基于粒子示蹤法的香溪河環(huán)流模式及營養(yǎng)鹽補給分析

黃宇擘 徐 慧,2 龍良紅,2 紀道斌,2

(1.三峽大學 三峽水庫生態(tài)系統(tǒng)湖北省野外科學觀測研究站, 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 湖北 宜昌 443002)

三峽水庫蓄水之后,以香溪河為代表支流庫灣泄水過程受阻,水庫調(diào)蓄對庫灣的生態(tài)環(huán)境和物質(zhì)輸移形成了脅迫效應[1].香溪河庫灣水動力條件在蓄水前后發(fā)生了較大變化,水位壅高,流速減緩,水華問題逐漸突顯[2-3],引起了廣泛的關注[4-5].水華生消與溫度、光照、營養(yǎng)鹽、水動力環(huán)境等因素密切相關[6],而分層異重流作為三峽庫區(qū)最普遍存在的顯著水動力過程,其對支流庫灣水溫分層、水流特性、光學特性、營養(yǎng)鹽條件的影響也較為顯著[7-8].呂林鵬[9]通過歸納香溪河的分層異重流模式,并分析其動態(tài)演替對葉綠素濃度的影響,發(fā)現(xiàn)表層、中上層倒灌方式對庫灣葉綠素的時空分布影響明顯;曾一恒等[10]基于數(shù)理統(tǒng)計方法,分析了香溪河汛期異重流對葉綠素空間分布的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)風場和流場對藻類運動遷移的影響比例分別為43.2%和56.8%.營養(yǎng)鹽是藻類生消衍替過程中的物質(zhì)基礎之一,水體中的營養(yǎng)鹽濃度,尤其是真光層內(nèi)的營養(yǎng)鹽變化及其補給過程與水華暴發(fā)密切相關.因此,在分層異重流背景下,進一步明確庫灣真光層水體營養(yǎng)鹽的補給過程及途徑很有必要.

本研究基于香溪河庫灣監(jiān)測數(shù)據(jù),構建香溪河CE-QUAL-W2水動力水質(zhì)模型,歸納典型環(huán)流模式,并結(jié)合粒子示蹤技術對香溪河庫灣上下游營養(yǎng)鹽的輸移過程、補給途徑進行分析,總結(jié)香溪河典型環(huán)流模式下營養(yǎng)鹽的來源及輸移規(guī)律,進一步明確香溪河庫灣不同時空下以總氮(TN)為代表的營養(yǎng)鹽來源,以期為研究三峽庫區(qū)支流庫灣營養(yǎng)鹽來源提供參考.

1 香溪河模型建立

1.1 監(jiān)測內(nèi)容

香溪河流域位于湖北省西部山區(qū),是三峽庫區(qū)上游最近的大型支流,河流全長94 km,流域涵蓋面積3 099 km2.本次模型模擬香溪河與干流交界河口處至昭君鎮(zhèn)共30.7 km 左右的范圍.為表征營養(yǎng)鹽對水華暴發(fā)的影響,本次監(jiān)測點位布設于具有水華暴發(fā)代表性的3個河段,對應采樣點分別為P1、P2和P3.采樣點的具體位置如圖1所示.

圖1 香溪河樣點布設圖

監(jiān)測時間為2015年1月至2015年12月,每月在P1、P2、P3采樣點進行水質(zhì)和水動力監(jiān)測工作.在香溪河走航監(jiān)測中,采用Hydrolab DS5多參數(shù)水質(zhì)檢測儀監(jiān)測獲取水溫和水深數(shù)據(jù),采用Vector聲學多普勒點式流速儀獲取采樣點位流速分布情況,使用LI1400水下光量子儀獲取不同點位光輻射有效強度.水中TN 含量及葉綠素a濃度在后期根據(jù)文獻[11]在實驗室測定,監(jiān)測頻率為1～2次/月.

