大型水库分层取水方式对下游河道鱼类生态环境影响研究
2020-04-13苗雨池
苗雨池
(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)
大型水库下泄水体水温受到其调度方式的影响，与天然水体存在明显的温差，而这种温差对于下游河道鱼类的生态环境影响十分明显[1]。水温过高或者过低，均不利于鱼类的繁殖和生长。大型水库传统的取水方式主要为单层取水方式，而这种方式的缺点在于夏季下泄水体温度低于天然水体温度，严重影响其下游河道鱼类的繁殖生长[2]。近些年来，对于水库调度方式对下游河道鱼类生态环境的影响逐步得到国内许多学者的关注和研究[3- 9]，这些成果大都针对下泄水体水温或者水量进行分析，而对于取水方式的研究还较少，而多项研究表明[10- 15]，水库不同取水方式对其下泄水温产生直接影响，而水温是影响下游河道鱼类生态环境的重要指标。为此本文结合水库下泄水温数值模拟方法，分析分层取水方式对其下泄水体温差的效应。研究成果对于水库生态调度具有重要的参考价值。
1 大型水库下泄水温模拟方法
大型水库水温主要包含混合、过渡以及分层三类，库区水温主要采用库容比以及弗汝德系数法，各系数的计算方程分别为：
(1)库容比法判定系数的计算方程：
(1)
式中，a—判定系数；W—多年径流量，m3；W总—水库的总库容，m3。
当a<10则表示为水温属于分层类型；10
(2)弗汝德判定系数计算方程为：
(2)
式中，Fd—弗汝德数；L—水体纵向距离，m；H—水体平均深度，m；Q—下泄水体的流量，m3/s；V—计算水体的体积，m3；g—重力加速度，m2/s；ε—水体特征梯度。
当Fd<0.1属于稳定分层类型；0.1
本文主要结合水温数值模拟模型对辽宁西部某大型水库进行预测，首先建立水库的热量与水量平衡方程：
I(t)Δt-TO(t)Δt=ΔS(t)
(3)
T1(t)I(t)Δt-T0(t)O(t)Δt=ΔE(t)
(4)
式中，T1(t)—时段t入库平均水温，℃；T0(t)—时段t出库平均水温，℃；I(t)—时段t入库平均流量，m3/s；O(t)—时段t出库平均流量，m3/s；ΔS(t)—时段t水库蓄水量的变化量，m3；ΔE(t)—t水库热量的变量，m3·℃。
ΔE(t)计算方程为：
(5)
式中，T(S)—单元体积为S的水体的温度，℃；S(t)、S(t-Δt)分别表示不同时间步长条件下的蓄水量，m3。
当水库呈现稳定分层现象，水库水温呈现均匀混合，则其水温垂向分布计算方程：
ΔE(t)=S(t)TR(t)-S(t-Δt)TR(t-Δt)
(6)
式中，TR(t)、TR(t-Δt)—不同时间步长条件下的水库水体温度，℃。
结合式(5)和(6)可以计算水库t时刻水温TR(t)，计算方程为：
(7)
其中：
S(t)=I(t)Δt+S(t-Δt)-O(t)Δt
(8)
结合上述方程可以推求水库下泄水体的温度，计算方程为：
TO(t)=TR(t-Δt)
(9)
方程中的变量含义均同上述方程中的变量含义。
2 实例应用
2.1 水库概况
研究水库属于一座大(2)型水利枢纽工程，坝址以上流域面积3029km2。水库枢纽工程等别为Ⅱ等，永久性水工建筑物级别为2级，为多年调节水库，采用高程基面为黄海基面。总库容为8.0亿m3。枢纽主要建筑物由挡水坝段、溢流坝段、底孔坝段、引水坝段及连接段等组成。坝总长1148m。坝顶宽度11.4m。库区主要的鱼类产卵场主要位于水库下游距离坝址4km处，产卵鱼类主要为青、草、鲢、鳙四大家鱼，适宜生长的速度在0.2～1.1m/s之间，适宜生长的水体深度为0.5～2.0m，各鱼类主要产卵的敏感月份分布在3～6月。分别结合库容比法判定系数、弗汝德判定系数对水库水温分类进行判定，结果见表1—2，从判定结果可看出，研究水库水温均为稳定的分层。
表1 基于库容比法判定系数的库区水温分类结果
表2 基于弗汝德判定系数的库区水温分类结果
2.2 水温计算验证
结合建立的水温数值模型对库区3～12月份各分层水温进行计算，并结合库区内监测水温对结果进行验证，验证结果见表3，并对库区断面垂向深度的平均气温进行分析，分析结果见图1。
表3 各月份水库不同层水温验证结果 单位：℃
图1 水库断面垂向平均气温验证结果
