1、收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（）；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（，）作者简介：靖 争（），男，湖北武汉人，高级工程师，博士，主要从事水环境数值模拟研究。：通信作者：曹慧群（），女，湖北武汉人，正高级工程师，博士，主要从事水环境数值模拟研究。：，（）：，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（长江科学院 流域水环境研究所，武汉；河海大学 水文与水资源学院，南京）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
2、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。关键词：水库水温；水温数学模型；水温预测；水温分层；生态环境影响中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，：，：；研究背景水温是河流系统中理化生物过程的关键因素和主要调控因子。大型水电工程的修建给流域防洪、发电、灌溉、航运等带来巨大效益
3、、促进社会经济发展的同时，水库的蓄水在一定程度上会改变水温时空分布。例如，溪洛渡水库在蓄水至运行初期，在垂向会形成水位变动区、温度不稳定区、温度过渡区和温度相对稳定区，且不同区域水温随季节变化的特性不同。同时，水库的蓄水运行会在特殊季节造成水温垂向分层以及下泄水温异于河流水温的现象，这将显著改变库区和下游河流温热节律，引发下游河道“滞温”与“滞冷”效应。库区水体和下游河道水温变 第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 化会改变水生植物生长条件、生物数目及分布，并且影响水体中鱼类的生存、生长发育，以及栖息地发生变化，可能对库区及下游河道的水文节律和水生态系统造成不利影响。因此，研究水库
4、水温分层特性、生态环境影响具有十分重要的意义，促进流域水电开发与环境保护的协调发展。本文首先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，并结合已有研究提出未来重点研究方向，为大型水利工程水温研究提供科学建议。国内外水库水温研究历程世界各国从生态环境保护、供水或灌溉工程水温要求、水库流场与温度场耦合计算等需求出发，开展了大量水库水温的基础理论研究和工程实践。美国和日本在水库水温研究开展较早并取得了较多成果。美国从 世纪 年代初开
5、始研究水库水温问题，主要是应对水库富营养化加速问题，进行了系统的水温原型观测，年代主要研究水温与电站取用水的关系及坝前温度场计算，年代水温数学模型得到大力发展，并出现了大量分层取水结构。日本的水库水温研究兴于第二次世界大战后，研究内容主要集中在水温与作物生长关系、水库水温分层特性以及分层选择取水结构等方面，取得较多成果。苏联及北欧一些国家早期的水温研究从防冰害开始，世纪 年代以后普遍开始了水库水温的实地监测分析、分层取水、热力计算等工作。目前国外的流域水环境综合治理中，通常把水温作为水质的最主要指标之一，研究的深度和广度在不断拓展。我国水库水温研究最早是由于水库工程设计和施工的实际需要，在 世
6、纪 年代进行了部分水库水温测量及时空特性分析；年代华东勘测设计研究院、中国水利水电科学研究院、中南水利水电勘察设计研究院等单位在综合分析众多水库水温实测资料基础上，提出了许多水库水温估算的经验性公式，如李怀恩法、张大发法、朱伯芳法等；年代以后，在对国外数学模型方法引进和吸收、发展的基础上，国内水库水温数学模型技术不断发展，应用范围也逐渐扩大，在三峡水库及金沙江、雅砻江等一些水电开发重点河段的水温研究和工程实践中取得了较好的成效。现阶段我国致力于天然水温恢复技术研究（如分层取水），积极开展大型水库工程的水温控制和科学管理研究。水库水温研究方法水库水温空间分布特性和动态变化的主要研究手段包括原型观
