水库水温分层现象

水库的修建使流水环境改变为静水环境，由此在库区出现一系列物理、化学及生物学现象的改变。其中最大的变化之一是水温结构的变化，而水温又很大程度地决定着水库在物理、化学及生物上的特性。水库的水温来自太阳辐射，并由大气与水面的接触，输送至水中。随着水库深度的增加，热量的吸收程度不同。由于水的热传导性远较其它物质弱，所以在不考虑其它因素的前提下，热量是不会传导至库中或水库很深之处。如果水库升温过程中，有风力的吹动、一定的入流水量，水库热表面的水可与深层的水混合，其混合程度可决定水温的结构状况。当然水库温度结构还与水库的规模、深度、地理位置、气候条件等因素有关。

在河流上修建大坝形成水库,水库蓄水后带来了发电、防洪、灌溉、航运、旅游等综合效益,但同时由于水库蓄水,将改变库区及大坝下游河段的水文情势和水环境状况,水温是水质因素的一个重要变量，在确定其他水质指标的过程中往往与水温有关。而水温的变化,对库区及下游河段的水生生物、农田灌溉、和生活用水等将产生重大影响，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。

水温不仅是水库水环境中的主要研究内容,也在水库的规划设计和运用管理中起着重要作用。一方面为了更好地发挥已建水库的功能,提高水库效益；另一方面为了更好地利用水资源,因此研究水库水温的变化规律,对于工程的环境保护和工程的建设及运行有重要意义 。

由于大型水库水温分层现象引起的低温水效应已对我们的生态环境及生活环境造成了较大的影响，因此展开对大型水库低温水效应减缓措施研究势在必行。对低温水的减缓措施主要从预测水库水温结构及下泄水温、工程设施提高水库下泄水温、农业技术减缓低温水效应、合理利用水库洪水调度运行减缓低温水下泄等方面进行。

水库垂直水温分布及下泄水温预测：水库的运用水温和水电站发电泄水水温，均与水库的水温结构有直接的关系。对水库水温结构及下泄水温的预测计算是建立生态型水电工程的重要前提。只有正确预测水库水温结构和下泄水温才能对水电设施进行有效设计，确定合理的运行调度方案，使其对生态的影响达到最小。水库垂向水温预测方法一般分为两大类：一是经验公式法。通过对实测资料的分析，总结出水温垂向变化的形式(指数函数形式或多项式)，即经验公式。由于该法很难考虑入库、出库水流，以及经验参数的地区适用性，所以其应用受到很大限制。二是数学模型法，应用较广泛的是垂向一维扩散模型。该模型考虑了入库、出库水流及垂向扩散对水温的影响，并在理论上认为垂向水温连续分布。在实际计算中，由于其解析解的获得颇为困难，一般采用数值方法求解，即其结果仍是呈离散的阶梯状分布。

经验法：20世纪70年代以来，为解决生产实际问题，国内提出了许多经验性水温估算方法。这些方法都是在综合分析国内外水库实测资料的基础上提出的，具有简单实用的特点。其中水利部东北勘测设计院张大发提出的方法编入水文计算规范，水科院朱伯芳提出的方法编入混凝土拱坝设计规范。1993年中南勘测设计院《水工建筑物荷载设计规范》编制组和水利水电科学研究院结构材料所，在朱伯芳提出的方法基础上，利用数理统计原理进行统计分析，并按最小二乘原理拟合得出了一套计算公式(即水库水温的统计分析公式)。2100433B

