趙莊明，楊 靜，綦世斌

(環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東廣州510630)

水庫(kù)水動(dòng)力過(guò)程直接影響其化學(xué)、生物和生態(tài)動(dòng)力系統(tǒng)過(guò)程。其水平和垂向的輸移和混合過(guò)程影響營(yíng)養(yǎng)鹽［1］、污染物［2］和動(dòng)植物［3－4］的分布。水庫(kù)動(dòng)力因素主要包括風(fēng)應(yīng)力、入庫(kù)出庫(kù)徑流、密度不均造成的重力流以及科里奧利力等，其中風(fēng)應(yīng)力包括風(fēng)對(duì)湖面的摩擦剪應(yīng)力和風(fēng)對(duì)波浪背面的壓力等，是湖泊、水庫(kù)中較為重要的動(dòng)力因素［5－6］。湖庫(kù)等較為封閉的水域中，在風(fēng)應(yīng)力作用下常常會(huì)形成水平、垂向上的系統(tǒng)性環(huán)流，即風(fēng)生環(huán)流。而水庫(kù)由于受人工調(diào)節(jié)等作用，其入庫(kù)、出庫(kù)徑流引起的環(huán)流也需同時(shí)考慮。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)湖庫(kù)環(huán)流等方面已進(jìn)行了深入研究。國(guó)內(nèi)較早就有學(xué)者采用二維差分模式模擬了太湖定常風(fēng)流場(chǎng)［7］;也有學(xué)者采用二維有限元模型對(duì)玄武湖風(fēng)生流進(jìn)行數(shù)值模擬［8］。這些淺水二維模式應(yīng)用廣泛，卻無(wú)法反映流場(chǎng)垂向結(jié)構(gòu)。近年來(lái)越來(lái)越多學(xué)者采用三維模式研究實(shí)際湖庫(kù)的水動(dòng)力特征。如梁瑞駒等［9］采用基于Sigma坐標(biāo)的三維模型模擬太湖風(fēng)生流水平和垂向分布;胡維平等［10］則采用三維模型模擬了典型風(fēng)場(chǎng)下的湖流，并指出整層平均流場(chǎng)與各層流場(chǎng)之間存在很大差異，在研究諸如藻類(lèi)、泥沙垂直分布明顯的物質(zhì)輸移與分布時(shí)，二維模型過(guò)于粗略，最好選用垂直方向至少三層數(shù)值模型。張發(fā)兵［11］利用三維水動(dòng)力模式對(duì)定常風(fēng)下典型湖底地形風(fēng)生流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)場(chǎng)等外部條件相同下，湖底地形將決定湖泊風(fēng)生流場(chǎng)的基本形態(tài)和環(huán)流流速。Boris等［12］則建立了SPEM模型模擬了康斯坦茨湖Marinau島周?chē)L(fēng)生流;Musteyde等［13］基于Stokes方程建立了一個(gè)三維風(fēng)生湖流數(shù)學(xué)模型模擬英國(guó)Esthwaite Water湖計(jì)算。在徑流方面，孫楊等［14］采用三維水動(dòng)力模型模擬了一次暴雨下大伙房水庫(kù)徑流產(chǎn)生的環(huán)流過(guò)程。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究開(kāi)始采用FVCOM、ECOM、Delft 3D等模式進(jìn)行湖庫(kù)環(huán)流計(jì)算。

鶴地水庫(kù)作為廣東省5個(gè)大型飲用水源地之一，其遭受來(lái)自上游九洲江及周邊污染越來(lái)越嚴(yán)重，然而目前對(duì)鶴地水庫(kù)水動(dòng)力研究相對(duì)缺乏?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)僅是從水庫(kù)防洪調(diào)度［15］和流量變化［16－18］方面進(jìn)行宏觀研究，對(duì)于庫(kù)區(qū)的環(huán)流變化時(shí)空分布特征等研究很少。如何分離各種動(dòng)力因素對(duì)庫(kù)流特征的影響，是采用實(shí)測(cè)手段難以解決的課題，因此采用成熟的數(shù)值模型模擬以揭示水庫(kù)水動(dòng)力物理規(guī)律的方法是重要的研究手段。

