水库水温研究进展及趋势

靖争; 张爵宏; 曹慧群; 陈浩; 汤显强; 罗慧萍

doi:10.11988/ckyyb.20211026

PDF(1721 KB)

长江科学院院报 ›› 2023, Vol. 40 ›› Issue (2) : 52-59. DOI: 10.11988/ckyyb.20211026

水环境与水生态

水库水温研究进展及趋势

靖争¹, 张爵宏^1,2, 曹慧群¹, 陈浩¹, 汤显强¹, 罗慧萍¹

作者信息 +

Research Progress and Trend of Reservoir Water Temperature

JING Zheng¹, ZHANG Jue-hong^1,2, CAO Hui-qun¹, CHEN Hao¹, TANG Xian-qiang¹, LUO Hui-ping¹

Author information +

文章历史 +

摘要

水库水温时空分布的变化对库区及下游河道环境及水生生态系统等产生重大影响,水库水温研究对库区及下游河道生态环境保护具有重要意义。回顾了国内外水库水温研究历程,介绍了主要的水库水温结构判别方法和水库水温研究方法,重点论述了水库水温机理性模型与智能算法模型的最新动态及前沿进展,总结归纳了水库水温分层特性、生态环境影响及其改善措施的最新研究成果,提出了未来重点研究方向:梯级水库影响下流域河-库系统水热传递规律、基于非静压的水库水流水温耦合计算、面向下游水温改善的水库分层取水生态调度。

Abstract

Changes in the spatial and temporal distribution of reservoir water temperature pose a significant impact on the environment and aquatic ecosystem in the reservoir area and its downstream rivers. We first made a review on the history of reservoir water temperature research in China and abroad, and introduced the methods of researching reservoir water temperature and discriminating the structure of reservoir water temperature. In particular, we expounded the latest developments and frontier progress of mechanism-based models and intelligent algorithm models for reservoir water temperature, and summarized the latest research findings in stratification characteristics and eco-environmental impacts of water temperature as well as improvement measures. Furthermore, we put forward some key research directions in future: the rules of water and heat transfer between reservoir and river, the flow-temperature coupling calculation based on non-static pressure, and the ecological scheduling of layered water withdrawal to improve downstream water temperature.

导出引用

靖争, 张爵宏, 曹慧群, 陈浩, 汤显强, 罗慧萍. 水库水温研究进展及趋势[J]. 长江科学院院报. 2023, 40(2): 52-59 https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211026

JING Zheng, ZHANG Jue-hong, CAO Hui-qun, CHEN Hao, TANG Xian-qiang, LUO Hui-ping. Research Progress and Trend of Reservoir Water Temperature[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute. 2023, 40(2): 52-59 https://doi.org/10.11988/ckyyb.20211026

