水庫水溫分層現象

水庫表層水和淺層水，因日照較多而溫度較高，底層水溫度則相對較低，因此而造成的水庫的分層現象。主要包括水溫分層、溶解氧含量分層及水質分層現象。水溫是水質因素的一個重要變數，在確定其他水質指標的過程中往往與水溫有關。庫面溫水層一般保持較高的溶解氧水平，而庫底由於有機質分解、水生物生長耗氧，使庫底溶解氧濃度減小。不同的湖泊和水庫，水溫垂向分層的差異較大，一般由強到弱劃分三種類型： 分層型、過渡型和混合型。分層型水庫的水體上部溫度豎向梯度大，稱“溫躍層”或“斜溫層”；在水體表面由於熱對流和風吹摻混，水面附近的水體產生混合，水溫趨於一致，這部分水體稱“同溫層”或“混合層”；水庫底部溫度梯度小，稱“滯溫層”。但是到冬季則上下水溫無明顯差別，嚴寒地區甚至會出現溫度梯度逆轉現象，上層接近於0℃，底層接近於4℃。混合型無明顯分層，上下水溫均勻，豎向梯度小，年內水溫變化卻較大。

基本介紹

• 中文名：水庫水溫分層現象
• 外文名：Reservoir water temperature stratification
• 影響因素：氣溫、輻射熱
• 現狀：水溫分層
• 相關功效：發電、防洪、灌溉
• 類型：分層型、過渡型和混合型

簡介

根據水溫結構，水庫可分為分層型和混合型兩類水庫。在夏季，分層型水庫的水溫可分為，庫面溫水層(溫變層)，水庫大多數增暖和冷卻都在溫水層進行；溫水層以下是溫度變化較迅速的斜溫層(溫躍層)；斜溫層以下是熱量難以交換的冷水層(滯溫層)。庫面溫水層和庫下冷水層的溫度差可超過15℃ ～ 20℃ 。夏季水溫分層後，形成穩定的斜溫層。水溫在水平方向上保持不變，僅垂直方向變化。而且由於水溫引起的垂直方向的密度梯度，上下很難產生滲混，往往形成入流和出流的水平層流。而在秋季以後，表層水溫度降低，密度增加，庫面水下沉，產生對流現象，進入對流期。這樣入流和出流的流動，再加上上庫來水的均勻滲混，使庫水溫達到了均勻分布。冬季則可能形成表面冰蓋，而冰蓋下面是4℃的水，形成冬季逆溫分層。春季來臨，湖泊上層熱量的輸入大於支出，使表面溫度升高，接近4℃時，會發生上下水層之間的水量交換，如遇有強風，則全深度的水達到均勻的密度分布，水庫水溫達到了均勻的分布。隨著夏季的來臨，水庫表面溫度升高，由於外力影響，熱量向較深層傳遞在表面形成暖而輕的水層，冷而重的水分布在庫底。如果混合不能充分補償這種溫度和密度的垂直分布，則形成夏季水庫水溫分層結構。這種分層型水庫多在規模較大，並且水流較慢的大型水庫出現。混合型水庫，一般在庫內水流湍急，交換迅速的中、小型水庫出現。一年四季，這類水庫的水溫垂向分布大致相同。

影響因素

水庫的修建使流水環境改變為靜水環境，由此在庫區出現一系列物理、化學及生物學現象的改變。其中最大的變化之一是水溫結構的變化，而水溫又很大程度地決定著水庫在物理、化學及生物上的特性。水庫的水溫來自太陽輻射，並由大氣與水面的接觸，輸送至水中。隨著水庫深度的增加，熱量的吸收程度不同。由於水的熱傳導性遠較其它物質弱，所以在不考慮其它因素的前提下，熱量是不會傳導至庫中或水庫很深之處。如果水庫升溫過程中，有風力的吹動、一定的入流水量，水庫熱表面的水可與深層的水混合，其混合程度可決定水溫的結構狀況。當然水庫溫度結構還與水庫的規模、深度、地理位置、氣候條件等因素有關。

在河流上修建大壩形成水庫,水庫蓄水後帶來了發電、防洪、灌溉、航運、旅遊等綜合效益,但同時由於水庫蓄水,將改變庫區及大壩下遊河段的水文情勢和水環境狀況,水溫是水質因素的一個重要變數，在確定其他水質指標的過程中往往與水溫有關。而水溫的變化,對庫區及下遊河段的水生生物、農田灌溉、和生活用水等將產生重大影響，並且對水工壩體溫度應力分析、施工溫控設計、繼電機組冷卻等也有重要影響。

