基于粒子示踪法的香溪河环流模式及营养盐补给分析

2023-10-12黄宇擘龙良红纪道斌

三峡大学学报(自然科学版) 2023年5期

黄宇擘徐慧,2 龙良红,2 纪道斌,2

(1.三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;2.三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心, 湖北宜昌 443002)

三峡水库蓄水之后,以香溪河为代表支流库湾泄水过程受阻,水库调蓄对库湾的生态环境和物质输移形成了胁迫效应[1].香溪河库湾水动力条件在蓄水前后发生了较大变化,水位壅高,流速减缓,水华问题逐渐突显[2-3],引起了广泛的关注[4-5].水华生消与温度、光照、营养盐、水动力环境等因素密切相关[6],而分层异重流作为三峡库区最普遍存在的显著水动力过程,其对支流库湾水温分层、水流特性、光学特性、营养盐条件的影响也较为显著[7-8].吕林鹏[9]通过归纳香溪河的分层异重流模式,并分析其动态演替对叶绿素浓度的影响,发现表层、中上层倒灌方式对库湾叶绿素的时空分布影响明显;曾一恒等[10]基于数理统计方法,分析了香溪河汛期异重流对叶绿素空间分布的影响,结果发现风场和流场对藻类运动迁移的影响比例分别为43.2%和56.8%.营养盐是藻类生消衍替过程中的物质基础之一,水体中的营养盐浓度,尤其是真光层内的营养盐变化及其补给过程与水华暴发密切相关.因此,在分层异重流背景下,进一步明确库湾真光层水体营养盐的补给过程及途径很有必要.

本研究基于香溪河库湾监测数据,构建香溪河CE-QUAL-W2水动力水质模型,归纳典型环流模式,并结合粒子示踪技术对香溪河库湾上下游营养盐的输移过程、补给途径进行分析,总结香溪河典型环流模式下营养盐的来源及输移规律,进一步明确香溪河库湾不同时空下以总氮(TN)为代表的营养盐来源,以期为研究三峡库区支流库湾营养盐来源提供参考.

1 香溪河模型建立

1.1 监测内容

香溪河流域位于湖北省西部山区,是三峡库区上游最近的大型支流,河流全长94 km,流域涵盖面积3 099 km2.本次模型模拟香溪河与干流交界河口处至昭君镇共30.7 km 左右的范围.为表征营养盐对水华暴发的影响,本次监测点位布设于具有水华暴发代表性的3个河段,对应采样点分别为P1、P2和P3.采样点的具体位置如图1所示.

图1 香溪河样点布设图

监测时间为2015年1月至2015年12月,每月在P1、P2、P3采样点进行水质和水动力监测工作.在香溪河走航监测中,采用Hydrolab DS5多参数水质检测仪监测获取水温和水深数据,采用Vector声学多普勒点式流速仪获取采样点位流速分布情况,使用LI1400水下光量子仪获取不同点位光辐射有效强度.水中TN 含量及叶绿素a浓度在后期根据文献[11]在实验室测定,监测频率为1～2次/月.

1.2 模型构建

CE-QUAL-W2模型是一款开源立面二维水流水质数值模型软件.该模型假定水体内部存在横向均匀性,将河流纵向和垂向网格化,适用于模拟有纵向和垂直梯度变化的相对狭长水体,如河流、河道型水库、河口等[12-13].本研究采用该模型对香溪河库湾的环流模式进行模拟.

根据香溪河河流走向,研究所构建的模型纵向划分为62个单位段以及起始段和终末段2个虚拟段,单位段长度沿河流流向取500 m,共计长度为31 km.具体网格三视图如图2所示.其中,模型纵向第58、25、9 段分别对应采样点P1、P2、P3;模型垂向网格根据三峡水库与香溪河库湾下游的高程差取总值107 m,由此将模型纵向单元层均分为107层,每层1 m.