中图分类号： TV315

参考文献

[1] 刘有志, 相建方, 陈文夫, 等. 狭长型水库蓄水至初期运行阶段水温演化规律研究[J]. 水利学报, 2020, 51(11): 1412-1422.
[2] 王悦, 叶绿, 高千红. 三峡库区175 m试验性蓄水期间水温变化分析[J]. 人民长江, 2011, 42(15): 5-8.
[3] HARDENBICKER P, VIERGUTZ C, BECKER A, et al. Water Temperature Increases in the River Rhine in Response to Climate Change[J]. Regional Environmental Change, 2017, 17: 299-308.
[4] PAPADAKI C, SOULIS K, MUNOZ-MAS R, et al. Potential Impacts of Climate Change on Flow Regime and Fish Habitat in Mountain Rivers of the South-Western Balkans[J]. Science of the Total Environment, 2016, 540: 418-428.
[5] 贾建辉, 陈建耀, 龙晓君, 等. 水电开发对河流生态系统服务的效应评估与时空变化特征分析:以武江干流为例[J]. 自然资源学报, 2020, 35(9): 2163-2176.
[6] 张士杰, 刘昌明, 王红瑞, 等. 水库水温研究现状及发展趋势[J].北京师范大学学报(自然科学版), 2011, 47(3): 316-320.
[7] 王雅慧, 李兰, 卞俊杰. 水库水温模拟研究综述[J]. 三峡环境与生态, 2012, 34(3): 29-36.
[8] 李怀恩. 分层型水库的垂向水温分布公式[J]. 水利学报, 1993(2): 43-49,56.
[9] 宋丹, 华国春, 黄孝容,等. 西藏地区水库水温预测方法适用性研究[J]. 水电能源科学, 2018, 36(9): 68-71.
[10] 孙万光, 刘天鹏, 苏加林, 等. 严寒地区库水温计算经验公式对比及修正[J]. 水力发电学报, 2016, 35(3): 113-120.
[11] 陈浩. 水库水温分层结构判定方法及其应用[J]. 湖南水利水电, 2015(4): 61-63.
[12] 郄志红, 吴鑫淼, 郑旌辉, 等.一种基于人工神经网络的水库水温分层模式判别方法[J].农业工程学报, 1999(3): 204-208.
[13] 刘金禄. 水库水温结构划分的模糊回归预测模型及其应用[J]. 水资源与水工程学报, 2004(3): 56-58.
[14] 张研, 苏国韶, 燕柳斌. 水库水温分布结构识别的高斯过程机器学习方法[J]. 水利水电科技进展, 2009, 29(2):13-15,39.
[15] 张士杰, 彭文启. 二滩水库水温结构及其影响因素研究[J]. 水利学报, 2009, 40(10): 1254-1258.
[16] 陶美, 逄勇, 王华, 等. 洪水对水库水温分层结构的影响[J]. 水资源保护, 2013, 29(5): 38-44.
[17] 魏浪, 安瑞冬, 常理, 等. 水库坝前水温结构日变化规律研究[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2016, 48(4): 25-31.
[18] 吕晓龙, 黄廷林, 李楠, 等. 暴雨径流潜流过程及其对分层水库水质的影响[J]. 中国环境科学, 2019, 39(7): 3064-3072.
[19] 华逢耀,黄廷林,李楠,等.不同强度降雨径流对水源水库热分层和水质的影响[J].中国环境科学,2021,41(3):1234-1242.
[20] 宋策, 周孝德, 李国栋, 等. 泥沙异重流影响下的水库垂向水温分布预测模拟[J]. 水利学报, 2009, 40(11): 1357-1362,1368.
[21] 郭文献, 王鸿翔, 夏自强, 等. 三峡-葛洲坝梯级水库水温影响研究[J]. 水力发电学报, 2009, 28(6): 182-187.
[22] 脱友才, 刘志国, 邓云, 等. 丰满水库水温的原型观测及分析[J].水科学进展,2014,25(5):731-738.
[23] 毕晓静, 陆颖, 保文秀, 等. 功果桥水库坝下河道水温原型观测及分析[J].水电能源科学,2019,37(4):56-58,135.
[24] 高学平, 赵耀南, 陈弘. 水库分层取水水温模型试验的相似理论[J]. 水利学报, 2009, 40(11): 1374.
[25] 高学平, 任庆钰. 不同类型取水口下泄水温试验研究[J]. 水力发电学报, 2015, 34(6): 149-153.
[26] 武玉涛, 任华堂, 何洁, 等. 水库库首水温分层流物理模型试验分析[J]. 水利水运工程学报, 2017(2): 67-74.
[27] 李军,曾蔚,孟刚.金沙江乌东德水电站分层取水进水口设计[J].水利水电快报,2018,39(3):26-29.
