定常風(fēng)對(duì)鄱陽湖水動(dòng)力的影響*

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2012CB417003)、江西省重大生態(tài)安全問題監(jiān)控協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(JXS-EW-00)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301023,41371062)聯(lián)合資助.2014-12-05收稿；2015-04-18

收修改稿.姚靜(1980～)，女，助理研究員; E-mail: jyao@niglas.ac.cn。

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定常風(fēng)對(duì)鄱陽湖水動(dòng)力的影響*

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2012CB417003)、江西省重大生態(tài)安全問題監(jiān)控協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(JXS-EW-00)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301023,41371062)聯(lián)合資助.2014-12-05收稿；2015-04-18

收修改稿.姚靜(1980～)，女，助理研究員; E-mail: jyao@niglas.ac.cn。

(1：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

(2：江西師范大學(xué)，鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330022)

(3：中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

摘要：鄱陽湖屬大風(fēng)區(qū)，風(fēng)場(chǎng)作為僅次于流域“五河”傾瀉和長江頂托作用的另一重要驅(qū)動(dòng)力，或在某些時(shí)刻影響局部區(qū)域的水流結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響局部水體中泥沙、污染物、營養(yǎng)鹽等物質(zhì)的輸移和擴(kuò)散.基于鄱陽湖二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，模擬定常風(fēng)場(chǎng)條件下的鄱陽湖流場(chǎng)分布及環(huán)流形式，并與無風(fēng)條件下的水流時(shí)空結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比.結(jié)果表明：3.03m/s的NE向和SSW向定常風(fēng)對(duì)湖泊水位影響微弱；對(duì)流速的影響主要集中在7月中旬至9月底的“湖相”期；其影響區(qū)域主要分布在湖區(qū)中部大湖面偏西岸及東部湖灣，約占湖泊最大水面積的16%；上述區(qū)域出現(xiàn)明顯環(huán)流，環(huán)流結(jié)構(gòu)具有時(shí)空異質(zhì)性特點(diǎn)，環(huán)流區(qū)流速普遍增至無風(fēng)時(shí)的兩倍以上；NE向和SSW向風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的環(huán)流位置相近，方向相反.相比于以往鄱陽湖水動(dòng)力研究中對(duì)風(fēng)場(chǎng)的忽略，本次研究揭示了定常風(fēng)場(chǎng)對(duì)鄱陽湖的重點(diǎn)影響區(qū)域、影響程度及影響形式，可為泥沙及污染物輸移模擬中對(duì)風(fēng)場(chǎng)條件的處理及可能帶來的誤差與誤差的空間分布提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水動(dòng)力模擬；定常風(fēng)；風(fēng)生環(huán)流；鄱陽湖

湖泊水動(dòng)力過程對(duì)湖泊中的物質(zhì)、能量的輸移擴(kuò)散起著決定性作用.湖泊水流的數(shù)值模擬是泥沙、污染物、生態(tài)等各要素模擬的基礎(chǔ).對(duì)大型寬淺且相對(duì)封閉的湖泊而言，風(fēng)為水流的主要驅(qū)動(dòng)力.風(fēng)場(chǎng)的存在，改變了水流的流速和運(yùn)動(dòng)軌跡，影響泥沙、污染物、營養(yǎng)物質(zhì)等輸移、擴(kuò)散及再懸浮，進(jìn)而影響水質(zhì)及水生生態(tài)系統(tǒng)[1-4].這使得準(zhǔn)確模擬并評(píng)估風(fēng)場(chǎng)對(duì)水動(dòng)力場(chǎng)的影響作用顯得尤為重要。

在我國，太湖即為典型的風(fēng)生流湖泊，太湖風(fēng)生流的數(shù)值模擬研究，開展得較早且深入[5-10].與太湖湖盆地形相對(duì)平坦、水位變幅較小的水情地貌特點(diǎn)相比，鄱陽湖情況截然不同.鄱陽湖作為我國最大的通江湖泊，受贛江、撫河、信江、饒河、修水“五河”來水及長江來水的雙重影響，屬吞吐型、季節(jié)性湖泊.鄱陽湖地形變化極具空間異質(zhì)性特點(diǎn)，湖盆自東向西、由南向北傾斜，南北高程落差達(dá)10m，南北最大長度為173km，最寬處70km，入江通道最窄處約2.8km[11].“五河”來水自上游注入后，在重力作用下，沿河道及洲灘，順地勢(shì)向下游推進(jìn)，至湖口匯入長江.受“五河”和長江來水的季節(jié)性變化影響，鄱陽湖水位變幅巨大(可達(dá)10m以上)[11]，高水湖相、低水河相，湖流類型以重力型吞吐流為主，風(fēng)生流僅為次要類型[12]。