从验证结果可看出，建立的水温数值模型在研究库区各分层的水温计算绝望误差在0.16～1.39之间，建立的模拟基本可满足区域水温计算精度要求。从图1中可看出研究库区水温各分层水温呈现较为明显的季节变化趋势。冬季水温较低，夏季水温可维持在20℃以上。进入冬季后，由于垂向水温热交换较慢，使得其垂向水温分布逐步趋于稳定变化。从其验证结果还可看出，库区表层温度较低，随着垂向深度的增加，其水温呈现递增变化，但递增幅度较小。底层水温由于热交换的影响，使得其温度高于表层温度，而表层稳定主要取决于空气温度。
表4 水库坝前断面垂向水温计算结果
2.3 库区水温计算
对水库坝前断面不同垂向深度下的水温进行计算，结果见表4。
从计算结果可看出，研究水库属于典型的水温分层类型，3～4月份水库水温较低，受到区域气温和太阳辐射的影响，水温呈现一定的递增变化，但增幅较小。随着气温和太阳辐射的增加，进入5～9月份后，水库坝前垂向温度逐步增加，库区表层水温递增较为明显。库区水温最高值出现在7月份，且从5月份开始水库水温在22.0m深度处开始出现逆水温现象。随着水库入流水量、气温以及太阳辐射的逐步增加，水体热交换影响程度加大，使得水库不同分层水温跃层现象有所减少。
2.4 下泄水温对比结果
结合不同取水方式，对比各取水方式下天然水温与下泄水温的温度差，分析结果见表5—6。
表5 单层取水方式下的水库下泄水温温差对比结果
表6 分层取水方式下的水库下泄水温温差对比结果
采用传统的单层取水方式，水库各月份下泄水温与天然水温的温度差在-0.93℃～3.12℃之间，而采用分层取水方式后，下泄水温和天然水温的温差得到有效减低，水库下泄水体和天然水体温差可有效降低-0.3℃～1.5℃，两种取水方式下的最大温差主要集中在7月和8月。这主要是因为这两个月份存在夏季气温最高的月份，由于外界气温和太阳辐射的增加，使得7月和8月水体热交换有所降低，使得其温差加大。通过对比两种取水方式，可以发现在夏季分层取水的方式可适当增加水体各层温度，降低和天然水温的温差，保持水体的天然生态效应。
2.5 下泄水温沿程恢复对比结果
通过对水库鱼类生态环境的分析，将下泄温差降低到-1℃和-0.5℃之间可为鱼类提供一个适宜的生态环境，为此对比了两种取水方式下水库下泄水温达到以上两个温差的沿程恢复距离，分析结果见表7—8。
表7 单层取水方式下水库下泄水温沿程恢复结果对比
表8 分层取水方式下水库下泄水温沿程恢复结果对比
从不同取水方式下的温差分析结果可看出，温差在-0.5℃主要集中在3～5月份，而温差在-1℃的主要集中在6～9月份。采用传统单层取水方式下水库下泄温度与天然水体温差在-1℃的沿程恢复距离的最大值为18.23km，温差恢复到-0.5℃的沿程距离的最大值为35.63km。而采用分层取水方式后，温差恢复到-1℃和到-0.5℃的沿程距离的最大值分别为10.05km和24.33km，相比于传统单层取水方式下，其恢复距离分别降低8.18km和11.30km。相比于传统单层取水方式，分层取水方式可有效降低低温水体恢复的距离。
2.6 下游河道鱼类产卵影响变化度
针对水库库区内主要4大家鱼种类的产卵期变化进行分析，进而分析对其下游河道鱼类生态环境的影响，结果见表9。
通过分析，库区内主要4种家鱼类的产卵期分别位于坝址15km处，产卵鱼类主要为青、草、鲢、鳙四大家鱼，适宜生长的速度在0.2～1.1m/s之间，适宜生长的水体深度为0.5～2.0m，各鱼类主要产卵的敏感月份分布在3～6月。青鱼、草鱼产卵适宜温度为11～16℃，其在天然条件下产卵期主要出现在5～6月，而采用单层取水方式下水库下泄水温使得青鱼、草鱼产卵推迟到7～8月，而采用分层取水方式后，其产卵推迟到6～7月，相比于单层取水方式，水温影响有所减缓。从鲢鱼、鳙鱼产卵影响也可看出，鲢鱼、鳙鱼产卵适宜温度为8～12℃，天然水体下其产卵主要为4～5月，而单层取水方式下其产卵期推迟到6～7月，而分层取水方式下其产卵和天然条件下一致。这主要是因为相比于传统单层取水方式，采用分层取水方式后，和天然水体温差得到有效降低，是得其利用鱼类的产卵生态环境。
3 结论
(1)水库垂向水温呈现明显的季节性分层效应，为降低与天然水体的温差，应改变传统单层取水方式，结合垂向水温进行分层取水，建议分层取水深度不超过70m，可有效降低水库下泄低温引起的生态负面效应。
表9 不同取水方式下水库各鱼类产卵期变化情况
(2)在分层取水中，由于表层受太阳辐射影响，变幅较大，建议在分层取水过程中，重点取中层和底层的水体，可有效降低下泄水体低温温差和水温恢复距离。
本文重点分析了下泄低温对水库四类家鱼产卵影响，而对低温对其生境影响分析还存在不足，在以后研究中通过加密水温观测点，对其生长环境的温差影响进行重点分析。
