三峽水庫(kù)不同運(yùn)行期庫(kù)首水溫分層特性及生態(tài)效應(yīng)

紀(jì)道斌，成再?gòu)?qiáng)，龍良紅，閆金波，楊忠勇，趙星星

(1．三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué)三峽水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)湖北省野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖北 宜昌 443002； 3.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443000)

水溫是河流生態(tài)系統(tǒng)物理、生物和化學(xué)過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵因素[1]，水溫垂向結(jié)構(gòu)、變化過(guò)程的改變對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)、水生生物生長(zhǎng)繁殖會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。大型水庫(kù)的建設(shè)會(huì)顯著改變河流水文和水力條件，水深、水面面積、流速、水體滯留時(shí)間等變化很大程度上影響著河流水溫的時(shí)空分布特性[2]。周期性水溫分層是大多數(shù)水庫(kù)最顯著的熱力學(xué)現(xiàn)象。典型分層型水庫(kù)的垂向結(jié)構(gòu)分為上、中、下3層，即表溫層、溫躍層和滯溫層，水溫結(jié)構(gòu)顯著影響著水動(dòng)力過(guò)程和水質(zhì)狀況[3-4]。水庫(kù)水溫的垂向分布規(guī)律不僅與季節(jié)變化有關(guān)，而且受入流條件、水庫(kù)水深、地理位置、運(yùn)行調(diào)度的影響。

三峽水庫(kù)蓄水后，其庫(kù)首水溫結(jié)構(gòu)的改變對(duì)長(zhǎng)江流域河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了較為深遠(yuǎn)的影響，這一直是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。黃真理[5]通過(guò)研究密度弗勞德數(shù)指出，在入庫(kù)流量小于6 000 m3/s的4月，近壩段有短時(shí)水溫分層現(xiàn)象，5月下旬逐漸消失，上下層水溫差在1.7～9.3℃。任華堂等[6]采用三維模型預(yù)測(cè)庫(kù)首105 km范圍水溫，結(jié)果顯示，蓄水后水溫對(duì)氣象條件的響應(yīng)變慢，沿程溫差有所加強(qiáng)，庫(kù)首江段在4—6月會(huì)出現(xiàn)弱分層，垂向溫差在1～2℃。曹廣晶等[7]利用壩前的實(shí)測(cè)水溫資料，分析了三峽水庫(kù)近壩區(qū)水體水溫垂向結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，庫(kù)首從2006年開(kāi)始，每年4—6月在垂向上會(huì)出現(xiàn)一定的溫差，但三峽水庫(kù)不存在深層低溫水下泄問(wèn)題。鄧云等[8]根據(jù)三峽水庫(kù)不同調(diào)度運(yùn)行方式，采用縱向一維水溫模型模擬分析了三峽水庫(kù)達(dá)到175 m正常蓄水位后，宜昌至監(jiān)利300 km河道水溫的變化過(guò)程，結(jié)果表明三峽水庫(kù)蓄水后，宜昌斷面水溫出現(xiàn)了平坦化及延遲現(xiàn)象，并且隨著蓄水位的抬升，延遲幅度逐漸加大，四大家魚(yú)和中華鱘特征水溫出現(xiàn)時(shí)間延遲。蔡玉鵬等[9]基于宜昌水文站1983—2013年長(zhǎng)時(shí)間系列逐日水溫資料，對(duì)三峽水庫(kù)蓄水前和蓄水后的特征水溫參數(shù)明顯改變情況進(jìn)行了定量分析，結(jié)果表明三峽水庫(kù)蓄水后水溫參數(shù)明顯改變，壩下水溫發(fā)生顯著變化。隨著上游梯級(jí)水庫(kù)(溪洛渡和向家壩水庫(kù))的蓄水，任實(shí)等[10]通過(guò)實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)三峽水庫(kù)近壩區(qū)溫度分層現(xiàn)象在梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行后顯著減弱。水庫(kù)運(yùn)行方式的改變對(duì)河流水溫和生態(tài)系統(tǒng)的影響顯著，因此，研究三峽水庫(kù)多年的水溫變化過(guò)程，有必要根據(jù)三峽水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度特征進(jìn)行劃分，對(duì)不同階段水溫結(jié)構(gòu)特性及影響因素進(jìn)行階段性、系統(tǒng)性的梳理，進(jìn)一步揭示水庫(kù)水溫過(guò)程改變?cè)斐傻纳鷳B(tài)效應(yīng)。

