托帕水库建设对地表水环境的影响预测研究

(新疆农牧区水利规划总站，新疆 乌鲁木齐 830000)

托帕水库工程坝址位于乌恰县境内恰克马克河上，距恰克马克河拦河引水枢纽45 km，是恰克马克河的控制性水利枢纽工程，控制灌溉面积14.13万亩。

水库建成后，水库的水域面积和深度有所增加，随着水深的增加，水体温度逐渐降低，库区内存在水温分层现象[1]，水温下泄低温水对下游水生生态、农业生产可能产生不利影响，表现为作物生长期延长、产量下降。本文将通过对托帕水库水温结构的预测，分析水库坝前垂向水温与水深的关系，进一步论证水库建设对坝前水温、水库下游河段水温及水质的影响，结论可为同类型水库的坝前垂向及坝下水温预测分析提供参考。

1 托帕水库工程建设对水温的影响

1.1 对坝前水温的影响预测

1.1.1 预测方法

托帕水库最大坝高61.5 m，水库总库容6 098.93万 m3，坝址断面多年平均年径流量1.65亿 m3，水库库容系数0.15。根据水库水温α - β指数法判断托帕水库水温结构。

判别指标计算式为

当α<10时，水库水温为分层型；当10<α<20时，水库水温为过渡型；当α>20时，水库水温为混合型。经计算，托帕水库α=2.71，可判断托帕水库蓄水后水体水温将出现分层。本次评价采用朱伯芳公式对托帕水库库区水温进行预测计算[2]，同时对下游河道水温沿程恢复情况进行分析。

朱伯芳公式：

T(y，τ)=Tm(y)+A(y)cosω(τ-τ0-ε)

式中：y为水深，m；τ为时间，月；T(y，τ)为水深y处在时间为时的温度，℃；Tm(y)为水深y处的温度平均温度，℃；A(y)为水深y处的温度年变幅，℃；ε为水温与气温变化的相位差，月；ω为温度变化的圆频率，即ω=2π/P，P为温度变化的周期(12个月)。

上述公式所需参数公式如下：

Tm(y)=c+(b-c)e-αy

A(y)=A0e-βy

ε=d-fe-γy

托帕水库工程所在区域多年平均气温为9.1℃，小于10℃，属于寒冷地区。工程所在区域月平均气温与修正平均气温见表1。根据北方河流及气候的特点，确定上述公式中参数取值：α=0.04；β=0.018；γ=0.085；d=2.15；f=1.3

(见表2)。

1.1.2 坝前水温预测

托帕水库在7～8月维持在死水位2 373 m运行，其他月份基本维持在2 393 m高水位运行，采用朱伯芳公式对托帕水库坝前水温分布情况进行了预测，预测结果见表3和图1。

图1 托帕水库逐月坝前水温垂向分布

℃

表2 水温计算中有关参数取值

表3 托帕水库逐月坝前水温垂向分布表 ℃

由表3和图1预测结果可以看出：托帕水库坝前垂向水温分层具有明显的季节性特性，全年坝前水温结构中，4～6月、9～10月期间水温随水深增加而降低，且出现较为明显的分层现象；7～8月期间水库维持在死水位排沙运行，且该时期上游径流量较大，坝前垂向水温随水深增加而降低幅度不大；11月～次年3月期间出现逆温现象。

1.2 对水库下泄水温影响分析

托帕水库下泄水温过程与天然水温过程对比见表4和图2。

图2 托帕水库下泄水温过程与天然水温对比图

由表4和图2预测结果可以看出：3～8月水库下泄水温

均低于建库前天然水温，最大温差为-1.7℃，出现在4月；9月～次年2月水库下泄水温均高于建库前天然水温，最大温升为3.35℃，出现在11月。

从托帕水库下泄水温与天然水温对比中可以看出，水库下泄水温在春夏两季低于水库上游来水水温，在秋冬两季则高于上游来水水温。从对比图中可以看出，两条水温曲线基本呈现一种“错峰”的状态，主要是因为水库蓄水后，库区内水体体积增加，热容量加大，上游来水对水库泄水口水温的影响需要一定的时间。

1.3 对水库下游河道水温影响分析

水库下游河道水温主要受水库下泄水温及河道水体表面热交换的影响。托帕水库位于恰克马克河中低山区段，其坝址下游45 km处为已建恰克马克河渠首，现状条件下，托帕水库坝址处河水水温与恰克马克河渠首处河水水温对比结果见表5和图3。

