乌江干流中上游水电梯级开发水温累积效应
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第4期
黄
峰等 : 乌江干流中上游水电梯级开发水温累积效应
339
份最高 , 1 月 份最 低, 年最大 温差 11 9 ∀ ; 下 泄水 温最高月出 现在 12 月 , 最低 出现 在 4 月 , 年 最大 温差 3 3 ∀ ; 洪家渡建成后年最大值延迟 5 个月出 现, 温差从 11 9 ∀ 降到 3 3 ∀ , 均化 程度 很高 ; 东 风年最大值延迟 2 个月出 现, 温 差从 11 9 ∀ 降到 8 5 ∀ , 均化程度 较高 ; 索风 营最 大值 延迟 1 个月 出现 , 温差从 12 9 ∀ 降到 10 5 ∀ , 均化程 度一般 ; 乌江渡与东 风属于 同类型 水库 , 最大 值延迟 3 个 月出 现 , 温 差 从 13 9 ∀ 降 到 9 8 ∀ , 均 化 程度 较 高。由此可见 , 不同 水温结 构对 下泄 水温的 影响 差别很大 , 稳定分 层型水 库的 延迟和 均化现 象最 明显。 2. 4 梯级水库水温累积效应分析方法 梯级水库的水温累积效应分为时间累积效应和 空间累积效应, 都以下泄水温作为评价指标, 时间累 积效应通过不同开发阶段同一个水库的下泄水温的 变化来分析; 空间累积效应通过下泄水温与天然水 温的温差沿干流方向递变来分析。
第18卷第 4期 2009年 4月
长江流域资源与环境 Resources and Env iro nm ent in t he Yang tze Basin
Vol. 18 No. 4 Apr. 2009
文章编号 : 1004 8227( 2009) 04 0337 06
乌江干流中上游水电梯级开发水温累积效应
年水温结构基本稳定, 与 2004 年相比, 年平均水温 下降 3~ 8 ∀ ; 与天然水温相比, 2006 年 3~ 10 月下 泄水 温 低 于 天 然 水 温 , 7 月 份 下 降 幅 度 最 大 为 7 5 ∀ , 其余月份下泄水温高于天然水温 , 12 月份上 升幅度最大为 4 2 ∀ , 根据气象资料 , 贵州近 50 年 内气候并未发生显著变化 , 由此可见水库建成对天 然水温年变化过程改变很大。 3. 1. 2 东风不同开发阶段下泄水温变化分析 东风水 库于 1994 年 4 月 蓄 水, 上 游 引 子 渡 2002 年 12 月投产发电; 洪家渡 2004 年 4 月 6 日下 闸蓄水。2002 年以前东风下泄水温只受东风建库 的影响 ; 2002~ 2004 年东风水温分布开始受到引子 渡的影响; 2005 年和 2006 年, 东风水温分布受 3 个 水库的综合影响。 如图 3, 东风建成后 , 年平均下泄水温比天然水 温低 0 4 ∀ , 3~ 9 月下泄水温低于天然水温 , 8 月份 下降幅度最大为 3 2 ∀ , 其余月份下泄水温高于天 然水温 , 12 月份上升幅度最大为 3 5 ∀ ; 引子渡建成 后 , 年平均下泄水温下降了 0 9 ∀ ; 到洪家渡建成运 行后, 年 平均下 泄水温 又在 原来的 基础 上下 降了 0 7 ∀ 。通过不同开发阶段东风坝址下泄水温的比 较 , 不难发现洪家渡水库建成对东风天然水温改变 最大。 4~ 9 月由于上游梯级引子渡和洪家渡下泄 低温 水的 影 响, 东风 的 下泄 水 温降 低 很明 显, 10 月 ~ 次年 3 月由于库区垂向水温均匀分布 , 因此水 温几乎没有变化。不同的开发阶段具有一个共同的 特点, 即随着上游梯级的建成, 东风水库下泄水温年 变幅变小, 均化程度越来越高。