目前國(guó)內(nèi)水庫(kù)水溫的預(yù)測(cè)研究方法有經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模型[11]。經(jīng)驗(yàn)公式可用來(lái)初步判斷水庫(kù)所屬的分層類(lèi)型，以定性分析為主，在定量分析中不夠精確[5]。數(shù)值模型主要為縱向一維、二維和三維模型，通過(guò)離散化的地形網(wǎng)格，求解偏微分方程，得到相應(yīng)的水溫過(guò)程，難度較高，過(guò)程較為復(fù)雜[6,8]。機(jī)器學(xué)習(xí)算法屬于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，其優(yōu)勢(shì)在于研究者不必深入了解物理機(jī)制，不必建立地形網(wǎng)格，便可以通過(guò)復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立各影響因素與水溫之間的非線性關(guān)系，快速達(dá)到預(yù)測(cè)水溫的目的。本文利用已有各水文觀測(cè)站實(shí)測(cè)水溫及水文資料，采用LSTM-Logistic模型對(duì)庫(kù)首多年逐日水溫變化過(guò)程進(jìn)行模擬，解決了低采樣頻率和對(duì)高頻信息需求之間的矛盾，分析了三峽水庫(kù)不同運(yùn)行期庫(kù)首水溫分層特性及其主要影響因素，探討了庫(kù)首水溫改變?cè)斐傻纳鷳B(tài)影響，以期為水庫(kù)生態(tài)調(diào)度提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

三峽水庫(kù)(圖1)東起宜昌市秭歸縣三斗坪鎮(zhèn)，西至重慶市朱沱鎮(zhèn)，長(zhǎng)達(dá)660 km，平均庫(kù)容393億 m3，防洪庫(kù)容221.5億 m2，控制流域面積100萬(wàn) km2，正常蓄水位175 m，防洪限制水位145 m，年均徑流量達(dá)4 510億 m3，約占長(zhǎng)江年總徑流量的49%，壩址斷面多年平均流量14 300 m3/s，屬于季調(diào)節(jié)水庫(kù)。庫(kù)區(qū)的河型、邊界條件和河勢(shì)在蓄水后有所變化，具體包括庫(kù)區(qū)的水表面積增大、河面加寬、流速減緩及庫(kù)區(qū)水體滯留時(shí)間增長(zhǎng)等。廟河斷面距三峽大壩14 km，是庫(kù)區(qū)距三峽大壩最近的一個(gè)水文觀測(cè)斷面，水面寬約1 km，斷面水深隨水位在138～168 m范圍之間變化。在廟河斷面以下，無(wú)較大支流匯入三峽水庫(kù)。巴東斷面距離大壩74 km，黃陵廟斷面是壩下第一個(gè)水文觀測(cè)斷面，距離三峽大壩12 km。

圖1 研究區(qū)域及水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用數(shù)據(jù)主要有流量、水溫和氣象數(shù)據(jù)。流量數(shù)據(jù)主要選用三峽大壩2008—2018年逐日平均出入庫(kù)流量。水溫?cái)?shù)據(jù)主要包括廟河斷面2003—2018年表層水溫和垂向水溫、黃陵廟斷面2000—2018年逐日平均水溫、巴東斷面2008—2018年逐日表層水溫。其中廟河斷面表層水溫2003—2013年為逐日平均水溫，2014—2018年為每旬監(jiān)測(cè)一次的瞬時(shí)水溫，垂向水溫為2006—2018年每旬監(jiān)測(cè)一次的瞬時(shí)水溫。另外，為分析入流水溫對(duì)庫(kù)首水溫的影響，選用寸灘斷面2003—2018年逐日平均水溫。氣象數(shù)據(jù)主要選用秭歸縣2008—2018年逐日氣象數(shù)據(jù)(包括空氣溫度、日照時(shí)長(zhǎng)、降雨量、蒸發(fā)量、風(fēng)速、濕度)。廟河斷面垂向水溫監(jiān)測(cè)深度布置，2006—2010年為1 m、3 m、5 m、7 m、10 m、13 m、16 m、20 m、25 m、30 m、40 m、50 m、70 m、90 m、110 m、130 m、150 m和底部，2011—2018年按總水深的相對(duì)位置布置測(cè)點(diǎn)，具體比例為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0。其中流量數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司官網(wǎng)，水溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局三峽分局，氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象網(wǎng)。

2 研究方法

2.1 模型構(gòu)建

2.1.1LSTM-Logistic模型

模型由長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(long short-term memory,LSTM)和Logistic回歸曲線構(gòu)建而成。LSTM是基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(recurrent neural network，RNN)而改進(jìn)的時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型[12]，解決了RNN反向傳播過(guò)程中梯度消失的問(wèn)題，易于訓(xùn)練。

許丹等[13]發(fā)現(xiàn)Logistic回歸曲線對(duì)不同類(lèi)型水庫(kù)垂向水溫分布有很好的擬合效果，且過(guò)程較數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)便。根據(jù)廟河斷面垂向水溫分布特點(diǎn)，本文借鑒下述垂向水溫分布的經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中：a、b、k為3個(gè)未知無(wú)量綱參數(shù)，a和b共同控制溫躍層深度；k為底表溫差；T(y)為水深y處的水溫；y為水深；Ts為表層水溫。

首先通過(guò)LSTM輸出逐日表層水溫(式(1)中的Ts，水面以下0.5 m的位置)，再用Logistic曲線擬合每旬一次的實(shí)測(cè)垂向水溫，得出每旬一次的參數(shù)a、b、k，由于參數(shù)k隨時(shí)間線性變化，使用線性插值得到逐日參數(shù)k，再由k與a的線性關(guān)系計(jì)算逐日a值，再通過(guò)a與b之間的關(guān)系確定逐日b值，進(jìn)而加密得到逐日垂向水溫。LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用Python和深度學(xué)習(xí)框架Keras搭建，Logistic曲線使用SPSS 24.0軟件進(jìn)行擬合。