本文采用三維非結(jié)構(gòu)FVCOM模型，同時(shí)考慮徑流與風(fēng)的影響，模擬鶴地水庫(kù)2013年1月至2014年3月的環(huán)流特征。通過(guò)對(duì)鶴地水庫(kù)在純徑流作用下、主導(dǎo)風(fēng)作用下的環(huán)流分析和2013年的真實(shí)環(huán)流模擬，對(duì)比庫(kù)區(qū)不同季節(jié)下的環(huán)流特性和環(huán)流的空間分布，揭示和描繪鶴地水庫(kù)環(huán)流的時(shí)空分布特征以及主導(dǎo)因素，為將來(lái)鶴地水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)鹽輸運(yùn)過(guò)程和生態(tài)動(dòng)力學(xué)研究提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域

鶴地水庫(kù)位于廣東、廣西跨省河流九洲江的中游，地處北回歸線以南，介于東經(jīng)109°54'－110°25'，北緯 21°42'－22°22'之間，研究區(qū)域見(jiàn)圖 1。水庫(kù)建于1958年，1960年運(yùn)行，大壩位于廣東省湛江市廉江河唇鎮(zhèn)，庫(kù)區(qū)北起文官，南至渠首，橫跨廣西陸川、博白和廣東廉江、化洲四縣市，是以防洪、灌溉為主，兼具生活飲用、發(fā)電、航運(yùn)、觀光旅游等功能為主的國(guó)家級(jí)大 (I)型水庫(kù)，是廣東省5個(gè)大型飲用水源地之一，擔(dān)負(fù)著粵西10多萬(wàn)hm2耕地的灌溉和幾十萬(wàn)人的生活供水［19］。鶴地水庫(kù)屬于河道型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)最寬可達(dá)4.9 km;水庫(kù)最大水深28 m，平均水深10.1 m，其水文特征如表1所示。鶴地水庫(kù)正常高水位為39.3 m，洪峰來(lái)時(shí)超過(guò)該水位必須向九洲江下游開(kāi)閘放水。其多年平均入庫(kù)徑流量為14.8億m3［19］，其中上游九洲江入庫(kù)徑流量達(dá)9.28億m3。根據(jù)建庫(kù)40 a來(lái)湛江水文局鶴地水文站的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)資料顯示，排入下游九洲江年均水量?jī)H為3.02億m3，而約10.70億m3水量則排入雷州青年運(yùn)河用于灌溉、供水［20］?？梢?jiàn)鶴地水庫(kù)對(duì)于下游的重要性不言而喻。然而，由于九洲江上游及庫(kù)區(qū)周邊大量農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖、生活廢水的排入，同時(shí)鶴地水庫(kù)流速緩、自?xún)裟芰Σ?，致使近年?lái)富營(yíng)養(yǎng)化程度持續(xù)加重，已嚴(yán)重威脅到下游城市的生活供水。

表1 鶴地水庫(kù)水文特征Table 1 Hydrological features of Hedi Reserva

2 方法和數(shù)據(jù)

2.1 物理模型

鶴地水庫(kù)庫(kù)區(qū)四周為丘陵地，庫(kù)中島嶼星羅棋布，岸線迂回曲折，形成了眾多的庫(kù)灣和庫(kù)叉;庫(kù)尾從石角至文車(chē)段為相對(duì)較狹窄的河道。研究區(qū)域特點(diǎn)是地形復(fù)雜，包括寬闊的庫(kù)區(qū)與狹窄的河道段，對(duì)于庫(kù)區(qū)，可以采用低分辨率網(wǎng)格，而對(duì)于河道段，則必須采用高分辨率網(wǎng)格。