水能在时间和空间上的分布是很不均匀的 , 为 了能够在发电时进行补偿调节 , 发挥水能的最大效 益, 并考虑在汛期削减洪峰 , 减小下游的洪涝灾害 , 梯级开发成为水能利用的一种趋势。流域梯级水电 开发 , 其影响是流域性的 , 由于河流流域是一个完整 的生态系统与环境系统, 是一个关联度高、 整体性强 的区域, 梯级水电开发将引起流域内一系列群体性、 系统性和累积性的环境影响[ 1] 。电站建设改变了库 水和下泄水水温时空分布 , 对河流水质 , 水生生物的 分布及 农作 物 生长 等 河流 水资 源 利 用会 产 生 影 响[ 2] ; 梯级水库的建设由于对河流水动力等条件形 成了连续性的时空影响, 而对河道及库区水温分布 的影响更为严重 。目前 , 对于单一水利水电工程 的环境影响的研究较多, 并且定量程度较高, 关于河 流梯级开发对流域环境累积影响方面的定量研究较 少
。本文以我国重点开发的水电基地之一乌江
流域为例 , 采用历史观测资料分析的方法, 定量研究 已开发的 4 座连续梯级电站水库水温结构、 梯级开 发对流域水温分布的累积影响、 水电站运行下泄水 温的累积变化等 , 从流域尺度考虑梯级开发水温累 积效应, 并希望能对其他流域水电梯级开发具有借 鉴作用。
图1 乌江中上游 4 座梯级电站地理位置示意图 in W ujiang R iver
黄 峰 ,魏
1
浪 ,李
2
磊 ,朱
3
伟
1
( 1. 河海大学环境科学与工程学院 , 江苏 南京 210024; 2. 中国水电顾问集团贵阳勘测设 计研究院 , 贵州 贵阳 550081; 3. 河海大学科学研究院 , 江苏 南京 210024) 摘 要 : 以乌江流域洪家渡库尾至乌江渡坝下的水电工程 干扰典型段为研究区域 , 利用建坝前 后的水温 实测资料 ,
2
2. 1
研究方法
水库水温监测 河流未开发前天然水温采用 1961~ 1978 年 3
T ab. 2
月份 洪家渡 鸭池河 乌江渡 1 2. 5 2. 6 1. 9 2 4. 6 4. 6 3. 7
表 2 梯级开发前乌江干流主要水文站多 年平均水温观测资料统计表 ( ∀ ) Annual A verag ed T em per at ur e of H ydro log ic Stations in W ujiang R iver
338
表1 T ab. 1
梯级名称 建设地点 建成时间 坝址经度 ( 东经 ) 坝址纬度 ( 北纬 ) 坝址原水面高程 厂址距河口距离 控制流域面积 多年平均流量 正常蓄水位 总库容 调节性能 坝型 最大坝高 m m km km
2
长江流域资源与环境
乌江中上游四座梯级电站工程概况表
第 18 卷
Stuat ion A bo ut F our Cascade H ydro po wer Stations in Wujiang Riv er
收稿日期 : 2008 07 30; 修回日期 : 2008 11 12 作者简介 : 黄 峰 ( 1984~ ) , 男 , 江苏省泰州人 , 硕士研究生 , 主要从事水环境评价研究 . E mail : huangfeng_hh u@ yah oo. com . cn
Fig. 1 M ap of F our Cascade H ydro po wer St ations
[ 7]
1. 2 ∀ / m 以上; 库底水温年内 几乎没有变化 , 只有 0 8 ∀ ; 由此可见洪家渡属于稳定分层型水库。 东风坝前水深在 120 m 以上, 调节能力较大, 东风水库水温结构同时兼有混合型和分层型 2 种水 温分布的特征, 库内经常有很强的温跃层 , 温度梯度 高达 0. 9 ∀ / m, 具有分层型的 特征; 但 是它的库底 水温变化也很大, 其年较差达 8 2 ∀ , 又与混合型相 近似 ; 东风水库可以称为过渡型。乌江渡水库特征 参数、 垂向水温结构都与东风类似, 乌江渡也为过渡 型水库。 索风营在年内任何时刻, 库水不同水深温度分 布比较均匀 , 水温梯度很小 , 库底水温随着库表水温 的变化而变化 , 年 较差可达 14 9 ∀ , 水体与库底之 间有明显的热量交换; 水库坝前水深 90 m 左右 , 水 深较浅、 调节能力低, 所以索风营属于混合型水库。 2. 3 水温结构对下泄水温的影响 根据 2006 年观测结果 , 洪家渡天然水 温 7 月
[ 4~ 6] [ 3]
1
研究区域概况
乌江是长江上游右岸最大的一条支流, 也是贵