2.1.2模型輸入?yún)?shù)選擇

影響三峽水庫(kù)庫(kù)首水溫的因素眾多，在河道型水庫(kù)中多考慮入流水溫、出入庫(kù)流量以及局地太陽(yáng)輻射、氣溫、降雨量、蒸發(fā)、濕度、風(fēng)速等氣象條件。選擇相關(guān)性較好的巴東水溫、出庫(kù)流量、入庫(kù)流量、濕度、氣溫作為L(zhǎng)STM模型的輸入變量。

2.1.3模型驗(yàn)證

使用均方根誤差(root mean square error，RMSE)、平均絕對(duì)誤差(mean absolute error，MAE)和決定系數(shù)R2作為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驼`差的指標(biāo)。

選取2008—2013年的逐日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和2014—2017年每旬一次的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，2018年每旬一次的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，RMSE、MAE分別為0.53℃、0.43℃。Logistic曲線擬合精度較高，對(duì)多年垂向水溫進(jìn)行擬合，R2在0.97～1.00之間，水溫最大絕對(duì)誤差范圍為0～0.79℃。

2.1.4LSTM-Logistic模型適用性分析

LSTM-Logistic模型適用于不同類(lèi)型的河道型水庫(kù)，只需要提供入流條件和氣象條件邊界進(jìn)行訓(xùn)練，即可預(yù)測(cè)表層水溫，而Logistic曲線可以擬合不同類(lèi)型水庫(kù)的水溫結(jié)構(gòu)。因LSTM具有自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，在水流條件改變后，也依然適用。目前，LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Logistic曲線水溫預(yù)測(cè)已廣泛應(yīng)用于海洋、湖泊和河流中[13-16]，并且取得了較高的精度。

2.2 三峽水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度特征

三峽工程于2003年6月首次蓄水，蓄水初期壩前水位達(dá)到135 m。2006年9月，三峽工程實(shí)行第二次蓄水，成功蓄至156 m水位。這一過(guò)渡階段，汛期水位維持在防洪限制水位145 m，枯水期蓄水至156 m。2008年9月，三峽工程開(kāi)始首次175 m試驗(yàn)性蓄水，當(dāng)年水庫(kù)水位達(dá)到172.8 m。自此，三峽水庫(kù)全年的水位落差達(dá)到近30 m，年內(nèi)的水位調(diào)度包括汛前消落期、汛期、蓄水期、枯水期4個(gè)過(guò)程。在三峽水庫(kù)正常運(yùn)行期內(nèi)，上游向家壩水庫(kù)于2012年10月下閘蓄水，溪洛渡水庫(kù)于2013年5月下閘蓄水。根據(jù)三峽水庫(kù)多年運(yùn)行調(diào)度以及上游梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度情況，其運(yùn)行過(guò)程可以分為4個(gè)階段：①135 m運(yùn)行期(2004年至2006年9月)；②156 m運(yùn)行期(2006年10月至2008年9月)；③175 m運(yùn)行期Ⅰ(2008年10月至2013年5月，上游梯級(jí)水庫(kù)蓄水前)；④175 m運(yùn)行期Ⅱ(2013年6月至2018年12月,上游梯級(jí)水庫(kù)蓄水后)。

2.3 水溫分層強(qiáng)度指標(biāo)

溫躍層指水體垂向溫度梯度上出現(xiàn)突變或不連續(xù)劇變的水層[17]。因水文和水動(dòng)力條件的差異，溫躍層的劃分標(biāo)準(zhǔn)在不同水體中取不同值。在湖庫(kù)水體中，多采用0.2℃/m的梯度值[17-18]，也有地區(qū)使用0.1℃/m的最低值[19-20]。因三峽水庫(kù)干流流量較大，水溫分層強(qiáng)度較其他類(lèi)型水體弱，以往關(guān)于三峽水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的研究，并沒(méi)有明確定義溫躍層及其形成的判定標(biāo)準(zhǔn)。本文采用0.1℃/m的標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)垂向溫度梯度大于或等于0.1℃/m時(shí)，溫躍層形成，水溫開(kāi)始分層。為了進(jìn)一步定量化分析三峽水庫(kù)長(zhǎng)期熱分層強(qiáng)度的變化，引入溫躍層強(qiáng)度指數(shù)(thermocline strength index，TSI)和溫躍層深度兩個(gè)指標(biāo)。TSI是水溫差與水深差的比值，表示溫躍層的陡度或平均梯度，簡(jiǎn)單量化了水體熱分層強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于湖庫(kù)水體。根據(jù)實(shí)際垂向施測(cè)布點(diǎn)，將溫度梯度大于或等于0.1℃/m的水層均劃分為溫躍層。溫躍層深度是指溫躍層上界的深度，即溫度垂直分布曲線上，一般在溫躍層的上、下各有一個(gè)極大曲率點(diǎn)，溫躍層深度即最淺的極大曲率點(diǎn)所在的深度[17]。本文中不同年份間垂向水溫施測(cè)方法不同且水深變化較大，統(tǒng)一換算為水位，溫躍層位置以高程計(jì)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同運(yùn)行期庫(kù)首水溫的季節(jié)性差異

