水库渗漏水流溶解氧与水温沿程恢复的试验研究

第２４卷第２期２０１５年２月长江流域资源与环境ＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｔｈｅＹａｎｇｔｚｅＢａｓｉｎＶｏｌ．２４Ｎｏ．２Ｆｅｂ．２０１５水库渗漏水流溶解氧与水温沿程恢复的试验研究张晨笛１，王兆印１＊，李志威，赵娜１，李文哲１（清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京１０００８４）摘要：水库底层低温低氧水从坝体下泄或渗漏，可能对下游生态产生不利影响。通过对湖北温峡水库下游温峡河２．２５ｋｍ河段的野外试验，测量溶解氧、水温等指标的日变化和沿程变化，开展复氧试验研究阶梯深潭结构和沙洲对溶解氧的影响，并取样分析大型底栖无脊椎动物的沿程分布。结果表明，流速对水温与溶解氧日变化规律无明显影响。试验河段水温和溶解氧恢复很快，经过１．７ｋｍ的河段，水温从１２．３℃升高至３０．０℃，且溶解氧饱和度基本达到饱和。河宽对水温恢复起重要作用，对溶解氧影响较小，对复氧速度基本无影响。流量通过改变淹没程度影响阶梯深潭的复氧能力。溶解氧在沙洲下游存在横向分布，滞水区溶解氧高于左右汊道。溶解氧是水库下游水生态的控制因素，物种多样性随溶解氧的升高而增加。关键词：水库；溶解氧；水温；复氧；水生态中图分类号：ＴＶ１３１．３＋４文献标识码：Ａ文章编号：１００４－８２２７（２０１５）０２－０２９２－０８ＤＯＩ：１０．１１８７０／ｃｊｌｙｚｙｙｈｊ２０１５０２０１６收稿日期：２０１３－１１－０５；修回日期：２０１３－１２－１０基金项目：国家自然科学基金项目（５１１７９０８９）；中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室开放基金（２０１２１４５７６７１）；中国水利水电科学研究院科研专项（防集１２４０）作者简介：张晨笛（１９８８～），男，博士研究生，主要从事河流动力学研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｃｄ１２＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ＊通讯作者Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｙｗａｎｇ＠ｍａｉｌ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ水温（ＷａｔｅｒＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ＷＴ）和溶解氧（Ｄｉｓ－ｓｏｌｖｅｄＯｘｙｇｅｎ，ＤＯ）是河流水质的重要评价指标，也是影响河流生态系统物种分布的关键性限制因素。水温对水生生物的生长、迁移和繁殖起着控制作用［１，２］，而溶解氧水平直接影响到物种的生存和延续，比如溶解氧过低或过高，都会导致鱼类死亡［３，４］。河流上修建的大型水库调节天然径流，同时也严重干扰溶解氧和水温的时空分布，分层型水库可以使水温和溶解氧在垂向出现分布［５］，而水库底层的低温低氧水如没有通过一定的增温增氧设施进入下游河道，会对水生态产生不利影响，如用水库底层水进行灌溉，则可能对下游农作物生长带来不利后果［６］。研究水库低温低氧水在下游河道中的沿程恢复过程，对于揭示河流复温复氧机理、人工复氧设施设计和水库下游生态修复具有重要意义。２０世纪２０年代以来，河流和水库的水温与溶解氧研究日益受到关注。自美国的工程师Ｓｔｒｅｅｔｅｒ和Ｐｈｅｌｐｓ［７］基于氧平衡原理提出经典的Ｓｔｒｅｅｔｅｒ－Ｐｈｅｌｐｓ水质模型以来，美国环保局（ＵＳＥＰＡ）发展的ＯＵＡＬ模型体系、ＷＡＳＰ模型体系，丹麦水动力研究所发展（ＤＨＩ）ＭＩＫＥ模型体系等综合水质模型均具有模拟污染物扩散条件下的河流水温与溶解氧变化的能力［８］。水库泄水建筑物的复氧能力研究也受到国外学者的关注，如Ｒｕｆｆ［９］和Ｃｈａｎｓｏｎ［１０］对阶梯溢流坝掺气效应进行试验研究，发现通过掺气可提高泄水溶解氧浓度。国内学者主要关注水库中的水温溶解氧分层现象及水库下游的温度恢复过程。一些大型水库水温垂向分布均有原型观测数据［１１，１２］，陈永灿等［１３］建立一维垂向水温模型模拟密云水库各月水温垂向分布情况。郭伟［１４］测量杜唐水库的溶解氧垂向分布，发现溶解氧浓度随水深增大而减小。王颖等［１５］通过经验法计算河流纵向离散系数，建立一维河道水温预测数学模型。不过国内水库下游河道溶解氧分布则报道较少。国内有学者关注河流中低水头建筑物的复氧效应，如程香菊等［１６］通过试验和数值模拟手段，发现人工加糙溢流坝可有效提高耗氧性污染河流的溶解氧浓度，增强河流自净能力。这是通过增加水流阻力以增强水体紊动而加剧水气掺混。阶梯－深潭结构和沙洲分别是山区河流和平原冲积性河流代表性阻力单元。阶梯－深潭水流经阶梯挑流后注入深潭，此过程中与空气混掺，产生涡旋，消耗能量［１７］，而水流通过沙洲发生边界层分离，洲尾形成漩涡区，也可能影响河流溶解氧分布。不过关注这些河流地貌单元对河流溶解氧影响的研究工作开展很少。本研究通过对温峡水库渗漏水的水温与溶解氧沿程分布进行实地测量、野外试验和大型底栖动物沿程取样分析，以期认识水库低温低氧水夏季在下游河道的沿程分布规律和生态效应，及阶梯－深潭和沙洲对河流溶解氧的影响，为减轻水库等大型工程对自然河流的影响和河流生态恢复