三峡水库香溪河库湾不同异重流下水温分层模式研究

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(湖北工业大学 a.河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室； b.土木建筑与环境学院，武汉　430068)

1　研究背景

三峡水库是世界上规模最大的水利枢纽工程，在防洪、发电、航运等方面发挥着重要的作用，为我国社会经济的发展作出了巨大的贡献。三峡水库自2003年正常蓄水以来，水库近坝支流在不同季节均出现了大规模的水华暴发事件，对库区的水环境及水质安全构成严重的威胁[1]。

水温的分布结构会直接影响水体中浮游植物的生长、迁移过程，在不同典型水动力条件下水体水温分布模式也不同[2-5]，水体中浮游植物的生消机制也会有所不同，进而诱发了支流库湾的水华暴发[6-7]。因此，研究支流库湾在水库蓄水后特殊的水动力条件下水体水温分层特点，已成为三峡水库水环境研究的主要问题。

近坝支流与原来天然河流相比，水位抬升、水面变宽、流速减缓，水动力条件发生了改变，支流水体在不同时期出现不同类型的异重流特点。库湾水体在异重流的影响下出现特殊的水温分层结构会导致其他生境因子的变化规律发生改变[8-10]，同时对支流水体营养盐的迁移转化、藻类的生长等都有一定的影响[11-14]。通过利用立面二维模型CE-QUAL-W2，结合对库湾水体水温的实地监测，构建了香溪河的水温水动力数学模型，分析不同异重流模式下的水体的水温分层结构，以期研究结果能够为库区支流的水流水温特性、营养盐迁移及水华预测预报提供相关的理论支持和技术支撑。

2　研究概况

2.1　异重流简述

异重流是指2种或2种以上的流体相互接触，在密度有一定的差异时，如果一种流体沿着交界面的方向运动，则不同流体间在交界面以及其他特殊的局部处可能发生一定程度的掺混现象[15-16]。

在水库异重流中引起密度差异的因子主要有温度、含沙量、可溶解性物质浓度和盐度[17]，三峡水库支流库湾水体异重流主要受温度和泥沙等的影响[18-19]。

2.2　香溪河库湾概况

香溪河是三峡水库湖北库区靠近三峡大坝的最大支流，发源于湖北省西北部的神农架林区。香溪河干流长94 km，河口距三峡大坝34.5 km，流域面积3 099 km2，随着坝前水位的抬升，距离香溪河河口32 km范围内形成回水区，河流由北向南，在秭归香溪汇入长江干流(见图1)。

图1　香溪河库湾采样点分布Fig.1　Layout of monitoring points in Xiangxi Bay

2.3　监测断面设置

为了分析香溪河水体水温在垂向上的分布特点，根据香溪河库湾地形条件及三峡水库水文情势，在香溪河回水区范围内设置了11个监测断面，编号范围为XX00—XX10，如图1 所示。

监测指标主要有：气温、相对湿度、太阳辐射强度、风速、风向、水温、pH值、浊度、含沙量、溶解氧、电导率等。监测频率为1次/周，为减小因采样监测耗时所造成的早晚温差的影响，采样过程主要在当天中午时分开始，分2 d完成。主要采用的监测设备有Hydrolab DS5多参仪(美国)、ZDR-1F风速风向连续记录仪(现场测定)，其中坝前水位及流量从中国长江三峡集团公司网站获取。

3　模型的构建

3.1　模型简介

CE-QUAL-W2模型是由美国陆军工程兵团和波特兰州立大学负责开发的立面二维水质水动力模型，主要对河流、河口、湖泊和水库在纵向或垂向上的二维水动力水质进行模拟，模型主要应用于相对较狭长的水体。香溪河为三峡水库狭长形的深水库湾，水体水温在纵向上具有明显的差异，在横向上水温变化微弱，库湾具有明显的立面二维特性[20-21]，故本文选用CE-QUAL-W2模型对香溪河库湾进行水温水动力的模拟。

3.2　网格的构建

模型计算网格的划分采用矩形格式，在纵向或垂向上划分为若干个矩形单元段。香溪河河口处的顶部高程为175 m，底部高程为68 m，且回水区长32 km，根据河道实际地形及网格划分原则，同时考虑模型计算效率与精确度，确定模型计算网格的大小，网格在垂向单元长度为1 m，纵向单元长度为500 m。即在纵向上将香溪河库湾划分为66个河段，包括首尾2个虚拟河段；在垂向上，将河口划分为109层，包括表底2个虚拟层，香溪河库湾的模型网格见图 2。

图2　香溪河模型计算网格分布Fig.2　Calculation model girds for Xiangxi Bay

3.3　模型参数的率定

模型中影响水温分层结构的因素比较多，主要有构建模型相关的边界条件，如气象条件、入流条件、出流条件和水库地形等[22]。在构建模型时参考相关文献资料，同时对模型参数进行了大量的调算，最终确定了模型计算的主要参数，相关主要参数的最终取值如表1所示。