圖2為三峽水庫(kù)庫(kù)首2004—2018年不同季節(jié)平均水溫變化，可見(jiàn)不同季節(jié)水溫的年際變化存在一定的差異。春季(3—5月)平均水溫年際波動(dòng)較大，達(dá)到了近4 ℃。在前3個(gè)階段，庫(kù)首水溫呈顯著降低趨勢(shì)(2009年除外)，2012年之后顯著升高；夏季(6—8月)平均水溫的年際變幅較小(1.5 ℃以?xún)?nèi))，除了2013年顯著升高以外，4個(gè)不同時(shí)期水溫差異并不顯著；秋季(9—11月)整體上水溫呈升高趨勢(shì)，第一階段最低(21.2 ℃)，第二階段次之(21.5 ℃)，第三、四階段水溫差異不明顯(22.6 ℃)；冬季(12月至次年2月)整體上水體升溫過(guò)程明顯，水溫穩(wěn)步上升，2014年以后趨于穩(wěn)定，平均水溫從蓄水初期的12 ℃升高到16 ℃。

圖2 三峽水庫(kù)庫(kù)首廟河斷面水溫季節(jié)變化

3.2 不同運(yùn)行期庫(kù)首的水溫分層特性

前期的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，三峽水庫(kù)135 m運(yùn)行期間(蓄水初期)，2004—2005年干流未出現(xiàn)水溫分層，2006年4—6月庫(kù)首水溫才開(kāi)始出現(xiàn)分層，且其他月份垂向無(wú)明顯差異[7]。因此，本文重點(diǎn)模擬分析了2006—2018年不同階段4—6月垂向水溫結(jié)構(gòu)，模擬的逐日垂向水溫分布結(jié)果如圖3所示。

a.135 m運(yùn)行期。在該階段末的2006年4月30日，三峽水庫(kù)庫(kù)首段開(kāi)始出現(xiàn)水溫分層現(xiàn)象(圖3(a)),最大表底溫差為6.6 ℃，溫躍層出現(xiàn)在高程68 m的水層，厚度約40 m，分層共持續(xù)了9 d(以垂向溫度梯度大于0.1 ℃/m計(jì)，下同)。水溫分層發(fā)育過(guò)程中TSI逐日升高，在5月6日達(dá)到最大值，為0.12 ℃/m。該階段水溫分層持續(xù)時(shí)間較短，水溫分層強(qiáng)度較弱。

b.156 m運(yùn)行期。在2007年、2008年春季，庫(kù)首出現(xiàn)了明顯的水溫分層現(xiàn)象，最大表底溫差分別達(dá)到10.3 ℃和10.0 ℃(圖3(b)～(c))。2007年溫躍層開(kāi)始出現(xiàn)在高程60 m位置處，厚度約40 m，隨分層強(qiáng)度增加逐漸下移至35 m處。2008年開(kāi)始出現(xiàn)在60 m的位置處，而后躍變至35 m處，厚度約20 m。分層分別持續(xù)了58 d、43 d，期間TSI最大值分別為0.26 ℃/m，0.44 ℃/m，分別出現(xiàn)在2007年6月8日和2008年5月28日，該階段水溫分層持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，TSI最高達(dá)到0.40℃/m以上，水溫分層強(qiáng)度最強(qiáng)。

c.175 m運(yùn)行期Ⅰ。從2008年9月汛末蓄水后，一直持續(xù)運(yùn)行到2013年5月上游梯級(jí)水庫(kù)向家壩、溪洛渡蓄水前。如圖3(d)～(h)所示，2009年、2010年、2011年、2012年、2013年最大表底溫差分別為6.1 ℃、6.8 ℃、7.8 ℃、4.8 ℃、4.9 ℃，溫躍層開(kāi)始均出現(xiàn)在40～50 m的范圍內(nèi)，隨分層加強(qiáng)而下移至35 m處，厚度為15～20 m。分層期間TSI最大值分別為0.22 ℃/m、0.25 ℃/m、0.23 ℃/m、0.21 ℃/m、0.14 ℃/m，出現(xiàn)的日期分別在5月15日、5月26日、6月6日、5月15日、5月12日，分層持續(xù)時(shí)間分別為20 d、19 d、20 d、11 d、8 d。該階段分層持續(xù)時(shí)間和TSI最大值在2012年開(kāi)始減小，分層有減弱的趨勢(shì)。

d.175 m運(yùn)行期Ⅱ。從2013年6月上游梯級(jí)水庫(kù)蓄水后一直到2018年12月，期間三峽水庫(kù)依然處于正常水位175 m運(yùn)行。如圖3(i)～(m)所示，2014年、2015年、2016年、2017年、2018年最大表底溫差分別為1.5 ℃、2.6 ℃、1.5 ℃、1.5 ℃、2.9 ℃，垂向水溫最大梯度分別位于高程53 m、38 m、70 m、53 m、35 m處，分別為0.04 ℃/m、0.06 ℃/m、0.03 ℃/m、0.03 ℃/m、0.08 ℃/m，出現(xiàn)的日期分別在5月7日、5月6日、5月7日、4月14日、4月16日、6月11日。與前三階段相比，該階段最大表底溫差以及垂向水溫差異持續(xù)時(shí)間都大幅遞減，最大溫度梯度沒(méi)有超過(guò)0.1 ℃/m，沒(méi)有形成穩(wěn)定的溫躍層，因此，可以認(rèn)為175 m運(yùn)行期Ⅱ庫(kù)首水溫不分層。

