龍良紅,紀(jì)道斌,劉德富,2,嚴(yán)　萌,崔玉潔，宋林旭

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌　443002; 2.湖北工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢　430068;3.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院,武漢　430072)

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基于CE-QUAL-W2模型的三峽水庫神農(nóng)溪庫灣水流水溫特性分析

龍良紅1,紀(jì)道斌1,劉德富1,2,嚴(yán)萌1,崔玉潔3，宋林旭1

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌443002; 2.湖北工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢430068;3.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院,武漢430072)

摘要：三峽水庫蓄水以來，庫區(qū)干、支流水文水動(dòng)力變化顯著。通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和構(gòu)建三峽水庫神農(nóng)溪支流庫灣立面二維水動(dòng)力模型(CE-QUAL- W2)，對(duì)比研究了三峽水庫不同時(shí)期水流、水溫時(shí)空分布特征。研究結(jié)果表明：神農(nóng)溪庫灣水體整體流速緩慢，不同時(shí)期均存在不同強(qiáng)度的異重流現(xiàn)象，包括干流倒灌異重流和上游入流底部順坡異重流；枯水運(yùn)行期和汛前消落期干流水體從表層潛入庫灣，強(qiáng)度較弱；汛期和汛末蓄水期存在中層倒灌并且強(qiáng)度較大，影響整個(gè)庫灣；上游入流處由于來流水溫一般低于庫灣，存在入流底部順坡異重流現(xiàn)象。庫灣水溫呈春夏升溫、秋冬降溫的變化趨勢(shì)，一年四季均存在水溫分層現(xiàn)象；但冬季分層相對(duì)較弱，其它季節(jié)水溫分層明顯；水溫分層模式因異重流的存在，明顯不同于一般水庫的水溫分層。對(duì)比分析表明，CE-QUAL-W2模型可較為準(zhǔn)確地反映神農(nóng)溪庫灣水流及水溫時(shí)空分布特性。研究可為更細(xì)化分析三峽水庫神農(nóng)溪庫灣水流水溫特性、開展水華預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：三峽水庫；神農(nóng)溪庫灣；水流水溫時(shí)空分布；異重流；CE-QUAL-W2模型

三峽水庫蓄水以來，在一定程度上改變了長(zhǎng)江水流條件和水文情勢(shì)，進(jìn)而影響了長(zhǎng)江流域的水生態(tài)環(huán)境[1-3]。近年來三峽庫區(qū)大多數(shù)支流的營(yíng)養(yǎng)水平已達(dá)富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，水流條件改變，使得支流庫灣等水域暴發(fā)“水華”的風(fēng)險(xiǎn)逐漸加大[4-5]。目前對(duì)于三峽支流庫灣的水體富營(yíng)養(yǎng)化[6-8]和水華[9-11]的研究表明，水動(dòng)力條件的變化是三峽水庫支流庫灣發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的主要誘因[12-16]。它作為表征水動(dòng)力條件最基本、最直觀的因子，對(duì)于藻類的生長(zhǎng)、聚集與分布具有十分明顯的影響[17]。三峽水庫成庫后，在庫灣支流形成水體水溫分層結(jié)構(gòu)。水溫分層影響了藻類的生長(zhǎng)、分布。大量研究表明，水溫分層會(huì)減小水體混合層的深度、加速藻類的生長(zhǎng)繁殖、促進(jìn)水華的爆發(fā)[18]。

本文基于2013年三峽水庫神農(nóng)溪庫灣全年的野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用CE-QUAL-W2立面二維水流水溫模型，對(duì)比分析庫灣流速、水溫的時(shí)空分布特征和變化規(guī)律，驗(yàn)證CE-QUAL-W2模型對(duì)三峽水庫支流庫灣的適用性，以期為開展“水華”預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐。

1研究區(qū)概況

1.1神農(nóng)溪概況

神農(nóng)溪灣多，狹長(zhǎng)，5A級(jí)景區(qū)的封閉管理使得研究相對(duì)落后。2003年以來神農(nóng)溪暴發(fā)了多次水華[19]，2014年6月歷時(shí)1個(gè)月的藍(lán)藻水華更引起社會(huì)的廣泛關(guān)注，因而研究神農(nóng)溪支流庫灣水流、水溫的分布特征和變化規(guī)律對(duì)于探明水華暴發(fā)機(jī)理、改善庫灣水環(huán)境具有重要意義。