圖1 鶴地水庫(kù)地形圖Fig.1 The topography of Hedi Reservoir

本文采用目前應(yīng)用廣泛的三維FVCOM模型模擬鶴地水庫(kù)水動(dòng)力過(guò)程。該模型是由Chen等［23］發(fā)展起來(lái)的基于無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積三維原始方程海洋模式。其優(yōu)點(diǎn)是能夠靈活處理空間分辨率及擬合不規(guī)則岸線、島嶼;而垂向上采用σ坐標(biāo)系統(tǒng)則能夠擬合起伏地形變化。σ坐標(biāo)變換在陡坡地形上容易引起虛假的斜壓誤差流動(dòng)，但是這種誤差可以通過(guò)將水平和垂直網(wǎng)格大小限制在一定分辨率下而達(dá)到計(jì)算所需精度［24－27］。FVCOM在垂向上和水平上分別采用Mellor和Yamada 2.5階紊流模型(MY－2.5)［28－30］和 Smagorinsky 紊流模型［31］。FVCOM采用內(nèi)外模分裂技術(shù)進(jìn)行數(shù)值求解。目前FVCOM已經(jīng)成功用于膠州灣、渤海、長(zhǎng)江口等地方的生態(tài)過(guò)程研究［32］。FVCOM在湖泊水庫(kù)方面也得到了廣泛應(yīng)用［5，33－34］。

為了盡量減小水庫(kù)回水影響，將模型上游邊界定在距離石角橋14.5 km的文車(chē)橋處。模式計(jì)算區(qū)域包括鶴地水庫(kù)文車(chē)橋至渠首段，模型的水深資料由鶴地水庫(kù)庫(kù)區(qū)地形測(cè)量圖 (圖1石角F-49-77-βα、東村 F-49-77-β-α、矛峽村 F-49-77-τ-α、竹仔山 F-49-77-Γ-δ、蓮塘 F-49-77-Γ-β、龍?zhí)?F-49-77-Γ-τ)獲得，同時(shí)，為了準(zhǔn)確了解鶴地水庫(kù)地形的變化，于2014年3月對(duì)文車(chē)橋至鶴地水庫(kù)的地形進(jìn)行部分測(cè)量，以校核水深資料數(shù)據(jù)。

模式共劃分6297個(gè)三角形單元和3721個(gè)節(jié)點(diǎn)，文車(chē)橋至石角橋段采用細(xì)網(wǎng)格，最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)160 m，石角橋以下的庫(kù)區(qū)段采用粗網(wǎng)格，最大網(wǎng)格邊長(zhǎng)300 m。垂向均勻劃分10層網(wǎng)格。庫(kù)底拖曳系數(shù)取0.0025。水平渦粘系數(shù)取2.0 m2/s，垂向采用MY－2.5紊流模型閉合。最小水深設(shè)置為0.05 m，根據(jù)CFL條件及模型調(diào)試確定時(shí)間步長(zhǎng)外模取0.5 s，內(nèi)模取10 s。模擬時(shí)段從2013年1月1日0:00－2014年3月31日0:00。由于模型計(jì)算量大，所有模擬均提交到高性能并行計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。

2.2 模型輸入數(shù)據(jù)

2.2.1 水庫(kù)流量 由于各入庫(kù)河流的徑流量受氣候變化影響而導(dǎo)致年度和年內(nèi)變化差異較大，加之下游水體人工調(diào)節(jié)等因素，導(dǎo)致庫(kù)容和水位在年際與年內(nèi)之間差異明顯［20］。為了了解鶴地水庫(kù)水量平衡關(guān)系，本文收集了1980－2013年上游文官站每月來(lái)水量與下游青年運(yùn)河每月輸水量 (資料由湛江市雷州青年運(yùn)河管理局提供)。2013年及歷年月平均鶴地水庫(kù)上游來(lái)水與下游輸水量如圖2所示，由圖可見(jiàn)，來(lái)水受降雨影響年內(nèi)各月份分布不均，多集中于5－9月，而輸水量集中于3－10月份;2013年與歷年月平均對(duì)比可見(jiàn)，來(lái)水高峰差異較大，而輸水差異不明顯。渠首站同時(shí)記錄有逐時(shí)水位值，該水位資料由廣東省水利廳汛情發(fā)布系統(tǒng)獲得 (http://www.gdwater.gov.cn:9001/Report/WaterReport.aspx)。

本次模擬上游入流邊界采用月均實(shí)測(cè)流量值、下游出流邊界包括雷州青年運(yùn)河大壩及排往九洲江的大壩，由于兩者相距不遠(yuǎn)，均采用渠首的實(shí)測(cè)水位值，初始水位設(shè)置為2013年1月1日1時(shí)相應(yīng)的水位值。