以往有關(guān)鄱陽湖水動(dòng)力模擬方面的研究，水流驅(qū)動(dòng)力主要考慮“五河”來水傾瀉和長江頂托作用，通過建立鄱陽湖水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，模擬鄱陽湖的水位、濕地面積等變化評(píng)價(jià)環(huán)境影響，取得了良好的模擬效果[13-17].這些研究均未考慮風(fēng)作為次要因素的影響，但并不影響整體水位模擬效果.但需要強(qiáng)調(diào)的是，鄱陽湖屬大風(fēng)區(qū)，據(jù)文獻(xiàn)[18]報(bào)道，星子湖區(qū)6級(jí)以上大風(fēng)年內(nèi)最多達(dá)86d，年均45d，棠蔭站曾實(shí)測(cè)到風(fēng)速31m/s.加之鄱陽湖幅員遼闊，湖泊地形復(fù)雜，河道、島嶼、碟形洼地與灘地并存，大湖面時(shí)期，在局部地形和風(fēng)場(chǎng)的共同作用下，或可能出現(xiàn)風(fēng)生流占主導(dǎo)的情形.目前為止，鄱陽湖盛行風(fēng)在哪些時(shí)段有著頗為顯著的影響作用？在空間尺度上其影響范圍究竟有多大？其影響形式和程度是怎樣的？不同湖區(qū)對(duì)風(fēng)場(chǎng)有著怎樣的響應(yīng)程度？這些問題至今仍缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和深入研究。

圖1 鄱陽湖地形及水文站點(diǎn)分布Fig.1 Bathymetry of Lake Poyang and locations of hydrological gauging stations in the lake

鑒于以上幾點(diǎn)，本文在鄱陽湖二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，設(shè)置定常風(fēng)場(chǎng)，模擬定常風(fēng)場(chǎng)影響下鄱陽湖水流空間結(jié)構(gòu)及變化過程，分析風(fēng)場(chǎng)對(duì)鄱陽湖的主要影響區(qū)域、影響量級(jí)及流態(tài)響應(yīng)形式.本研究結(jié)果不僅有助于闡釋空間湖流形態(tài)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的響應(yīng)機(jī)制，還可為泥沙及污染物輸移模擬中對(duì)風(fēng)場(chǎng)條件的處理及可能帶來的誤差與誤差的空間分布提供重要依據(jù)，更重要的是該成果可用于進(jìn)一步解釋鄱陽湖水環(huán)境的空間異質(zhì)特性及其影響因素。

1 研究方法與方案設(shè)計(jì)

1.1 水動(dòng)力學(xué)模型

鄱陽湖屬寬淺型湖泊，水體垂向混合較好[19]，適用于二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型.針對(duì)鄱陽湖岸線曲折復(fù)雜、地形起伏多變、水位變幅巨大的特點(diǎn)，選擇基于無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的MIKE 21模型.一方面，無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以更好地?cái)M合地形和岸線，而且通過靈活的加密技術(shù)，對(duì)曲折的湖中河道進(jìn)行局部加密，可達(dá)到對(duì)地形的準(zhǔn)確刻畫；另一方面，模型中的干濕判別方法，通過設(shè)置最小干、濕水深，判斷網(wǎng)格是否參與計(jì)算，可準(zhǔn)確模擬鄱陽湖大面積頻繁露灘、淹沒過程。

基于MIKE 21的鄱陽湖二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍及岸線邊界根據(jù)湖泊歷史洪水淹沒范圍確定(圖1，基面為85國家高程).流域五河的入湖徑流過程作為水動(dòng)力模型上游開邊界條件，湖泊出口湖口處水位過程作為下游開邊界條件.模型采用三角形網(wǎng)格，為了更好地刻畫湖中河道地形變化，對(duì)主河道區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，最小網(wǎng)格為70m，而遠(yuǎn)離主河道的洲灘區(qū)域網(wǎng)格分辨率相對(duì)較粗，最大網(wǎng)格尺寸為1500m，共計(jì)剖分網(wǎng)格20450個(gè).該模型作為鄱陽湖水文水動(dòng)力聯(lián)合模擬系統(tǒng)中的水動(dòng)力模塊，已成功再現(xiàn)鄱陽湖水動(dòng)力時(shí)空變化過程[15-16].模型參數(shù)設(shè)置和率定過程詳見文獻(xiàn)[15-16].反映風(fēng)場(chǎng)的表面風(fēng)應(yīng)力計(jì)算公式為：

(1)