表1　模型主要参数值Table 1　Main parameters of the model

对模型参数进行敏感性分析时，经过大量试算发现风遮蔽系数(WSC)与光遮蔽系数(Shade)对模型计算误差影响较大。图3(a)、图3(b)分别为WSC及Shade取不同值时，河口断面处的垂向水温分布。由图3可知，不同风遮蔽系数、光遮蔽系数取值对表层水体的垂向水温分布影响显著，模型模拟计算的表层水温受WSC，Shade参数取值影响较大。因此在模型进行计算时，需要主要对WSC，Shade 2项敏感性参数进行率定。

图3　河口垂向水温分布随WSC及Shade的变化Fig.3　Vertical distribution of water temperature inthe presence of different WSCs and Shades

模型的参数率定是一个反复调算的过程，为了保证模型模拟计算的准确性，需要通过比较实测值和模型模拟值之间的误差来不断地调整模型参数值。以XX01，XX06，XX09这3个断面为参照点，比较了2011年每月中旬的实际监测值和模型模拟值，并采用绝对平均误差(Absolute Mean Error，AME)、均方差(Root Mean Square Error，RMSE)这2个统计量来评价模型模拟的准确性，统计量的计算公式分别为：

(1)

(2)

式中：n为实测值的次数；Xobs,i为变量X的第i个实测值；Xmodel,i为变量X第i个实测值对应的模拟值。

2011年水温模拟值与实测值误差统计见表2，通过比较2011年每月中旬XX01,XX06,XX09这3个断面的实测值与模型计算值发现，模型计算值与实测值拟合较好，该模型能够准确地模拟出香溪河库湾水体的水温分布。

4　异重流下的水温结构分析

通过对香溪河库湾2010—2011年这2年水温水动力的模拟，比较了3种典型的异重流下的水温分层结构，分析不同类型异重流情势下呈现不同典型特征的水温分布结构的原因。

表2　2011年水温模拟值与实测值误差统计Table 2　Statistics of the difference between simulated andmeasured values of water temperature in 2011　℃

4.1　表层倒灌异重流

图4、图5分别为2010年和2011年表层倒灌异重流流场及水温分布。可知当库湾出现表层倒灌异重流时，水体水温呈传统分布结构，即对于深水水库水温变化而言，其温跃层在水体表层。水库正常运行时，每年3—5月份为泄水期,期间水位持续降低，干流水体掺混均匀，水体水温垂向均匀分布。支流上游来流为神农架山区冰雪融化后的低温水，与长江干流水体相比，密度更大，干流水体在河口处以表层倒灌的形式汇入支流库湾。库湾水体表层为干流倒灌，中下层为支流上有天然来流，此时水体水温呈传统分布结构。

图4　2010年表层倒灌异重流流场及水温分布Fig.4　Flow field and temperature distribution ofbackward density current at surface layer in 2010

图5　2011年表层倒灌异重流流场及水温分布Fig.5　Flow field and temperature distribution ofbackward density current at surface layer in 2011

图6　2010年中层倒灌异重流流场及水温分布Fig.6　Flow field and temperature distribution of backwarddensity current at middle layer in 2010

图7　2011年中层倒灌异重流流场及水温分布Fig.7　Flow field and temperature distribution ofbackward density current at middle layer in 2011

4.2　中层倒灌异重流

图6、图7分别为2010年和2011年中层倒灌异重流流场及水温分布，当库湾出现中层倒灌异重流时，水体水温呈“双混斜”式分层。每年7—9月份为汛期，水库运行进入汛期时，干流来流量明显增大，为保证水库的正常运行，汛期水库一般保持低水位运行。期间水位仍有较大波动，汛末蓄水初期，水库干流含沙量逐渐增加，支流水体受天气因素影响，水体的表层与底层的温度及密度差异较大。在一定时期，干流来流的含沙水体密度介于支流表底层水体密度之间，干流水体在河口处以中层倒灌异重流形式进入库湾，此时表层水体温度较高，中层为干流倒灌进入库湾的水，温度分布均一，底层水温较低，水库水温在垂向分布上出现中上层和中下层2个温跃层，即库湾水体的水温呈“双混斜”式分布。

图8　2010年底层倒灌异重流流场及水温分布Fig.8　Flow field and temperature distribution ofbackward density current at bottom layer in 2010

图9　2011年底层倒灌异重流流场及水温分布Fig.9　Flow field and temperature distribution ofbackward density current at bottom layer in 2011

4.3　底层倒灌异重流

图8、图9分别为 2010年和2011年底层倒灌异重流流场及水温分布，当库湾出现底层倒灌异重流时，水体呈“半U”型分层。10—12月份为蓄水期，蓄水期间水库保持较高水位运行，干流水体流速变缓。由于光照、气温及水热容的影响，干流水体水温低于支流水体水温，水体密度较大，从底层倒灌进入支流库湾，在河口处以底部倒灌异重流的形式进入库湾，库湾水体水温呈“半U”型分层模式。