图2 模型网格断面图

W2模型进行环境模拟2015年1月1日至2015年12月31日,初始流速为0 m/s,初始水位、初始水温以及初始营养盐浓度均取自模拟起始时间的监测实际值,并根据垂向网格赋予不同层级值.完成率定后的模型主要水质及水动力参数取值见表1.

表1 W2模型率定情况表

1.3 模型验证

模型通过设置初始条件和相关参数模拟2015年香溪河库湾水文情况,率定情况如图3～4所示.

图4 香溪河库湾表层营养盐TN 模拟、实测对比图

在香溪河库湾水温模拟、实测垂向对比图中,香溪河河口P1断面实测水温曲线与模型生成曲线拟合度较高,库湾中部P2断面和上游P3断面实测曲线与模拟曲线存在局部小幅度偏移,但总体上可以表征对应点位的水温分布情况.TN 模拟结果对比实测结果,在不同时间节点上存在较大的偏差,但其在库湾沿程分布上的趋势能够较好的表现出来,总体上可以代表营养盐在库湾的时空分布情况.从水温和营养盐分布情况可以认为,本次W2水质模型率定效果可实现模型对香溪河2015全年的水环境演变模拟,适合用于分析香溪河年内环流模式的分布情况.

1.4 粒子示踪算法

粒子示踪算法结合CE-QUAL-W2 模型源于2001年古德温等学者,首次应用于美国南部水库的鱼类运动轨迹的预测研究.粒子示踪算法应用于计算粒子的三维输运和去向问题,通过删除与漂浮、悬浮、溶解材料的表面运输有关的部分模型,简化了粒子横向运动,使其能够在表征粒子在二维状态下的运动过程.本次研究需要分析香溪河在不同环流模式下的营养盐的输移作用,而粒子示踪算法能在模型中对这一作用的环境和载体进行模拟,适用于本次实验.

基于速度的粒子计算式如下:

式中:Xt为粒子在时间t的纵向位置;Zt为粒子在时间t的垂直位置;Ut及Wt分别代表对应点位上的水平流速和垂直流速;Δt为时间t和时间(t+1)的时间间隔.Node(k,i)为位置节点,XNode(k,i)和ZNode(k,i)分别是节点(k,i)的纵向位置和垂直位置,如图5所示.

图5 CE-QUAL-W2中粒子输移过程

为针对研究某些特定的水动力条件下环流模式的变化情况,在W2水动力模型中,可以通过设置库湾的初始条件和未来30 d内的水文变化情况,在模型内生成稳定的流场环境,并在环流模式发展成形的第10 d在库湾上下游加入基本粒子,利用粒子示踪法模拟营养盐粒子在不同环流模式下的运动情况.

2 结果分析

2.1 香溪河库湾环流模式

受三峡库区蓄水调度的影响,香溪河库湾在接受上游来流的同时也受到下游长江干流倒灌水体的影响,同时因为干支流水文条件存在较大差异,以温度为主导,两水体密度上差异较大.同时,由于蓄水调度导致香溪河库湾下游水龄较大,其水文条件又与上游来流出现了较大区别,因此香溪河上下游均存在不同程度的异重流现象.模拟期内存在的环流如图6 所示,共计存在5种观测得到的环流模式和1种理论环流模式,下游底层倒灌-上游表层入流模式受异重流季节性差异的影响,在本次模拟内未能发现.根据2015年环流的持续时间,对香溪河库湾整体营养盐输移和分布影响较大的环流模式分别是:下游表层倒灌-上游底层入流、下游中层倒灌-上游底层入流、下游底层倒灌-上游底层入流.

图6 库湾各环流模式模拟图

2.2 典型环流模式下的营养盐变化过程

根据水动力模型2015年模拟结果,可知香溪河3种典型环流模式分别是:下游表层倒灌-上游底层入流、下游中层倒灌-上游底层入流和下游底层倒灌-上游底层入流,对该环流模式下的真光层和TN 变化做进一步分析,结果如图7所示.三者的代表性时间段、混合层深度、TN 变化见表2.