1.2 鄱陽湖水情

鄱陽湖屬過水型湖泊，湖流以吞吐流為主[19]，平均換水周期約為21d[14].為配合風(fēng)場(chǎng)資料時(shí)間序列，選取2010年作為代表年份進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值模擬.據(jù)2010年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，“五河”流量年內(nèi)平均為5075.2 m3/s，受暴雨影響，6月21日達(dá)年內(nèi)峰值44719 m3/s.湖泊水位以星子站為代表，最高水位20.28m，最低水位7.75m，水位最大變幅12.53m；平均水位13.84m，比該站1960-2010年多年平均水位高0.49m.基于水位-面積及水位-庫容曲線[22]可得，2010年湖盆區(qū)最大水面面積3265.5km2，對(duì)應(yīng)庫容275.8×108m3，最小水面面積550km2，對(duì)應(yīng)庫容13.1×108m3。

圖2 2010年鄱陽湖水位驗(yàn)證Fig.2 Validation of water levels at four hydrological gauging stations in 2010

1.3 模型驗(yàn)證

圖3 2010年湖口站流量驗(yàn)證Fig.3 Validation of discharge at Hukou hydrological gauging station in 2010

表1 2010年模型驗(yàn)證誤差

該模型已對(duì)2000-2008年的水位、水面積、流量、流場(chǎng)等水動(dòng)力指標(biāo)進(jìn)行了全面的率定和驗(yàn)證[15-16]，表明模型具有關(guān)鍵過程模擬方面的能力和優(yōu)勢(shì)，故此處僅對(duì)2010年的水動(dòng)力過程進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證.對(duì)湖區(qū)南北分布的4個(gè)主要水文站點(diǎn)(圖1)的水位過程(圖2)和湖口站的流量過程(圖3)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證誤差見表1.結(jié)果顯示，水位和流量過程吻合較好，除湖口流量驗(yàn)證誤差稍大外，其余各水位驗(yàn)證相對(duì)誤差均在±3%之內(nèi)，確定性系數(shù)均在0.98以上，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)也均達(dá)0.95以上.流速驗(yàn)證方面，1)湖口為流量驗(yàn)證，其余4站為水位驗(yàn)證.從以往鄱陽湖水動(dòng)力模擬研究來看，缺乏流速資料驗(yàn)證是一直以來共同面臨的問題.如何在缺乏資料的情況下，有效地驗(yàn)證流速的真實(shí)性和準(zhǔn)確性？自2013年底開始，于星子和湖口附近，進(jìn)行多次ADCP斷面流速監(jiān)測(cè)(圖1)，積累了部分流速斷面資料.本文選取2014年5月23日星子斷面和2013年12月4日湖口斷面的流速監(jiān)測(cè)資料，分別代表洪、枯季(高、低水位)的流速情況.由于缺乏2010年之后的水文數(shù)據(jù)，無法模擬2013、2014年的同時(shí)刻流速斷面并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較.為使不同年份的流速具有可比性，選擇本模型水情與2010年相近的時(shí)期進(jìn)行流速對(duì)比.2014年5月23日測(cè)得星子附近斷面水位約為18m，流量為11280.1 m3/s，根據(jù)2010年的模擬情況，選擇5月26日水位17.8m、流量12200.6 m3/s條件下的星子斷面流速與之比較；2013年12月4日測(cè)得湖口斷面水位7.4m、流量1386.9 m3/s，選取計(jì)算的2010年12月8日水位8.1m、流量1207.1 m3/s條件下的湖口斷面流速與之對(duì)比.斷面以河道左岸為起點(diǎn)，沿垂直河道方向，至右岸結(jié)束，枯水時(shí)由于水量減少、河寬收縮，實(shí)際監(jiān)測(cè)距離小于模型中的左右岸邊界距離.從斷面流速對(duì)比可知(圖4)，在相似水情條件下，流速斷面從量級(jí)到分布趨勢(shì)都比較接近，但畢竟不同年份水情不可能完全相同，流速量值存在一定的偏差，且由于不同年份斷面局部地形變化，存在小范圍內(nèi)流速變化不一致的情形(圖4a).總體而言，這種流速對(duì)比方法在缺乏驗(yàn)證資料的情況下也不失為一種可行的替代方式.綜上所述，模型在2010年水位、流量和流速方面模擬較好，能真實(shí)反映水動(dòng)力變化過程。

圖4 2010年星子斷面和湖口斷面流速驗(yàn)證Fig.4 Validation of velocity at Xingzi and Hukou cross sections in 2010

