不同时间尺度下大型水库水温分层结构的变化特征

王帅，刘梅冰,b,c*

(福建师范大学 a.地理研究所，b.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，c.福建省陆地灾害监测评估工程技术研究中心，福州 350007)

大型水库的修建，会改变河流水文、水力学性质，天然河道“湖库化”，径流、水深、水面面积等均发生巨大变化。河水进入库区，水流放缓，水深增大，热力学条件发生变化，水库水温会出现分层现象[1]。水温分层不利于上下水体间物质和能量交换，降低了水库的自净能力；同时也阻碍溶解氧的传递，致使水体处于厌氧状态，加剧底层沉积物中污染物的释放，从而导致水质恶化[2]。此外，水库的水温结构受到气候条件、水文过程和水库运行方式等多种因素的影响，这些影响因素在不同时间尺度均会呈现不同的变化特征[3]。因此，从不同时间尺度出发，探究水库在垂直方向上热分层结构的演变特征，对于正确认识水温分层演变机制具有重要意义。

不同时段内水库的气象条件、出入库流量、入流水温和出流位置等要素的变化，都会导致水库水温分层在年际和年内出现差异。已有研究发现，不同水库的水温分层时间存在差异，大部分水库的水温分层呈现显著的季节性变化特征[4-5]，分层开始于春季，结束于秋季。然而，梁斯琦等[6]却发现，位于亚热带季风气候区的小湾水库全年均存在水温分层现象。同一水库在不同年份的水温分层时间也存在差异，Nazariha等[7]发现，干旱年份的水温分层开始时间和结束时间均早于正常年份；而杨红秀等[8]却发现，仅有平水年在夏季出现水温分层，丰水年和枯水年的夏季分层现象并不明显。温跃层存在水体的中间部分，其结构变化是对水库物理、化学和生物生态过程的响应，也是对区域气候变化的间接反馈[9]。温跃层在年内呈现不同的变化特征，其垂向分布存在单温跃层和双温跃层两种型式，汛期较大的入库水量会导致垂向水温分层由单温跃层转化为双温跃层结构[10]；温跃层深度与厚度和强度呈负相关关系，与水体透明度和水深呈正相关关系[8,11]。目前，国内对于大型水库的温度分层以及影响因素都进行了大量研究，但研究对象多为温带内陆水库，且集中在探讨季节性水温分层演变特征，而对于亚热带水库在不同水文年、年内不同季节及月尺度的水温分层差异研究存在不足。亚热带沿海地区太阳辐射强，年平均气温高，降雨集中，易受台风和洪涝灾害的影响，其气候变化和径流过程与温带内陆地区不同，将导致该区域水库水温分层的差异性。

位于东南沿海泉州市的山美水库是一座大型水库，在防洪、发电、灌溉、供水等方面发挥着重要作用，被誉为“泉州人民的生命库”。本研究基于CE-QUAL-W2模型，建立了山美水库二维垂向水温模型，从不同水文年、不同季节和月尺度出发，分析水库热分层结构的年际年内变化特征，对水温结构的影响因素进行探讨，为水库合理的运行调度和可持续开发利用提供科学依据。

1 研究区域

山美水库位于福建省晋江支流东溪中游的南安市境内，是福建省水利厅管辖库容最大的水库。水库集水面积1 023 km2，多年平均入库水量14亿m3，水库来水包括本流域集水和外流域调水，其中来自德化龙门滩的跨流域引水量为4.17亿m3，其他则来自上游永春县境内的桃溪、湖洋溪两大支流。水库总库容为6.55亿m3，正常蓄水位96.48 m，相应库容4.72亿m3[12]。近年来，山美水库总氮超标严重，目前处于由中营养化向富营养化发展的阶段，水源地供应水质受到影响。山美水库作为稳定分层性水库，其垂向上的水温分层会对水库溶解氧、氮磷等营养盐分布产生重要影响。