圖2 鶴地水庫(kù)上游來(lái)水及下游 (青年運(yùn)河)輸水量Fig.2 The rate of inflow upstream and outflow downstream(the youth river)at Hedi Reservoir

2.2.2 風(fēng)場(chǎng) 鶴地水庫(kù)地處北回歸線以南低緯地區(qū)，緊靠熱帶海岸，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，夏半年(4－9月)受濕熱夏季風(fēng)影響，盛行偏南風(fēng)，冬半年 (10月－次年3月)受干冷冬季風(fēng)影響，則多吹偏北風(fēng)，歷年平均風(fēng)速2.75 m/s。準(zhǔn)確的風(fēng)場(chǎng)對(duì)于研究鶴地水庫(kù)環(huán)流至關(guān)重要。本文風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用NCEP每隔6 h的再分析資料。距離鶴地水庫(kù)中心最近的NCEP格點(diǎn) (約34 km)和廉江氣象站(約17 km)位置如圖1所示，為了驗(yàn)證該格點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，將該格點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)與廉江氣象站2011年的小時(shí)平均風(fēng)場(chǎng)作對(duì)比 (本文風(fēng)向以N向作為°順時(shí)針增加)，部分結(jié)果如圖3所示，NCEP格點(diǎn)的風(fēng)速與風(fēng)向均與監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)值吻合良好。證明該NCEP格點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)能夠代表鶴地水庫(kù)附近的風(fēng)場(chǎng)變化。

模型使用風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為2013年1月1日至2014年3月31日，見(jiàn)圖4。為了得到較為接近現(xiàn)實(shí)的初始水動(dòng)力場(chǎng)，模型在較小風(fēng)速下預(yù)先模擬1年時(shí)間，得到的流場(chǎng)結(jié)果作為初始場(chǎng)代入模型，再按實(shí)際風(fēng)速模擬。

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型，于2014年3月3－6日對(duì)各主要入庫(kù)河流 (九洲江、丹兜河、蘭山河)流量進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。模型驗(yàn)證時(shí)，各入庫(kù)河流取相應(yīng)的實(shí)測(cè)流量值，下游邊界取相應(yīng)的水位實(shí)測(cè)值。

于2014年3月3－7日通過(guò)快艇并采用River-Surveryor M9聲學(xué)多譜勒水流剖面儀 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)M9)對(duì)鶴地水庫(kù)若干點(diǎn) (A1－A9)的流速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，等待船停穩(wěn)后將M9固定在船上，并通過(guò)連接電腦實(shí)時(shí)得到水深平均流速數(shù)據(jù)時(shí)間序列。由于水庫(kù)流速小，為了盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)擾動(dòng)造成的影響，監(jiān)測(cè)期間船只關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，觀測(cè)路線依次從渠首至石角橋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每天走航一次，共測(cè)5次。將各點(diǎn)水深平均流速的時(shí)間序列進(jìn)行平均，得到各點(diǎn)位的垂向剖面平均流速流向如圖5(a)所示。

圖3 NCEP格點(diǎn)與20110101－20110211廉江氣象站風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ菷ig.3 Comparison of the winds obtained by NCEP and Lianjiang meteorological station during Jan.lst to Feb.11st，2011

圖4 20130101－20140331期間鶴地水庫(kù)附近風(fēng)速變化Fig.4 The change of wind velocities near Hedi Reserva from Jan.1st，2013 to Mar.31st，2014

表2 主要入庫(kù)河流實(shí)測(cè)流量Table 2 The measured flow rate of main inflow rivers

根據(jù)NCEP再分析資料顯示，3月3－7號(hào)水面以上10 m風(fēng)速在1.3～3.9 m/s之間，主要受NNE風(fēng)作用，而各個(gè)入庫(kù)河流正處于枯水期，流量影響不大 (見(jiàn)表2)，水庫(kù)處于高水位，介于40.23～40.27 m之間，因此風(fēng)的作用影響顯著。如圖5(b)所示，本次模擬結(jié)果基本能夠反映各個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)位的流場(chǎng)趨勢(shì)。圖6顯示，總體上除A9點(diǎn)的流向有所偏離外，其它各個(gè)測(cè)點(diǎn)模擬的流向與實(shí)測(cè)值符合良好，但觀測(cè)發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果的流速普遍比實(shí)測(cè)值小，最大誤差為A1號(hào)點(diǎn)表層，絕對(duì)誤差為0.038 m/s，相對(duì)誤差為76%，這可能是實(shí)測(cè)時(shí)受瞬時(shí)風(fēng)浪的干擾，導(dǎo)致流速值偏大，這在其它的湖泊中也出現(xiàn)相似情況［5，35］。但總體上流速基本處于同一數(shù)量級(jí)水平，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值相符良好。