1.4 風(fēng)場(chǎng)分析及模擬方案

風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用位于星子縣的鄱陽湖湖泊濕地觀測(cè)研究站標(biāo)準(zhǔn)氣象場(chǎng)實(shí)測(cè)的2010年1-12月每日3次(8：00、14：00、20：00)的風(fēng)速、風(fēng)向資料，其中11、12月只有風(fēng)向資料，風(fēng)速資料缺測(cè).鄱陽湖水面遼闊，各處風(fēng)場(chǎng)并不均勻，但由于缺乏多站點(diǎn)實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)資料，因此假定全湖風(fēng)場(chǎng)空間均一，以星子站實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)為代表進(jìn)行計(jì)算.鄱陽湖水情復(fù)雜，受“五河”和長江來水雙重影響，不同季節(jié)“河相”、“湖相”相互轉(zhuǎn)換.模擬不同水情疊加變化的風(fēng)場(chǎng)組合，難以區(qū)分風(fēng)場(chǎng)影響.本文側(cè)重關(guān)注鄱陽湖盛行風(fēng)風(fēng)向?qū)λ畡?dòng)力場(chǎng)的影響，因此從最基本的定常風(fēng)模擬入手，統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)頻次最多的風(fēng)向及其對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速，模擬該風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)不同季節(jié)、不同水情的湖泊水流影響方式及差異，而不同風(fēng)速大小的影響差異需要在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步測(cè)試研究，本文中不予以考慮。

以往觀測(cè)及研究結(jié)果[12,18,23]表明，除6-8月盛行偏南風(fēng)外，鄱陽湖全年大多時(shí)間為偏北風(fēng).從星子站2010年全年及6-8月的風(fēng)玫瑰圖(圖5)可知，星子站全年的常風(fēng)向?yàn)镹E向，6-8月的常風(fēng)向?yàn)镾SW向，與以往結(jié)論相吻合。

圖5 星子站風(fēng)玫瑰圖Fig.5 Rose diagram of wind direction at Xingzi station

分別模擬2010年整年無風(fēng)、NE向定常風(fēng)、SSW向定常風(fēng)3種情景的水動(dòng)力變化過程.根據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)的NE向風(fēng)對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速為3.03m/s，將該值設(shè)為NE向定常風(fēng)風(fēng)速，為方便比較，SSW向定常風(fēng)風(fēng)速也取為3.03m/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)場(chǎng)對(duì)主河道的影響

為分析風(fēng)場(chǎng)對(duì)鄱陽湖各水動(dòng)力要素的影響，首先提取4個(gè)水文站點(diǎn)有風(fēng)、無風(fēng)條件下的水位、流速、流向過程曲線(圖6).由圖6可知，在3.03m/s的風(fēng)速條件下，無論是NE向還是SSW向風(fēng)，各站點(diǎn)水位變化過程與無風(fēng)條件下的基本吻合，即該風(fēng)場(chǎng)條件對(duì)水位的影響很微弱.流速、流向方面，7月中旬至9月底的“湖相”期，棠蔭、康山站受風(fēng)的影響相對(duì)明顯，主要是因?yàn)椤昂唷逼谑荛L江頂托作用，重力流變緩，水面開闊，有利于風(fēng)生流的形成，而棠蔭、康山站正處于開闊大湖面。

2.2 風(fēng)場(chǎng)對(duì)流速場(chǎng)的影響

為進(jìn)一步分析風(fēng)場(chǎng)對(duì)空間流速場(chǎng)的影響，針對(duì)影響顯著時(shí)段，分別計(jì)算NE向和SSW向風(fēng)場(chǎng)作用下7月20日至9月30日期間全場(chǎng)平均流速分布，并與無風(fēng)條件下的該時(shí)段全場(chǎng)平均流速分布相比.NE向風(fēng)場(chǎng)作用下，湖區(qū)大部分淺灘區(qū)域流速減小，量級(jí)小于0.5cm/s，相反，河道流速存在不同程度的增大；SSW向風(fēng)場(chǎng)作用下，與NE向相反，大部分淺灘區(qū)域流速增大，增幅也在0.5cm/s以內(nèi)，而河道流速存在不同程度的減小(圖7).主要原因?yàn)椋簻\灘相對(duì)河道而言，水深較淺，更易受風(fēng)的影響，NE向風(fēng)與主要流向相逆，對(duì)淺灘水流產(chǎn)生阻礙作用，而SSW向風(fēng)順應(yīng)主流向，對(duì)淺灘水流有一定的推動(dòng)作用，主河道因水深較深，流速較大，在重力流作用下并不直接受風(fēng)的影響，而是在周圍淺灘水體流速變化帶動(dòng)下，產(chǎn)生反方向的流速補(bǔ)償.無論哪種風(fēng)向，在湖區(qū)中部湖灣及中部西岸，均存在明顯的流速增大區(qū)，流速普遍增至兩倍以上，最大增幅為2.0～2.5cm/s.對(duì)照流場(chǎng)圖可以發(fā)現(xiàn)，上述區(qū)域流速增大主要是由環(huán)流引起的，由于地處開闊的大湖面，流速相對(duì)緩慢，而水深變化較大，極易形成風(fēng)生環(huán)流.明顯環(huán)流區(qū)面積可達(dá)600km2，約占湖泊最大水面積的16%。