2 研究方法

2.1 CE-QUAL-W2模型的构建

CE-QUAL-W2 模型是美国陆军工程兵团水道实验站研发的垂向二维水质和水温通用模型，能较好地模拟出浮力流和温度分层特征在垂向上的形成和发展过程，适用于全库区大尺度范围研究水温特性，成为目前水库水温模拟的主流方法，在美国的Wachusett水库[13]、伊朗的Latian水库[14]以及国内的紫坪铺[15]、三峡[16]等得到广泛应用，在研究水库水温分层的演化特征方面具有较高精度的模拟效果。

CE-QUAL-W2模型需要建立水下地形文件，因此将山美水库划分2个支流，18个河段。支流1包括码四村至坝前，全长9.6 km，包括11个河段，构成山美水库的主体；九都镇方向，全长2.4 km，包括3个河段。根据水库水深的实际情况，将模型层高设置为1.5 m，共463个计算网格，河段最大层数为38层，模型最大时间步长设定为600 s，最小时间步长为1 s。选取2008—2009年为率定期，2010年为验证期，基于山美水库坝前断面实测的水温数据对模型进行率定和验证。结果表明，率定期绝对误差平均值AME为0.93，相对误差平均值RMSE为1.09，归一化目标函数NOF为0.05；验证期AME为1.87，RMSE为2.36，NOF为0.1。模型AME和RMSE值较小，NOF在0～1之间，较好地反映了山美水库的水温分布状况，可以用来进行水库热分层结构的研究，率定的具体过程详见文献[17]。

基于《水文情报预报规范》(GB/T22482-2008)[18]中的距平百分率P(%)，选取水量差异最大的2006年、2001年和2009年作为丰水年、平水年和枯水年的典型代表年份，同时，选择2000年、2001年和2003作为丰、平、枯水年的特征年进行温跃层特征的对照比较。在水温的模拟上，为了降低初始值的影响，预热期一年，以第二年的模拟值作为水温模拟结果，对水库不同水文年和年内水温分层结构进行分析。

2.2 热分层结构指标

根据《海洋调查规范》，浅海(水深≤200 m)中水温梯度超过0.2℃·m-1的水层为温跃层，在三峡水库等热学研究中也将超过0.2℃·m-1的水层定义为温跃层，而且一般将水体表层1 m之内排除在温跃层以外[19-21]。由于模型在网格设定时为每层1.5 m，因此在计算中将每层水温梯度超过0.3℃作为温跃层的划定标准。温跃层的特征量一般通过温跃层深度、厚度和强度来描述，在温度垂直分布曲线上，温跃层上、下各有一个极大曲率点，最浅极大曲率点所在的深度即温跃层深度，也就是温跃层上界的深度；温跃层厚度为上、下2个极大曲率点的垂向距离；温跃层强度为温跃层范围内上下界的平均值[22]。为了精准表达温跃层的变化特征，采用水体相对稳定性RWCS指数[23]描述水库热分层的动态变化。

3 结果与分析

3.1 温跃层年内变化特征

以平水年(2001年)为例，对1月—12月的逐月坝前垂向水温分布进行模拟，结果如图1所示。山美水库为稳定分层型水库，垂向水温分布呈现典型的亚热带单循环混合模式，具有明显的季节性变化特征，3月—11月为稳定分层期，12月—2月为混合期。8月水温最高，垂向平均水温为23.55℃，此时水温分层最为稳定；2月水温最低，库表与库底水体混合，垂向平均水温为17.1℃，垂向分布较为均匀。

图 1 年内不同月份垂向水温模拟

图 2 温跃层深度、厚度和强度变化的月模拟过程

为定量分析温跃层的变化特征，对2月—12月温跃层月平均深度、强度和厚度进行统计，结果如图2所示。2月开始出现水温分层现象，温跃层深度由2月的18.9 m上移至8月的5.9 m。伴随着稳定温跃层的出现，温跃层厚度不断增强，在8月达到最大值，表明该时段山美水库水温分层最为显著。8月以后，随着气温降低，温跃层深度增加，厚度减少，在11月厚度最薄，深度最大，12月以后温跃层消失，水库水体呈等温分布。通过分析发现，温跃层深度和厚度呈现明显的负相关关系(r=-0.62，P<0.05)，这与小湾水库和新安江水库研究中得出的结论一致[6,9]。