根据水温结构，水库可分为分层型和混合型两类水库。在夏季，分层型水库的水温可分为，库面温水层(温变层)，水库大多数增暖和冷却都在温水层进行；温水层以下是温度变化较迅速的斜温层(温跃层)；斜温层以下是热量难以交换的冷水层(滞温层)。库面温水层和库下冷水层的温度差可超过15℃ ～ 20℃ 。夏季水温分层后，形成稳定的斜温层。水温在水平方向上保持不变，仅垂直方向变化。而且由于水温引起的垂直方向的密度梯度，上下很难产生渗混，往往形成入流和出流的水平层流。而在秋季以后，表层水温度降低，密度增加，库面水下沉，产生对流现象，进入对流期。这样入流和出流的流动，再加上上库来水的均匀渗混，使库水温达到了均匀分布。冬季则可能形成表面冰盖，而冰盖下面是4℃的水，形成冬季逆温分层。春季来临，湖泊上层热量的输入大于支出，使表面温度升高，接近4℃时，会发生上下水层之间的水量交换，如遇有强风，则全深度的水达到均匀的密度分布，水库水温达到了均匀的分布。随着夏季的来临，水库表面温度升高，由于外力影响，热量向较深层传递在表面形成暖而轻的水层，冷而重的水分布在库底。如果混合不能充分补偿这种温度和密度的垂直分布，则形成夏季水库水温分层结构。这种分层型水库多在规模较大，并且水流较慢的大型水库出现。混合型水库，一般在库内水流湍急，交换迅速的中、小型水库出现。一年四季，这类水库的水温垂向分布大致相同 。

分层型水库的水温分层，对水体环境溶解氧的含量有重大影响。水库表面的温水层可通过水面与大气交换，保持较高的溶氧水平，如有植物的光合作用，溶解氧量往往达到过饱和。在此状态下，如果水库氮、磷含量较高，就会使水体中的浮游生物及水生植物大量繁殖，出现富营养化和水质恶化现象。而水库库底冷水层，由于紊动扩散很低，氧的补充非常小，加上库面水生浮游生物死亡后沉于库底，其分解要消耗库底的溶解氧，并产生大量的硫化氢。所以库底常常是缺氧状态，成了厌氧微生物的活动环境。因此，水库水温的分层不仅对水质有一定影响，而且也会影响水中生物结构的变化。

在夏季，分层型水库形成稳定的正温分层，在水库中敷设的水电设施为了满足发电量要求通常将取水口设置在水库的冷水层(滞温层)，因此通过水电站下泄到下游的水流温度均低于原河道当月平均水温，形成低温水。低温水的下泄对下游农业和渔业将产生较大的影响。例如黄梅县灌溉试验站对其灌溉水温近3年的试验观测表明，适温水塘水灌溉早稻比低温水库底层水灌溉，禾苗提前3d齐穗，千粒重多2g，亩产高32。55kg。特别是水稻生长前期，用低温水灌溉会使稻苗迟发，成熟推迟，不仅影响早稻产量，且推迟了晚稻，使晚稻易受“寒露风”危害，造成秕谷多，甚至发生不结谷的“翘稻头”，致使早晚稻都减产。水温也是影响鱼类洄游的基本外因之一。鱼类洄游到岸边和河口段的时期，多种鱼类都要求一定的水温。例如鲤鱼在水温低于8℃或超过30℃便停止取食，当水温低于18℃则不能繁殖。根据尼基伏洛夫的资料，伏尔加鲤鱼从产卵到幼鱼孵出，当水温13℃时需要268h，而在水温26℃时只要76 h。因此，低温水的下泄将使鱼类繁殖、生长及捕食受到严重影响。世界上许多大型水库在鱼类洄游产卵期泄放的水温明显低于同期天然河道水流的水温，致使这些河流的鱼种数量锐减或濒于绝迹的例子不少。

水库水体在水文、气象、地形、地理位置、出水口位置、调度运行方式等因素的影响下，形成不同的水温结构。水库水温结构可分为分层型和混合型两类。分层型水库随季节变化，上下层水温发生不同的变化；而混合型水库全年水库上下层水温没有明显区别，基本保持天然河流状态。