1.2 模型構建

CE-QUAL-W2模型是一款開源立面二維水流水質(zhì)數(shù)值模型軟件.該模型假定水體內(nèi)部存在橫向均勻性,將河流縱向和垂向網(wǎng)格化,適用于模擬有縱向和垂直梯度變化的相對狹長水體,如河流、河道型水庫、河口等[12-13].本研究采用該模型對香溪河庫灣的環(huán)流模式進行模擬.

根據(jù)香溪河河流走向,研究所構建的模型縱向劃分為62個單位段以及起始段和終末段2個虛擬段,單位段長度沿河流流向取500 m,共計長度為31 km.具體網(wǎng)格三視圖如圖2所示.其中,模型縱向第58、25、9 段分別對應采樣點P1、P2、P3;模型垂向網(wǎng)格根據(jù)三峽水庫與香溪河庫灣下游的高程差取總值107 m,由此將模型縱向單元層均分為107層,每層1 m.

圖2 模型網(wǎng)格斷面圖

W2模型進行環(huán)境模擬2015年1月1日至2015年12月31日,初始流速為0 m/s,初始水位、初始水溫以及初始營養(yǎng)鹽濃度均取自模擬起始時間的監(jiān)測實際值,并根據(jù)垂向網(wǎng)格賦予不同層級值.完成率定后的模型主要水質(zhì)及水動力參數(shù)取值見表1.

表1 W2模型率定情況表

1.3 模型驗證

模型通過設置初始條件和相關參數(shù)模擬2015年香溪河庫灣水文情況,率定情況如圖3～4所示.

圖4 香溪河庫灣表層營養(yǎng)鹽TN 模擬、實測對比圖

在香溪河庫灣水溫模擬、實測垂向?qū)Ρ葓D中,香溪河河口P1斷面實測水溫曲線與模型生成曲線擬合度較高,庫灣中部P2斷面和上游P3斷面實測曲線與模擬曲線存在局部小幅度偏移,但總體上可以表征對應點位的水溫分布情況.TN 模擬結(jié)果對比實測結(jié)果,在不同時間節(jié)點上存在較大的偏差,但其在庫灣沿程分布上的趨勢能夠較好的表現(xiàn)出來,總體上可以代表營養(yǎng)鹽在庫灣的時空分布情況.從水溫和營養(yǎng)鹽分布情況可以認為,本次W2水質(zhì)模型率定效果可實現(xiàn)模型對香溪河2015全年的水環(huán)境演變模擬,適合用于分析香溪河年內(nèi)環(huán)流模式的分布情況.

1.4 粒子示蹤算法

粒子示蹤算法結(jié)合CE-QUAL-W2 模型源于2001年古德溫等學者,首次應用于美國南部水庫的魚類運動軌跡的預測研究.粒子示蹤算法應用于計算粒子的三維輸運和去向問題,通過刪除與漂浮、懸浮、溶解材料的表面運輸有關的部分模型,簡化了粒子橫向運動,使其能夠在表征粒子在二維狀態(tài)下的運動過程.本次研究需要分析香溪河在不同環(huán)流模式下的營養(yǎng)鹽的輸移作用,而粒子示蹤算法能在模型中對這一作用的環(huán)境和載體進行模擬,適用于本次實驗.

基于速度的粒子計算式如下:

式中:Xt為粒子在時間t的縱向位置;Zt為粒子在時間t的垂直位置;Ut及Wt分別代表對應點位上的水平流速和垂直流速;Δt為時間t和時間(t+1)的時間間隔.Node(k,i)為位置節(jié)點,XNode(k,i)和ZNode(k,i)分別是節(jié)點(k,i)的縱向位置和垂直位置,如圖5所示.

圖5 CE-QUAL-W2中粒子輸移過程

為針對研究某些特定的水動力條件下環(huán)流模式的變化情況,在W2水動力模型中,可以通過設置庫灣的初始條件和未來30 d內(nèi)的水文變化情況,在模型內(nèi)生成穩(wěn)定的流場環(huán)境,并在環(huán)流模式發(fā)展成形的第10 d在庫灣上下游加入基本粒子,利用粒子示蹤法模擬營養(yǎng)鹽粒子在不同環(huán)流模式下的運動情況.

