向家壩水電站下游水溫變化分析

黃膺翰，嚴(yán)忠鑾，盧晶瑩，王小明，徐火清，常 訸，匡 亮

(1.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.中國三峽建工(集團(tuán))有限公司，四川 成都 610065；3.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

水溫是影響河道水生環(huán)境的重要因子之一[1]。我國長江流域魚類產(chǎn)卵季節(jié)一般是在4月～8月，水庫春季下泄低溫水可能導(dǎo)致河道中魚類產(chǎn)卵期推遲，甚至不產(chǎn)卵[2-5]。水溫也是影響灌區(qū)農(nóng)作物灌溉效果的重要因素。在水稻生長期內(nèi)，下泄低溫水會抑制微生物的活動，減緩新陳代謝，導(dǎo)致水稻返青慢、結(jié)實(shí)率低、成熟期推遲和產(chǎn)量下降等[6]。水利工程的修建將會對庫區(qū)和下游河段的水溫時空分布產(chǎn)生重要影響[7]。

我國長江上游流域雨水充足，水能豐富，是我國的戰(zhàn)略水源地和大型水電基地，并具備梯級水庫建設(shè)的自然條件[8]。開發(fā)梯級水電站，可以充分開發(fā)和利用河流水資源、提高防洪和發(fā)電效益等[9-10]。但水電站的興建也極大地改變了河道水溫的自然變化過程，特別是巨型水電站或者多個梯級水庫聯(lián)合運(yùn)行時，對河道水溫的影響范圍更廣，對區(qū)域性的環(huán)境影響更大[11-12]。梯級水電站水庫對河流的水溫影響較單一水庫的影響更為復(fù)雜，多個梯級水庫聯(lián)合調(diào)度時，產(chǎn)生的累積效應(yīng)加劇了下游水生環(huán)境的變化[13]。隨著河流梯級水電站的開發(fā)，水電站下泄低溫水對下游河道的影響不斷累積，將會對下游河道魚類和水生植物的生存和繁衍造成不利影響。

向家壩下游及長江上游川江段是長江流域水生生物物種最豐富的江段之一，也是長江上游干流現(xiàn)存的較為完好的未進(jìn)行水電開發(fā)的連續(xù)江段。為保護(hù)江段內(nèi)豐富的魚類資源，國家在此建立了長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護(hù)區(qū)。保護(hù)該江段的自然生態(tài)環(huán)境具有極其重要的社會與生態(tài)學(xué)意義。隨著金沙江下游梯級電站開發(fā)的有序推進(jìn)，其對下游的水溫累積影響將會逐漸顯現(xiàn)。水溫變化對該江段的水生生物生長與繁殖產(chǎn)生影響是各方十分關(guān)注的問題。為此，基于向家壩下游主要水文站長序列水溫監(jiān)測資料、水電站蓄水資料對向家壩下游河段水溫變化趨勢和河段梯級建設(shè)水溫影響展開分析；以推進(jìn)金沙江下游—長江上游的水溫監(jiān)測規(guī)劃，減緩電站運(yùn)行對下游水生生態(tài)影響。

1 向家壩下游段河流水溫變化

根據(jù)長江委水文局提供的水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，向家壩下游段河流水溫監(jiān)測站依次是向家壩站、李莊站、朱沱站、寸灘站等，各水文站分布位置見圖1。

圖1 水文站分布

華彈站位于金沙江與雅礱江匯口下游，華彈站各年月均水溫變化過程如圖2所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示華彈站出現(xiàn)升溫期水溫下降，降溫期水溫上升，年內(nèi)水溫變化相位滯后，且變幅趨于平緩的現(xiàn)象。

圖2 華彈站水溫分析

圖3 向家壩站水溫分析

向家壩站各年月均水溫變化過程如圖3所示。向家壩電站于2012年1月開始蓄水，電站蓄水后，向家壩站水溫監(jiān)測期間升溫期各月水溫顯著下降，降溫期水溫顯著上升，年內(nèi)水溫變化相位滯后超過1個月。

圖4 朱沱站水溫分析

圖5 寸灘站水溫分析

朱沱站自2000年起降溫期水溫明顯升高，升溫期水溫略有下降。這說明李莊站至朱沱站間214 km長的天然河段雖對水溫恢復(fù)有一定的促進(jìn)作用，但仍不足以消除電站建設(shè)造成的水溫變化。

下游寸灘站1958年～2016年間，升溫期水溫?zé)o明顯變化，降溫期水溫有所升高，從而說明經(jīng)過接近371 km的天然河段，上游電站建設(shè)造成的水溫影響有了較明顯的降低。

由于寸灘以上河段未建水電站，因此各時段沿程變化趨勢無明顯差別。從魚類產(chǎn)卵對水溫的要求看，長江重點(diǎn)保護(hù)魚類達(dá)氏鱘產(chǎn)卵期為3月～4月、11月～12月，水溫為16～19 ℃；中華鱘產(chǎn)卵期為10月～11月，水溫為17～20 ℃；四大家魚等則是4月開始產(chǎn)卵，水溫不得低于18 ℃。但在2000年以前，向家壩站水溫高于18 ℃；而2010年以后，3/4分位水溫均低于18 ℃。在10月份，2000年以前李莊、赤水、朱沱、寸灘的中位數(shù)水溫均低于20 ℃，滿足中華鱘產(chǎn)卵的水溫要求；2010年以后，各站水溫則均高于20 ℃。

