第4章 三峡水库对中下游的滞温评估
众所周知，水电能源是高效的可再生清洁能源[61~63].虽然我国能源资源丰富，但人均占有量却极少，发展水电行业在我国具有战略性意义。20 世纪中期以来，国内水电开发规模达到空前。建国初期，中国大陆总装机容量仅 36 万 Kw.截至2014 年底，总装机容量已突破 3 亿 Kw,约占全球装机总容量的四分之一，居世界第一[64].长江是我国水资源储存最丰富的流域，水流落差大，水能充沛。据相关调查，全流域水能资源理论蕴藏量约占全国总量的 40%,其中技术可开发量占全国的 60%.长流流域水能资源的 89.4%集中在上游地区，到 2001 年，长江上游水能开发利用程度不到 20%,江源至宜宾河段甚至不足 5%.因此成为我国水电开发的重点地区。截至 2011 年，长江流域已修建各类水库 45600 多座，总库容达17453496 万 m3,其中大型水库 151 座，中型水库 1111 座，小型水库 44432 座。
其中，三峡水库是工程规模、发电量、库容量均最大的一座水电站。
梯级水库的兴建，带来了巨大的经济和社会效益，不仅满足了人类对于发电、防洪、灌溉和供水等方面的需求，还改善了当地人们的生活，促成了库区景观生态效应，提高了社会经济水平。但与此同时，拦河大坝的修建也打破了河流生态系统的连续性和稳定性。大坝修建以后，上下游的径流过程及水文情势发生改变。
原本天然河流变成半人工型河流，上游水位升高，流速降低，阻碍着了营养盐及物质迁移，库区水动力条件减弱，水体沉积作用增强[65,66];营养物质累积导致富营养化发生概率升高[67~69];上游泥沙淤积而下游泥沙减少，河流侵蚀作用增强[70],河流底质地貌发生改变[71,72];上游漂流性卵的鱼类生境遭到胁迫，而下游洄游性鱼类的洄游通道被阻断[73,74],河流中水生生物遗传信息交换被中断，影响整个流域的生物多样性[75];同时，库区发生季节性水体分层[76],进而加深了对环境与生态系统的影响。
水温是影响水质和水生态的重要因子。长江中游集中分布着我国重要经济鱼类"四大家鱼"和国家一级保护动物中华鲟的产卵场，是长江珍稀鱼类最重要的自然繁殖区之一[77~78].三峡大坝"滞温"效应随着水利枢纽从试运行期逐步进入正常蓄水器，会逐渐凸显，并对中下游生态环境产生影响。水温是影响水质和水生态的重要因子。水温变化的研究是长江珍稀鱼类保护的基础，是水利工程的水文、生态效应评估的前提。本章将建立时间序列模型，对中华鲟产卵场近 30 年的水温过程整体变化做定量评估，分析三峡水库运行对中华鲟栖息地质量的改变。
4.1大型水库滞温效应研究现状。
4.1.1 库区水体水温层化理论。
水库蓄水以后，库区的水体状态和性质都发生改变，但最终会经过一定过渡时间逐渐稳定下来，河道型水体演变成半河道半湖泊型水体，一些湖泊水体性质，如水体扰动弱，沉积作用强，营养盐迁移能力低，易富营养化，水体层化等逐渐凸显。水体层化是大型水库最大的物理变化之一，它影响了库区及下游一系列的环境和生态效应。
根据水库水温垂直结构形式可以大致分为三种类型：即混合型、分层型以及介于这两者之间的过渡型。
混合型也称等温型：年内任意时刻，库区内不同深度的水温分布均匀，垂向梯度很小，整个水库的水温都随表层水温变化而变化，水体的热交换迅速。水深较浅，调节能力较低的水库多属于这一类型。
