三峽水庫(kù)香溪河庫(kù)灣不同異重流下水溫分層模式研究

，，　，，

(湖北工業(yè)大學(xué) a.河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢　430068)

1　研究背景

三峽水庫(kù)是世界上規(guī)模最大的水利樞紐工程，在防洪、發(fā)電、航運(yùn)等方面發(fā)揮著重要的作用，為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。三峽水庫(kù)自2003年正常蓄水以來，水庫(kù)近壩支流在不同季節(jié)均出現(xiàn)了大規(guī)模的水華暴發(fā)事件，對(duì)庫(kù)區(qū)的水環(huán)境及水質(zhì)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[1]。

水溫的分布結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響水體中浮游植物的生長(zhǎng)、遷移過程，在不同典型水動(dòng)力條件下水體水溫分布模式也不同[2-5]，水體中浮游植物的生消機(jī)制也會(huì)有所不同，進(jìn)而誘發(fā)了支流庫(kù)灣的水華暴發(fā)[6-7]。因此，研究支流庫(kù)灣在水庫(kù)蓄水后特殊的水動(dòng)力條件下水體水溫分層特點(diǎn)，已成為三峽水庫(kù)水環(huán)境研究的主要問題。

近壩支流與原來天然河流相比，水位抬升、水面變寬、流速減緩，水動(dòng)力條件發(fā)生了改變，支流水體在不同時(shí)期出現(xiàn)不同類型的異重流特點(diǎn)。庫(kù)灣水體在異重流的影響下出現(xiàn)特殊的水溫分層結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致其他生境因子的變化規(guī)律發(fā)生改變[8-10]，同時(shí)對(duì)支流水體營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化、藻類的生長(zhǎng)等都有一定的影響[11-14]。通過利用立面二維模型CE-QUAL-W2，結(jié)合對(duì)庫(kù)灣水體水溫的實(shí)地監(jiān)測(cè)，構(gòu)建了香溪河的水溫水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，分析不同異重流模式下的水體的水溫分層結(jié)構(gòu)，以期研究結(jié)果能夠?yàn)閹?kù)區(qū)支流的水流水溫特性、營(yíng)養(yǎng)鹽遷移及水華預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供相關(guān)的理論支持和技術(shù)支撐。

2　研究概況

2.1　異重流簡(jiǎn)述

異重流是指2種或2種以上的流體相互接觸，在密度有一定的差異時(shí)，如果一種流體沿著交界面的方向運(yùn)動(dòng)，則不同流體間在交界面以及其他特殊的局部處可能發(fā)生一定程度的摻混現(xiàn)象[15-16]。

在水庫(kù)異重流中引起密度差異的因子主要有溫度、含沙量、可溶解性物質(zhì)濃度和鹽度[17]，三峽水庫(kù)支流庫(kù)灣水體異重流主要受溫度和泥沙等的影響[18-19]。

2.2　香溪河庫(kù)灣概況

香溪河是三峽水庫(kù)湖北庫(kù)區(qū)靠近三峽大壩的最大支流，發(fā)源于湖北省西北部的神農(nóng)架林區(qū)。香溪河干流長(zhǎng)94 km，河口距三峽大壩34.5 km，流域面積3 099 km2，隨著壩前水位的抬升，距離香溪河河口32 km范圍內(nèi)形成回水區(qū)，河流由北向南，在秭歸香溪匯入長(zhǎng)江干流(見圖1)。

圖1　香溪河庫(kù)灣采樣點(diǎn)分布Fig.1　Layout of monitoring points in Xiangxi Bay

2.3　監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置

為了分析香溪河水體水溫在垂向上的分布特點(diǎn)，根據(jù)香溪河庫(kù)灣地形條件及三峽水庫(kù)水文情勢(shì)，在香溪河回水區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置了11個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，編號(hào)范圍為XX00—XX10，如圖1 所示。

監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要有：氣溫、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、水溫、pH值、濁度、含沙量、溶解氧、電導(dǎo)率等。監(jiān)測(cè)頻率為1次/周，為減小因采樣監(jiān)測(cè)耗時(shí)所造成的早晚溫差的影響，采樣過程主要在當(dāng)天中午時(shí)分開始，分2 d完成。主要采用的監(jiān)測(cè)設(shè)備有Hydrolab DS5多參儀(美國(guó))、ZDR-1F風(fēng)速風(fēng)向連續(xù)記錄儀(現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定)，其中壩前水位及流量從中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司網(wǎng)站獲取。

3　模型的構(gòu)建

3.1　模型簡(jiǎn)介

CE-QUAL-W2模型是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)和波特蘭州立大學(xué)負(fù)責(zé)開發(fā)的立面二維水質(zhì)水動(dòng)力模型，主要對(duì)河流、河口、湖泊和水庫(kù)在縱向或垂向上的二維水動(dòng)力水質(zhì)進(jìn)行模擬，模型主要應(yīng)用于相對(duì)較狹長(zhǎng)的水體。香溪河為三峽水庫(kù)狹長(zhǎng)形的深水庫(kù)灣，水體水溫在縱向上具有明顯的差異，在橫向上水溫變化微弱，庫(kù)灣具有明顯的立面二維特性[20-21]，故本文選用CE-QUAL-W2模型對(duì)香溪河庫(kù)灣進(jìn)行水溫水動(dòng)力的模擬。

