香溪河初冬降温过程中垂向混合结构特征分析

杨忠勇,钱门亮,纪道斌*,周哲轩, 姚仕明,范中亚

香溪河初冬降温过程中垂向混合结构特征分析

杨忠勇1,2,钱门亮1,纪道斌1,2*,周哲轩1, 姚仕明3**,范中亚4

(1.三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌 443002；2.三峡大学,三峡水库生态系统湖北省野外科学观测研究站,湖北 宜昌 443002；3.长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室,湖北 武汉 430010；4.生态环境部华南环境科学研究所水环境研究中心,广东 广州 510655)

基于2018年11月29日～12月15日三峡水库支流香溪河峡口站点的水文气象等实测数据,讨论了香溪河初冬一次典型降温过程中水体的垂向混合结构动力过程,以及水-气界面的热通量和风应力在其中的贡献机制.结果表明,该时段香溪河表层约8m水深范围的垂向混合结构呈显著的日间弱分层,夜间强混合模式,且日间分层时段较短,仅发生在正午前后的约4h内(最大浮力频率约2×10-4s-1).水-气界面的能量输入或耗散过程对水体分层混合过程的贡献显著大于风应力对水体的机械扰动作用.太阳短波辐射是表层水体日间吸热从而分层的主要驱动力,长波辐射在夜间放热过程中处于主导地位,潜热和感热过程在水体放热过程中作用相当.风应力以机械扰动的方式对水体混合模式的影响极小(湍能通量最大值2×10-7m3/s3),主要集中在表层水体约0.5m内,但其可通过影响潜热和感热的方式显著增强中层水体混合特征.由于研究时段香溪河水温较低,蒸发放热较小,而水-气温差相对较大,风应力通过感热驱动的湍能通量(8×10-7m3/s3)略大于潜热(7×10-7m3/s3).

香溪河；垂向混合过程；湍能通量；水-气热通量；风应力

湖泊或水库是地表生态系统的重要组成部分,水库的混合与分层模式主导着动量、热量及营养物质等的垂向输送过程,对水体中浮游生物的生长、鱼类栖息地的改善等方面发挥着重要作用,是水库中物质、能量及生物量垂向分布的重要调节器[1].针对日益严峻的水环境生态问题,研究库区水体分层与混合特征对控制水华、保护水环境等有至关重要的研究意义[2].水库的水-气界面能量输入或耗散过程是引起水体扰动混合的主要来源之一[3],其中湖面能量收支和分配特征会对水环境产生重要影响.在相对封闭的水体中,大气、风、太阳辐射等因素是改变水体的热量结构,导致垂向混合的重要驱动力,进而对水体中的生物化学物质运输产生重要的影响作用,比如水中含氧量的变化等[4].对于许多内陆湖泊而言,太阳辐射是主要的热量来源,垂向对流在垂直输送方面发挥重要作用[5].而在秋冬季,冷空气过境明显增强水热通量,同时冷空气对水热通量的贡献受冷空气强度、发生频次以及持续的时间等共同影响[6].冷空气过境使得水—气界面之间的水热交换强度增加,尤其是潜热和感热通量,不断强化水库湍流混合[7].香溪河是三峡水库的一级支流,其水环境变化特征在三峡所有支流中具有很强的代表性[8],三峡蓄水以来香溪河在不同季节均出现了大规模的水华暴发事件,其富营养化的水环境问题引起广泛关注[9].有研究表明,香溪河库湾水温分层对浮游植物垂向分布特征和水华爆发强度有重要影响[10-11],也是其下游深水区水华暴发强度低于上游的重要原因之一.

水平方向上香溪河库湾内部水体温差较小[12-13],而垂向分层结构显著.长期观测表明,三峡蓄水后香溪河由于水位抬高,流速变缓,垂向分层显著加强,夏季表现得尤为显著.而且库湾水体的垂向分层结构也呈季节性变化,库湾下游河口水域受长江干流影响分层较弱,上游水体垂向分层则相对较强[14].季节性转换过程中的重要水文气象事件对香溪河水体的垂向分层与混合转换过程可能产生显著影响,而这方面的研究成果还较为缺乏.本文基于2018年11月底至12月初的一次较强冷空气事件的野外监测数据,分析香溪河混合过程中的热量结构和湍流特性,探讨冷空气过境对水库水体垂向混合结构的影响特征,分析热通量与风应力在降温过程中对水体垂向混合分层与混合的贡献机制,旨在为认识香溪河水动力特征及生源要素输移过程提供参考,为水库水华预报及控制等提供支撑.