3 結(jié)果分析

3.1 徑流對(duì)環(huán)流影響

根據(jù)鶴地水庫(kù)地形特征將其分為河道段 (文車(chē)橋至石角橋)、過(guò)渡段 (石角橋至蘭山河口)和庫(kù)區(qū)段 (蘭山河口至渠首)。為了解入庫(kù)、出庫(kù)徑流對(duì)于庫(kù)區(qū)環(huán)流的作用，首先剔除風(fēng)的影響，只考慮入庫(kù)出庫(kù)徑流，得到4個(gè)季度平均水平環(huán)流如圖7所示。由圖可見(jiàn)，各個(gè)季度環(huán)流較為相似，主要以蘭山河口至渠首的雙環(huán)流為主，并且豐水期流速大，雙環(huán)流增強(qiáng)。其它地方環(huán)流較弱，以逆時(shí)針環(huán)流為主。

圖5 2014年3月3－7日鶴地水庫(kù)水深平均流速觀測(cè)值與模擬值比較Fig.5 Comparison of depth averaged current between observation data and simulations during March 3－7，2014

圖6 各個(gè)測(cè)點(diǎn)各層流速與流向?qū)崪y(cè)值與模擬值對(duì)比Fig.6 Comparison between measured data and simulated results of flow velocities and directions at different layers and observation points

為觀測(cè)枯水期與豐水期垂向環(huán)流特征，選擇來(lái)水差異明顯的第一、三季度 (每月來(lái)水量分別為:3602.3萬(wàn)m3和30703.0萬(wàn)m3)，渠首至石角水庫(kù)軸線 (見(jiàn)圖7)的垂向剖面進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖8所示，枯水期與豐水期均為水庫(kù)表層由石角向渠首流，而中層、底層流則相反?？菟谶@種回流在剖面沿線17.5 km后較明顯 (流速大于0.01 m/s)，而豐水期在8.0 km后就已經(jīng)較大，因此，隨著豐水期上游九洲江來(lái)水量增大，水庫(kù)的垂向環(huán)流也有所增強(qiáng)。在豐水期可明顯看出庫(kù)區(qū)的三大垂向環(huán)流區(qū):即石角至丹兜河口、丹兜河口至蘭山河口、蘭山河口至渠首，這三大垂向環(huán)流隨著水深增加、庫(kù)區(qū)變寬而逐漸減弱。

3.2 不同風(fēng)場(chǎng)對(duì)環(huán)流影響

根據(jù)NCEP統(tǒng)計(jì)得到鶴地水庫(kù)近10 a的風(fēng)向玫瑰圖如圖9所示，4個(gè)季度的主導(dǎo)風(fēng)向依次為NNE、S、S和NNE，對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速依次為4.13，2.82，2.00和3.67 m/s。全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)?NNE、NE和S，對(duì)應(yīng)平均風(fēng)速分別為3.6，2.74和2.66 m/s。從圖中可見(jiàn)10－12月份風(fēng)向較為穩(wěn)定，幾乎都為偏北風(fēng)，加之徑流量對(duì)庫(kù)區(qū)環(huán)流影響相對(duì)較小，因此該段時(shí)間是研究風(fēng)生環(huán)流的最佳時(shí)期。2013年4個(gè)季度的主導(dǎo)風(fēng)與近10 a平均相似，只是秋季由S風(fēng)變?yōu)镾SE風(fēng)，對(duì)應(yīng)平均風(fēng)速依次為4.09，2.78，2.39和3.45 m/s。