7、测、物理模型试验和数值模拟。世纪 年代起，国内开始对水库水温进行观测，随后开展了水库水温物理试验研究，并逐步发展了水库水温模拟的各种计算方法，现阶段基于物理机制的水温模型不断深化和发展，同时，人工智能和水温模型融合的新技术、新成果不断涌现。水温结构判别及影响因素水温分层是水库水体的重要特征，是水库水温研究的基础内容之一。国外通常将水库水温结构分为 类：强分层型、弱分层型和混合型。我国通常是根据垂向水温分布的均匀度和库底水温年较差大小，把水库水温结构划分为 种类型：混合型、分层型和界于这两者之间的过渡型，常用的判别方法有库水交换次数 法、密度弗劳德数判别法、水库宽深比判别法，分述如下：（）库水交
8、换次数 法。、的计算式分别为：多年平均径流量总库容；（）一次洪水量总库容。（）当 时，为稳定分层型水库水温；时，为不稳定分层型水库水温；当 时，为混合型水库水温。对于分层型水库，如果遭遇 的洪水，会出现临时混合现象；但如果 ，则洪水对水库水温结构几乎没有影响。（）密度弗劳德数判别法。其判别公式为（）。（）式中：为密度弗劳德数；、分别为水库长度、平均水深和库容；为入库流量；为重力加速度；为标准化的垂向密度梯度（量级为，推荐值为）。当 时为稳定分层型水库水温；当时为弱分层型或混合型水库水温；当 时为完全混合型水库水温。（）水库宽深比判别法。其判别公式为 。（）第 期靖 争 等 水库水温研究进展及趋
9、势式中：为水库宽深比；为水库水面平均宽度；为水库平均水深。当 ，时为混合型水库水温；时为分层型水库水温。上述 种方法均为经验性判别方法，部分学者还从水库水温结构类型与其影响因素之间的非线性、多元相关关系出发，采用人工神经网络、模糊回归、高斯过程机器学习方法等模式识别方法来判别水库水温结构。近年来，部分学者对水温结构影响因素展开了研究。张士杰等认为水库水温结构主要会受到气象要素变化、库区来水流量和温度变化、水库出流位置及流量大小等因素的影响；陶美等研究发现洪水历时、洪量以及水库库容对水温分层结构有显著影响；魏浪等研究发现水温结构日变化的影响因素主要是气温和太阳辐射；吕晓龙等研究成果表明，暴雨径流
10、的汇入使水库热分层结构稳定性受到一定破坏；华逢耀等进一步研究了不同降雨径流强度对水库热分层结构的影响。原型观测与物理模型试验原型观测是最直接、准确获得水温数据的技术手段，我国真正意义上开展系统的原型观测工作起于 世纪初。学者们对众多大型水库进行水温原型观测和水温时空特征分析，如刘家峡水库、三峡水库、丰满水库、功果桥水库等。水温原型观测手段大多应用于水库水温分层现象和坝下河道水温沿程变化研究，可为水库水温物理模型与数值模拟研究提供基础数据和科学支撑，但是水温原型观测无法反映水库水温垂向变化的动态过程，同时因时空布置、环境条件等因素的限制，具有较大局限性。物理模型是通过模型来研究原型的最直观方法，
11、目前多用于模拟水库水温分层流动或分层取水过程。高学平等对水库水温物理模型试验的相似关系进行了理论分析，提出模型和原型相似应满足的条件，并改变取水口淹没深度和取水流量，对下泄水温进行了试验研究，探讨了下泄水温与水库水温、取水口淹没深度和取水流量之间的关系。武玉涛等采用水槽试验对不同温度分层条件下的水库密度流运动进行了模拟，分析了水体分层强度和出口条件对密度流运动的影响。武玉涛等通过物理模型试验模拟了春末夏初水库库首水温分层的形成和演化过程，分析了流量和出水口位置对水温在垂向和水平分布的影响。李军等开展叠梁门式分层取水进水口水力学试验，研究了不同叠梁门放置高度对取水口流态与流速分布特性的影响。水温