州省第一大河。目前乌江干流已建成的水电站有乌 江渡、 东风、 普定、 引子渡、 洪家渡、 索风营水电站 , 主 要集中在乌江的中上游 , 考虑到区域典型性和现有 资料的局限, 本论文选取乌江中上游 4 座连续的梯级 电站作为研究对象来分析水温的累积效应。 4 座梯 级电站的工程简介和地理位置见图 1 和表 1, 其中北
关于建库后水温, 每个电站都对坝前垂向水温 进行了分层监测, 洪家渡于 2004 年 7 月建成发电 , 有 2004~ 2006 年的水温观测资料 ; 东风于 1994 年 8 月建成 , 有 2000~ 2006 年的水温观测资料 ; 索风 营于 2005 年建成, 有 2006 年的水温观测资料 ; 乌江 渡于 1979 年 12 月建成 , 有 1983~ 2006 年的水温观 测资料; 下泄水温根据泄洪水温、 发电下泄水温以及 相应流量加权平均得到。 水温结构的判定 水库水温结构是分析水温累积效应的基础, 为 了分析水库不同类型水温结构对水温累积效应的影 2. 2 响, 根据各个电站坝前垂向水温实测资料对水库水 温结构进行判定是必要的。 洪家渡坝前水深在 150 m 以上 , 调节能力大 , 在夏季水库水温的升温期, 洪家渡水库表面水温明 显高于中下层水温, 出现了温度分层, 在水面以下某 一部位存在水 温剧变 的温 跃层 , 其温 度梯 度可 达
采用建坝前天然水温和建坝后下泄水温 比较 法 , 对乌江 干流 梯级水 库水 温时空 分布 特征 进行分 析。研究 结果 表 明 : 对天然水温改变最大的电站为洪家 渡和乌 江渡 , 前 者是受 水库 水温 结构自 身影 响 , 后者是 梯级 联合运 行的 结 果 ; 梯级联合运行使库区水温分层有所减弱 , 随着时间的推移或上游梯级电站的建 成 , 电站 下泄水温 年变化过程 趋 于均 化 , 与天然水温的延迟也越加明显 ; 不同的水库水温结构对水温累积效应的影 响也各不相 同 , 稳 定分层型水 库 对水 温累积具有正效应 , 混合型水库具有负效应 , 过渡型 水库处 于两者 之间 , 体现了 梯级电 站的水 温累积 影响 , 为 研究减缓下泄低温水的对策措施提供依据和参考。 关键词 : 乌江流域 ; 梯级水电开发 ; 水温结构 ; 水温累积效应 ; 下泄 低温水 文献标识码 : A
m3/ s m 亿 m3
源洪Biblioteka Baidu渡、 南源引子渡电站都与东风电站直接相连。
个水文站 的实测 多年平 均水 温资料 , 洪 家渡水 文 站靠近洪 家渡坝 址 , 鸭池河 水文站 位于 东风坝 址 下游 1. 5 km, 乌江渡水文站 位于乌江渡坝 址下游 2 km, 3 个水文站 1961~ 1978 年的多年平 均水温 见表 2; 索风营坝址 附近没有 水文站 , 通过鸭 池河 和乌江渡水文站水温资料内插得到。
单位 洪家渡 织金、 黔西 2004 年 105 51 54 ! 26 51 49 ! 976. 58 747. 15 9 900 155 1 140 44. 97 多年 砼面板堆石坝 182. 3 东风 清镇、 黔西 1994 年 106 24 36 ! 26 59 44 ! 837. 5 704 18 161 343 970 8. 64 季 双曲率抛物线薄拱坝 162 索风营 黔西、 修文 2005 年 106 23 24 ! 27 5 27! 758 665 21 862 395 837 1. 686 日、 周 碾压砼重力坝 121. 8 乌江渡 遵义 1979 年 106 42 54 ! 27 20 11 ! 626 594 27 790 483 760 21. 4 季 砼拱型重力坝 165
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峰等 : 乌江干流中上游水电梯级开发水温累积效应