2.3 典型環(huán)流區(qū)分析

鑒于上節(jié)流速變化的空間分析結(jié)果，結(jié)合流場(chǎng)隨時(shí)間的變化過程，劃分出風(fēng)生環(huán)流比較明顯的3個(gè)局部區(qū)域(圖8)，以便進(jìn)行局部流場(chǎng)的詳細(xì)比對(duì).圖中A區(qū)位于東部湖灣，B區(qū)位于東南部湖灣，C區(qū)位于湖區(qū)中部偏西.重點(diǎn)分析受風(fēng)場(chǎng)影響最為明顯的時(shí)段，即7月中旬至9月底。

圖6 有風(fēng)、無風(fēng)條件湖區(qū)水位、流速與流向變化過程曲線Fig.6 Comparisons of water level, current speed and current direction of four hydrological gauging stations with no wind, NE wind and SSW wind

圖7 有風(fēng)與無風(fēng)條件相比全場(chǎng)平均流速變幅分布(7月20日-9月30日，正值代表流速增大，負(fù)值代表流速減小)Fig.7 Spatial distribution of average current speed difference between wind conditions and no wind condition(July 20th-September 30th, positive for increasing current speed and negative for decreasing current speed)

圖8 典型環(huán)流區(qū)劃分Fig.8 Typical circulation regions

從流場(chǎng)變化來看，7月中旬至9月底,A區(qū)、B區(qū)在兩種風(fēng)場(chǎng)作用下均存在穩(wěn)定的環(huán)流，故選擇8月8日的流場(chǎng)作為典型流場(chǎng)進(jìn)行分析。

A區(qū)(圖9)地形南高北低，北部近岸區(qū)常年有水，但流速極小，近乎停滯.在NE向風(fēng)場(chǎng)作用下，東南部的湖濱淺水區(qū)水體最易受影響，順風(fēng)向自東北流向西南，脅迫東南入湖口處水流也向西南向偏移，拉動(dòng)北部深水湖區(qū)水體形成補(bǔ)償流，依地形走勢(shì)呈順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)形成最大直徑18km的環(huán)流渦旋；西北部小湖灣，在主河道和束窄的湖岸共同影響下，也形成了小尺度順時(shí)針環(huán)流.而在SSW風(fēng)場(chǎng)作用下，東南部淺水區(qū)仍受風(fēng)場(chǎng)直接影響，流向與風(fēng)向一致，指向東北，導(dǎo)致東部整體流態(tài)呈S型，在與NE向風(fēng)生環(huán)流相同位置，形成了逆時(shí)針環(huán)流，同時(shí)在島嶼的東南部，受微地形和周圍流態(tài)影響，也存在逆時(shí)針環(huán)流渦旋；西北部湖灣雖未形成封閉環(huán)流，但流向發(fā)生了偏逆時(shí)針方向的變形.A區(qū)不同風(fēng)場(chǎng)引起的主要環(huán)流方向符合以往研究規(guī)律，即淺水區(qū)風(fēng)生流向與風(fēng)向一致，深水區(qū)則與風(fēng)向相反[24-25]。

圖9 A區(qū)流場(chǎng)及環(huán)流示意圖Fig.9 Flow field and circulation patterns in region A

B區(qū)(圖10)在NE向風(fēng)場(chǎng)作用下，產(chǎn)生順時(shí)針環(huán)流；在SSW風(fēng)場(chǎng)作用下，產(chǎn)生逆時(shí)針環(huán)流，均與A區(qū)的主要環(huán)流方向一致。

圖10 B區(qū)流場(chǎng)及環(huán)流示意圖Fig.10 Flow field and circulation patterns in region B

簡而言之，東部湖灣A、B區(qū)，在NE向風(fēng)場(chǎng)作用下，會(huì)形成穩(wěn)定的順時(shí)針環(huán)流，而在SSW風(fēng)場(chǎng)作用下，相同區(qū)域形成逆時(shí)針環(huán)流.風(fēng)生環(huán)流的存在使得東部湖灣主河道外的大部分區(qū)域流速普遍增大，但流速量級(jí)總體仍較小。