表2 典型环流模式下P2监测点断面混合层及TN 变化范围

如图7(a)所示,在下游表层倒灌-上游底层入流的环流模式下,库湾下游受倒灌影响,TN 浓度较低的干流水体侵入库湾中上层,库湾水体TN 下降较明显;在库湾上游底层高浓度异重流持续输入,直观表现为沉积物-水界面以上15 m 左右形成TN 浓度分层.空间上,TN 浓度从上游至河口沿程降低,同时在深度逐渐升高.

如图7(b)所示,在下游中层倒灌-上游底层入流的环流模式下,干流倒灌低TN 水体进入库湾,使低浓度水体以河口中层为原点,向库湾呈放射状的影响模式.空间上TN 浓度从上游至河口沿程降低,垂向上呈现高-低-高的浓度分层状态,底层水体受高浓度异重流影响,河床以上10 m 内的水体TN 浓度明显偏高.

如图7(c)所示,在下游底层倒灌-上游底层入流的环流模式下,TN 浓度较低的干流水体倒灌进入库湾,在下游底部同上游顺坡异重流相遇,经过发展后,库湾的TN 浓度沿程变化十分明显,且由于水头阻断,底层倒灌异重流被顶托至中表层水体,低浓度水体影响范围较大.

2.3 基于粒子示踪法库湾营养盐补给分析

通过设置固定工况,在模型中生成稳态典型环流模式.经过10 d运行,环流模式正式稳定,在此时添加示踪粒子,对粒子在库湾中的转运输移情况,分析环流对真光层营养盐的补给状态.

图8(a)为在下游表层倒灌-上游底层入流模式下粒子运动过程.加入粒子第1天(对应儒略日:11 d,下同),上游输入粒子全部进入库湾,下游粒子仅57%由表层输入库湾.第5天,上下游粒子逐渐集中于下游中底层,且下游营养盐粒子的库湾留存率为7%,两方水体对表层TN 补给率较低.第10 d,上游入流补给真光层范围局限在库湾上游P3点位5 km 以内,下潜水头较大,使得大部分营养盐由底层流出库湾,对库湾主体水域真光层TN 贡献较小;下游倒灌水体的补给范围仅延伸至距河口15 km 的水域,沿程补给能力逐渐减弱.

图8 典型环流模式下TN 浓度及粒子变化

图8(b)为下游中层倒灌-上游底层入流模式下粒子运动过程.粒子加入第1天,上游粒子全部进入库湾,下游粒子仅有57%从中层进入库湾.第5天,上下游水体在距库湾上边界10 km 的位置相遇,90%的上游粒子停留在库湾表层,对表层水体的TN 补给率提高;下游受双环流影响,倒灌水体对底层、表层的补给率显著提高.下游粒子仅5%留存库湾,且对营养盐的补给仅在中层,因此对表层水体贡献较小.第18天,24%上游粒子留存于库湾,受涡流影响滞留于库湾中上游位置;下游粒子库湾留存率为0.

图8(c)为下游底层倒灌-上游底层入流模式下粒子运动过程.加入粒子第1天,下游营养盐粒子垂向分布于河口中下层,TN 浓度在上游出现断层分布.第5天,上游入流粒子仍保持聚集态,集中于上游中层水体,下游倒灌异重流携带的营养盐粒子扩散于库湾中下游水体的真光层区域,补给范围广泛.第18天后,仍存在少量上游营养盐粒子分布于真光层,补给时间相对较长.