圖7 2013年純徑流下各季度模擬流場(chǎng):實(shí)心點(diǎn)為垂向剖面線Fig.7 The simulated streamtraces with pure runoff effect in 2013:filled circles are vertical profile

圖8 2013年純徑流下渠首至石角中軸線垂向剖面流速分布Fig.8 The streamtraces of the vertical profile of central axis from Qushou to Shijiao with pure runoff effect in 2013

對(duì)近10 a風(fēng)場(chǎng)與2013年的統(tǒng)計(jì)分析可知，冬半年主導(dǎo)風(fēng)為NNE風(fēng)，夏半年主導(dǎo)風(fēng)為S風(fēng)。此處剔除徑流影響，模擬這兩種主導(dǎo)風(fēng)作用下的環(huán)流，風(fēng)速取2013年對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值 (4.09和2.78 m/s)。另外也模擬SSE風(fēng)下的環(huán)流，風(fēng)速值根據(jù)2013年統(tǒng)計(jì)結(jié)果取2.39 m/s。

模擬結(jié)果顯示:①NNE風(fēng)作用下的水平環(huán)流結(jié)構(gòu)主要以逆時(shí)針環(huán)流為主 (如圖10)。主要環(huán)流有石角至丹兜河口的逆時(shí)針環(huán)流，丹兜至蘭山河口的逆時(shí)針環(huán)流以及庫(kù)區(qū)段的雙環(huán)流結(jié)構(gòu)，該雙環(huán)流包含了靠近渠首的一個(gè)較小的順時(shí)針環(huán)流。西岸流普遍強(qiáng)于東岸流，整個(gè)庫(kù)區(qū)最大流速達(dá)到4.6 cm/s。②S、SSE風(fēng)作用下的環(huán)流相似，環(huán)流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，順時(shí)針與逆時(shí)針環(huán)流交替出現(xiàn)，如石角至丹兜河口依次出現(xiàn)順時(shí)針、逆時(shí)針、順時(shí)針、逆時(shí)針環(huán)流。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)庫(kù)區(qū)段雙環(huán)流呈左右排列，且東岸流普遍比西岸流大，S風(fēng)下最大流速達(dá)到3.1 cm/s。

值得注意的是，近似橢圓形結(jié)構(gòu)的庫(kù)區(qū)受地形和風(fēng)向的影響，均出現(xiàn)雙環(huán)流結(jié)構(gòu):在庫(kù)區(qū)較淺的沿岸，流向與風(fēng)向相同，而在庫(kù)區(qū)中央則形成了與風(fēng)向相反的補(bǔ)償流。

垂向剖面流場(chǎng)如圖11所示，在持續(xù)定常風(fēng)作用下，除較薄的水表層，水面下形成較大規(guī)模的與風(fēng)向相反的回流。這與徑流作用下的環(huán)流有所不同:徑流作用下容易形成強(qiáng)勁的表層流，而回流相對(duì)較弱;而定常風(fēng)作用下表層流則較弱，回流較強(qiáng)，這種現(xiàn)象在庫(kù)區(qū)段最為突出，原因是該段水面較寬，增加了風(fēng)的受力面。

圖9 鶴地水庫(kù)附近近10 a平均風(fēng)向及風(fēng)速玫瑰圖Fig.9 The rose diagrams of 10 years'average wind directions and wind velocities near Hedi Reserva