2 結(jié)果分析

2.1 香溪河庫灣環(huán)流模式

受三峽庫區(qū)蓄水調(diào)度的影響,香溪河庫灣在接受上游來流的同時也受到下游長江干流倒灌水體的影響,同時因為干支流水文條件存在較大差異,以溫度為主導,兩水體密度上差異較大.同時,由于蓄水調(diào)度導致香溪河庫灣下游水齡較大,其水文條件又與上游來流出現(xiàn)了較大區(qū)別,因此香溪河上下游均存在不同程度的異重流現(xiàn)象.模擬期內(nèi)存在的環(huán)流如圖6 所示,共計存在5種觀測得到的環(huán)流模式和1種理論環(huán)流模式,下游底層倒灌-上游表層入流模式受異重流季節(jié)性差異的影響,在本次模擬內(nèi)未能發(fā)現(xiàn).根據(jù)2015年環(huán)流的持續(xù)時間,對香溪河庫灣整體營養(yǎng)鹽輸移和分布影響較大的環(huán)流模式分別是:下游表層倒灌-上游底層入流、下游中層倒灌-上游底層入流、下游底層倒灌-上游底層入流.

圖6 庫灣各環(huán)流模式模擬圖

2.2 典型環(huán)流模式下的營養(yǎng)鹽變化過程

根據(jù)水動力模型2015年模擬結(jié)果,可知香溪河3種典型環(huán)流模式分別是:下游表層倒灌-上游底層入流、下游中層倒灌-上游底層入流和下游底層倒灌-上游底層入流,對該環(huán)流模式下的真光層和TN 變化做進一步分析,結(jié)果如圖7所示.三者的代表性時間段、混合層深度、TN 變化見表2.

表2 典型環(huán)流模式下P2監(jiān)測點斷面混合層及TN 變化范圍

如圖7(a)所示,在下游表層倒灌-上游底層入流的環(huán)流模式下,庫灣下游受倒灌影響,TN 濃度較低的干流水體侵入庫灣中上層,庫灣水體TN 下降較明顯;在庫灣上游底層高濃度異重流持續(xù)輸入,直觀表現(xiàn)為沉積物-水界面以上15 m 左右形成TN 濃度分層.空間上,TN 濃度從上游至河口沿程降低,同時在深度逐漸升高.

如圖7(b)所示,在下游中層倒灌-上游底層入流的環(huán)流模式下,干流倒灌低TN 水體進入庫灣,使低濃度水體以河口中層為原點,向庫灣呈放射狀的影響模式.空間上TN 濃度從上游至河口沿程降低,垂向上呈現(xiàn)高-低-高的濃度分層狀態(tài),底層水體受高濃度異重流影響,河床以上10 m 內(nèi)的水體TN 濃度明顯偏高.

如圖7(c)所示,在下游底層倒灌-上游底層入流的環(huán)流模式下,TN 濃度較低的干流水體倒灌進入庫灣,在下游底部同上游順坡異重流相遇,經(jīng)過發(fā)展后,庫灣的TN 濃度沿程變化十分明顯,且由于水頭阻斷,底層倒灌異重流被頂托至中表層水體,低濃度水體影響范圍較大.

2.3 基于粒子示蹤法庫灣營養(yǎng)鹽補給分析

通過設置固定工況,在模型中生成穩(wěn)態(tài)典型環(huán)流模式.經(jīng)過10 d運行,環(huán)流模式正式穩(wěn)定,在此時添加示蹤粒子,對粒子在庫灣中的轉(zhuǎn)運輸移情況,分析環(huán)流對真光層營養(yǎng)鹽的補給狀態(tài).

