南瓜坪水库水温计算及其对下游河道水温的影响分析

南瓜坪水库水温计算及其对下游河道水温的影响分析
王明怀
（云南省水文水资源局丽江分局，云南丽江 674100）
摘要：南瓜坪水库的建设导致河流水体性质发生改变，长期滞留在库内的水与大气之间的热量交换引起水温变化，导致水库整体的水温结构将发生变化。

本文通过对南瓜坪水库建设后水温的垂向变化和延程变化趋势进行分析，对水库兴建后水温对下游农田灌溉的影响进行了分析评价。

关键词：水库水温分析评价
1 引言
南瓜坪电站通过修建水库蓄水带来了发电、灌溉、防洪等综合效益，然而水库蓄水的同时，也引起了河流水文、泥沙、地貌、生态等各方面的环境影响。

水温是水质因素的一个重要变量，水温的变化会给库区及下游河道的水质、水生生物的生长及工农业生产带来一系列的影响，并且对水工坝体温度应力分析、施工温控设计、继电机组冷却等也有重要影响。

因南瓜坪水库下游的团结大沟是永胜县三川镇农业灌溉的主要水源工程，三川镇又是丽江市粮食主产区，本文通过南瓜坪水库水温分布、水库泄水温度状况及坝下游河道水温沿程变化的预测分析。

结合灌区工程布置及灌溉农田的基本情况，评价水库兴建后对下游农田灌溉的影响。

2 工程概况
为充分开发和利用五郎河流域水资源，根据《云南省丽江市五郎河流域规划》，拟对五郎河流域实行“三库十电站”梯级开发，南瓜坪电站是流域梯级开发中的一级，工程以发电为主要开发目的、兼顾灌溉。

电站装机容量33MW，水库正常水位2250m，总库容2668万m3，调节库容1656万m3，灌溉面积为5.16万亩，灌溉用水量4956万m3。

枢纽工程位于丽江市宁蒗县南部战河乡南瓜坪村，水库坝址处东经100°48′08″，北纬26°54′42″。

南瓜坪水库位于五郎河上段碧源河，电站下游500m为规划的干布河电站，距离宁蒗县战河乡20km，距离永胜县三川镇km。

南瓜坪水库水系图见图1。

团结大沟为流域内已经建成的较大引水工程，位于南瓜坪水库下游约25km。

团结大沟于1973年全线贯通，控制灌溉面积5.16万亩，引水渠从永胜县光华乡水井村取水，流经光华、金官、梁官，全长51.7km。

2004年对渠道全线进行了改造，采用混凝土、浆砌块石衬砌。

改造之前只有水井至板山河段能维持通水，灌溉面积仅1.6万亩，改造后设计取水流量为5.0m3/s，灌溉面积为5.16万亩，总灌溉用水量4956万m3。

工程所在流域属低纬高原季风气候区，干湿季分明，因受高原和高山峡谷地形的影响，立体气候显著。

宁蒗气象局实测资料，多年平均气温12.6℃，最高气温31.4℃，最低气温-9.7℃，多年日照时间为2341.4小时。

水库坝址处控制流域面积512 km2，流域多年平均降水量为1087.4mm，坝址处多年平均流量7.53m3/s，多年平均径流量为2.334亿m3。

图1 南瓜坪水库水系图
3 水库水温变化分析
3.1 水温结构判断
南瓜坪水库建成蓄水后，库内流速从上游到坝址处渐渐减小，水库水域如同湖水一样，河流水体性质发生改变，长期滞留在库内的水与大气之间的热量交换引起水温变化，导致水库整体的水温结构将发生变化。

除了受气候条件影响之外，库区水温还取决于水库规模和库内水流急缓状况。

水库水温结构大致分为分层型和混合型两种类型，一般根据库水交换次数
指标a值判断库区水温结构。

根据《水文计算规范》（SL278-2002）水库水温分布类型判别的经验公式（D.1）：
a＝W/V
式中，a为判别系数，W为多年平均年径流量，V为总库容
南瓜坪水库坝址多年平均净流量为2.361亿m3，水库总库容为2668万m3，根据经验公式（D.1），计算出a＝8.8，由此可判别出南瓜坪水库水温分布类型为分层型。

即水库蓄水后，将导致水库水体水温与天然水体水温发生变化，水温垂向分布发生较大变化，主要表现为水体表面和库底水温的差异。

3.2 水温变化预测
3.2.1 水温垂相变化分析
水库水温分布包括横向水温分布和纵向水温分布。

国内水库实测成果表明，瞬时水温等值线的走向基本上是水平的，只是在库岸、浅滩附近或有洪水入库扰动时个别情况例外，即使有波动，仅仅是局部的和临时的，且温差很小；年、月平均水温等值线，几乎完全是水平的。