分层型水温结构年周期性变化：初春，温带水库水温常保持在4℃左右，整个水体是不稳定的，易受风的作用而使上下层完全混合。夏季，气温上升，太阳辐射增强，水库表层水体受热升温，密度减小，停留在其下面的温度较低、密度较大的水层之上；但初夏时，温差较小，受风的作用能完全混合。当某一时刻，由于温差较大，风的作用不足以混合整个水体时，就形成了稳定的三层式温度分层：水库上部水温呈均匀分布，称为库面温水层；在此以下的温度突变区，称为温跃层，一般水深增加1m，水温可下降1℃以上，温跃层的深度很大程度上取决于作用在水面上的风力；温跃层以下，水温很低且较均匀，为停滞静水，称为库下冷水层。由于水体密度分层，敌水库的进、出水将产生异重流运动。秋季，气温下降，太阳辐射变弱，表层水温下降，密度增加，库面温水层与其下层水由于重力和风的作用产生对流，厚度逐渐加大，温跃层向下层扩展，最后因混合作用扩展至不同水深，形成等温状态，称为秋季对流。入冬，水温继续下降，若表层水温低于4℃，则在无风和有冰层的情况下，将出现底层水温比表层水温高的逆分层。春天来临，冰层开始融化，逆分层将混合消失，称为春季对流。随后，水库水体再一次出现温度分层。库面温水层水温在分层季节变化较大，与河流水温差不多或略高。库下冷水层温度变化较小，变化程度取决于分层前的水温，与冬春河流水温差不多。一般分层型水温结构多出现在蓄水水库；径流式水库不发生典型的三层式温度分层现象。

影响的大小主要取决于水温的分层温度高低的变化、出水口高程和环境对水温的敏感性。影响范围包括库区和出水口下游。混合型水温结构对环境的影响比分层型小。

水库水温水温分层对水体的化学和生态的影响

库面温水层通过水面通气和水生植物的光合作用保持较高的溶解氧含量；而库下冷水层溶解氧含量较低，当由浮游生物死后的残体和沉淀物产生的生化需氧量较大时，将出现缺氧现象，变成或接近于厌氧微生物层。溶解氧的分布特性与水库的生产力有关。由于库面温水层的生物作用和库下冷水层的缺氧，使pH值、二氧化碳、硝酸盐、氨、二氧化硅、钾、镁、钙、铁、锰、硫化氢等产生分层现象。营养物多积累在冷水层，库面温水层的营养量低于最大浮游植物产量所需的营养量水平，从而影响动物的数量。温度、水质的分层常使水生生物的种类呈垂直分布，在缺氧的冷水层中只能生长适宜于低温和低溶解氧的生物种类。秋季对流时，冷水层的营养物呈均匀分布，若含量较大，则将使水库水体和下游藻类急剧生长。水面较大的水库，表层水温的变化会引起蒸发和水面长波辐射等的较大变化，影响局地气候。水温分层还会影响水库大坝（特别是混凝土坝）的应力分布。

水库水温分层型水库对下游水温和水质的影响

影响程度与出水口的高程有关。采用底层出水口将使含有大量离子成分的、溶解氧较低的冷水层捧出，使下游水质变差和营养化程度提高，水库生产能力降低。采用较高的出水口，下泄水温度较高，具有高溶解氧、低含量的悬浮固体和铁、锰等，水质较好；但水温较高又可能使下游生化需氧量增加，使水质变差。水库放水对下游水温的影响，一般是推迟下游春季水温上升和秋季水温下降，使水生生物群落发生变化。采用底孔泄水的分层水库，将使下游水温偏低，对水生生物的生长和繁殖产生不利影响。使灌溉农作物减产，这种现象称为水库冷害。当河流上建有梯级水库时，上游水库泄放的冷水还会使下游水库冷水层贫氧情况继续存在，甚至加剧。

近年来，随着对生态环境保护的重视，水电站进水口分层取水方式正逐渐被采用。我国目前拟采用分层取水方式的工程均处于研究和在建阶段。目前缺乏分层取水方式下泄水温效果的研究，尤其试验研究是一空白。.本项目针对水温成层型水库进水口分层取水下泄水温进行试验研究，探讨水库分层取水水温模型的相似理论和试验方法。水电站进水口取水将改变附近库内水温分布，目前的模型相似理论没有考虑流场变化对分层结构的影响，不能直接应用于水库水温分层取水试验，本研究将针对水库水温分层以及分层取水的特点，探讨水温模型试验的相似条件，提出模型与原型的水温相似关系。以往分层流动试验，通常以盐淡水为介质形成两层密度分布，很难模拟实际的水库水温分布规律，本研究将直接模拟水温，形成多层水温分层，直接测量进水口的下泄水温。