(a) 2006年135 m運(yùn)行期 (b) 2007年156 m運(yùn)行期

(c) 2008年156 m運(yùn)行期 (d) 2009年175 m運(yùn)行期Ⅰ

(e) 2010年175 m運(yùn)行期Ⅰ (f) 2011年175 m運(yùn)行期Ⅰ (g) 2012年175 m運(yùn)行期Ⅰ

(h) 2013年175 m運(yùn)行期Ⅰ (i) 2014年175 m運(yùn)行期Ⅱ (j) 2015年175 m運(yùn)行期Ⅱ

(k) 2016年175 m運(yùn)行期Ⅱ (l) 2017年175 m運(yùn)行期Ⅱ (m) 2018年175 m運(yùn)行期Ⅱ

3.3 不同運(yùn)行期的下泄水溫變化

圖4為不同時(shí)期多年日均下泄水溫變化過(guò)程，不同時(shí)期水溫年內(nèi)變化差異較大，三峽水庫(kù)蓄水之后水溫變化過(guò)程滯后效應(yīng)顯著。較蓄水之前，三峽水庫(kù)蓄水導(dǎo)致春季水溫顯著降低，秋冬季水溫顯著升高：三峽水庫(kù)單獨(dú)運(yùn)行階段，春季平均水溫為14.6 ℃，較蓄水前降低了3.3 ℃；秋季平均水溫22.2 ℃，較蓄水前升高了2 ℃；冬季平均水溫增幅最大，從蓄水前的11.7 ℃增長(zhǎng)至14.7 ℃，升高了3 ℃。梯級(jí)水庫(kù)蓄水后，下泄水溫進(jìn)一步平坦化：春季平均水溫15.6 ℃，較三峽水庫(kù)單獨(dú)運(yùn)行升高1 ℃；秋季平均水溫22.8 ℃，升高了0.6 ℃，冬季平均水溫15.8 ℃，升高了1.1 ℃。三峽水庫(kù)蓄水前年平均水溫為18.5 ℃，蓄水之后4個(gè)時(shí)期的年平均水溫分別為18.3 ℃、19.0 ℃、18.9 ℃、19.7 ℃?？梢?jiàn)，年平均下泄水溫在逐年升高。由于汛期流量較大、流速較大、水體滯留時(shí)間短，不同時(shí)期的夏季平均水溫差異較小，升溫主要體現(xiàn)在10月至次年5月。

圖4 不同運(yùn)行期多年日均下泄水溫特征曲線

研究表明，長(zhǎng)江四大家魚(yú)主要在4—5月水溫升至18 ℃時(shí)開(kāi)始產(chǎn)卵繁殖；中華鱘主要在10—11月，水溫降至20 ℃時(shí)開(kāi)始產(chǎn)卵[20-21]。蓄水前，下泄水溫在4月上旬升至18 ℃，在10月中下旬降至20 ℃。由圖4可知，對(duì)比三峽水庫(kù)蓄水前，175 m運(yùn)行期Ⅰ和運(yùn)行期Ⅱ的下泄水溫升至18 ℃的時(shí)間分別平均推遲了38 d和29 d。梯級(jí)水庫(kù)蓄水之后，18 ℃水溫出現(xiàn)時(shí)間從5月中下旬提前至上旬。但在秋季，水溫降至20 ℃的時(shí)間相比175 m運(yùn)行期Ⅰ平均延遲了9 d，較蓄水前延遲了34 d。梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行之后，三峽庫(kù)首及其下泄水溫的變化對(duì)下游水溫敏感種群產(chǎn)卵將產(chǎn)生新的影響。