3.2　網(wǎng)格的構(gòu)建

模型計(jì)算網(wǎng)格的劃分采用矩形格式，在縱向或垂向上劃分為若干個(gè)矩形單元段。香溪河河口處的頂部高程為175 m，底部高程為68 m，且回水區(qū)長(zhǎng)32 km，根據(jù)河道實(shí)際地形及網(wǎng)格劃分原則，同時(shí)考慮模型計(jì)算效率與精確度，確定模型計(jì)算網(wǎng)格的大小，網(wǎng)格在垂向單元長(zhǎng)度為1 m，縱向單元長(zhǎng)度為500 m。即在縱向上將香溪河庫(kù)灣劃分為66個(gè)河段，包括首尾2個(gè)虛擬河段；在垂向上，將河口劃分為109層，包括表底2個(gè)虛擬層，香溪河庫(kù)灣的模型網(wǎng)格見圖 2。

圖2　香溪河模型計(jì)算網(wǎng)格分布Fig.2　Calculation model girds for Xiangxi Bay

3.3　模型參數(shù)的率定

模型中影響水溫分層結(jié)構(gòu)的因素比較多，主要有構(gòu)建模型相關(guān)的邊界條件，如氣象條件、入流條件、出流條件和水庫(kù)地形等[22]。在構(gòu)建模型時(shí)參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，同時(shí)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了大量的調(diào)算，最終確定了模型計(jì)算的主要參數(shù)，相關(guān)主要參數(shù)的最終取值如表1所示。

表1　模型主要參數(shù)值Table 1　Main parameters of the model

對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析時(shí)，經(jīng)過大量試算發(fā)現(xiàn)風(fēng)遮蔽系數(shù)(WSC)與光遮蔽系數(shù)(Shade)對(duì)模型計(jì)算誤差影響較大。圖3(a)、圖3(b)分別為WSC及Shade取不同值時(shí)，河口斷面處的垂向水溫分布。由圖3可知，不同風(fēng)遮蔽系數(shù)、光遮蔽系數(shù)取值對(duì)表層水體的垂向水溫分布影響顯著，模型模擬計(jì)算的表層水溫受WSC，Shade參數(shù)取值影響較大。因此在模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要主要對(duì)WSC，Shade 2項(xiàng)敏感性參數(shù)進(jìn)行率定。

圖3　河口垂向水溫分布隨WSC及Shade的變化Fig.3　Vertical distribution of water temperature inthe presence of different WSCs and Shades

模型的參數(shù)率定是一個(gè)反復(fù)調(diào)算的過程，為了保證模型模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要通過比較實(shí)測(cè)值和模型模擬值之間的誤差來不斷地調(diào)整模型參數(shù)值。以XX01，XX06，XX09這3個(gè)斷面為參照點(diǎn)，比較了2011年每月中旬的實(shí)際監(jiān)測(cè)值和模型模擬值，并采用絕對(duì)平均誤差(Absolute Mean Error，AME)、均方差(Root Mean Square Error，RMSE)這2個(gè)統(tǒng)計(jì)量來評(píng)價(jià)模型模擬的準(zhǔn)確性，統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算公式分別為：

(1)

(2)

式中：n為實(shí)測(cè)值的次數(shù)；Xobs,i為變量X的第i個(gè)實(shí)測(cè)值；Xmodel,i為變量X第i個(gè)實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)的模擬值。

2011年水溫模擬值與實(shí)測(cè)值誤差統(tǒng)計(jì)見表2，通過比較2011年每月中旬XX01,XX06,XX09這3個(gè)斷面的實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值發(fā)現(xiàn)，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合較好，該模型能夠準(zhǔn)確地模擬出香溪河庫(kù)灣水體的水溫分布。

4　異重流下的水溫結(jié)構(gòu)分析

通過對(duì)香溪河庫(kù)灣2010—2011年這2年水溫水動(dòng)力的模擬，比較了3種典型的異重流下的水溫分層結(jié)構(gòu)，分析不同類型異重流情勢(shì)下呈現(xiàn)不同典型特征的水溫分布結(jié)構(gòu)的原因。

表2　2011年水溫模擬值與實(shí)測(cè)值誤差統(tǒng)計(jì)Table 2　Statistics of the difference between simulated andmeasured values of water temperature in 2011　℃