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

香溪河河口距离三峡大坝约29km,流域集水面积3099km2,水面面积16.8km2,干流长度约94km.该流域属于亚热带大陆季风气候,冬季干旱,夏季多雨,多年平均流量40.18m3/s[15-16].香溪河库湾具有独特的水动力特征,库湾水动力特性主要受上游来水和水库干流调节方式影响,水流全年流速较小为分层异向流动[17].由于上游来水与库湾回水之间存在温差,上游来水主要以顺坡底部异重流形式流出库湾;下游干流水体主要以倒灌异重流的形式进入香溪河库湾,异重流倒灌时潜入点深度主要取决于干支流水体密度差,一般在2和3月从底部潜入,4～9月主要为中层潜入,汛后主要为表中层潜入形式,11和12月分别为底部和中层潜入.潜入点异重流厚度主要受水库干支流水体密度差及水位高低影响;异重流潜入库湾的距离主要受支流上游来流量、水库水位高低及水位日变幅等多方面因素的影响[13].溪河的水体垂向混合结构在气温、入流等的影响下,上游浅水区段受气温影响很大,下游深水区受气温影响小[7];从不同时期来看,上游在枯水期垂向水温存在弱分层现象;而库湾水体在4～5月和汛期(6～8月),在距离河口18～30km范围内始终保持稳定分层,但在蓄水期(9～10月)和枯水期(11月～次年2月)仅在库湾底部存在水温分层[18].

图1 研究区域示意

1.2 数据来源

观测时间为2018年11月29日～12月15日,水温采用微型温度仪(型号RBR-SOLO3)测定,采样频率为2Hz,测量分辨率为10-4℃.观测期间,探头布置在香溪河峡口站点(31°08′02.7″N,110°46′42.2″E),测量水深为表层20m范围内,垂向上每5m设置一个探头,数据时间分辨率60s.水面热交换中气象边界条件所采用的气象数据来自于香溪河下游地区的郭家坝气象站(30°57′46.3″N,110°45′19.5″E)以及上游的古夫气象站(31°13′34.8″N,110°45′28.4″E),其中郭家坝气象站四周区域开阔,是理想的观测站点,数据主要包括气温(采样点距地面2m)、相对湿度(采样点距地面2m)、云量、风速风向(ZDR-1F)等,所有数据均常年持续监测,采样频率为3h.

1.3 研究方法

基于研究时段内香溪河的冷空气过境事件,通过气象与水动力数据,量化分析降温和风应力作用下,河流垂向混合结构的响应过程.本文首先采用浮力频率来衡量研究时段内,降温影响下香溪河水体的稳定性特征.由于浮力频率表达式中仅考虑了垂向水体密度梯度,不能分离出热辐射、风应力等的影响,参考已有研究,引入了水体湍流能量通量和浮力通量.湍能通量表征在降温或者风应力等其他驱动力作用下,水体发生湍流混合时其能量通量强度.基于湍能通量,可将水体表层的风应力和热辐射分离开来,进一步将热辐射分解为太阳短波辐射、长波辐射、感热和潜热4项,讨论各自的贡献机制.事实上风应力一方面可通过其驱动的风生流增强水体混合,另一方面可通过影响感热和潜热来增强水体混合过程,基于以上研究方法,讨论风应力的机械扰动和感热潜热效应对水体混合的影响机制.