水溫不僅是水庫水環境中的主要研究內容,也在水庫的規劃設計和運用管理中起著重要作用。一方面為了更好地發揮已建水庫的功能,提高水庫效益；另一方面為了更好地利用水資源,因此研究水庫水溫的變化規律,對於工程的環境保護和工程的建設及運行有重要意義。

對生態的影響

分層型水庫的水溫分層，對水體環境溶解氧的含量有重大影響。水庫表面的溫水層可通過水麵與大氣交換，保持較高的溶氧水平，如有植物的光合作用，溶解氧量往往達到過飽和。在此狀態下，如果水庫氮、磷含量較高，就會使水體中的浮游生物及水生植物大量繁殖，出現富營養化和水質惡化現象。而水庫庫底冷水層，由於紊動擴散很低，氧的補充非常小，加上庫面水生浮游生物死亡後沉於庫底，其分解要消耗庫底的溶解氧，並產生大量的硫化氫。所以庫底常常是缺氧狀態，成了厭氧微生物的活動環境。因此，水庫水溫的分層不僅對水質有一定影響，而且也會影響水中生物結構的變化。

在夏季，分層型水庫形成穩定的正溫分層，在水庫中敷設的水電設施為了滿足發電量要求通常將取水口設定在水庫的冷水層(滯溫層)，因此通過水電站下泄到下游的水流溫度均低於原河道當月平均水溫，形成低溫水。低溫水的下泄對下游農業和漁業將產生較大的影響。例如黃梅縣灌溉試驗站對其灌溉水溫近3年的試驗觀測表明，適溫水塘水灌溉早稻比低溫水庫底層水灌溉，禾苗提前3d齊穗，千粒重多2g，畝產高32。55kg。特別是水稻生長前期，用低溫水灌溉會使稻苗遲發，成熟推遲，不僅影響早稻產量，且推遲了晚稻，使晚稻易受“寒露風”危害，造成秕谷多，甚至發生不結谷的“翹稻頭”，致使早晚稻都減產。水溫也是影響魚類洄游的基本外因之一。魚類洄游到岸邊和河口段的時期，多種魚類都要求一定的水溫。例如鯉魚在水溫低於8℃或超過30℃便停止取食，當水溫低於18℃則不能繁殖。根據尼基伏洛夫的資料，伏爾加鯉魚從產卵到幼魚孵出，當水溫13℃時需要268h，而在水溫26℃時只要76 h。因此，低溫水的下泄將使魚類繁殖、生長及捕食受到嚴重影響。世界上許多大型水庫在魚類洄游產卵期泄放的水溫明顯低於同期天然河道水流的水溫，致使這些河流的魚種數量銳減或瀕於絕跡的例子不少。

措施

由於大型水庫水溫分層現象引起的低溫水效應已對我們的生態環境及生活環境造成了較大的影響，因此展開對大型水庫低溫水效應減緩措施研究勢在必行。對低溫水的減緩措施主要從預測水庫水溫結構及下泄水溫、工程設施提高水庫下泄水溫、農業技術減緩低溫水效應、合理利用水庫洪水調度運行減緩低溫水下泄等方面進行。

水庫垂直水溫分布及下泄水溫預測：水庫的運用水溫和水電站發電泄水水溫，均與水庫的水溫結構有直接的關係。對水庫水溫結構及下泄水溫的預測計算是建立生態型水電工程的重要前提。只有正確預測水庫水溫結構和下泄水溫才能對水電設施進行有效設計，確定合理的運行調度方案，使其對生態的影響達到最小。水庫垂向水溫預測方法一般分為兩大類：一是經驗公式法。通過對實測資料的分析，總結出水溫垂向變化的形式(指數函式形式或多項式)，即經驗公式。由於該法很難考慮入庫、出庫水流，以及經驗參數的地區適用性，所以其套用受到很大限制。二是數學模型法，套用較廣泛的是垂向一維擴散模型。該模型考慮了入庫、出庫水流及垂向擴散對水溫的影響，並在理論上認為垂向水溫連續分布。在實際計算中，由於其解析解的獲得頗為困難，一般採用數值方法求解，即其結果仍是呈離散的階梯狀分布。

經驗法：20世紀70年代以來，為解決生產實際問題，國內提出了許多經驗性水溫估算方法。這些方法都是在綜合分析國內外水庫實測資料的基礎上提出的，具有簡單實用的特點。其中水利部東北勘測設計院張大發提出的方法編入水文計算規範，水科院朱伯芳提出的方法編入混凝土拱壩設計規範。1993年中南勘測設計院《水工建築物荷載設計規範》編制組和水利水電科學研究院結構材料所，在朱伯芳提出的方法基礎上，利用數理統計原理進行統計分析，並按最小二乘原理擬合得出了一套計算公式(即水庫水溫的統計分析公式)。