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份最高 , 1 月 份最 低, 年最大 温差 11 9 ∀ ; 下 泄水 温最高月出 现在 12 月 , 最低 出现 在 4 月 , 年 最大 温差 3 3 ∀ ; 洪家渡建成后年最大值延迟 5 个月出 现, 温差从 11 9 ∀ 降到 3 3 ∀ , 均化 程度 很高 ; 东 风年最大值延迟 2 个月出 现, 温 差从 11 9 ∀ 降到 8 5 ∀ , 均化程度 较高 ; 索风 营最 大值 延迟 1 个月 出现 , 温差从 12 9 ∀ 降到 10 5 ∀ , 均化程 度一般 ; 乌江渡与东 风属于 同类型 水库 , 最大 值延迟 3 个 月出 现 , 温 差 从 13 9 ∀ 降 到 9 8 ∀ , 均 化 程度 较 高。由此可见 , 不同 水温结 构对 下泄 水温的 影响 差别很大 , 稳定分 层型水 库的 延迟和 均化现 象最 明显。 2. 4 梯级水库水温累积效应分析方法 梯级水库的水温累积效应分为时间累积效应和 空间累积效应, 都以下泄水温作为评价指标, 时间累 积效应通过不同开发阶段同一个水库的下泄水温的 变化来分析; 空间累积效应通过下泄水温与天然水 温的温差沿干流方向递变来分析。
第18卷第 4期 2009年 4月
长江流域资源与环境 Resources and Env iro nm ent in t he Yang tze Basin
Vol. 18 No. 4 Apr. 2009
文章编号 : 1004 8227( 2009) 04 0337 06
乌江干流中上游水电梯级开发水温累积效应
年水温结构基本稳定, 与 2004 年相比, 年平均水温 下降 3~ 8 ∀ ; 与天然水温相比, 2006 年 3~ 10 月下 泄水 温 低 于 天 然 水 温 , 7 月 份 下 降 幅 度 最 大 为 7 5 ∀ , 其余月份下泄水温高于天然水温 , 12 月份上 升幅度最大为 4 2 ∀ , 根据气象资料 , 贵州近 50 年 内气候并未发生显著变化 , 由此可见水库建成对天 然水温年变化过程改变很大。 3. 1. 2 东风不同开发阶段下泄水温变化分析 东风水 库于 1994 年 4 月 蓄 水, 上 游 引 子 渡 2002 年 12 月投产发电; 洪家渡 2004 年 4 月 6 日下 闸蓄水。2002 年以前东风下泄水温只受东风建库 的影响 ; 2002~ 2004 年东风水温分布开始受到引子 渡的影响; 2005 年和 2006 年, 东风水温分布受 3 个 水库的综合影响。 如图 3, 东风建成后 , 年平均下泄水温比天然水 温低 0 4 ∀ , 3~ 9 月下泄水温低于天然水温 , 8 月份 下降幅度最大为 3 2 ∀ , 其余月份下泄水温高于天 然水温 , 12 月份上升幅度最大为 3 5 ∀ ; 引子渡建成 后 , 年平均下泄水温下降了 0 9 ∀ ; 到洪家渡建成运 行后, 年 平均下 泄水温 又在 原来的 基础 上下 降了 0 7 ∀ 。通过不同开发阶段东风坝址下泄水温的比 较 , 不难发现洪家渡水库建成对东风天然水温改变 最大。 4~ 9 月由于上游梯级引子渡和洪家渡下泄 低温 水的 影 响, 东风 的 下泄 水 温降 低 很明 显, 10 月 ~ 次年 3 月由于库区垂向水温均匀分布 , 因此水 温几乎没有变化。不同的开发阶段具有一个共同的 特点, 即随着上游梯级的建成, 东风水库下泄水温年 变幅变小, 均化程度越来越高。
水能在时间和空间上的分布是很不均匀的 , 为 了能够在发电时进行补偿调节 , 发挥水能的最大效 益, 并考虑在汛期削减洪峰 , 减小下游的洪涝灾害 , 梯级开发成为水能利用的一种趋势。流域梯级水电 开发 , 其影响是流域性的 , 由于河流流域是一个完整 的生态系统与环境系统, 是一个关联度高、 整体性强 的区域, 梯级水电开发将引起流域内一系列群体性、 系统性和累积性的环境影响[ 1] 。电站建设改变了库 水和下泄水水温时空分布 , 对河流水质 , 水生生物的 分布及 农作 物 生长 等 河流 水资 源 利 用会 产 生 影 响[ 2] ; 梯级水库的建设由于对河流水动力等条件形 成了连续性的时空影响, 而对河道及库区水温分布 的影响更为严重 。目前 , 对于单一水利水电工程 的环境影响的研究较多, 并且定量程度较高, 关于河 流梯级开发对流域环境累积影响方面的定量研究较 少