神農(nóng)溪是湖北巴東長(zhǎng)江北岸的一級(jí)支流，發(fā)源于神農(nóng)架的南坡，自南向北在巫峽口以東2 km處匯入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)60.6 km，流域面積1 031.5 km2[20]。2003年三峽水庫開始蓄水以來，隨著水庫水位的逐漸抬升，神農(nóng)溪庫灣水面逐漸變寬、水流變緩，出現(xiàn)似湖泊水體特征。從河口至回水末端(沿渡河大橋)35 km水流幾乎靜止，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在庫灣內(nèi)滯留，加上底泥中營(yíng)養(yǎng)鹽的緩慢釋放，為藻類的生長(zhǎng)提供了充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而引發(fā)了“水華”的暴發(fā)。神農(nóng)溪為國(guó)家5A級(jí)旅游景區(qū)，是長(zhǎng)江三峽旅游線上的5大景點(diǎn)之一[21]，同時(shí)也是“引江補(bǔ)漢”工程的源頭，所以有效防控神農(nóng)溪“水華”的暴發(fā)顯得尤為重要。

圖1　神農(nóng)溪庫灣監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.1　Layout of monitoringpoints in Shennong Bay

圖2　神農(nóng)溪庫灣模型計(jì)算網(wǎng)格分布示意Fig.2　Calculation model grids for Shennong Bay

1.2采樣斷面設(shè)置和觀測(cè)頻率

根據(jù)神農(nóng)溪的地形

地貌特征、水體富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)空特性，從神農(nóng)溪河口至回水末端沿河道中泓布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，依次記為SN01，SN02，SN03，SN04，SN05，SN06；另在神農(nóng)溪源頭布置監(jiān)測(cè)斷面1個(gè)，記為SNYT；在長(zhǎng)江干流神農(nóng)溪出口的上、下游各布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別記為CJBDS(長(zhǎng)江巴東上)、CJBDX(長(zhǎng)江巴東下)，共計(jì)9個(gè)采樣斷面(如圖1)。

監(jiān)測(cè)時(shí)段為2013年全年，每月進(jìn)行1次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及室內(nèi)分析。水流流速利用挪威產(chǎn)聲學(xué)多普勒三維點(diǎn)式流速儀6 MHz的“Vector”測(cè)量，對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在垂向上沿水深依次為0.5，1，2，4，6，8 m至水底，每隔2 m監(jiān)測(cè)1組流速數(shù)據(jù)，每個(gè)水深流速儀停留35 s。水溫、水深等參數(shù)由HydrolabDS5多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國(guó))實(shí)時(shí)測(cè)定，從表層到水底進(jìn)行連續(xù)均勻的監(jiān)測(cè)，讀數(shù)每5 s更新一次。

2基于CE-QUAL-W2的水流水溫模型

2.1CE-QUAL-W2模型

CE-QUAL-W2模型是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水道實(shí)驗(yàn)站開發(fā)的立面二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，適宜模擬側(cè)向水動(dòng)力和水質(zhì)參數(shù)變化都非常小的狹長(zhǎng)水體[22]，例如河流、水庫、河口以及較為復(fù)雜的組合系統(tǒng)。三峽水庫支流神農(nóng)溪為狹長(zhǎng)型深水庫灣[23]，并且水體水溫沿縱、垂向差異顯著，橫向變化則很微弱，具有明顯的立面二維特性。