4 討 論

4.1 庫(kù)首水溫變化的影響因素

河道型水庫(kù)水溫的影響因素眾多，主要包括入流水溫、出入庫(kù)流量、水動(dòng)力過(guò)程以及局地太陽(yáng)輻射、氣溫、降雨、蒸發(fā)、濕度、風(fēng)速等氣象條件。水庫(kù)運(yùn)行方式的變化也會(huì)直接改變河流徑流量的時(shí)空分布特征[22]，使得水庫(kù)年內(nèi)熱量再分配，進(jìn)而影響水庫(kù)年際間水溫結(jié)構(gòu)。不同于國(guó)內(nèi)其他深水水庫(kù)，三峽水庫(kù)為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，其水溫分層僅出現(xiàn)在庫(kù)首河段且分層時(shí)間較短(4—6月)。以龍羊峽水庫(kù)為例，其壩前水溫結(jié)構(gòu)主要取決于水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度過(guò)程[23]。低水位運(yùn)行期，呈現(xiàn)表溫層和溫躍層兩層分布，高水位運(yùn)行期為穩(wěn)定的3層分布，表現(xiàn)出顯著的年際差異。與三峽水庫(kù)不同，其汛期為蓄水過(guò)程，且年平均入庫(kù)流量較小，水溫分層不易被打破，分層持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。可見(jiàn)，水庫(kù)壩前水溫結(jié)構(gòu)特征與年際、年內(nèi)水庫(kù)運(yùn)行方式和入流條件密切相關(guān)。三峽水庫(kù)經(jīng)歷的3個(gè)蓄水階段，水位從135 m抬升至175 m，庫(kù)容逐階段增加。在巨大的熱量?jī)?chǔ)蓄作用下，夏季滯留高溫水難以快速釋放，使得秋冬季下泄水溫升高；同樣，冬季滯留低溫水使得來(lái)年春末夏初下泄水溫偏低，下泄水溫過(guò)程出現(xiàn)明顯的延遲和平坦化特征(圖4)。水溫延遲效應(yīng)在春季4—5月和秋季10—11月表現(xiàn)最為突出[8]。三峽水庫(kù)蓄水后，水深變大，流速變緩，垂向紊動(dòng)強(qiáng)度變?nèi)?，在壩前深水區(qū)水溫容易分層，而水庫(kù)中上游河段幾乎不分層。春季壩前表層水體滯留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在表面熱通量影響下迅速增溫[6]，與庫(kù)底冬季滯留水體形成半U(xiǎn)形水溫分層結(jié)構(gòu)，隨著5—6月上游入庫(kù)流量的顯著增大，水溫分層被迅速打破。

隨著上游梯級(jí)水庫(kù)的蓄水，庫(kù)首水溫從2013年開(kāi)始受到上游梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行的影響。梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行最直接的改變是流域的徑流過(guò)程。較175 m運(yùn)行期Ⅰ，175m運(yùn)行期Ⅱ期間壩前入庫(kù)流量在汛期被削減，枯水期有所增加，表現(xiàn)出“蓄豐補(bǔ)枯”的特點(diǎn)，4—6月月平均流量分別增大了2 837 m3/s、770 m3/s和1 578 m3/s，4—6月分層強(qiáng)度與分層期間月平均流量顯著相關(guān)(p<0.05)，流量的增加使得庫(kù)首水體垂向紊動(dòng)增強(qiáng)，分層消失(圖5)，該結(jié)果與曹廣晶等[7]的研究結(jié)果一致。庫(kù)首多年垂向水溫特征表明(圖3)：表底溫差在6月較大流量的影響下會(huì)完全消失，此時(shí)壩前出入庫(kù)流量接近1.5萬(wàn) m3/s，與上述線性回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果(當(dāng)壩前流量等于1.45萬(wàn) m3/s時(shí)TSI為0)基本相符(圖5(b))。此后，垂向水溫?zé)o分層。175 m運(yùn)行期Ⅱ庫(kù)首水溫分層的消失還可能與水庫(kù)持續(xù)升溫有關(guān)。冬季入庫(kù)水溫的顯著升高，使得庫(kù)首廟河斷面3月庫(kù)底滯留水體水溫升高，3月庫(kù)底平均水溫與TSI呈顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5(a))，表明熱量在三峽水庫(kù)庫(kù)首的累積，是分層消失的另一個(gè)重要原因。除了入庫(kù)流量的變化，上游梯級(jí)水庫(kù)蓄水也顯著改變了三峽水庫(kù)的入庫(kù)水溫。雖然寸灘斷面春季水溫受上游水庫(kù)蓄水影響有所降低[24]，但庫(kù)首表層水溫卻顯著升高1.9 ℃，這是由于入庫(kù)流量的增加，使得水體滯留時(shí)間變短所致。在秋冬季節(jié)，雖然兩個(gè)運(yùn)行期的水體滯留時(shí)間沒(méi)有發(fā)生明顯改變，但上游寸灘斷面的入庫(kù)水溫有顯著的增加，使得三峽水庫(kù)秋冬季水溫進(jìn)一步升高[24]。綜上，上游梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行導(dǎo)致三峽水庫(kù)壩前水溫分層進(jìn)一步減弱，而4—6月入庫(kù)流量的增加緩解了春季的低溫水下泄，但秋冬季節(jié)入流水溫的變暖使得降溫過(guò)程進(jìn)一步延遲，三峽水庫(kù)整體處于變暖階段。