表4 托帕水库下泄水温与天然水温对比结果表 ℃

表5 托帕水库建设前坝址水温与恰克马克河渠首水温对比结果表 ℃

图3 托帕水库建设前坝址水温与恰克马克河渠首水温对比图

由表5和图3预测结果可以看出：托帕水库建设前，其坝址下泄河水水温在水体表面热交换效应作用下，经45 km河道沿程增温0.1℃～2.6℃，其中3～8月沿程增温0.6℃～2.6℃。根据托帕水库下泄水温预测结果，3～8月水库下泄水温均低于建库前天然水温，温差0.05℃～1.7℃，最大温差出现在4月。由现状年水温沿程恢复情况可以推断，托帕水库运行后，其下泄低温水在经45 km河道沿程恢复后，基本可恢复至天然水温。

2 托帕水库工程建设对水质的影响

2.1 库区水质变化分析

2.1.1 水库初期蓄水对水质影响

托帕水库蓄水时将淹没人工林地15.31 hm2，草地144.62 hm2，住宅用地0.44 hm2，交通运输用地3.81 hm2，水域及水利设施用地61.11 hm2。水库蓄水初期，由于库盘淹没，少量有机营养物质进入水体，在短期内会造成库区水体中N、P等有机物含量有所增高。但水库蓄水前会进行清库工作，不存在大量有机物质在库中腐烂而导致水库水质劣质，同时水库正常运行后，通过水体替换以及水体的自净作用，水中有机物含量将逐渐降低并趋近来水水质，上述轻微不利影响将在短时间内逐渐消失。

2.1.2 水库正常运行对库区水质的影响

水库富营养化是库区水动力条件、营养盐类、光照及气温等多种因素综合作用的结果。水质现状监测数据表明，河段TP、TN等营养盐类背景值较低。根据现场调查，库区河段内无工矿企业污染源分布，托帕水库建成运行后，库区水体各月水温均低于藻类繁殖的适宜温度25℃。高温期7、8月水库处于低水位运行，库区流态近似于河道，流速较快，水生环境不适宜藻类的大量生长繁殖。因此，托帕水库运行期间水库出现富营养化的可能性不大。

2.1.3 工程管理区生活污水排放影响

工程运行期产生的生活污水主要为托帕水库工程管理处工作人员日常生活产生的生活污水。运行期水库每天产生最大污水量约3.64 m3。托帕水库工程管理处恰克马克河河段水体水质要求为Ⅱ类，生活污水必须经处理后用于管理处绿化，禁止排入河道。

2.2 出库水质变化分析

托帕水库库区及上游河段无入河污染源分布，根据水质现状监测数据表明，托帕水库来水水质较好，满足水环境功能区Ⅱ类水质目标要求。工程建设运行后，来水在库区河段停留时间增加，库区内水流对污染物的衰减作用得到增强，水体中COD、NH3-N等污染物浓度将呈下降趋势。因此，托帕水库出库水质较现状情况有所改善。

2.3 下游河段水质变化分析

托帕水库至下游恰克马克河渠首区间45 km河段无入河污染源分布，水库建成后坝址断面下泄水量减少，水体自净能力有所下降，但由于河段内无污染物分布，且水库建成后，坝址断面下泄水质有所改善，因此工程建成后该河段水质无明显变化。

恰克马克河渠首下游河段无工业、生活污水等入河点源分布，灌区退水不直接入河，仅沿河分布少量农村居民，汛期可能存在少量农村面源污染入河。但由于水库建成后坝址断面下泄水量减少，水体自净能力有所下降，汛期少量面源污染入河将对恰克马克河渠首以下河段水质造成一定影响，水体中N、P、粪大肠杆菌群等含量短时间内会有所增高。非汛期，该河段无污染源入河，且河道水文情势变化不大，河流水质较现状年变化不明显。

3 结语

托帕水库建设运行后，通过水库调蓄使得区域地表水水温和水质发生变化。

(1)托帕水库坝前垂向水温分层具有明显的季节性特性，全年坝前水温结构中，4～6月、9～10月期间水温随水深增加而降低，且出现较为明显的分层现象；7～8月期间水库维持在死水位运行，且该时期上游径流量较大，坝前垂向水温随水深增加而降低幅度不大；11月～次年3月期间出现逆温现象。

(2)托帕水库下泄水经45 km河道水体表面热交换，至恰克马克河渠首断面水温可基本恢复至天然水温。

(3)托帕水库蓄水对水质影响较小，水库出库水质较现状年变化不明显。

(4)托帕水库至下游恰克马克河渠首区间河段水质较现状年无明显变化。在汛期恰克马克河渠首以下河段水体中N、P、粪大肠杆菌群等含量短时间内有所增高。