3 讨论

3.1 典型环流模式对香溪河库湾混合层深度的影响

在三峡水库支流库湾,其水体环流模式主要取决于上下游的水动力过程,而在香溪河库湾,分层异重流则是主导库湾水动力环境复杂多变的重要原因.分层异重流的产生源自两种密度不同的水体接触后,发生的层流式水体交换[14].在内陆水体中,水体温度和泥沙含量是影响其密度差异的主要因素[15].前期研究也发现,干支流温度差是决定异重流潜入及发展的重要原因[16-17].当春夏季长江干流水温升高时,表层倒灌异重流频次显著升高,底层倒灌现象显著减少[18].本研究通过数值模型总结了6种典型环流模式,本质上都是上、下游分层异重流对库湾水体的侵入而形成的水体环流过程,影响环流模式的主要参数有干支流水体温差、含沙量及上游入流水温等.

混合层(Mixed layer)指与表层水温在0.5℃以内的水体,混合层深度变化对藻类水华生消过程有十分重要的作用[19].内陆水体热量结构和垂向混合深度主要受大气温湿度、风应力、太阳辐射等因素影响[20].根据临界层理论[21],混合层深度是水动力条件对藻类生长环境影响的直观表现,也是预测水华生长趋势的重要指标之一.已有研究表明[22],混合层深度小于真光层时,藻类可大量累积有利于水华形成,而深度增大至真光层以下时则可以抑制藻类生长.P2监测断面混合层深变化图如图9所示,环流模式出现日期统计图如图10所示.

图9 P2监测断面混合层深变化图

图10 环流模式出现日期统计图

下游表层倒灌作用使得混合层深度增加,加强了库湾真光层水体的垂向掺混[23];而9 月的中层倒灌异重流混合层深度起初很大后逐渐减小,持续的中层倒灌使得表层水体被顶托分层逐渐加剧;底层倒灌异重流与底层顺坡异重流相遇,使得底层垂向掺混强度增加,但由于动量守恒,两水头相遇造成横向流速减缓,库湾水龄增加,在一定程度上抑制了混合层发展.

基于2015年全年模拟结果分析混合层深度变化,发现香溪河库湾类似湖泊型水体存在冬季混合层较深而夏季较浅的特性,除环流模式以外的环境影响因子对混合层深度变化的协同作用,如光照、气温、入流水温等,尤其是光照和气温对表层水体影响较大,可在之后的稳态环流实验中控制变量作进一步分析.

3.2 香溪河真光层水体营养盐来源分析

真光层是指水生浮游植物进行有效光合作用的水层,是浮游植物进行光合作用获取能量、产氧固碳的主要场所[24],因此真光层中营养盐浓度是水华暴发风险评价的重要一环[25].从现有研究得出的一般结论认为,真光层、营养盐、温度以及水动力条件共同促使水生浮游植物的生物量在一个时间段内持续提高,最终导致水华暴发.香溪河不同时期发生的不同形式的干流倒灌水体,势必造成不同程度的物质交换,进而影响到藻类生长的主要场所:真光层的营养盐浓度,对水华的发展形成一定影响[26].根据粒子示踪法计算得出的3个监测点位的真光层水体营养盐来源估算结果见表3.

表3 典型环流模式库湾真光层营养盐贡献率表

根据粒子示踪算法的结果,上游来流对P3(回水末端)贡献率在三类典型环流模式中均较高,且随着下游倒灌异重流潜入深度的增加,上游来流的真光层营养盐范围扩散至下游河口,可能的原因是底层水头碰撞导致库湾垂向掺混增强,水龄增加[27],导致上游来流对不同监测点位的营养盐贡献率提高.长江干流的倒灌补给率在表层倒灌情况下的补给力度最大.倒灌异重流的营养盐补给率同样受底层水头碰撞的影响,在下游底层倒灌的条件下对真光层的营养盐补给率较中层倒灌时更高.2015全年观测数据表明,上游底层入流-下游表层倒灌环流模式占160/365,可以认为该模式是香溪河主要的环流模式.将全年作为评价尺度,即将三类环流模式按全年所占比例进行贡献率分布,发现香溪河库湾的营养盐主要供给源是长江干流倒灌补给,上游来流携带的营养盐贡献率相对较小,与徐雅倩等[28]在香溪河的结论相同.