2 结果与讨论

2.1 降温期香溪河水体垂向稳定性特征

图2 研究时段内(11月29日～12月15日)的气温、风速、水温以及浮力频率随时间变化过程

图a中黄色的区域表示白天(8:00～20:00)时间段,图b～d中垂向虚线表示每日中午12:00,图d中黑色等值线表示0值区域

(a)气温(a)及日温差(Da)和表层水温(T=0);(b)风速(10);(c)水温(z)垂向结构;(d)浮力频率(2)垂向结构

由图2可见,研究时段内,气温(a)在-1.2～16.8℃之间波动,呈显著的昼夜波动特征,其昼夜温差值为0.8～8.8℃(Da).这期间表层水温(T=0)略有降低,从11月29日的20.1℃降至12月15日的18.6℃,降幅极小,且一直保持在气温以上,二者温差平均约13.5℃,最大温差发生在12月9日夜间,约20℃.降温期风速(图2b)变化不大,平均值约1.75m/s,每日下午时段风速略大,最大风速约5m/s.

在气温不断降低的影响下,水体温度在整个垂向上随时间不断降低,从11月29日的19.8逐渐降低至12月15日的18.6℃ (垂线平均值),但整体上仍基本保持上层水温高、下层水温低的稳定结构特征.图2d中是采用浮力频率2(s-1)表示的水体稳定性垂向结构随时间变化过程.浮力频率的表达式为:

式中=9.81m/s2为重力加速度,为水深(垂直向上为正),为水体密度.浮力频率值越大,表示水体垂向结构越稳定,分层越强,当2<0时即表示水体垂向结构不稳定,或处于混合状态.研究时段的降温期间,水体稳定性呈显著的日波动过程,日间水体呈弱分层状态,夜间水体呈强混合,变化范围在±2×10-4s-1,且这种日波动过程在表层约8m水深范围内最为显著.由于整体处于降温环境中,水体表层日间处于分层状态的时长(2>0)显著小于夜间处于混合状态的时长(2<0).

2.2 水体稳定性的影响因素分析

分析可知,研究时段为水体稳定性的日间弱分层-夜间强混合模式是气温变化的直接影响结果,且表层稳定状态对降温较中底层更敏感,然而通过绘制气温与水温差值和水体浮力频率(约表层8m水深范围内的平均值)之间的关系发现,二者并未呈现显著的线性关系(图3a).其主要原因在于整个研究时段内,虽然水温在冷空气影响下逐渐降低,但其他因素(例如太阳辐射)对水体稳定性也有重要影响.此外,研究期间内的风速也会影响水体的稳定性,在冷空气的耦合影响下,风速与浮力频率的关系仍然不显著(图3b).由此可见香溪河的水体垂向分层与混合结构应该是由降温和风应力共同作用的复杂过程.为区分二者的贡献机制,引入湍流通量(q)来定量分析降温和风速对水体垂向掺混结构的影响特征和贡献大小.

图3 水体浮力频率与水-气温差和风速的关系

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图4 降温期内(11月29日～12月15日)N2与Fq之间的关系

图(a)表示日平均值

水库水气界面热交换通量m主要包括短波辐射(w)、长波辐射(w)、感热通量(s)和潜热通量(1)4个部分:

其中太阳短波辐射w计算公式为:

图5 研究时段内湍流能量通量和水-气界面热交换通量随时间变化特征

(a)降温期q变化过程;(b)水—气界面热交换通量随时间变化特征;(c)由热通量中各项产生的湍流能量通量;虚线表示正午时段

图6 研究时段内Pa以及Fq的变化过程

图7 风速(U10)与风应力机械扰动驱动的湍能通量贡献(Pa)之间的关系

白天表层稳定性主要由风应力和浮力通量共同决定,在表层水体出现分层的情况下风速增加可加强表层水体的混合作用,可引起表层水体扰动的最小(临界)风速min(m/s)[27]为,

式中:min表示可引起表层水体扰动的最小风速;crit=1表示标准无量纲分层参数,表征水体开始出现分层的临界值.根据式(9)本文进一步计算了当水体处于稳定状态时,风通过机械做功扰动水体的深度与浮力通量()和湍能通量(qa)之间的关系,结果如图8所示.对于每个扰动深度而言,所需要的风速均随着值增大而增大,即水体越稳定,所需要的扰动风速越大.图中的点表示香溪河计算得到的实际浮力通量()和湍能通量(qa)值,当≈0.2×10-7m2/ s3时,水处于稳定临界状态,香溪河的最大风速(3m/s)可以扰动2m水深(红线).相应地,当浮力通量值逐渐增加至[0.5, 1.0, 2.0]×10-7m2/s3时,香溪河的风仅分别可以扰动[1, 0.5, 0.1] m水深内的水体.从图8中还可以发现,风应力通过机械做功驱动的湍能通量(qa)值与风速呈正相关,与浮力通量呈负相关.风速越大(风应力越强),值越小(水体越接近稳定状态),qa值越大,反之亦然.

