武汉大学杨中华课题组发表长江上游梯级水库联合分层取水的热调节能力及其生态影响研究新成果

（通讯员水苑）近日，环境领域顶级期刊Water Research发表了题为“Joint thermal regulation by selective withdrawal in serial cascade reservoir systems effectively improves reservoir and downstream ecological health”的文章，揭示了长江上游梯级水库联合分层取水的热调节能力及其生态影响。武汉大学水利水电学院河流工程系研究生胡光洋为论文第一作者，实验室教授杨中华为论文通讯作者，副教授岳遥对论文亦有重要贡献。

图1 图片摘要

水库建设导致天然水温特征发生了显著变化，体现为库区内部产生明显的垂向分层，水库下泄水温产生延迟、均化和等温化效应，在梯级水库系统中，多级水库之间的联合调控对下游水温的影响具有累积性，进一步放大了水温变化所引起的不利影响，对库区生态系统健康及下游鱼类的栖息环境构成了严重威胁。分层取水是缓解该不利影响的有效措施，然而，其在梯级水库系统中的实际调节能力及生态影响尚未得到充分证明。本文以长江上游4级梯级水库为研究对象，旨在实现如下科学目标：(1) 阐明梯级水库在热分层期的水热输移机制，以及分层取水对热结构的影响；(2) 量化梯级水库联合分层取水的热调节能力，确定联合分层取水调节能力的上下限，以及其在未来热管理中的潜力；(3) 评估梯级水库联合分层取水对库区水质和下游鱼类产卵环境的生态影响。

图2 研究区域及计算网格划分

该论文的主要创新之处在于，一是量化了长江上游梯级水库联合分层取水的热调节能力。研究结果表明，长江上游梯级水库中，白鹤滩水库的热调节能力最大，为1.31℃，其次是溪洛渡水库（0.91℃）和乌东德水库（0.33℃）。分层取水的影响从第一级到第四级的过程中逐级积累，但由于水库的储热效应导致一部分热量滞留在水库中，累积效果减弱，传递至末级向家坝水库时，升温效果最高仅为1.3℃。二是评估了长江上游梯级水库联合分层取水的生态影响。研究结果表明，分层取水缩短了表层水的滞留时间，减弱了热分层的强度，降低了藻类大量繁殖的风险，促进了溶解氧向库区底层扩散，可以改善库区水质条件，同时，梯级水库的下泄水温显著提高，可以使金沙江下游四大家鱼的适宜产卵期延长24天。三是阐明了长江上游梯级水库分层取水的热响应机制。研究结果表明，高温入流和高气温是产生分层的主要原因，水动力条件则是控制热分层形态的主要因素，水库中剪切失稳的存在是促进水库混合和驱动温跃层向水库底部移动的动力因素。分层取水能够延长分层时间，减弱分层强度但提高分层稳定性，同时减缓温跃层的下移速率。

图3 （a-d）为不同分层取水方案下梯级水库的下泄水温，（e）为单个水库分层取水的最大热调节能力，以及梯级水库系统传递过程中分层取水的最大热调节能力

图4 水温变化引起的生态影响示意图：（a）表示自然河流状态；（b）表示水库建成后水温分层和水质恶化的情况；（c）表示最优分层取水方案对热结构和水质的影响；（d）-（f）表示在（a）-（c）三种状态下下泄水温对四大家鱼产卵窗口期的影响

图5 （a-d）为不同分层取水方案下乌东德-向家坝水库垂向温度梯度（VTG）的变化过程，（e）为不同运行条件下乌东德-向家坝水库的分层持续时间、平均温跃层厚度和最大温度梯度的比较

据介绍，该论文的科学价值在于，研究结果为梯级水库的联合调度提供科学依据，为实现水电开发与生态保护的协同发展提供重要参考，为应对气候变化和区域生态保护需求提供新思路，对促进流域可持续发展具有重要实践意义。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123659

（编辑：肖珊）