本文主要分析神農(nóng)溪庫灣水流水溫特性，所以采用立面二維CE-QUAL-W2模型來模擬神農(nóng)溪庫灣水動(dòng)力特征。

2.2庫灣網(wǎng)格劃分

CE-QUAL-W2模型采用有限差分法求解，采用矩形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，縱向上劃分為若干單元段，垂向上劃分為若干層，每個(gè)單元的寬度采用斷面平均寬度。計(jì)算網(wǎng)格主要參數(shù)：段長(zhǎng)DLX、層厚H、單元寬度B、水面坡度SLOPE。在劃分的網(wǎng)格中，上、下游邊界段和表、底邊界層寬度均設(shè)為0 m，用來表示各條支流之間的相互連接關(guān)系，但這些網(wǎng)格并不參與模型的實(shí)際運(yùn)算。如圖2所示，上游入口從距離河口23.14 km處開始，下游至神農(nóng)溪庫灣與長(zhǎng)江干流交匯處。根據(jù)網(wǎng)格劃分原則，將神農(nóng)溪庫灣劃分為48個(gè)河段、106層。計(jì)算網(wǎng)格垂向間距為1 m，各單元長(zhǎng)度為503.03 m?？紤]到三峽水庫最高蓄水位為175 m，因此模型頂部高程設(shè)為175 m。2.3邊界條件與初始條件確定利用CE-QUAL-W2建立神農(nóng)溪庫灣水流水溫模型所需的邊界條件主要包括上下游的水流和水溫邊界條件、水體表面邊界以及河床底部邊界。

上游水流邊界取入流流量邊界，流量數(shù)據(jù)來源于神農(nóng)溪上游沿渡河報(bào)汛流量統(tǒng)計(jì),如圖3(a)；上游水溫邊界取自神農(nóng)溪源頭石板坪水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),如圖3(b)；下游水流邊界取其水位邊界，水位數(shù)據(jù)來源于CJBD監(jiān)測(cè)點(diǎn)處水位統(tǒng)計(jì)值,如圖3(c)，水溫邊界為CJBD監(jiān)測(cè)斷面沿深度方向的實(shí)測(cè)水溫。

圖3　2013年神農(nóng)溪上游來流量、水溫及下游水位變化曲線Fig.3　Variations of upstream incoming flow,watertemperature and downstream water level inShennong Bay, 2013

水流表面邊界所需緯度、氣溫、風(fēng)速和風(fēng)向?yàn)閷?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，露點(diǎn)溫度通過實(shí)測(cè)氣溫和濕度折算而來，云量則由實(shí)際記錄的晴朗程度來計(jì)算。河床底部邊界取為法向流速為0、絕熱的邊界。所有邊界條件輸入的時(shí)間間隔為1 d。

2.4參數(shù)敏感性分析

本文主要分析了水溫和流速對(duì)風(fēng)遮蔽系數(shù)(WSC)的敏感性，風(fēng)遮蔽系數(shù)WSC反映氣象站風(fēng)速與計(jì)算區(qū)域?qū)嶋H風(fēng)速的差異。進(jìn)行敏感性分析時(shí)，模型其余參數(shù)采用推薦值，比較河口斷面在WSC取不同值時(shí)的水溫和流速分布。圖4繪出了風(fēng)速為2 m/s時(shí)取風(fēng)遮蔽系數(shù)分別為0.1，0.5，0.9，1.5對(duì)應(yīng)的河口附近斷面水溫、流速的垂向分布。

圖4　不同WSC下河口水溫、流速垂向分布Fig.4　Vertical distribution of water temperature andflow velocity in the presence of different WSCs

由圖4可見，不同風(fēng)遮蔽系數(shù)對(duì)應(yīng)的水溫、流速垂向分布趨勢(shì)差異較大，說明WSC對(duì)水溫和流速的垂向分布影響顯著，敏感性較高，在模型計(jì)算前需要進(jìn)行率定。

2.5模型率定

模型參數(shù)率定是一個(gè)反復(fù)調(diào)試的過程，需要根據(jù)實(shí)測(cè)值和模型模擬值的誤差不斷調(diào)整參數(shù)大小，直到模擬誤差能夠滿足預(yù)測(cè)精度要求為止。本模型要求對(duì)風(fēng)遮蔽系數(shù)進(jìn)行率定，同時(shí)以2013年1月、4月、7月、10月現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，主要關(guān)注模型對(duì)流速、水溫的模擬效果。流速的驗(yàn)證主要側(cè)重于流場(chǎng)的分層異向流動(dòng)特征，水溫的驗(yàn)證主要側(cè)重于水溫的分層結(jié)構(gòu)特征和庫灣監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂向水溫分布。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，模型最后采用的各個(gè)參數(shù)如表1所示。