C區(qū)流場(chǎng)變化最為復(fù)雜，環(huán)流并不穩(wěn)定，其產(chǎn)生位置和尺度隨時(shí)空變化顯著.對(duì)照水位過程曲線(圖2)可知，7月底至8月底，水位急劇下降；8月底至9月底，水位變化處于相對(duì)滯緩期.因此，分別選取8月8日和9月15日為兩時(shí)期典型代表進(jìn)行流場(chǎng)對(duì)比分析(圖11).無風(fēng)狀態(tài)，9月15日流速與8月8日相比整體偏小，這與兩時(shí)段的水位變化相呼應(yīng).在NE向風(fēng)場(chǎng)作用下，9月15日西北部出現(xiàn)多處尺度不一的環(huán)流，以逆時(shí)針為主，因該區(qū)域處于大湖面，水深較淺，水下地形復(fù)雜，加之受島嶼掩蔽作用，極易生成環(huán)流；該區(qū)南部，大湖面沿岸帶，水流明顯發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，從湖盆地形(圖1)可知，該處地形變化較大，對(duì)風(fēng)場(chǎng)作用較為敏感；而8月8日水位急劇下降，流速較大，相對(duì)而言受風(fēng)影響較小，因而整個(gè)西岸都沒有形成環(huán)流，只在局部有微弱的流向變化.SSW向風(fēng)場(chǎng)作用下，9月15日，島嶼南側(cè)水流偏轉(zhuǎn)呈“幾”字形，并伴有順時(shí)針環(huán)流；西岸在NE向出現(xiàn)明顯偏轉(zhuǎn)流的相近位置，形成逆時(shí)針環(huán)流；而8月8日，雖然也有環(huán)流形成，但整體流態(tài)的變化程度不及前者。

圖11 C區(qū)流場(chǎng)及環(huán)流示意圖Fig.11 Flow field and circulation patterns in region C

總體而言，在NE向和SSW向風(fēng)場(chǎng)作用下，C區(qū)在西岸及湖中島的南側(cè)都易生成環(huán)流，環(huán)流位置大致相同，但方向相反；水位停滯期整體流速偏小，受風(fēng)場(chǎng)影響更明顯，環(huán)流尺度更大。

3 討論

本文利用有限的風(fēng)場(chǎng)資料，采用定常風(fēng)場(chǎng)，模擬鄱陽湖風(fēng)生流的產(chǎn)生時(shí)間、位置、環(huán)流形態(tài)等.真實(shí)的風(fēng)場(chǎng)均為非定常風(fēng)，本文對(duì)于定常風(fēng)的影響模擬研究，并不是為了反演某真實(shí)風(fēng)場(chǎng)過程，而是針對(duì)真實(shí)風(fēng)場(chǎng)中出現(xiàn)頻率較高的風(fēng)向，研究其影響形式和區(qū)域.定常風(fēng)風(fēng)場(chǎng)作用下風(fēng)向和風(fēng)速固定不變，故環(huán)流形式相對(duì)穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間也較長；而真實(shí)風(fēng)場(chǎng)作用下，由于風(fēng)向、風(fēng)速的頻繁變化，導(dǎo)致環(huán)流的大小、方向及結(jié)構(gòu)形式隨之變化，并非定常風(fēng)下的一成不變，環(huán)流持續(xù)時(shí)間也與某風(fēng)向持續(xù)時(shí)間相關(guān).此外需要說明的是，本文定常風(fēng)風(fēng)速采用的是資料統(tǒng)計(jì)的平均值，對(duì)極端風(fēng)速可能引起的短暫情景未予以考慮。