。本文以我国重点开发的水电基地之一乌江
流域为例 , 采用历史观测资料分析的方法, 定量研究 已开发的 4 座连续梯级电站水库水温结构、 梯级开 发对流域水温分布的累积影响、 水电站运行下泄水 温的累积变化等 , 从流域尺度考虑梯级开发水温累 积效应, 并希望能对其他流域水电梯级开发具有借 鉴作用。
图1 乌江中上游 4 座梯级电站地理位置示意图 in W ujiang R iver
黄 峰 ,魏
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浪 ,李
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磊 ,朱
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( 1. 河海大学环境科学与工程学院 , 江苏 南京 210024; 2. 中国水电顾问集团贵阳勘测设 计研究院 , 贵州 贵阳 550081; 3. 河海大学科学研究院 , 江苏 南京 210024) 摘 要 : 以乌江流域洪家渡库尾至乌江渡坝下的水电工程 干扰典型段为研究区域 , 利用建坝前 后的水温 实测资料 ,
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研究方法
水库水温监测 河流未开发前天然水温采用 1961~ 1978 年 3
T ab. 2
月份 洪家渡 鸭池河 乌江渡 1 2. 5 2. 6 1. 9 2 4. 6 4. 6 3. 7
表 2 梯级开发前乌江干流主要水文站多 年平均水温观测资料统计表 ( ∀ ) Annual A verag ed T em per at ur e of H ydro log ic Stations in W ujiang R iver
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表1 T ab. 1
梯级名称 建设地点 建成时间 坝址经度 ( 东经 ) 坝址纬度 ( 北纬 ) 坝址原水面高程 厂址距河口距离 控制流域面积 多年平均流量 正常蓄水位 总库容 调节性能 坝型 最大坝高 m m km km
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长江流域资源与环境
乌江中上游四座梯级电站工程概况表
第 18 卷
Stuat ion A bo ut F our Cascade H ydro po wer Stations in Wujiang Riv er
收稿日期 : 2008 07 30; 修回日期 : 2008 11 12 作者简介 : 黄 峰 ( 1984~ ) , 男 , 江苏省泰州人 , 硕士研究生 , 主要从事水环境评价研究 . E mail : huangfeng_hh u@ yah oo. com . cn
Fig. 1 M ap of F our Cascade H ydro po wer St ations
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1. 2 ∀ / m 以上; 库底水温年内 几乎没有变化 , 只有 0 8 ∀ ; 由此可见洪家渡属于稳定分层型水库。 东风坝前水深在 120 m 以上, 调节能力较大, 东风水库水温结构同时兼有混合型和分层型 2 种水 温分布的特征, 库内经常有很强的温跃层 , 温度梯度 高达 0. 9 ∀ / m, 具有分层型的 特征; 但 是它的库底 水温变化也很大, 其年较差达 8 2 ∀ , 又与混合型相 近似 ; 东风水库可以称为过渡型。乌江渡水库特征 参数、 垂向水温结构都与东风类似, 乌江渡也为过渡 型水库。 索风营在年内任何时刻, 库水不同水深温度分 布比较均匀 , 水温梯度很小 , 库底水温随着库表水温 的变化而变化 , 年 较差可达 14 9 ∀ , 水体与库底之 间有明显的热量交换; 水库坝前水深 90 m 左右 , 水 深较浅、 调节能力低, 所以索风营属于混合型水库。 2. 3 水温结构对下泄水温的影响 根据 2006 年观测结果 , 洪家渡天然水 温 7 月
