bet ter regulatio n performance because of t he water cumulatio n. This p heno meno n makes t he co nst ructio n of t he hydro bio nt changed and water qualit y affected. For t he water discharge co n2 st ructio n of powerplant s , which always have low elevatio n of water intakes , toget her wit h t he water tempera2 t ure delaminatio n make t he temperat ure of discharge water usually higher t han nat urally sit uatio n in winter and lower in sp ring and summer . The lower temperat ure water has deeply negative effect o n fish ovipo sitio n , grow up and p redatio n and make t he fish p roductio n reduced ; f urt hermore , so me fish species extincted ; and al so o n agricult ural crop s. So t he calculatio n and research o n t he water temperat ure st ruct ure of reservior and discharge water sho uld be do ne during t he planning , design and operatio n of large hydro p roject s in o rder to take so me efficient met hods to p rotect t he ecological enviro nment and realize t he water reso urces develop ment and utilizatio n. Keywords large2scale reservior ; water temperat ure delaminatio n ; low temperat ure water ; ecological p rotectio n
根据水温结构 ,水库可分为分层型和混合型两类 水库. 在夏季 ,分层型水库的水温可分为 ,库面温水层 (温变层) ,水库大多数增暖和冷却都在温水层进行 ; 温水层以下是温度变化较迅速的斜温层 (温跃层) ;斜 温层以下是热量难以交换的冷水层 (滞温层) . 库面温 水层和库下冷水层的温度差可超过 15 ℃～20 ℃. 夏 季水温分层后 ,形成稳定的斜温层. 水温在水平方向 上保持不变 ,仅垂直方向变化. 而且由于水温引起的 垂直方向的密度梯度 ,上下很难产生渗混 ,往往形成 入流和出流的水平层流. 而在秋季以后 ,表层水温度 降低 ,密度增加 ,库面水下沉 ,产生对流现象 ,进入对 流期. 这样入流和出流的流动 ,再加上上库来水的均 匀渗混 ,使库水温达到了均匀分布. 冬季则可能形成 表面冰盖 ,而冰盖下面是 4 ℃的水 ,形成冬季逆温分 层. 春季来临 ,湖泊上层热量的输入大于支出 ,使表面 温度升高 ,接近 4 ℃时 ,会发生上下水层之间的水量 交换 ,如遇有强风 ,则全深度的水达到均匀的密度分 布 ,水库水温达到了均匀的分布. 随着夏季的来临 ,水 库表面温度升高 ,由于外力影响 ,热量向较深层传递 ,
R = B/ H
式中 ,B 为水库水面平均宽度 ( m) ; H 为水库平均水 深 ( m) . 当 H > 15 m , R > 30 时水库为混合型 ; R < 30 时水库为分层型.
3 水库水温分层及下泄低温水对生态 的影响
分层型水库的水温分层 ,对水体环境溶解氧的含
第 31 卷 第 6 期 王 煜等 大型水库水温分层影响及防治措施
库 ,如遇β> 1 的大洪水 ,则洪水会破坏原有的水温结
构 ,使其变为临时的混合型 , 而β< 0. 5 的洪水 ,一般
对湖库的水温结构没有显著影响.
(2) 密度佛汝德数法
密度佛汝德数 Fd 根据下式计算 :
Fd
=
LQ hV
1/ gE
式中 ,L 为水库长度 ( m) ; Q 为流量 ( m3 / s) ; h 为平均
在表面形成暖而轻的水层 ,冷而重的水分布在库底. 如果混合不能充分补偿这种温度和密度的垂直分布 , 则形成夏季水库水温分层结构. 这种分层型水库多出 现在规模较大 ,并且水流较慢的大型水库. 混合型水 库 ,一般出现在库内水流湍急 ,交换迅速的中 、小型水 库. 一年四季 ,这类水库的水温垂向分布大致相同[123] .
第 31 卷 第 6 期 2009 年 12 月
三峡大学学报 (自然科学版) J of China Three Gorges Univ. (Nat ural Sciences)
Vol. 31 No . 6 Dec. 2009
大型水库水温分层影响及防治措施
王 煜 戴会超
(三峡大学 土木水电学院 , 湖北 宜昌 443002)