表1　模型主要參數(shù)

3神農(nóng)溪庫灣流速特征分析

神農(nóng)溪從北向南流入長(zhǎng)江干流，水流方向與庫灣支流深泓線方向一致，庫灣水體整體流速較小，平均流速只有cm級(jí)。三峽水庫屬多年調(diào)節(jié)性水庫，根據(jù)三峽水庫調(diào)蓄規(guī)則，可將三峽水庫年度分4個(gè)運(yùn)行期[24]，分別從汛前消落期、汛期、汛末蓄水期、枯水運(yùn)用期來分析庫灣流速特征。流速空間分布圖5和圖6中紅色表示流速為正，水流由干流倒灌進(jìn)入庫灣；藍(lán)色表示流速為負(fù)，水流由庫灣流入干流。

圖5　不同運(yùn)行期實(shí)測(cè)流速空間分布特征Fig.5　Spatial distribution characteristics of measuredflow velocity in different running periods

圖6　不同運(yùn)行期模擬流速空間分布特征Fig.6　Spatial distribution characteristics of simulatedflow velocity in different running periods

3.1實(shí)測(cè)流速特征

2013年1月28日庫灣水體流速較小，流動(dòng)方向基本一致，僅有局部區(qū)域表層水體向庫灣上游流動(dòng)且倒灌強(qiáng)度較弱。4月14日在河口水深4～20 m處水流流速為正的楔形區(qū)域代表干流水體倒灌潛入庫灣，潛入距離大約距河口10 km處，倒灌水體最大流速發(fā)生在SN01(水深7 m處)，其值為0.250 m/s；上游來水由庫灣底部流向河口，最大流速發(fā)生在SN01(水深36 m處)，其值為0.140 m/s。7月20日干流水體從河口由中層水體倒灌入神農(nóng)溪庫灣，潛入距離為20 km左右，影響范圍為整個(gè)庫灣。河口附近水深27 m左右達(dá)到最大倒灌流速0.283 m/s，潛入水體逐漸向表層延伸，流速逐漸降低。上游水體分別從表層、底層流向河口，最大流速發(fā)生在河口附近表層2 m處，流速達(dá)到0.242 m/s，倒灌異重流現(xiàn)象明顯。10月20日倒灌水體在河口水深為30～70 m處形成楔形區(qū)域向庫灣延伸，影響范圍為整個(gè)庫灣，在SN04表層附近達(dá)到最大流速0.128 m/s。上游水體從庫灣底部流向河口，最大流速發(fā)生在SN04底部，其值為0.122 m/s，倒灌強(qiáng)度較大。監(jiān)測(cè)表明神農(nóng)溪庫灣在三峽水庫不同運(yùn)行期均存在一定的分層異向流?？菟\(yùn)用期干流水體倒灌潛入庫灣較弱，汛前消落期、汛期、枯水運(yùn)用期水體倒灌現(xiàn)象逐漸加強(qiáng)。

3.2模型流速驗(yàn)證

采用率定好的模型對(duì)三峽水庫不同水位運(yùn)行期下神農(nóng)溪水流水溫進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出， 2013年1月28日模型計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出表層倒灌異重流，庫灣表層水體倒灌潛入庫灣，但強(qiáng)度較低，與實(shí)測(cè)枯水運(yùn)用期水流特征基本吻合。4月14日計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果都顯示干流水體由表層倒灌進(jìn)入庫灣，庫灣水體由中、底層流出，干流潛入深度為表層至20 m水深處，潛入距離約為河口以上20 km處，與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。7月20日計(jì)算結(jié)果顯示：干流水體以中層倒灌形式進(jìn)入庫灣，與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，計(jì)算潛入深度介于10～40 m，而實(shí)測(cè)為10～50 m之間，潛入距離計(jì)算值為19 km，與實(shí)測(cè)值幾乎吻合。10月20日的流速模擬結(jié)果表明：庫灣水體從中層水深30～60 m成楔形潛入庫灣，影響整個(gè)庫灣水體。上游來流分別從表層、底層注入長(zhǎng)江干流，模擬流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)的分層異重流特征一致?？梢娨呀ǖ纳褶r(nóng)溪CE-QUAL-W2模型能夠準(zhǔn)確地模擬出神農(nóng)溪庫灣普遍存在的倒灌異重流現(xiàn)象，對(duì)2013年異重流潛入形式模擬準(zhǔn)確。