圖8(a)為在下游表層倒灌-上游底層入流模式下粒子運動過程.加入粒子第1天(對應儒略日:11 d,下同),上游輸入粒子全部進入庫灣,下游粒子僅57%由表層輸入庫灣.第5天,上下游粒子逐漸集中于下游中底層,且下游營養(yǎng)鹽粒子的庫灣留存率為7%,兩方水體對表層TN 補給率較低.第10 d,上游入流補給真光層范圍局限在庫灣上游P3點位5 km 以內(nèi),下潛水頭較大,使得大部分營養(yǎng)鹽由底層流出庫灣,對庫灣主體水域真光層TN 貢獻較小;下游倒灌水體的補給范圍僅延伸至距河口15 km 的水域,沿程補給能力逐漸減弱.

圖8 典型環(huán)流模式下TN 濃度及粒子變化

圖8(b)為下游中層倒灌-上游底層入流模式下粒子運動過程.粒子加入第1天,上游粒子全部進入庫灣,下游粒子僅有57%從中層進入庫灣.第5天,上下游水體在距庫灣上邊界10 km 的位置相遇,90%的上游粒子停留在庫灣表層,對表層水體的TN 補給率提高;下游受雙環(huán)流影響,倒灌水體對底層、表層的補給率顯著提高.下游粒子僅5%留存庫灣,且對營養(yǎng)鹽的補給僅在中層,因此對表層水體貢獻較小.第18天,24%上游粒子留存于庫灣,受渦流影響滯留于庫灣中上游位置;下游粒子庫灣留存率為0.

圖8(c)為下游底層倒灌-上游底層入流模式下粒子運動過程.加入粒子第1天,下游營養(yǎng)鹽粒子垂向分布于河口中下層,TN 濃度在上游出現(xiàn)斷層分布.第5天,上游入流粒子仍保持聚集態(tài),集中于上游中層水體,下游倒灌異重流攜帶的營養(yǎng)鹽粒子擴散于庫灣中下游水體的真光層區(qū)域,補給范圍廣泛.第18天后,仍存在少量上游營養(yǎng)鹽粒子分布于真光層,補給時間相對較長.

3 討 論

3.1 典型環(huán)流模式對香溪河庫灣混合層深度的影響

在三峽水庫支流庫灣,其水體環(huán)流模式主要取決于上下游的水動力過程,而在香溪河庫灣,分層異重流則是主導庫灣水動力環(huán)境復雜多變的重要原因.分層異重流的產(chǎn)生源自兩種密度不同的水體接觸后,發(fā)生的層流式水體交換[14].在內(nèi)陸水體中,水體溫度和泥沙含量是影響其密度差異的主要因素[15].前期研究也發(fā)現(xiàn),干支流溫度差是決定異重流潛入及發(fā)展的重要原因[16-17].當春夏季長江干流水溫升高時,表層倒灌異重流頻次顯著升高,底層倒灌現(xiàn)象顯著減少[18].本研究通過數(shù)值模型總結(jié)了6種典型環(huán)流模式,本質(zhì)上都是上、下游分層異重流對庫灣水體的侵入而形成的水體環(huán)流過程,影響環(huán)流模式的主要參數(shù)有干支流水體溫差、含沙量及上游入流水溫等.

混合層(Mixed layer)指與表層水溫在0.5℃以內(nèi)的水體,混合層深度變化對藻類水華生消過程有十分重要的作用[19].內(nèi)陸水體熱量結(jié)構和垂向混合深度主要受大氣溫濕度、風應力、太陽輻射等因素影響[20].根據(jù)臨界層理論[21],混合層深度是水動力條件對藻類生長環(huán)境影響的直觀表現(xiàn),也是預測水華生長趨勢的重要指標之一.已有研究表明[22],混合層深度小于真光層時,藻類可大量累積有利于水華形成,而深度增大至真光層以下時則可以抑制藻類生長.P2監(jiān)測斷面混合層深變化圖如圖9所示,環(huán)流模式出現(xiàn)日期統(tǒng)計圖如圖10所示.