定常風(fēng)風(fēng)速根據(jù)2010年1-10月的風(fēng)速序列做平均，缺少11-12月大風(fēng)月資料，故得到的平均風(fēng)速3.03m/s比文獻(xiàn)[12]里的略小.但本研究主要針對(duì)鄱陽湖的兩種盛行風(fēng)，側(cè)重風(fēng)向的影響，風(fēng)速大小的影響并非研究重點(diǎn).類似的風(fēng)向?qū)椿蚝乘畡?dòng)力影響研究已有不少，如Razmi等[26]通過設(shè)置多種風(fēng)向、相同風(fēng)速(3m/s)的定常風(fēng)，測(cè)試大型湖泊中開敞式湖灣湖流結(jié)構(gòu)對(duì)不同風(fēng)場(chǎng)的響應(yīng)，結(jié)果表明：在大型湖泊中，即使是很小的湖灣，也有可能產(chǎn)生復(fù)雜流態(tài)；風(fēng)向發(fā)生小角度改變，湖流結(jié)構(gòu)即發(fā)生明顯變化.Anderson等[27]通過8種主風(fēng)向和2種風(fēng)速組合的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，圣克萊爾湖及其三角洲對(duì)某些風(fēng)向較為敏感，響應(yīng)程度也存在較大的空間異質(zhì)性特點(diǎn)，某些風(fēng)場(chǎng)組合條件下，甚至?xí)霈F(xiàn)倒灌流.Guo等[2]模擬了同一風(fēng)應(yīng)力的4種定常風(fēng)(NE、NW、SW、SE)對(duì)切薩皮克海灣流場(chǎng)和鹽度場(chǎng)的時(shí)空結(jié)構(gòu)影響，結(jié)果顯示，上、下游海灣對(duì)不同風(fēng)向的響應(yīng)并不相同.本研究與上述研究結(jié)論相似，即不同的風(fēng)向?qū)α鲌?chǎng)的影響形式不同，不同區(qū)域?qū)ν伙L(fēng)向的響應(yīng)程度也存在較大差異；區(qū)別在于本文沒有對(duì)風(fēng)向影響做廣泛測(cè)試，只是集中模擬分析了鄱陽湖兩種盛行風(fēng)的影響。

以往風(fēng)生流的研究結(jié)果[28-30]表明：相似風(fēng)向條件下，風(fēng)速增大或減小主要影響流速大小，對(duì)環(huán)流空間分布結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生顯著影響.由此認(rèn)為，本文的風(fēng)速模擬結(jié)果基本能代表NE、SSW風(fēng)向下的流態(tài)結(jié)構(gòu)，可據(jù)此大致了解風(fēng)場(chǎng)對(duì)鄱陽湖水流的作用方式.同時(shí)，風(fēng)生流強(qiáng)弱也受吞吐流量影響[24]，隨著風(fēng)速量級(jí)增大或者吞吐流量的變化，是否會(huì)在其他區(qū)域產(chǎn)生新的環(huán)流，環(huán)流形式或形成時(shí)間會(huì)不會(huì)有所差異，需要在以后的研究中做進(jìn)一步的數(shù)值模擬測(cè)試。

有風(fēng)、無風(fēng)條件下的湖泊水流空間結(jié)構(gòu)的差異體現(xiàn)了風(fēng)場(chǎng)對(duì)鄱陽湖的作用，而無風(fēng)條件下的水動(dòng)力場(chǎng)則反映了“五河”和長江的作用，因此本文結(jié)果也可闡釋“五河”、長江共同作用及風(fēng)場(chǎng)作用對(duì)鄱陽湖水動(dòng)力場(chǎng)的貢獻(xiàn)差異.即：對(duì)大部分湖區(qū)尤其是主河道而言，水流主要驅(qū)動(dòng)力為“五河”和長江，只在湖相期，湖區(qū)中部開闊區(qū)部分淺灘和河道，風(fēng)場(chǎng)的作用可與“五河”和長江作用相當(dāng)；對(duì)流速極小的局部湖灣如東部湖灣，風(fēng)場(chǎng)貢獻(xiàn)甚至可超過“五河”和長江.由于本文只選用一年情景，并未考慮“五河”和長江的多種水情及與不同風(fēng)場(chǎng)的組合，因此對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)力的貢獻(xiàn)無法給出詳細(xì)的對(duì)比，這將在下一步工作中繼續(xù)完善。

風(fēng)生環(huán)流的潛在重要作用使得營養(yǎng)鹽在局部區(qū)域富集，影響浮游植物的分布，有可能導(dǎo)致藻類水華.Ishikawa等[31]通過研究琵琶湖中的藍(lán)藻暴發(fā)，指出環(huán)流渦旋對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)和藻類運(yùn)輸產(chǎn)生重要作用，進(jìn)而對(duì)藍(lán)藻分布產(chǎn)生重要影響.鄱陽湖水質(zhì)總體較好，但是近年的監(jiān)測(cè)資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鄱陽湖水質(zhì)呈下降趨勢(shì)，某些時(shí)段局部湖區(qū)已經(jīng)發(fā)生富營養(yǎng)化，并且整個(gè)湖區(qū)正緩慢向富營養(yǎng)化趨勢(shì)發(fā)展[32-34].Wu等[35]給出鄱陽湖夏季葉綠素a濃度空間分布(2009-2012年)，其中高濃度區(qū)主要分布在東部湖灣，與本研究中的A、B區(qū)域高度吻合，同時(shí)指出，該區(qū)域夏季曾觀測(cè)到藍(lán)藻水華.這恰好印證了本文環(huán)流區(qū)分布的合理性，同時(shí)本研究成果也可從水動(dòng)力角度對(duì)這一現(xiàn)象的解釋給予理論支撐。

鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展與洲灘濕地的發(fā)育和演化密不可分[36].在淺水湖泊中，風(fēng)成浪對(duì)泥沙再懸浮起著重要作用[37]，而風(fēng)生流則影響泥沙的遷移、輸運(yùn)、堆積，進(jìn)而影響泥沙沖淤、洲灘發(fā)育.從本研究結(jié)果來看，鄱陽湖局部湖區(qū)對(duì)風(fēng)場(chǎng)作用響應(yīng)明顯，說明風(fēng)場(chǎng)對(duì)局部湖區(qū)洲灘發(fā)育存在潛在影響。

4 結(jié)論

本文基于鄱陽湖二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，通過無風(fēng)、NE向和SSW向定常風(fēng)(3.03m/s)3種情景模擬，對(duì)考慮及不考慮風(fēng)場(chǎng)對(duì)鄱陽湖水動(dòng)力場(chǎng)的影響，以及兩種定常風(fēng)場(chǎng)的影響差異開展了對(duì)比分析.主要結(jié)論為：

1) 該量級(jí)風(fēng)場(chǎng)對(duì)湖泊水位影響微弱；對(duì)流速影響主要集中在7月中旬至9月底的“湖相”期，尤其水位變化越緩，流速越小，影響越明顯。

2) 風(fēng)場(chǎng)影響區(qū)域主要分布在湖區(qū)中部大湖面偏西岸及東部湖灣；上述區(qū)域出現(xiàn)明顯環(huán)流，環(huán)流區(qū)面積可達(dá)600km2，約占湖泊最大水面積的16%；同一風(fēng)場(chǎng)作用下不同區(qū)域環(huán)流結(jié)構(gòu)及持續(xù)時(shí)間也不盡相同，具有顯著的時(shí)空異質(zhì)性特點(diǎn)；無論哪種風(fēng)向作用，環(huán)流區(qū)流速平均增至無風(fēng)狀態(tài)時(shí)兩倍以上，最大增幅2～2.5cm/s；其它大部分湖區(qū)流速變幅均在±0.5cm/s以內(nèi)。

3) NE向和SSW向風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的環(huán)流區(qū)位置相近，環(huán)流尺度相似，但方向相反。

4) 涉及“湖相”時(shí)期湖區(qū)中部西岸及東部湖灣等局部湖區(qū)的水動(dòng)力、物質(zhì)輸移、泥沙沖淤、洲灘發(fā)育等研究時(shí)，風(fēng)的影響不容忽視。

致謝：感謝鄱陽湖湖泊濕地觀測(cè)研究站提供風(fēng)場(chǎng)資料。

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?2016 byJournalofLakeSciences

The influence of uniform winds on hydrodynamics of Lake Poyang

YAO Jing1, ZHANG Qi1,2**, LI Yunliang1& LI Mengfan1,3

(1：KeyLaboratoryofWatershedGeographicSciences,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China)

(2：KeyLaboratoryofPoyangLakeWetlandandWatershedResearch,MinistryofEducation,JiangxiNormalUniversity,Nanchang330022,P.R.China)

(3：UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,P.R.China)

Abstract：Lake Poyang is a strongly wind-affected region. The wind stress, as the secondary driver after the catchment forcing and effect of the Yangtze River, may influence the flow pattern of local lake body at certain times, which affects the transport and diffusion processes of sediment, pollutants and nutrient substances. Based on two-dimensional hydrodynamic model, the flow distributions and circulation patterns were simulated under uniform wind conditions. Comparisons were made between cases of no wind and uniform wind in order to investigate the spatiotemporal patterns of the flow. The results showed that, for NE and SSW steady winds at 3.03m/s speed, the impact of wind on water level was negligible, and the effect on flow was mainly restricted to the west coast and eastern bay between the middle of July and the end of September. In the affected regions(about 16% of the total lake area), obvious circulations were noted, which showed spatial and temporal variability, and where average flow velocity was approximately twice as much as that for no wind condition. NE and SSW wind-driven circulations occurred in similar locations but corresponding flow directions were opposite. In comparison to previous hydrodynamic simulations of Lake Poyang that ignored wind effect, this study enhanced the understanding of the location, magnitude and pattern of uniform wind forcing effect on flow. It hints the potential uncertainty in sediment and pollutant transport modelling when dealing with wind conditions。

Keywords：Hydrodynamic simulation; uniform wind; wind-driven circulation; Lake Poyang

通信作者姚靜1，張奇1,2*;E-mail: qzhang@niglas.ac.cn.，李云良1，李夢(mèng)凡1,3

DOI10.18307/2016.0126