圖7　不同運(yùn)行期神農(nóng)溪庫灣水溫縱向變化Fig.7　Longitudinal changes of water temperature inShennong Bay in different running periods

4神農(nóng)溪水溫特征分析

4.1實(shí)測(cè)水溫特征

水溫的空間分布分4個(gè)時(shí)期分析，如圖7所示。

枯水運(yùn)用期1月28日神農(nóng)溪庫灣最低水溫為12.6 ℃，最高水溫也僅有13.7 ℃，最大溫差只有1.1 ℃，整個(gè)庫灣水體處于近似等溫狀態(tài)；上游底部局部地方受上游低溫入流水體影響，水溫略低，入河口受長(zhǎng)江干流回水影響水溫略低，但整體水溫分布相對(duì)均勻，變化幅度較低。

汛前消落期4月14日神農(nóng)溪庫灣最高水溫為SN05表層20.5 ℃，最低水溫為SN01底層13.5 ℃，最大水溫溫差7.0 ℃。變溫區(qū)主要集中在近表層水體，表層10 m內(nèi)水溫差達(dá)到5 ℃。庫灣中、底層水溫垂向差異不明顯。汛期7月20日神農(nóng)溪表層水溫高于中層及底層，在SN04表層達(dá)到最高水溫29.5 ℃，SN05底層5 m處水溫最低19.5 ℃，整個(gè)庫灣最大水溫差達(dá)9.9 ℃。中層水體等溫線稀疏，表明中層水溫變化不明顯；庫灣上游有低溫水體從底部潛入庫灣，潛入庫灣時(shí)水溫僅19.6 ℃，隨著潛入距離的增加，水溫略有升高，在入河口底部達(dá)到24.6 ℃。汛末蓄水期10月20日神農(nóng)溪庫灣在SN05達(dá)到最高水溫23.6 ℃，在SN02底層達(dá)到最低水溫22.0 ℃，庫灣最大水溫溫差僅1.6 ℃。表層水體水溫恒定且沿縱向分布變化較小，水深40 m以內(nèi)幾乎處于等溫狀態(tài)，水溫略高于底層；有明顯的上游低溫水體從底層潛入庫灣、干流水體從中上層倒灌入庫灣的現(xiàn)象。神農(nóng)溪庫灣2013年全年監(jiān)測(cè)結(jié)果表明一年四季均存在水溫分層現(xiàn)象，但在枯水運(yùn)用期和汛末蓄水期水溫分層較弱；在汛前消落期和汛期由于氣溫升溫快、表層水溫高，加上上游入流水溫較低，庫灣水溫分層明顯，存在明顯的溫躍層，最大溫差達(dá)10 ℃左右。同時(shí)分析表明，庫灣水溫分層模式不同于一般水庫水溫分層，如汛末蓄水期變溫層主要集中在底部等。

4.2模型水溫驗(yàn)證

對(duì)水溫的模擬結(jié)果分別從水溫分層特性和監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向水溫分布特征來驗(yàn)證。由圖8可以看出，2013年10月20日模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果都顯示出神農(nóng)溪庫灣普遍存在的水溫分層現(xiàn)象。模擬結(jié)果顯示庫灣水溫在22.0～23.5 ℃之間，與實(shí)測(cè)值22.3～23.5 ℃基本一致，各等溫層與實(shí)測(cè)結(jié)果大致相同。入流低溫水體從底層進(jìn)入庫灣流向干流，表層水體水溫基本一致，主要受干流倒灌水體的影響。模擬水溫在底層比實(shí)測(cè)值略高，邊界水溫的模擬誤差相對(duì)較大，主要原因可能在于模型邊界CJBD的水溫邊界數(shù)據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)間步長(zhǎng)偏大、中間靠插值造成，也可能是底部水溫邊界條件與實(shí)際有偏差所致。如何選取底部水溫邊界或底部邊界條件如何獲得值得進(jìn)一步研究。