5　结　语

库湾水体水温分层结构受库湾水动力条件影响较大，干支流水体之间的交互形式决定了水温的时空分布。在香溪河库湾，水体出现特殊的水动力情势，在不同的时段会出现不同类型的倒灌异重流，不同类型的倒灌异重流会导致产生不同的水温分层模式。

根据水库常规调度的特点，水库运行主要以“泄水期-低水位运行期-蓄水期”为周期运行。泄水期，干支流水体水温分布均匀，且干流水温高于支流，干流水体流速较大，河口处发生表层倒灌异重流，库湾水体水温呈传统分层模式；在汛期，水库保持低水位运行时，干支流水体水温受气温影响，表底温差大，且干流来流含沙量略有增加，河口处发生中层倒灌异重流，库湾水体水温呈双混斜式分布；蓄水期水库保持高水位运行，支流来流流速较大，干流水体水温较支流水体水温偏低，在河口出现底部倒灌异重流，库湾水体水温呈“半U”型分层模式。

参考文献：

[1]许涛, 王雨春, 刘德富, 等. 三峡水库香溪河库湾夏季水华调查[J]. 生态学杂志, 2014,33(3):646-652.

[2]蔡庆华, 孙志禹. 三峡水库水环境与水生态研究的进展与展望[J]. 湖泊科学, 2012,24(2):169-177.

[3]王丽平, 郑丙辉, 张佳磊, 等. 三峡水库蓄水后对支流大宁河富营养化特征及水动力的影响[J]. 湖泊科学, 2012,24(2):232-237.

[4]蒋定国, 戴会超, 王冰伟, 等. 香溪河库湾春季营养盐空间差异性成因分析[J]. 水利学报, 2013,44(5):562-569.

[5]LIU L, LIU D, JOHNSON D M,etal. Effects of Vertical Mixing on Phytoplankton Blooms in Xiangxi Bay of Three Gorges Reservoir: Implications for Management[J]. Water Research, 2012,46(7):2121-2130.

[6]练继建, 姚烨, 马超. 香溪河春季突发水华事件的应急调度策略[J]. 天津大学学报, 2013,46(4):291-297.

[7]熊超军, 刘德富, 纪道斌, 等. 三峡水库汛末175 m试验蓄水过程对香溪河库湾水环境的影响[J]. 长江流域资源与环境, 2013,22(5):648-656.

[8]杨正健, 刘德富, 马骏, 等. 三峡水库香溪河库湾特殊水温分层对水华的影响[J]. 武汉大学学报(工学版), 2012,45(1):1-9.

[9]刘流, 刘德富, 肖尚斌, 等. 水温分层对三峡水库香溪河库湾春季水华的影响[J]. 环境科学, 2012,33(9):3046-3050.

[10] 杨正健, 刘德富, 纪道斌, 等. 三峡水库172.5m蓄水过程对香溪河库湾水体富营养化的影响[J]. 中国科学:技术科学, 2010,40(4):358-369.

[11] 朱爱民, 李嗣新, 胡俊, 等. 三峡水库支流拟多甲藻水华的形成机制[J]. 生态学报, 2014,34(11):3071-3080.

[12] 蔡庆华, 胡征宇. 三峡水库富营养化问题与对策研究[J]. 水生生物学报, 2006,30(1):7-11.

[13] 田泽斌, 刘德富, 杨正健, 等. 三峡水库香溪河库湾夏季蓝藻水华成因研究[J]. 中国环境科学, 2012,32(11):2083-2089.

[14] LIU D, YANG Z, DAOBIN J I,etal. A Review on the Mechanism and Its Controlling Methods of the Algal Blooms in The tributaries of Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016,47(3):443-454.

[15] 解河海, 张金良, 郝振纯, 等. 水库异重流研究综述[J]. 人民黄河, 2008,22(5):28-30.

[16] 张小峰, 姚志坚, 陆俊卿. 分层水库异重流试验[J]. 武汉大学学报(工学版), 2011,44(4):409-413.

[17] 王光谦, 方红卫. 异重流运动基本方程[J]. 科学通报, 1996,41(18):1715-1720.

[18] 纪道斌, 刘德富, 杨正健, 等. 三峡水库香溪河库湾水动力特性分析[J]. 中国科学:物理学 力学 天文学, 2010,40(1):101-112.

[19] MA J, LIU D, WELLS S A,etal. Modeling Density Currents in a Typical Tributary of the Three Gorges Reservoir, China[J]. Ecological Modelling, 2015,296:113-125.

[20] 魏玉珍. CE-QUAL-W2模型应用探讨[J]. 环境科技, 2009,22(增2):40-44.

[21] 龙良红, 纪道斌, 刘德富, 等. 基于CE-QUAL-W2模型的三峡水库神农溪库湾水流水温特性分析[J]. 长江科学院院报, 2016,33(5):28-35.

[22] 李艳, 邓云, 梁瑞峰, 等. CE-QUAL-W2在紫坪铺水库的应用及其参数敏感性分析[J]. 长江流域资源与环境, 2011,20(10):1274-1278.