故本次只预测水库水温的垂向分布情况。

根据东北勘测设计研究院公式：
式中：
T b＝T b，－K，N
式中Ｔｙ———从库水面计水深为ｙ处的月平均水温（℃）；
Ｔ０———库表面月平均水温（℃），可根据设计水库库区的气温并利用气候条件相似同类水库的气温～库表水温关系求得，也可用已建水库库表水温与纬度的关系插补；ｍ———月份，１、２、３、…、１２月；
ｎ、ｘ———与ｍ有关的参数；
Ｔｂ———库底月平均水温（℃）；对于分层型水库，各月库底水温与其年值差别甚小，可用年值代替；对于过渡型和混合型水库，各月库底水温可用式（D.2-4）计算，该式适用于23°～44°Ｎ地区：
Ｎ———大坝所在纬度；
Ｔｂ′、Ｋ′———参数，其值见表Ｄ（参见《水文计算规范》（SL278-2002））。

因南瓜坪水库坝址处无气温和水温实测资料，采用纬度和高程相近、且属于同一气候区的宁蒗县庄房水文站实测水温资料来代表南瓜坪坝址处天然水温资料，坝底水温根据式（D.2-4）和南瓜坪水库坝址纬度进行推算。

根据推求的水库表面水温和库底水温，利用中国水利水电科学院经验公式计算坝前水温的垂直分布情况，见表1、图2：
表1 南瓜坪水库坝前水温垂向分布计算结果表单位：℃
图2 南瓜坪水库水温垂向分布图
从该水库坝前水温计算结果来看，水库水表温度随气温的变化而变化，随着气温的逐渐增加，水库水面水温逐渐增加，库表水温在7.5℃～19.7℃之间变化。

在垂向分布上，冬季1、2、12月水库水温出现逆温，即随着坝前水深的增加，水库水温逐渐增加，3月和11月，气温和水体温度差异不大，水温随水深的增加而降低，但温度梯度变幅不大，其余月份，水库水温沿水深的增加，水温逐渐下降，且延着水深的增加，梯度逐渐减小。

在水深0～30m之间水库水温梯度较大，在30m水深以下，水温梯度较小。

南瓜坪水电站取水口底板高程2230m，取水口最大水深20m，按照其他水库经验，水库下泄水量水温以水深为18～20m处水体水温为下泄流量的水温。

由垂向水温分析结果可以得出，
坝前20m水深处水体（即南瓜坪水库下泄水量）年平均水温较天然水温下降1.7℃。

3.2.2 水库下游水温延程变化分析
南瓜坪电站为坝后式电站，水库下泄流量水温即为电站尾水水温。

电站尾水口与下游团结大沟（主要是农田灌溉）取水口之间的距离约25km，区间入流较多，其中流量较大的主要有清水河、西布河和沙力河等。

其中，清水河在南瓜坪水库下游1.4km汇入，西布河在水库下游7.8km处汇入，沙力河交汇口局南瓜坪水库9.2km。

根据支流汇入口的位置和汇口以上流域面积，利用下游总管田水文站径流资料，可以分别计算出各支流多年平均流量分别为2.18m3/s、3.88 m3/s和2.68 m3/s。

与南瓜坪水库坝址处多年平均流量为7.61 m3/s相比，各支流来水量较大，从南瓜坪水库下泄的低温水（比天然水温低1.7℃）通过河道长距离的自然增温（按每公里增温0.04℃计算，25km河道增温达1.0℃）和支流来水量天然水温的平衡作用，到团结大沟取水口时，通过南瓜坪水库下泄的低温水与原天然河道的水温差异已经很小。

4 对下游农田灌溉的影响分析
通过对南瓜坪水库水温的垂向变化和延程变化趋势分析，南瓜坪水库的建设改变了河道水体的水力学性质，导致水库整体的水温结构发生了变化，水库水温分布形成分层型，从水库下泄的水体水温较天然水温下降了1.7℃。

由于水库（或电站）尾水至下游农田灌溉沟渠――团结大沟取水口距离长达25km，且区间有较大支流加入，对低温水起到自然增温和平衡水温的作用，因此，南瓜坪水库建成后形成的低温水对下游通过团结大沟的农田灌溉用水水温基本上不会造成影响。

参考文献：
［1］中华人民共和国水利行业标准，《水文计算规范》（SL278-2002）。

［2］朱伯芳.库水温度估算.水利学报,1985 年第2 期。

［3］中南勘测设计研究院《水工建筑设计规范》编辑组,水库水温的统计分析。

作者简介：王明怀（1971－），男（汉族），工程师，主要从事水文水资源勘测和水文情报、预报工作。