圖9 P2監(jiān)測斷面混合層深變化圖

圖10 環(huán)流模式出現(xiàn)日期統(tǒng)計圖

下游表層倒灌作用使得混合層深度增加,加強了庫灣真光層水體的垂向摻混[23];而9 月的中層倒灌異重流混合層深度起初很大后逐漸減小,持續(xù)的中層倒灌使得表層水體被頂托分層逐漸加劇;底層倒灌異重流與底層順坡異重流相遇,使得底層垂向摻混強度增加,但由于動量守恒,兩水頭相遇造成橫向流速減緩,庫灣水齡增加,在一定程度上抑制了混合層發(fā)展.

基于2015年全年模擬結(jié)果分析混合層深度變化,發(fā)現(xiàn)香溪河庫灣類似湖泊型水體存在冬季混合層較深而夏季較淺的特性,除環(huán)流模式以外的環(huán)境影響因子對混合層深度變化的協(xié)同作用,如光照、氣溫、入流水溫等,尤其是光照和氣溫對表層水體影響較大,可在之后的穩(wěn)態(tài)環(huán)流實驗中控制變量作進一步分析.

3.2 香溪河真光層水體營養(yǎng)鹽來源分析

真光層是指水生浮游植物進行有效光合作用的水層,是浮游植物進行光合作用獲取能量、產(chǎn)氧固碳的主要場所[24],因此真光層中營養(yǎng)鹽濃度是水華暴發(fā)風險評價的重要一環(huán)[25].從現(xiàn)有研究得出的一般結(jié)論認為,真光層、營養(yǎng)鹽、溫度以及水動力條件共同促使水生浮游植物的生物量在一個時間段內(nèi)持續(xù)提高,最終導致水華暴發(fā).香溪河不同時期發(fā)生的不同形式的干流倒灌水體,勢必造成不同程度的物質(zhì)交換,進而影響到藻類生長的主要場所:真光層的營養(yǎng)鹽濃度,對水華的發(fā)展形成一定影響[26].根據(jù)粒子示蹤法計算得出的3個監(jiān)測點位的真光層水體營養(yǎng)鹽來源估算結(jié)果見表3.

表3 典型環(huán)流模式庫灣真光層營養(yǎng)鹽貢獻率表

根據(jù)粒子示蹤算法的結(jié)果,上游來流對P3(回水末端)貢獻率在三類典型環(huán)流模式中均較高,且隨著下游倒灌異重流潛入深度的增加,上游來流的真光層營養(yǎng)鹽范圍擴散至下游河口,可能的原因是底層水頭碰撞導致庫灣垂向摻混增強,水齡增加[27],導致上游來流對不同監(jiān)測點位的營養(yǎng)鹽貢獻率提高.長江干流的倒灌補給率在表層倒灌情況下的補給力度最大.倒灌異重流的營養(yǎng)鹽補給率同樣受底層水頭碰撞的影響,在下游底層倒灌的條件下對真光層的營養(yǎng)鹽補給率較中層倒灌時更高.2015全年觀測數(shù)據(jù)表明,上游底層入流-下游表層倒灌環(huán)流模式占160/365,可以認為該模式是香溪河主要的環(huán)流模式.將全年作為評價尺度,即將三類環(huán)流模式按全年所占比例進行貢獻率分布,發(fā)現(xiàn)香溪河庫灣的營養(yǎng)鹽主要供給源是長江干流倒灌補給,上游來流攜帶的營養(yǎng)鹽貢獻率相對較小,與徐雅倩等[28]在香溪河的結(jié)論相同.

4 結(jié) 論

1)香溪河庫灣水體環(huán)流過程主要受兩種驅(qū)動力的影響,分別是上游入流和下游倒灌;根據(jù)異重流潛入深度可基本分為6種環(huán)流模式,其中以下游表層倒灌-上游底部順坡異重流模式為主,該模式有利于增大庫灣混合層深度.

2)香溪河庫灣真光層營養(yǎng)鹽受上游來流和下游倒灌的雙重補給,補給率受環(huán)流模式的影響較大,其中起主導作用的是下游倒灌及潛入深度.干流倒灌主要貢獻區(qū)域為中下游,上游源頭補給主要集中在上游段.