圖10 不同風(fēng)場(chǎng)下的環(huán)流Fig.10 Circulations with different winds

3.3 2013年環(huán)流

3.3.1 環(huán)流季節(jié)特性 圖12顯示2013年各季度平均水平環(huán)流。夏半年 (4－9月)由于徑流為自北往南，而兩個(gè)季度的平均風(fēng)向?yàn)镋SE和SE風(fēng)，因此這兩種作用力存在一定程度的相互抵消。從平均結(jié)果上看，鶴地水庫(kù)主要為逆時(shí)針環(huán)流，且西岸流普遍強(qiáng)于東岸流。與純徑流作用相比，一方面是庫(kù)區(qū)段的逆時(shí)針?biāo)江h(huán)流強(qiáng)度被削弱，但另一方面由于風(fēng)的存在，較強(qiáng)的環(huán)流結(jié)構(gòu)明顯增加 (如4－6月份)，但是隨著徑流作用與風(fēng)作用差距變大，環(huán)流結(jié)構(gòu)分布逐漸趨向于純徑流下的環(huán)流，如7－9月份，其環(huán)流結(jié)構(gòu)幾乎與純徑流一致。而冬半年的1－3月份徑流作用不強(qiáng)，風(fēng)場(chǎng)多變，風(fēng)速不大，因此平均環(huán)流較弱，但是與純徑流相比，整個(gè)水庫(kù)的環(huán)流明顯得到增強(qiáng);對(duì)于10－12月份，此時(shí)的徑流雖沒(méi)有夏半年強(qiáng)，然而卻呈現(xiàn)出多個(gè)流速較大的環(huán)流，這是由于此時(shí)平均風(fēng)向?yàn)镹NE，風(fēng)向穩(wěn)定且與徑流方向大概相同，平均風(fēng)速大，達(dá)到了3.36 m/s，因此這一階段的風(fēng)生環(huán)流是全年最為強(qiáng)勁的時(shí)候，風(fēng)生環(huán)流的渦旋結(jié)構(gòu)明顯增加，且逆時(shí)針環(huán)流強(qiáng)，順時(shí)針環(huán)流弱。

如圖13所示為純徑流與加上風(fēng)場(chǎng)作用B1點(diǎn)(位置見(jiàn)圖12)各層的流速時(shí)間序列對(duì)比，從圖中可見(jiàn)風(fēng)場(chǎng)增強(qiáng)了各層特別是表層的流速紊動(dòng)，特別是在10－12月份，由于持續(xù)強(qiáng)偏北風(fēng)作用，B1點(diǎn)流速整體比純徑流下強(qiáng)。從垂向剖面看 (見(jiàn)圖14)，1－3月份垂向環(huán)流比純徑流作用時(shí)增強(qiáng)，在弱徑流作用下，風(fēng)對(duì)于垂向環(huán)流至關(guān)重要;而夏半年垂向環(huán)流與純徑流作用相比差異不明顯，這是由于在強(qiáng)徑流作用下，較小的風(fēng)對(duì)于垂向環(huán)流作用并不明顯。

總體上，在冬半年，徑流弱而風(fēng)力較大情況下，風(fēng)成為水平、垂向環(huán)流作用的主導(dǎo)因素，特別是在風(fēng)速較大、風(fēng)向穩(wěn)定且與流向相同情況下環(huán)流更為明顯;而夏半年，徑流較強(qiáng)勁，此時(shí)風(fēng)向多與徑流流向相反，水庫(kù)水平、垂向環(huán)流則主要受徑流控制，只在庫(kù)區(qū)段出現(xiàn)較強(qiáng)水平環(huán)流。

3.3.2 環(huán)流空間分布 鶴地水庫(kù)2013年全年平均水平環(huán)流如圖15所示。以下主要分析鶴地水庫(kù)過(guò)渡段和庫(kù)區(qū)段的環(huán)流結(jié)構(gòu)。過(guò)渡段主要環(huán)流是石角至丹兜河口形成的逆時(shí)針環(huán)流。最大水深平均沿岸流出現(xiàn)在石角以下約2.3 km西岸處，達(dá)到2.4 cm/s?？傮w來(lái)說(shuō)，較淺的沿岸流比庫(kù)中央深水區(qū)的流速要大，且西岸流普遍比東岸流流速大。由于環(huán)流作用，東岸往往容易富集營(yíng)養(yǎng)鹽，并提供有利于藻類(lèi)生長(zhǎng)的緩流環(huán)境。黎紅秋等［3］的觀測(cè)結(jié)果顯示浮游植物細(xì)胞密度在高朗 (東岸)一帶接近甚至超過(guò)營(yíng)養(yǎng)鹽最高的石角，這證明了過(guò)渡段的東岸可能出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化幾率會(huì)更高。另外，在丹兜河與蘭山河口段也出現(xiàn)逆時(shí)針環(huán)流和一個(gè)較弱的順時(shí)針環(huán)流，流速相對(duì)偏緩，這導(dǎo)致懸浮物易于在此沉積，張華駿等［1］對(duì)于沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽的觀測(cè)證明了該觀點(diǎn)。