[28] 许丹, 陆宝宏, 程昕野, 等. 应用Logistic曲线预测水库垂向水温[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2013, 41(3): 235-240.
[29] 胡平, 刘毅, 唐忠敏, 等. 水库水温数值预测方法[J]. 水利学报, 2010, 41(9): 1045-1053.
[30] 任华堂, 陈永灿, 刘昭伟. 三峡水库水温预测研究[J]. 水动力学研究与进展A辑, 2008(2): 141-148.
[31] HUBER W, HARLEMAN D. Temperature Prediction in Stratified Reservoirs[J]. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 1972, 98: 645.
[32] 毕晓静, 陆颖, 袁旭, 等. 水库水温模型研究综述[J]. 环境科学与技术, 2018, 41(6): 120-126.
[33] 方晴, 马剑波, 沈文龙, 等. 松涛水库水温数值模拟研究[J]. 水力发电, 2020, 46(2): 6-11.
[34] 高志发,王玲玲. 三峡水库香溪河库湾水温结构及其对水动力影响的数值模拟[J].水电能源科学,2016, 34(7):95-99.
[35] 阮娅,脱友才,邓云,等.乌东德水库水温预测及低温水减缓措施[J].长江流域资源与环境,2017,26(11):1912-1918.
[36] 段扬,秦韬,王京晶,等.丹江口水库三维水动力模拟研究[J].人民黄河,2018,40(3):119-122+156.
[37] 刘畅, 刘晓波, 周怀东, 等. 水库缺氧区时空演化特征及驱动因素分析[J]. 水利学报, 2019, 50(12): 1479-1490.
[38] 梁斯琦,陆颖,杨福平,等.澜沧江小湾水电站坝前水温垂向分布特征[J].南水北调与水利科技,2019,17(6):156-162.
[39] 龙良红, 徐慧, 纪道斌, 等. 向家坝水库水温时空特征及其成因分析[J]. 长江流域资源与环境, 2017, 26(5): 738-746.
[40] 赵星星,纪道斌,龙良红,等.汛期水位波动对香溪河库湾热分层特性及水质的影响[J].水力发电学报,40(2):31-41.
[41] 伦冠海,皇甫泽华,尚俊伟,等.前坪水库高水头分层取水水温分布研究[J].人民黄河,2019,41(12):93-96.
[42] 啜明英,马骏,刘德富,等.整流幕对香溪河库湾水温特性影响数值模拟[J].长江流域资源与环境,2018,27(9):2101-2113.
[43] 高学平, 宋清林, 孙博闻. 控制幕运行方式改善下泄水温及其成因研究[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2018, 16(1): 45-52.
[44] 邱如健,王远坤,王栋,等.三峡水库蓄水对宜昌—城陵矶河段水温情势影响研究[J].水利水电技术,2020,51(3):108-115.
[45] 王岑, 柳海涛, 王继保, 等. 分层取水结构型式对取水水温影响的试验研究[J]. 中国水利水电科学研究院学报,2021(2): 262-268.
[46] 谭升魁,周武,黄滨,等.热带地区水库水温分层特性研究[J].人民长江,2019,50(4):65-70.
[47] 惠二青,毛劲乔,戴会超.上游水库水温情势变化对中华鲟产卵江段水温的影响[J].水利水电科技进展,2018,38(2):44-48.
[48] 毛劲乔,惠二青.四大家鱼产卵期水库滞冷效应对下游水温影响[J].排灌机械工程学报,2020,38(7):691-696.
[49] LETCHER B H, HOCKING D J, O’NEIL K, et al. A Hierarchical Model of Daily Stream Temperature Using Air-Water Temperature Synchronization, Autocorrelation, and Time Lags[J]. PeerJ, 2016, doi: 10.7717/peerj.1727.
[50] LAANAYA F, ST-HILAIRE A, GLOAGUEN E. Water Temperature Modelling: Comparison Between the Generalized Additive Model, Logistic, Residuals Regression and Linear Regression Models[J]. Hydrological Sciences Journal, 2017, 62: 1078-1093.
[51] STAJKOWSKI S, KUMAR D, SAMUI P, et al. Genetic-Algorithm-Optimized Sequential Model for Water Temperature Prediction[J]. Sustainability, 2020, 12(13): 1-18.