图8 风生环流能够扰动的水深与B和Fq之间的关系

图9 风速通过潜热和感热驱动的湍能通量变化特征

黑线表示湍能通量平均值,灰色区域表示其10%和90%分位数

3 结论

3.1 研究时段内香溪河表层约8m水深内浮力频率呈显著的日波动过程(±2×10-4s-1),日间水体弱分层,夜间水体呈强混合,且分层时长显著小于混合时长.

3.2 太阳短波辐射是表层水体日间分层的主要驱动力,其在午后达到峰值(～560w/m2).水体长波辐射、潜热和感热在夜间水体放热期间作用相当,其中长波辐射的贡献略大.

3.3 风应力可从增强潜热和感热,以及机械扰动两种方式混合水体,其中以机械扰动作用驱动的湍能通量在绝对值上很小(<2×10-7m3/s3),但在日间分层期间的相对值较大(>90%);风应力作用下水体以潜热和感热两种方式驱动的湍能通量值分别可达到7×10-7和8×10-7m3/s3,均显著大于其机械扰动作用.

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Analysis on the vertical mixing structure of Xiangxi River during early winter.

YANG Zhong-yong1,2, QIAN Men-liang1, JI Dao-bin1,2*, ZHOU Zhe-xuan1, YAO Shi-min3**, FAN Zhong-ya4

(1.College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China；2.Three Gorges Reservoir Ecosystem Hubei Province Field Scientific Observation and Research Station, Three Gorges University, Yichang 443002, China；3. Key Labratory of River Regulation and Flood Control, Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China；4.Water Environment Research Center, South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment, Guangzhou 510665, China)., 2021,41(6)：2862～2870

Based on the measured data of hydrology and meteorology at the Xiangxi River Xiakou site from November 29 to December 15, 2018, the vertical mixed structure of the water body during a typical cooling process in the early winter of the Xiangxi River and the heat at the water-air interface were discussed, including the contribution mechanism of flux and wind stress. The vertical mixing structure of Xiangxi River during this period showed significant weak layering during the day and strong mixing at night, and the daytime layering period was quite short, only occurred around noon within 4 hours. The contribution of the energy input or dissipation process at the water-air interface to the stratified mixing process of the water body was significantly greater than the mechanical disturbance effect of the wind stress on the water body. Solar short-wave radiation was the main contribution for the surface water body to absorb heat during the day and thereby stratify the driving force, long-wave radiation was dominant in the heat release process during night. The latent heat and sensible heat processes also played a non-negligible role in the heat release process of the water body. The influence of wind stress on the mixing mode of the water body by mechanical disturbance was mainly concentrated in the surface water body has extremely limited impact on the middle and lower layers, but it could significantly enhance the mixing characteristics of the water body by affecting the latent heat and sensible heat. Due to the low water temperature of the Xiangxi River during the study period, the evaporation heat release was small, and the water-temperature difference was relatively low. Larger, the turbulent energy flux driven by wind stress through sensible heat was slightly larger than latent heat.

Xiangxi River；vertical mixing；turbulent kinetic energy flux；air-water interface；wind stress

X522

A

1000-6923(2021)06-2862-09

杨忠勇(1984-),男,重庆市忠县人,副教授,博士,主要研究方向为三峡库区水动力与水环境.发表论文60余篇.

2020-11-09

国家自然科学基金(U2040220,51779128,52079069,52009066);广东省重点领域研发计划(2020B1111350001)

* 责任作者, 教授, dbji01101@163.com; **责任作者, 教授级高级工程师, gzhshymq@163.com