圖8　模擬水溫與實(shí)測(cè)水溫分層對(duì)照Fig.8　Comparison between simulated andmeasured water temperature stratification

圖9　水溫垂向分布驗(yàn)證Fig.9　Verification of vertical distribution ofwater temperature

圖9為7月20日模型下游邊界附近斷面(SN01)和上游邊界附近斷面(SN06)水溫垂向分布驗(yàn)證圖，可見，模型模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合，水溫沿垂向的變化趨勢(shì)基本一致，SN01的模擬值更符合實(shí)際值，絕對(duì)誤差在0.5 ℃以內(nèi)，而SN06由于水深較淺，水溫變幅較大，模型的模擬值基本偏低，絕對(duì)誤差達(dá)到2 ℃，但水溫的變化趨勢(shì)基本一致。整體而言，模型能夠較好的反映神農(nóng)溪水溫的分層特性和垂向的變化趨勢(shì)，模擬精度能夠達(dá)到預(yù)期要求。

5討論

神農(nóng)溪庫灣水流水溫特性與庫灣分層異向流的特性密切相關(guān)，而分層異向流現(xiàn)象很難由簡(jiǎn)單的重力作用下的水體流動(dòng)現(xiàn)象來解釋。異重流特性與水體密度緊密相連，水體密度由水溫對(duì)應(yīng)水體密度加上水體中的含沙量而得。由于實(shí)測(cè)三峽水庫水體含沙量較小，故本文只考慮了水溫對(duì)水體密度的影響。水溫對(duì)應(yīng)的水體密度依據(jù)《1990年國(guó)際溫標(biāo)純水密度表》提供的數(shù)據(jù)，擬合出計(jì)算公式為

(1)

表2為長(zhǎng)江干流和神農(nóng)溪河口SN01處的水溫指標(biāo)。

表2　長(zhǎng)江干流和神農(nóng)溪河口處表、底層水溫

由表2可見干流表層、底層水溫變化梯度較小、垂向水溫基本一致；而SN01處表層水溫略高于底部。干支流水溫比較，SN01處表層水溫略高于干流表層水溫，底部水溫略低于干流底部。

圖10為2013年干流與神農(nóng)溪河口附近SN01斷面表層水溫密度差及干流水體最大密度與神農(nóng)溪河口SN01底層水體密度差的年度變化過程。

圖10　長(zhǎng)江干流與神農(nóng)溪河口附近(SN01)斷面表層、底層水體密度差Fig.10　Surface and bottom water density differencein mainstream Yangtze River and Shennong riverestuary (section SN01)

由圖10可見，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位距離較近，整體而言密度差異較小，但仍明顯的表現(xiàn)出：干流表層水體密度略大于庫灣SN01表層水體密度，在汛期尤為顯著；干流最大水體密度均略低于庫灣SN01底層水體密度。從密度差曲線的走勢(shì)來看，1—2月密度差異較小，水體倒灌特征不明顯；3—6月及10—12月密度差異逐漸增大，干流水體密度大于庫灣SN01表層水體密度并小于底層水體密度，干流水體表現(xiàn)出以中層倒灌異重流形式進(jìn)入庫灣；汛期6—8月表層密度差異增大，干流水體密度與SN01底層水體密度相近，加上汛期干流水體含沙量較大，進(jìn)一步增大干流水體的密度，因此汛期干流水體應(yīng)以底部倒灌異重流的形式倒灌潛入庫灣，潛入深度與實(shí)測(cè)結(jié)果略有偏差。從水體密度的角度分析，在三峽水庫的不同運(yùn)行期，神農(nóng)溪確實(shí)存在不同強(qiáng)度、不同形式的倒灌異重流現(xiàn)象。正因?yàn)楫愔亓鞯拇嬖?，使其庫灣的水流、水溫特性明顯區(qū)別于一般水庫，有其特殊的時(shí)空分布規(guī)律。