[52] GRAF R, ZHU S L, SIVAKUMAR B. Forecasting River Water Temperature Time Series Using a Wavelet–Neural Network Hybrid Modelling Approach[J]. Journal of Hydrology, 2019, 124115(578): 124115.
[53] AL-JASHAAMI D S A, AL-ZUBAIDI H A M. Non-linear Regression of Air-Water Temperature for Modelling Surface Heat Fluxes in Waterbodies: A Case Study of Laurance Lake, US[J]. Materials Today: Proceedings, 2021, doi: 10.1016/j.matpr.2021.07.003.
[54] PIOTROWSKI A P, NAPIORKOWSKI J J, PIOTROWSKA A E. Input Dropout in Product Unit Neural Networks for Stream Water Temperature Modelling[J]. Journal of Hydrology,2021, doi: 10.1016/j.jhydrol.2021.126253.
[55] 柳海涛, 孙双科, 郑铁刚, 等. 水电站下游鱼类产卵场水温的人工神经网络预报模型[J]. 农业工程学报, 2018, 34(4): 185-191.
[56] 朱森林, 吴时强. 高斯过程回归模型在河流水温模拟中的应用[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2018, 46(10): 122-126.
[57] CHARRON C, ST-HILAIRE A, OUARDA T B M J, et al. Water Temperature and Hydrological Modelling in the Context of Environmental Flows and Future Climate Change: Case Study of the Wilmot River (Canada)[J]. Water, 2021, 13(15): 2101.
[58] OUELLET V, STHILAIRE A, SECRETAN Y, et al. The Importance of Including Water Temperature Simulations in a 2D Fish Habitat Model for the St. Lawrence River[J]. Water, 2021, doi: 10.3390/w13131736.
[59] TOFFOLON M, PICCOLROAZ S. A Hybrid Model for River Water Temperature as a Function of Air Temperature and Discharge[J]. Environmental Research Letters, 2015, doi: 10.1088/1748-9326/10/11/114011.
[60] 唐雨佳, 黄竞争, 刘锋, 等. 基于数据驱动模型的河流水温异变研究[J]. 水文, 2019, 39(1): 50-55.
[61] KUMAGAI S, NAKANO C, JIAO K, et al. Effect of Cyanobacterial Blooms on Thermal Stratification[J]. Limnology, 2000, 1(3): 191-195.
[62] 陆俊卿, 张小峰, 徐林春, 等. 水温分层对水库污染物输移的影响[J]. 武汉大学学报(工学版), 2013, 46(2): 143-148.
[63] JORDAN S, READA D, HAMILTONBIAN D, et al. Derivation of Lake Mixing and Stratification Indices from High-resolution Lake Buoy Data[J]. Environmental Modelling & Software, 2011, 26(11): 1325-1336.
[64] 曾康, 黄廷林, 马卫星, 等. 暴雨径流对分层水库水质的影响[J]. 环境工程学报, 2016, 10(9): 4979-4986.
[65] THOMSON R, FINE I. Estimating Mixed Layer Depth from Oceanic Profile Data[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2003, 20(2): 319-329.