图 3 典型水文年和特征年四季温跃层对比

以往研究中，温跃层强度受气温主导，总体呈现夏季强，冬春弱的特点，山美水库的温跃层强度却在夏季减弱，秋季以后增强，这可能与夏季入库的高径流过程有关。水库温跃层会受到入库径流的影响，夏季较大径流于中部水层潜入库区，与库区上下原水进行混合与热量传递，缩小潜流层温差，破坏上层温跃层，在下部形成温度梯度较小的新温跃层[24]。山美水库2001年6月以后有较大入流过程，水体沿着与入流温度相近的中层流动，水体温跃层易受破坏，同时该时期水深不断扩大，温跃层总厚度增加，导致温跃层平均强度呈现下降的趋势。秋季以后，降温作用从表层开始，等温层厚度增加并不断向下层传递热量，这会导致中层水温持续增加，上层温跃层受增温影响大于下层温跃层，导致温跃层强度增加，这一现象与抚仙湖温跃层秋季强度的变化特征一致[22]。

3.2 不同水文年垂向水温变化特征

为了进一步分析不同水文年季节变化差异，选取了3种水文年坝前河段的4月15日、7月15日、10月15日和1月15日代表春、夏、秋、冬4个季节进行模拟，并将特征年的四季变化进行对照，发现不同水文年温跃层季节特征具有相似性(图3)。

图 4 不同水文年RWCS指数变化示意

春季，3种水文年垂向水温均呈现双温跃层结构。枯水年温跃层深度最浅，其次是丰水年和平水年；丰水年温跃层厚度最大；枯水年温跃层强度最小。夏季，气温和太阳辐射达到全年最大值，3种水文年垂向分层加剧，其中，平水年呈现出双温跃层结构；温跃层强度表现为枯水年>平水年>丰水年。秋季，随着气温降低，表层水温下降，恒温层厚度不断增加，水温分层减弱，3种水文年均呈现出单温跃层结构；温跃层深度表现为丰水年>平水年>枯水年，枯水年厚度最小。冬季，气温降到最低，水库进入混合期，3种年型水温垂向均呈现均匀分布的特征。

表 1 不同年型热分层对比

3.3 不同水文年的热分层特征

RWCS指数通过垂向水体密度差反映水体表层与底层的温差大小，可以直观地反映热分层稳定性的变化。通过对图4中3种水文年的日RWCS指数进行统计，可以发现，不同水文年山美水库RWCS指数均呈现单峰变化，夏季高，春秋低。RWCS指数与气温呈显著正相关关系，不同水文年的相关指数r均大于0.9(P<0.01)，可见，气温是影响热分层变化的主导因素，气温升高会加大表底温差，增强水库分层稳定性[25]。从RWCS指数的变化来看(表1)，枯水年的RWCS指数平均值最大，达到188.1，年分层稳定性最强；平水年和丰水年的分层稳定性较为接近，丰水年的RWCS指数均值略小，为171.3。从分层时间来看，丰水年分层时间也要短于平水年和枯水年。曾康等[26]研究发现，高入流会增强水体交换对流能力，削弱水体垂向分层稳定性。丰水年虽然年均温高于平水年和枯水年，但由于其年入库流量大于平水年和枯水年，水体受到卷吸掺混作用强烈，故年分层稳定性最弱，分层时间最短。

4 讨论

4.1 水库多个温跃层结构的影响因素

水库的水温受到外部热量输入和内部流态的影响，从而呈现不同的变化特征。外部热量输入主要为气象条件和入流条件，其主要决定热分层的时间演变，而内部热量交换主要是与流动直接相关的对流输运、紊流扩散和温度异重流[3]。