4.1　表層倒灌異重流

圖4、圖5分別為2010年和2011年表層倒灌異重流流場(chǎng)及水溫分布?？芍?dāng)庫(kù)灣出現(xiàn)表層倒灌異重流時(shí)，水體水溫呈傳統(tǒng)分布結(jié)構(gòu)，即對(duì)于深水水庫(kù)水溫變化而言，其溫躍層在水體表層。水庫(kù)正常運(yùn)行時(shí)，每年3—5月份為泄水期,期間水位持續(xù)降低，干流水體摻混均勻，水體水溫垂向均勻分布。支流上游來流為神農(nóng)架山區(qū)冰雪融化后的低溫水，與長(zhǎng)江干流水體相比，密度更大，干流水體在河口處以表層倒灌的形式匯入支流庫(kù)灣。庫(kù)灣水體表層為干流倒灌，中下層為支流上有天然來流，此時(shí)水體水溫呈傳統(tǒng)分布結(jié)構(gòu)。

圖4　2010年表層倒灌異重流流場(chǎng)及水溫分布Fig.4　Flow field and temperature distribution ofbackward density current at surface layer in 2010

圖5　2011年表層倒灌異重流流場(chǎng)及水溫分布Fig.5　Flow field and temperature distribution ofbackward density current at surface layer in 2011

圖6　2010年中層倒灌異重流流場(chǎng)及水溫分布Fig.6　Flow field and temperature distribution of backwarddensity current at middle layer in 2010

圖7　2011年中層倒灌異重流流場(chǎng)及水溫分布Fig.7　Flow field and temperature distribution ofbackward density current at middle layer in 2011

4.2　中層倒灌異重流

圖6、圖7分別為2010年和2011年中層倒灌異重流流場(chǎng)及水溫分布，當(dāng)庫(kù)灣出現(xiàn)中層倒灌異重流時(shí)，水體水溫呈“雙混斜”式分層。每年7—9月份為汛期，水庫(kù)運(yùn)行進(jìn)入汛期時(shí)，干流來流量明顯增大，為保證水庫(kù)的正常運(yùn)行，汛期水庫(kù)一般保持低水位運(yùn)行。期間水位仍有較大波動(dòng)，汛末蓄水初期，水庫(kù)干流含沙量逐漸增加，支流水體受天氣因素影響，水體的表層與底層的溫度及密度差異較大。在一定時(shí)期，干流來流的含沙水體密度介于支流表底層水體密度之間，干流水體在河口處以中層倒灌異重流形式進(jìn)入庫(kù)灣，此時(shí)表層水體溫度較高，中層為干流倒灌進(jìn)入庫(kù)灣的水，溫度分布均一，底層水溫較低，水庫(kù)水溫在垂向分布上出現(xiàn)中上層和中下層2個(gè)溫躍層，即庫(kù)灣水體的水溫呈“雙混斜”式分布。

圖8　2010年底層倒灌異重流流場(chǎng)及水溫分布Fig.8　Flow field and temperature distribution ofbackward density current at bottom layer in 2010

圖9　2011年底層倒灌異重流流場(chǎng)及水溫分布Fig.9　Flow field and temperature distribution ofbackward density current at bottom layer in 2011

4.3　底層倒灌異重流

圖8、圖9分別為 2010年和2011年底層倒灌異重流流場(chǎng)及水溫分布，當(dāng)庫(kù)灣出現(xiàn)底層倒灌異重流時(shí)，水體呈“半U(xiǎn)”型分層。10—12月份為蓄水期，蓄水期間水庫(kù)保持較高水位運(yùn)行，干流水體流速變緩。由于光照、氣溫及水熱容的影響，干流水體水溫低于支流水體水溫，水體密度較大，從底層倒灌進(jìn)入支流庫(kù)灣，在河口處以底部倒灌異重流的形式進(jìn)入庫(kù)灣，庫(kù)灣水體水溫呈“半U(xiǎn)”型分層模式。

5　結(jié)　語(yǔ)

庫(kù)灣水體水溫分層結(jié)構(gòu)受庫(kù)灣水動(dòng)力條件影響較大，干支流水體之間的交互形式?jīng)Q定了水溫的時(shí)空分布。在香溪河庫(kù)灣，水體出現(xiàn)特殊的水動(dòng)力情勢(shì)，在不同的時(shí)段會(huì)出現(xiàn)不同類型的倒灌異重流，不同類型的倒灌異重流會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不同的水溫分層模式。

根據(jù)水庫(kù)常規(guī)調(diào)度的特點(diǎn)，水庫(kù)運(yùn)行主要以“泄水期-低水位運(yùn)行期-蓄水期”為周期運(yùn)行。泄水期，干支流水體水溫分布均勻，且干流水溫高于支流，干流水體流速較大，河口處發(fā)生表層倒灌異重流，庫(kù)灣水體水溫呈傳統(tǒng)分層模式；在汛期，水庫(kù)保持低水位運(yùn)行時(shí)，干支流水體水溫受氣溫影響，表底溫差大，且干流來流含沙量略有增加，河口處發(fā)生中層倒灌異重流，庫(kù)灣水體水溫呈雙混斜式分布；蓄水期水庫(kù)保持高水位運(yùn)行，支流來流流速較大，干流水體水溫較支流水體水溫偏低，在河口出現(xiàn)底部倒灌異重流，庫(kù)灣水體水溫呈“半U(xiǎn)”型分層模式。

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