[66] CASTRO M, KAISER J. Using Dissolved Oxygen Concentrations to Determine Mixed Layer Depths in the Bellingshausen Sea[J]. Ocean Science, 2012, 8(1): 1-10.
[67] 解磊. 青岛浮山前分层小水库溶解氧时空变化特征[D]. 青岛:青岛大学, 2015.
[68] 邱晓鹏, 黄廷林, 曾明正. 溶解氧对湖库热分层和富营养化的响应:以枣庄周村水库为例[J]. 中国环境科学, 2016, 36(5): 1547-1553.
[69] 余晓, 诸葛亦斯, 刘晓波, 等. 大型深水水库溶解氧层化结构演化机制[J]. 湖泊科学, 2020, 32(5): 1496-1507.
[70] 姚嘉伟, 刘晓波, 董飞, 等. 平原型水库水体热分层的水质响应特征与水质改善成效[J]. 南水北调与水利科技(中英文), 2020, 18(3): 158-167.
[71] 张文慧, 许秋瑾, 胡小贞, 等. 山美水库沉积物重金属污染状况及风险评价[J]. 环境科学研究, 2016, 29(7): 1006-1013.
[72] 商潘路, 陈胜男, 黄廷林, 等. 深水型水库热分层诱导水质及真菌种群结构垂向演替[J]. 环境科学, 2018, 39(3): 1141-1150.
[73] 王禹冰, 王晓燕, 庞树江, 等. 水库水体热分层的水质及细菌群落分布特征[J]. 环境科学, 2019, 40(6): 2745-2752.
[74] 孙祥, 朱广伟, 笪文怡, 等. 天目湖沙河水库热分层变化及其对水质的影响[J]. 环境科学, 2018, 39(6): 2632-2640.
[75] 彭期冬, 廖文根, 李翀, 等. 三峡工程蓄水以来对长江中游四大家鱼自然繁殖影响研究[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2012, 44(增刊2): 228-232.
[76] 陶雨薇, 王远坤, 王栋, 等. 三峡水库坝下水温变化及其对鱼类产卵影响[J]. 水力发电学报, 2018, 37(10): 48-55.
[77] 曾明正, 黄廷林, 邱晓鹏, 等. 我国北方温带水库——周村水库季节性热分层现象及其水质响应特性[J]. 环境科学, 2016, 37(4): 1337-1344.
[78] 黄廷林, 曾明正, 邱晓鹏, 等. 温带季节性分层水库浮游植物功能类群的时空演替[J]. 中国环境科学, 2016, 36(4): 1157-1166.
[79] 李雨, 刘秀林. 金沙江下游及川江段水温沿程监测成果分析[C] // 中国自然资源学会水资源专业委员会.2020(第八届)中国水生态大会论文集. 北京:中国自然资源学会水资源专业委员会,2020:7-14.
[80] 骆辉煌, 李倩, 李翀. 金沙江下游梯级开发对长江上游保护区鱼类繁殖的水温影响[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2012, 10(4): 256-259.
[81] 钟华平, 刘恒, 耿雷华. 澜沧江流域梯级开发的生态环境累积效应[J]. 水利学报, 2007(增刊1): 577-581.
[82] 梁瑞峰, 邓云, 脱友才, 等. 流域水电梯级开发水温累积影响特征分析[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2012, 44(增刊2): 221-227.
[83] 赵高磊, 林玲, 蒲迅赤, 等. 梯级水库水温影响的极限[J]. 水科学进展, 2020, 31(1): 120-128.
[84] 郑铁刚, 孙双科, 柳海涛, 等. 叠梁门分层取水水温-水动力动态过程模拟及分析[J]. 水利学报, 2020, 51(3): 305-314.
[85] 邢领航,贺蔚,张健,等.隔水幕分层取水研究进展及应用现状[J].长江科学院院报,2020,37(3):18-25.
[86] 邢岩. 弯道冲淤与河口盐度输运三维数值模拟研究及应用[D]. 大连:大连理工大学, 2014.
[87] 李嘉, 梁瑞峰, 邓云, 等. 水库水温分层的流场分析[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2014, 47(5): 395-400.
[88] 李雨,邹珊,张国学,等.溪洛渡水库分层取水调度对下游河段水温结构的影响分析[J].水文,2021,41(3):101-108.
[89] 李娟, 李兰, 杨梦斐, 等. 水库不同取水方案对下游河道水生态影响的预测分析[J]. 中国农村水利水电, 2011(3): 21-25.
[90] 李璐, 陈秀铜. 水库分层取水方式减缓下泄低温水效果研究[J]. 环境科学与技术, 2016, 39(增刊2): 215-218.
[91] 孙双科,李广宁,柳海涛,等. 水库运行调度方式对库区水温分层结构的影响[C] //中国大坝工程学会.水库大坝和水电站建设与运行管理新进展.北京:中国水利水电出版社,2022:168-178.