(a) TSI最大值與3月庫(kù)底平均水溫線性回歸

(b) TSI最大值與壩前4—6月平均流量線性回歸

4.2 水溫波動(dòng)對(duì)支流庫(kù)灣倒灌異重流演替的影響

自三峽水庫(kù)蓄水后，支流庫(kù)灣經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重的水華[25]。以往的研究表明，在營(yíng)養(yǎng)鹽充足、光照和水溫適宜的情況下，普遍存在的倒灌異重流是影響水華生消的主要水動(dòng)力過(guò)程，而在三峽水庫(kù)典型支流庫(kù)灣中，倒灌異重流的形成主要由干支流水溫差異引起[26]。由于長(zhǎng)江干流水溫受到上游來(lái)流變化(降雨、行洪等)和調(diào)度過(guò)程(水位漲蓄)的影響，干流短期的水溫變化改變了干支流河口的密度差異，將造成河口倒灌異重流潛入深度的頻繁波動(dòng)。當(dāng)干流水溫升高時(shí)，倒灌異重流的潛入深度上移；而水溫降低時(shí)，潛入深度則下移。倒灌異重流潛入深度的頻繁變化會(huì)不斷擾動(dòng)庫(kù)灣水體，打破水溫分層，抑制浮游植物生長(zhǎng)，甚至促使水華消亡[27]?？梢?jiàn)，準(zhǔn)確地掌握干流水溫的波動(dòng)過(guò)程是認(rèn)識(shí)支流庫(kù)灣異重流演變及浮游植物生長(zhǎng)趨勢(shì)的前提，也是制定水庫(kù)生態(tài)調(diào)度策略的理論基礎(chǔ)。

在以往的相關(guān)研究[28]中，采用廟河斷面實(shí)測(cè)垂向水溫(每月監(jiān)測(cè)3次)作為模型下邊界條件，通過(guò)水溫的線性?xún)?nèi)插來(lái)反映干流的水溫變化過(guò)程，進(jìn)而模擬出異重流的變化。通過(guò)對(duì)比線性?xún)?nèi)插和LSTM模擬逐日水溫過(guò)程發(fā)現(xiàn)(圖6)：線性?xún)?nèi)插的水溫升降過(guò)程并不能模擬出庫(kù)灣倒灌異重流的真實(shí)變化，忽略了高頻的異重流波動(dòng)，這種短期波動(dòng)過(guò)程很可能在支流庫(kù)灣的水動(dòng)力變化過(guò)程中起主導(dǎo)作用。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，線性?xún)?nèi)插的水溫日變幅在0～0.2 ℃之間，其水溫變化更加平滑，而LSTM模擬水溫日變幅在0～1.1 ℃之間，這種水溫更大變幅的波動(dòng)所引起的動(dòng)力過(guò)程不容忽視，因此，LSTM模型能更加真實(shí)地反映干流水溫的短期變化，同時(shí)將其逐日的模擬結(jié)果運(yùn)用于后續(xù)支流庫(kù)灣水動(dòng)力模型，能進(jìn)一步改善模型模擬的精度和準(zhǔn)確性。

圖6 2014年汛期廟河斷面LSTM模擬的逐日水溫波動(dòng)過(guò)程和實(shí)測(cè)水溫波動(dòng)過(guò)程

除了短期的水溫波動(dòng)，本文通過(guò)對(duì)比多年水溫變化也發(fā)現(xiàn)：三峽水庫(kù)平均水溫逐年升高，表現(xiàn)出逐漸變暖的趨勢(shì)，秋冬季節(jié)尤為明顯。春季平均水溫在2012年之后也顯著升高，這種水溫的季節(jié)性變暖很可能會(huì)造成支流倒灌異重流潛入深度的上移。Long等[29]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)發(fā)生中上層倒灌時(shí)，表層水體在頂托作用下，水流變緩，水體滯留時(shí)間增長(zhǎng)，水溫分層加劇，促進(jìn)藻類(lèi)生長(zhǎng)，而當(dāng)異重流潛入深度上移至表層時(shí)，將不利于形成穩(wěn)定的水溫分層，進(jìn)而抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)。隨著干流水溫的升高，表層倒灌模式發(fā)生的次數(shù)可能會(huì)增加，持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，從而降低支流庫(kù)灣水華風(fēng)險(xiǎn)。這可能是近年來(lái)三峽水庫(kù)支流庫(kù)灣水華、水質(zhì)好轉(zhuǎn)的主要水動(dòng)力原因，后期值得進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.3 水庫(kù)變暖對(duì)下游魚(yú)類(lèi)的影響

三峽水庫(kù)蓄水顯著降低了下游河道的春季水溫，并導(dǎo)致秋冬季水溫升高，年內(nèi)水溫的升溫、降溫過(guò)程顯著滯后。三峽水庫(kù)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，下泄低溫水導(dǎo)致宜昌斷面水溫過(guò)程明顯延遲。受低溫水的影響，下游四大家魚(yú)產(chǎn)卵的18 ℃特征水溫出現(xiàn)時(shí)間推遲38 d，這一結(jié)論與蔡玉鵬等[9]和彭期冬等[30]基于實(shí)測(cè)水溫資料分析的結(jié)果基本一致。上游梯級(jí)水庫(kù)蓄水之后，春季下泄水溫回升到18 ℃的時(shí)間有所提前(9 d)。這與三峽水庫(kù)壩前春季水溫升高、水庫(kù)變暖密切相關(guān)?？梢?jiàn)，梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行將有利于緩解三峽水庫(kù)春季下泄低溫水對(duì)四大家魚(yú)產(chǎn)卵的脅迫。