分层型：在水库的升温期，库区表明水温明显高于中下层水温，出现了温度分层。这种类型的水库底层水温年波动幅度明显小于表层水温，甚至年较差小于1℃。水深在 40 米以上，调节能力大的水库多属于这种类型。
过渡性：有些水库的水温结构同时兼有混合型和分层型两种水温分布特征。
成层型水库按照水温结构沿水深方向可以分为三层：温变层、跃温层（也称斜温层）和滞温层。温变层受外界影响很大，水体与空气直接进行热交换，温度变化快，同时又受风浪影响，层内水温掺混剧烈，通常温度差异不大。滞温层的温度通常变化不大，常年处于较低的温度，水温梯度较小，或接近均一。而温跃层是将温变层和滞温层区分开的一层，通常有较大的温梯度。
水库水温结构取决于入流水温、当地的气象条件、取水口的位置和形式、进出水量以及水库的运行方式等各方面的情况，因此不同的水库表现出不同的水温结构。常理等[79]采用三维水流水温数值计算模型模拟光照水电站水库垂向水温分布，结果表明，水库各月水温在 55 米以下变化趋势相同，而在 0~55 米间表层水温随气温变化明显，气温高时，水温梯度大，分层越明显；而气温低时，水温梯度小。宋策等[80]研究黄河上游刘家峡水库的水温分布规律，结果表明，库区的异重流直接影响水体的分层状态。而仁华堂研究发现，不同水文年下，水库的水温分层强弱不同[81].另外，张士杰等研究发现，不同泄水口高程对水库分层有直接影响[82].
关于水库水温分层结构的判断方法目前较常用的有 α-β 法（库水交换次数法）、密度弗汝德法、宽深比法以及热平衡因子法[83].我国现行的水库环境影响评价中普遍采用 α 指标法和密度弗汝德数法。
水库引发的水温问题受关注以来，国内外先后开发了不同的水温模拟方法。
国外最早从上世纪 30 年代就开始着手水库的水温和水质研究，而国内则在 50 年代中期开始对水库水温进行观测，随后也逐步发展了一些水库水温模拟的计算方法。早期水库水温的模拟主要靠是的经验公式法，1982 年东勘院张大发在总结国内实测资料的基础上提出了垂向水温分布公式[84],同年朱伯芳也提出了自己的估算方法[85],由于经验法无法解释其事物发展机理，适用性并不广。后来，更为精细的数学模型法逐渐发展成为广泛应用的方法，包括一维、二维和三维模型。60年代，Orlob 等与 Hubert 等基于水库水温均匀混合等温薄层假设，分别提出了两个典型的一维垂向水温模型：WRE[86]和 MIT[87,88]模型，但对于水域较长的库区并不适用，因为水温在纵向上的变化不能被忽略，因此研究者开始逐渐开发二维和三维模型，例如著名的 CE-QUAL-W2 模型[89]以及 EFDC 模型[90],这两种方法至今仍被广泛使用。近年来，我国一些学者也做了大量的研究，例如，李兰等[91]用三维模型较精确地模拟了漫湾水库的水温分布；马方凯[92]基于 N-S 方程建立的水温模型在三峡水库近坝区得到很好的预测效果。
4.1.2 水库下泄水温的研究现状。
一般下游河道的水温由于水流湍急，水体掺混程度高，水体热交换过程快，水面与空气传输的热能可以迅速传递到不同水深，因此在整个水流断面上变化不大。位于水库下游的河道，水温通常受水库的泄水方式、水库运行调度情况、气象条件、水体与河床热交换、支流来水等影响，其中水库的下泄水温其主导作用，下泄水温高，则河道水温高，反之则低[93].