12、数值模拟水库水温的计算方法包括经验公式法和数学模型法。经验公式法具有简单、实用、参数少等优点，但水库水温由于受气象变化、出入流、水气间的热交换等多种因素影响呈现显著时空复杂性，经验公式法预测精度相对较低，不具有普适性。随着数字技术和模型算法迅速发展，水温数值模拟逐渐成为国内外水库水温时空分布和垂向分层结构模拟等研究的重要手段。自 世纪 年代美国水资源工程公司（，）、麻省理工学院（，）分别提出了、等经典水温模型后，水温模型历经垂向一维、立面二维（如 模型）和三维（如、（）等模型）的发展历程。已有文献对各模型的原理、适用性及模拟效果进行了综述，本文重点分析水温模拟近年来的研究进展及前沿热点。机理性
13、水温模型及应用近年来，机理性水温数值模拟的研究主要围绕两方面展开：（）水温分层现象和水温结构。高志发等利用 数值模拟软件建立三峡水库香溪河库湾三维水动力水温耦合数学模型，分析了香溪河库湾水温结构及其对水动力影响；四川大学阮娅等采用宽度平均的立面二维水温数学模型，完成了对水库水温结构的预测；段扬等基于 软件建立丹江口水库三维水动力水温模型，对丹江口水库不同季节水流和水温分层特性进行分析；中国水科院刘畅等采用 模型建立了立面二维水温模型，得到了平原型水库热分层的季节性变化及水质响应特征；云南大学梁斯琦等完成了小湾水电站坝前垂向水温分布特征的相关研究；三峡大学龙良红等通过建立 立面二维水温模型，得到
14、了向家坝水库水温的季节性分层，并通过监测水温水质数据，结合上游水文数据，研究了汛期水位对热分层特性及水质的影响。伦冠海等采用了 软件建立前坪水库温度计算模型，研究得到了高水头水库的水温垂向分布规律及分层取水对放水温度的影响；方晴等采用垂向一维水温模型 模拟水温分布，研究了松涛水库水温结构及垂向水温年内演变规律。（）将水温与各领域结合的精细化模拟。例如，将水温与水工结构结合，啜明英等利用 模型，比较分析了整流幕设置前后香溪河 长江科学院院报 年 库湾水温的时空变化规律；高学平等研究得到了不同控制幕运行方式对下泄水温的改善效果，并总结了下泄水温规律；邱如健等采用一维水温模型，分析得到了不同蓄水工况
15、不同时间尺度下的水温时空变化规律；云南大学毕晓静等研究了坝下河道沿程水温的时空分异特征，分析得到功果桥电站对坝下河道水温产生的影响；中国水利水电科学研究院王岑等完成了水库叠梁门取水近区水动力水温耦合作用机理及取水层的范围和厚度变化规律相关的研究；四川大学谭升魁等研究得出了水库叠梁门分层取水措施对低温水的改善效果；河海大学惠清等研究得到了三峡水库蓄水 后水温变化情势和影响葛洲坝下游中华鲟产卵江段特定水温的原因，并研究了三峡水库蓄水前后四大家鱼产卵期的水温变化规律，以及关键断面水温差值及滞冷效应。基于智能算法的水温模型及应用近几年，随着大数据与人工智能的快速发展，神经网络、遗传算法等智能算法以及统
16、计模型被广泛地应用到水温模拟研究，并取得了较好的效果。等建立了一种基于空气水流温度同步、自相关、和时间滞后的水温预测模型；等比较了广义相加模型（，）、逻辑回归、残差回归、线性回归这 种不同统计学模型对河流水温预测的拟合度，发现广义相加模型（）拟合度最高；等采用遗传长短期记忆（）算法来预测城市河流的水温；等建立了一种基于离散小波变换和人工神经网络的混合模型来预测河流水温，取得了较好的模拟预测效果。等建立了空气水非线性回归模型，模拟计算河流水体热通量；等将 技术应用于神经网络水温模型，解决了模型运行的过拟合问题，有效提高了模型的运行速度和精度。在国内，柳海涛等将建立的人工神经网络水温预报模型用于预测丰满电站下游鱼类产卵场的水温情势变化；朱森林等建立水温气温的高斯过程回归水温模型，模型预测值与实测值较为吻合，相关系数在以上。除上述两种模型外，部分学者也通过建立多过程耦合模型来进行水温研究。等考虑环境流和气候变化构建了水文水温耦合模型，对加拿大威尔莫特河的水温进行预测研究；等综合考虑河流水温与鱼类栖息地变化情况，构建了河流水温鱼类栖息地指数耦合模型，研究劳伦斯河水温变化对鱼类生存繁殖的影响；等