水库温跃层在内部流态的影响下呈现不同结构特征，方晴等[27]发现夏秋季入库流量猛增会导致水库水温出现双温跃层结构，华逢耀等[24]同样发现中强度的径流会破坏上层温跃层结构，并在底部形成温度梯度较小的新温跃层。山美水库平水年(2001年)有142天出现单温跃层，126天出现双温跃层，20天出现3个温跃层。其中，单温跃层出现于2月，此时气温回升，但水库入流量较小，水体分层稳定。双温跃层开始于4月，这与入库流量的增加有关。由于入库水温低于表层水温，中层紊流扩散运动强烈，加剧水体混掺作用，在水体中层形成温度梯度较小的等温层，破坏了完整的温跃层结构，形成双温跃层结构；双温跃层结束于10月，此时水库入库流量大幅度减少，表层水温降低，恒温层厚度扩大，垂向对流作用增强，双温跃层结构转变为单温跃层结构。3个温跃层的出现可能与风力作用有关，王银珠[22]在抚仙湖温跃层的研究中发现了局地性温跃层的存在，由于风力和水中混合交换强度交替变化，表层温跃层在弱风时形成，强风时下沉。山美水库表层受风力影响，在弱风时形成表层温跃层，但其厚度仅为1.5～3 m，且具有不稳定性，不能持续存在。

4.2 不同水文年分层结构季节差异的影响因素

水库不同时段内的气象条件、来水流量、混掺能力等各不相同，同一水库在不同水文年相同季节之间，水温分层状态和强弱亦存在差异。研究发现，温跃层强度、厚度和深度等会受到气温、上游径流条件和水深等因素的共同影响[11,28]。本研究中，气温是影响温跃层强度的主要因素。春季，丰水年气温均高于枯水年，因此丰水年温跃层强度大于枯水年；夏季枯水年气温高于丰水年，因此温跃层强度呈现相反的特征。同时，气温也是影响温跃层厚度的重要因素，由于典型年和特征年春季丰水年气温明显高于枯水年，丰水年温跃层厚度也显著大于枯水年。上游径流条件和水深也会对温跃层厚度产生影响，夏季枯水年入库流量小，同时受水深限制，温跃层厚度最小；秋季随着气温降低，温跃层下移，水深成为影响温跃层厚度的主要因素。典型年中，平水年水深最大，温跃层厚度最大；而特征年中，丰水年水深最大，因此温跃层厚度最大。水深是影响温跃层深度的主要因素，春季，平水年水深最大，枯水年水深最浅，平水年温跃层深度明显大于枯水年；秋季，丰水年水深大于枯水年，丰水年的温跃层深度亦大于枯水年。此外，表层水温也会影响温跃层深度，本研究中，典型年和特征年的枯水年夏季表层水温最高，因此温跃层深度均表现为最浅，这与白杨等[11]在千岛湖发现的夏季温跃层深度与表层水温呈负相关的结论基本一致。

5 结论

通过建立山美水库垂向二维水温模型，对不同水文年的水库垂向水温进行了模拟，并从年、季节和月尺度出发，分析了不同水文年和年内水温分层结构的变化特征和影响因素，得到以下结论：

1)山美水库为稳定分层型水库，垂向水温分布呈现典型的亚热带单循环混合模式，具有明显的季节变化特征，3月—11月为稳定分层期，12月—2月为混合期。其中，8月份水温最高，垂向分层最稳定；2月份水温最低，热分层消失。

2)受气温、径流、水深等因素的共同影响，山美水库温跃层呈现明显的季节变化特征。从温跃层型式来看，秋季为单温跃层结构，春夏季入库流量的剧增加强了水体的垂向混掺，导致垂向水体多呈现双温跃层结构；温跃层强度受气温和入库流量的影响，呈现春秋强、夏季弱的特点；厚度随季节呈现周期性变化，夏季厚度增加，秋季减少，分层深度变化与厚度相反。

3)水体相对稳定性RWCS指数与气温呈现显著正相关关系，同时会受到入库流量的影响。丰水年汛期水量大，加强水体扰动，年分层稳定性和分层天数小于平水年和枯水年。