圖11 不同風(fēng)場(chǎng)下渠首至石角中軸線垂向剖面流速分布Fig.11 The streamtraces of the vertical profile of central axis from Qushou to Shijiao under different winds

圖12 2013年各季度模擬流場(chǎng)圖Fig.12 The streamtraces in all quarters of 2013

圖13 B1點(diǎn)有風(fēng)與無(wú)風(fēng)情況下表、中、底層流速序列Fig.13 The time serials of velocities at surface，center and bottom layers of point B1 with and without winds

圖14 渠首至石角中軸線垂向剖面流速分布Fig.14 The streamtraces of the vertical profile of central axis from Qushou to Shijiao

圖15 2013年水深平均流速模擬結(jié)果Fig.15 The simulation of depth averaged current in 2013

庫(kù)區(qū)段的水域比較廣闊，受徑流、風(fēng)和地形三重作用，形成近蘭山河口的較強(qiáng)的逆時(shí)針環(huán)流和較弱的順時(shí)針環(huán)流。其中西岸也出現(xiàn)較強(qiáng)沿岸流。庫(kù)區(qū)上游來(lái)水在蘭山河口和蘭山河匯合，主要受徑流推動(dòng)，形成了大小兩個(gè)環(huán)流，此處地形對(duì)于雙環(huán)流的形成起到了關(guān)鍵作用。

4 結(jié)論

采用FVCOM模型，同時(shí)考慮徑流與風(fēng)的影響，模擬鶴地水庫(kù)2013年1月至2014年3月的環(huán)流，并通過(guò)2014年3月的實(shí)測(cè)流速值與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，證明模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值符合良好。通過(guò)對(duì)鶴地水庫(kù)2013年純徑流作用下、不同定常主導(dǎo)風(fēng)場(chǎng)作用下和2013年實(shí)際環(huán)流結(jié)構(gòu)分析顯示:

1)不同主導(dǎo)風(fēng)作用下呈現(xiàn)出不同環(huán)流結(jié)構(gòu)。在主導(dǎo)風(fēng)NNE風(fēng)持續(xù)作用下，鶴地水庫(kù)呈現(xiàn)出多個(gè)較大的逆時(shí)針環(huán)流，西岸流普遍比東岸流強(qiáng);而在S、SSE風(fēng)作用下，則出現(xiàn)多個(gè)逆時(shí)針與順時(shí)針環(huán)流交替，且東岸流普遍比西岸流強(qiáng);

2)在冬半年，徑流弱而風(fēng)力較大情況下，風(fēng)成為水平、垂向環(huán)流作用的主導(dǎo)因素;而夏半年，徑流較強(qiáng)勁，此時(shí)風(fēng)向多與徑流流向相反，水庫(kù)水平、垂向環(huán)流則主要受徑流控制;

3)整個(gè)庫(kù)區(qū)全年平均主要以逆時(shí)針環(huán)流為主，并形成較強(qiáng)的沿岸流，西岸流比東岸流更強(qiáng)。

通過(guò)描繪鶴地水庫(kù)風(fēng)生環(huán)流的時(shí)空分布特征并分析主要?jiǎng)恿σ蛩?，為將?lái)鶴地水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化和生態(tài)動(dòng)力學(xué)深入研究提供基礎(chǔ)。但是由于水庫(kù)環(huán)流除了受到主導(dǎo)因素風(fēng)、徑流、地形的影響外，還受到諸如溫度變化等因素影響，這些因素在某些情況下是不可忽略的，有時(shí)甚至成為主導(dǎo)因素。由于夏季鶴地水庫(kù)出現(xiàn)溫度分層，這種非正壓作用也會(huì)影響到鶴地水庫(kù)的環(huán)流特性，此外，風(fēng)浪作用也會(huì)影響到水庫(kù)表層的混合和擴(kuò)散，從而影響其熱力結(jié)構(gòu)和動(dòng)力。鶴地水庫(kù)的這些因素的影響比例是多少目前仍未有定量化的結(jié)果，在將來(lái)研究工作中需考慮完善。

致謝:本文研究工作得到了環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所高性能計(jì)算平臺(tái)的大力支持，在此表示感謝。

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