关于河道水温预测方法可以分为经验公式法和数学模型法两类。《水利水电工程水文计算规范》推荐的经验公式最为常用，陈辉等[94]利用该公式对穆阳溪梯级水库下泄水流对其下游河道的影响长度做了模拟，效果良好。考虑到区间来水温度的影响，日本农林省农地局也提出了相应的水库下游河道水温计算公式。目前，河道水温模拟的数学模型已有很多种，包括一维、二维和三维。数学模型法是根据热量、质量平衡原理建立的，具有一定的普遍性，适用性较广。通常，对于宽深比较大的河道，不考虑水温沿水深变化时，多采用一维纵向模型，来减少计算量和复杂度；但对于河道比较宽窄，流速和水深沿深度分布不均时，往往采二维或三维模型。王颖等[95]用纵向一维水温模型预测了糯扎渡水库下游河道水温，取得了较好的效果。
不同的取水口位置以及不同开闭方案都影响水库水温分布以及下泄水温，分层取水是大多数水电站在设计时为了避免传统方法导致的下泄低温水的影响而采取的主要解决方案，随着分层取水在水电站运行调度过程中越来越多的应用，关于分层取水下泄水流特性的研究也越来越多。高学平等[96]建立了糯扎渡水电站进水口分层取水下泄水温的三维数值模型，对不同的叠梁门运行方式，数值模拟了典型水平年十二个月份的下泄水温。结果表明，进水口叠梁门方案分层取水对提高下泄水温有较为明显的作用，下泄水温提高的幅度，不仅取决于叠梁门的高度，还取决于水库水温垂向分布。
随着梯级水电站的开发，单个水库的下泄水温的模拟一定程度上适应性变弱，梯随之对梯级水库下泄水温的累积影响研究也受到越来越多的关注。刘兰芬等[97]以澜沧江中下游为例，利用数学模型研究了梯级开发对流域水温分布的累积影响，结果表明，高坝水库对河流水温改变大，对水温累积影响的贡献也大；而黄维等[98]采用二维 κ-ε 水温模型，初步分析了梯级水电工程对水温过程的均化作用；黄峰等[99]以乌江流域洪家渡库尾至乌江渡坝下的江段为研究对象，分析梯级水库下泄水温的累积影响，结果表明，不同水温分层结构的水库对下游的水温影响不同。姜文婷等[100]根据乌江渡水库下泄水温历史资料，运用 EFDC 模型研究梯级水库下泄水温的累积影响，表明，上游梯级水库下泄水温越低，下游水库坝前水温分层越明显，下泄水温的累积作用越强。
4.1.3 三峡-葛洲坝梯级水库对下游水温的影响研究现状。
三峡-葛洲坝梯级水库的蓄水，改变了长江中下游的径流过程及水文情势，同时对下游水温也产生了影响，并引起来国内部分学者的关注。
郭文献等[101]对 1959~2006 年水库下游宜昌水文站实测水温资料，分析了宜昌江段水温特征参数变化情况，他指出，葛洲坝水库蓄水对下泄水温影响不大，而三峡水库蓄水后，水温在降温季节高于三峡水库蓄水前表层水温，而在升温季节3~5 月则相反。他认为，三峡水库蓄水对河流水温有一定的调节性，其下泄水温相对于天然状况有一定的滞后性，下泄水温可能会影响坝下中华鲟和四大家鱼产卵繁殖，致使产卵时间推迟。
余文公等[102]利用水库热量平衡方程计算了三峡水库下泄水温的"滞温"和"滞冷"幅度，认为宜昌站在 2004 年、2005 年多年 10 月平均水温较高，可能对中华鲟繁殖产生一定的影响。
邹振华等[103]通过相关性分析表明，葛洲坝对下游河段水温的影响十分有限，而三峡水库的运行对其具有显著的滞热和滞冷影响。
刑领航等[104]通过一维水流水温数学模型和热量收支平衡方程对葛洲坝下游江段水温的变化因素进行了探讨，结果表明：葛洲坝坝下江段水温主要受三峡水库水气界面热交换影响，三峡工程运行后，全年的水温热贡献因子中热传导热量比重有较大增加，改变了水体的热机制。
目前关于三峡-葛洲坝梯级水库的蓄水对下泄水温影响研都一致认同，葛洲坝的影响较小，而三峡水库运行的影响显著，但研究的历史资料还较少，三峡水库的环境效应需要长期的资料来验证，任何关于三峡水库运行初期的数据研究都不具备代表性。此外，关于水温变化的定量评估仍缺乏更精确、稳定的试验和分析手段。本章将继续讨论三峡-葛洲坝梯级水库蓄水对下泄水温影响，并尝试进行定量评估。