由此可見，各梯級建設(shè)在一定程度上改變了向家壩下游沿程水溫變化過程，這可能會對該區(qū)域魚類產(chǎn)卵繁殖產(chǎn)生一定影響。

2 梯級水庫水溫影響分析

2.1 分析方法

水庫下游研究控制斷面建庫前、后水溫變化由時間差異引起的水溫變化和水庫興建引起的變化兩部分組成。假設(shè)水庫下游研究控制斷面建庫前、后不受水庫影響的水溫變化，與水庫上游入庫控制斷面建庫前、后水溫變化相同，則可將水庫下游研究控制斷面建庫前、后水溫變化減去水庫上游入庫控制斷面建庫前、后水溫變化，差值即為水庫興建引起的水溫變化[14]。

(1)

(2)

則水庫興建引起的水溫變化為

ΔT=ΔTo-ΔTi

(3)

2.2 溪洛渡、向家壩水電站聯(lián)合運(yùn)行水溫影響分析

2.2.1 向家壩壩址斷面水溫影響分析

溪洛渡、向家壩水電站分別于2013年、2012年開始蓄水，對比其蓄水前、后的水溫數(shù)據(jù)可以看出，4月～9月向家壩站—華彈站的溫差有明顯降低，11月～次年1月有明顯升高。以2013年為界，計算得到各時段均值見表1。

由表1可以看出，溪洛渡、向家壩水電站聯(lián)合運(yùn)行后，4月～9月向家壩站—華彈站的溫差降低了0.4～1.8 ℃，11月～次年1月升高了1.2～2.2 ℃。

2.2.2 下游河道水溫影響分析

金沙江水于華彈站下游進(jìn)入溪洛渡水電站庫區(qū)，流出向家壩水電站后，先后與橫江、岷江水匯合，進(jìn)入長江下游河段。與赤水河水匯合后，流經(jīng)朱沱站；與嘉陵江匯合后流經(jīng)寸灘站進(jìn)入三峽庫區(qū)。

表1 向家壩站—華彈站溫差對比 ℃

表2 朱沱站—華彈站、高場站混合水溫溫差對比 ℃

表3 寸灘站—華彈站、高場站、北碚站混合水溫溫差對比 ℃

基于華彈站、高場站水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，以金沙江、岷江各月多年平均流量為權(quán)重，基于零維混合模型計算得到兩江匯合后水溫，與朱沱站水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，分析研究向家壩運(yùn)行對朱沱站斷面水溫的影響。

基于華彈渡站、高場站、北碚站水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，以金沙江、岷江、嘉陵江各月多年平均流量為權(quán)重，基于零維混合模型計算得到三江匯合后水溫，與寸灘站水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，分析研究向家壩運(yùn)行對寸灘站斷面水溫影響。

鑒于橫江流量占比較小，赤水河與長江水溫接近，且赤水河干流未建設(shè)電站，兩江匯入對干流影響不大；而且對比分析時，參與分析各水文站須具備同期監(jiān)測資料，對資料完整性需求較高。為保證分析數(shù)據(jù)時間尺度的完整性，因此暫不考慮橫江、赤水對金沙江、長江水溫的影響。

(1)朱沱站斷面水溫影響分析。溪洛渡、向家壩梯級聯(lián)合運(yùn)行時間為界，計算得到運(yùn)行前后各月均值見表2。溪洛渡、向家壩梯級聯(lián)合運(yùn)行后，朱沱站—華彈站水溫溫差于5月～10月有一定程度的降低，降低幅度為0.2～1.0 ℃，其余月份無明顯變化?？梢姡?jīng)過向家壩—朱沱近262 km天然河段后，溪洛渡、向家壩聯(lián)合運(yùn)行造成水溫影響得到了明顯緩解；向家壩蓄水后，8月～次年3月溫差增加了1.1～1.5 ℃。

(2)寸灘站斷面水溫影響分析。溪洛渡、向家壩梯級聯(lián)合運(yùn)行時間為界，計算得到運(yùn)行前后各月均值見表3。溪洛渡、向家壩梯級水電站聯(lián)合運(yùn)行后，寸灘站—華彈站水溫溫差于5月～9月有一定程度的降低，降低幅度為0.4～0.7 ℃，其余月份無明顯變化?？梢?，于朱沱站相比，溪洛渡、向家壩泄水再次經(jīng)過朱沱—寸灘近151 km天然河段后，溪洛渡、向家壩水電站聯(lián)合運(yùn)行對水溫的影響得到了進(jìn)一步的緩解，降溫期水溫升高的問題得到了明顯緩解。

3 結(jié) 論

基于向家壩水電站下游主要水文站長序列水溫監(jiān)測資料、水電站蓄水資料，對向家壩水電站下游河段水溫變化趨勢和河段梯級建設(shè)水溫影響進(jìn)行了統(tǒng)計分析。結(jié)論表明：向家壩水電站下游河道上多個測站水溫均出現(xiàn)升溫期水溫下降，降溫期水溫升高的特征。各梯級水電站建設(shè)在一定程度上改變了向家壩下游沿程水溫變化過程。其中，溪洛渡、向家壩水電站聯(lián)合運(yùn)行使向家壩站水溫4月～9月降低了0.4～1.8 ℃，11月～次年1月升高了1.2～2.2 ℃；升溫期朱沱站—華彈站水溫溫差降低了0.2～1.0 ℃，寸灘站—華彈站水溫溫差降低了0.4～0.7 ℃，其余月份無明顯變化?？梢姡撚绊戨m可延續(xù)至三峽庫尾寸灘站，但已有明顯削弱。

同時，向家壩水電站下游水溫不僅受溪洛渡和向家壩水電站聯(lián)合運(yùn)行的影響，還會受到金沙江中游梯級水電站的影響，具體影響程度仍需要進(jìn)一步研究。