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研究区域概况
乌江是长江上游右岸最大的一条支流, 也是贵
州省第一大河。目前乌江干流已建成的水电站有乌 江渡、 东风、 普定、 引子渡、 洪家渡、 索风营水电站 , 主 要集中在乌江的中上游 , 考虑到区域典型性和现有 资料的局限, 本论文选取乌江中上游 4 座连续的梯级 电站作为研究对象来分析水温的累积效应。 4 座梯 级电站的工程简介和地理位置见图 1 和表 1, 其中北
关于建库后水温, 每个电站都对坝前垂向水温 进行了分层监测, 洪家渡于 2004 年 7 月建成发电 , 有 2004~ 2006 年的水温观测资料 ; 东风于 1994 年 8 月建成 , 有 2000~ 2006 年的水温观测资料 ; 索风 营于 2005 年建成, 有 2006 年的水温观测资料 ; 乌江 渡于 1979 年 12 月建成 , 有 1983~ 2006 年的水温观 测资料; 下泄水温根据泄洪水温、 发电下泄水温以及 相应流量加权平均得到。 水温结构的判定 水库水温结构是分析水温累积效应的基础, 为 了分析水库不同类型水温结构对水温累积效应的影 2. 2 响, 根据各个电站坝前垂向水温实测资料对水库水 温结构进行判定是必要的。 洪家渡坝前水深在 150 m 以上 , 调节能力大 , 在夏季水库水温的升温期, 洪家渡水库表面水温明 显高于中下层水温, 出现了温度分层, 在水面以下某 一部位存在水 温剧变 的温 跃层 , 其温 度梯 度可 达
采用建坝前天然水温和建坝后下泄水温 比较 法 , 对乌江 干流 梯级水 库水 温时空 分布 特征 进行分 析。研究 结果 表 明 : 对天然水温改变最大的电站为洪家 渡和乌 江渡 , 前 者是受 水库 水温 结构自 身影 响 , 后者是 梯级 联合运 行的 结 果 ; 梯级联合运行使库区水温分层有所减弱 , 随着时间的推移或上游梯级电站的建 成 , 电站 下泄水温 年变化过程 趋 于均 化 , 与天然水温的延迟也越加明显 ; 不同的水库水温结构对水温累积效应的影 响也各不相 同 , 稳 定分层型水 库 对水 温累积具有正效应 , 混合型水库具有负效应 , 过渡型 水库处 于两者 之间 , 体现了 梯级电 站的水 温累积 影响 , 为 研究减缓下泄低温水的对策措施提供依据和参考。 关键词 : 乌江流域 ; 梯级水电开发 ; 水温结构 ; 水温累积效应 ; 下泄 低温水 文献标识码 : A
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源洪Biblioteka Baidu渡、 南源引子渡电站都与东风电站直接相连。
个水文站 的实测 多年平 均水 温资料 , 洪 家渡水 文 站靠近洪 家渡坝 址 , 鸭池河 水文站 位于 东风坝 址 下游 1. 5 km, 乌江渡水文站 位于乌江渡坝 址下游 2 km, 3 个水文站 1961~ 1978 年的多年平 均水温 见表 2; 索风营坝址 附近没有 水文站 , 通过鸭 池河 和乌江渡水文站水温资料内插得到。
单位 洪家渡 织金、 黔西 2004 年 105 51 54 ! 26 51 49 ! 976. 58 747. 15 9 900 155 1 140 44. 97 多年 砼面板堆石坝 182. 3 东风 清镇、 黔西 1994 年 106 24 36 ! 26 59 44 ! 837. 5 704 18 161 343 970 8. 64 季 双曲率抛物线薄拱坝 162 索风营 黔西、 修文 2005 年 106 23 24 ! 27 5 27! 758 665 21 862 395 837 1. 686 日、 周 碾压砼重力坝 121. 8 乌江渡 遵义 1979 年 106 42 54 ! 27 20 11 ! 626 594 27 790 483 760 21. 4 季 砼拱型重力坝 165