Huang等[31]的研究表明，成年中華鱘從河口到產(chǎn)卵場(chǎng)的洄游途中并不進(jìn)食，而是通過(guò)消耗自身的脂肪來(lái)完成遷徙和繁殖。秋后水溫的下降、流速和泥沙的增大會(huì)給中華鱘發(fā)出產(chǎn)卵信號(hào)，若一直等不到適宜的水溫，性腺脂肪耗盡后，會(huì)發(fā)生不可逆的退化，這意味著中華鱘必須在有限的窗口期內(nèi)完成繁殖。因此，適宜的水溫是中華鱘自然繁殖最迫切的需求。相比于蓄水之前，三峽水庫(kù)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)秋冬季節(jié)平均水溫升高了2.6 ℃，中華鱘產(chǎn)卵的特征水溫到達(dá)時(shí)間延遲25 d，從蓄水前的10月中下旬延遲至11月中旬。而梯級(jí)水庫(kù)蓄水之后，秋冬季下泄水溫進(jìn)一步升高0.8 ℃，特征水溫出現(xiàn)時(shí)間延遲34 d，出現(xiàn)在了11月下旬，秋冬季水溫的進(jìn)一步升高必然導(dǎo)致中華鱘自然繁殖受到更大限制。結(jié)合多年中華鱘產(chǎn)卵活動(dòng)的調(diào)查結(jié)果[32]：1983—2002年，中華鱘年平均產(chǎn)卵活動(dòng)頻次為1.8次，2003—2012年為1.1次，2013—2018年，降至0.33次。2013—2018年長(zhǎng)江中華鱘繁殖群體規(guī)模下降比例超過(guò)了50%，在2017年甚至達(dá)到了90.17%。中華鱘產(chǎn)卵事件響應(yīng)了多年水溫的變化趨勢(shì)，從之前的“連續(xù)繁殖”變?yōu)椤芭及l(fā)繁殖”[33]。然而，隨著人為活動(dòng)的加劇，水溫的變化并未停止，持續(xù)的水溫改變將對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。已有研究表明，梯級(jí)水庫(kù)下泄水溫的延遲效應(yīng)和平坦化效應(yīng)會(huì)隨梯級(jí)數(shù)量增加而加強(qiáng)。三峽水庫(kù)作為長(zhǎng)江上梯級(jí)水庫(kù)的最后一級(jí)，梯級(jí)水庫(kù)的水溫累積影響最終將以其為終點(diǎn)。隨著全球的持續(xù)變暖，水溫升高已成為很多湖泊、水庫(kù)的普遍趨勢(shì)[18]，然而，水庫(kù)年內(nèi)年際的運(yùn)行方式、上游梯級(jí)運(yùn)行都會(huì)顯著影響水庫(kù)的年內(nèi)熱分層特性及下泄水溫過(guò)程，持續(xù)跟蹤水庫(kù)水溫的變化趨勢(shì)，理解其熱分層機(jī)制并通過(guò)水庫(kù)調(diào)度、梯級(jí)調(diào)度來(lái)緩解水庫(kù)蓄熱效應(yīng)，營(yíng)造適宜的水生生態(tài)環(huán)境[34]，是目前亟待解決的問(wèn)題。

5 結(jié) 論

a.LSTM-Logistic水溫模型能準(zhǔn)確模擬三峽水庫(kù)庫(kù)首多年水溫結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程，模擬精度滿(mǎn)足要求。通過(guò)本模型可得到較為準(zhǔn)確的逐日水溫?cái)?shù)據(jù)，為量化庫(kù)首水溫結(jié)構(gòu)及變化趨勢(shì)以及后續(xù)干支流模型改善提供了數(shù)據(jù)支撐。

b.2006—2013年，三峽水庫(kù)庫(kù)首每年4—6月均出現(xiàn)了不同程度的水溫分層現(xiàn)象。受溪洛渡和向家壩水庫(kù)蓄水的影響，從2014年開(kāi)始，庫(kù)首垂向水溫梯度顯著減小，水溫不分層。同時(shí)期春季水溫顯著升高，夏季水溫變化不大，秋冬季的水溫也有升高趨勢(shì)，水庫(kù)水溫呈逐漸變暖的趨勢(shì)，使得三峽水庫(kù)下泄水溫過(guò)程進(jìn)一步平坦化。

c.三峽水庫(kù)庫(kù)首水溫變暖的趨勢(shì)，會(huì)影響支流庫(kù)灣異重流倒灌形式，擾動(dòng)庫(kù)灣水體，打破水溫分層，降低支流庫(kù)灣水華風(fēng)險(xiǎn)。受溪洛渡和向家壩水庫(kù)蓄水的影響，下游四大家魚(yú)產(chǎn)卵特征水溫出現(xiàn)時(shí)間平均提前9 d，低溫水的影響有所緩解。但是，中華鱘產(chǎn)卵特征水溫出現(xiàn)時(shí)間平均延遲9 d，對(duì)中華鱘繁殖造成了嚴(yán)重威脅。