6結(jié)語

本文以神農(nóng)溪野外2013年長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，著重分析了神農(nóng)溪庫灣水流水溫在時(shí)間、空間上的分布規(guī)律，總結(jié)出在三峽水庫蓄水后神農(nóng)溪表現(xiàn)出的水流水溫特性，得出以下結(jié)論：

(1) 庫灣水體整體呈分層異重流形態(tài)，流速較小，平均流速只有cm級(jí)。流速的垂向分布趨勢(shì)和流速大小在不同季節(jié)時(shí)段存在差異。枯水運(yùn)用期倒灌異重流較弱，汛前消落期、汛期、汛末蓄水期倒灌異重流強(qiáng)度逐漸加大，影響范圍逐漸擴(kuò)大。同時(shí)由于上游來流水溫較低，存在上游入流順坡底部異重流現(xiàn)象。

(2) 庫灣表層、底層水溫都呈現(xiàn)春夏升溫、秋冬降溫的趨勢(shì)，表層水溫年內(nèi)變幅20.5 ℃，底層水溫年內(nèi)變幅12.1 ℃。庫灣一年四季均表現(xiàn)出水溫分層現(xiàn)象，枯水運(yùn)用期整個(gè)庫灣水溫變幅相對(duì)較小，水溫整體分布相對(duì)均勻，水溫分層較弱；其它季節(jié)均存在明顯的水溫分層，其中汛期最大表層、底層水溫差達(dá)到9.9 ℃。由于上游低溫來流順坡底部異重流及不同形態(tài)干流倒灌異重流的存在，庫灣水溫分層模式明顯不同于一般的水庫水溫分層模式。

(3) 對(duì)比分析表明，本文所建立的CE-QUAL-W2模型具有一定的適用性，能夠用于模擬神農(nóng)溪水流、水溫特殊特性，對(duì)于神農(nóng)溪后續(xù)水動(dòng)力特性的細(xì)化研究具有重要的意義。

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(編輯：王慰)

Characteristics of Flow Velocity and Water Temperature inShennong Bay Using CE-QUAL-W2 Model

LONG Liang-hong1, JI Dao-bin1, LIU De-fu1,2, YAN Meng1, CUI Yu-jie3, SONG Lin-xu1

(1.College of Hydraulic & Environmental Engineering,China Three Gorges University,Yichang443002, China; 2.School of Resources and Environmental Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan430068, China; 3.School of Water Resources and Hydropower Engineering, Wuhan University, Wuhan430072, China)

Abstract:The hydrodynamic characteristics have changed greatly in the mainstream and its tributaries since the impoundment of Three Gorges Reservoir (TGR).Through field observation and a two-dimensional, laterally averaged, hydrodynamic model simulation by CE-QUAL-W2, we compared and analyzed the spatial and temporal distributions of the water temperature and the hydrodynamics of Shennong River bay in the TGR in different running periods. The comparative analysis results reveal that water flow has become quite slow in Shennong Bay, and density currents of different strengths exist in different running periods, including reverse density currents from mainstream to bay and the accordant bottom density current from the Shennong River to bay. In dry season and the drawdown period before flood season, the water of the mainstream of TGR flows into the Shennong Bay in surface density current with low strength; while in wet season and impoundment period in the end of flood season, mid-layer density current of high strength affects the whole bay. Downward bottom density current exists at the upstream inflow because the temperature of incoming flow is usually lower than that in the bay. Furthermore, the water temperature in the bay increases in spring and summer and decreases in autumn and winter. The stratification of water temperature is obvious in the bay in all seasons, but was weak in winter and strong in other seasons. The model of stratification is quite different from that of general reservoirs due to density currents. The simulation results indicate that CE-QUAL-W2 model performs well in simulating the density current and water temperature stratification characteristics. This research offers technical support for detailed analysis on the hydrodynamics in Shennong River of TGR.

Key words:Three Gorges Reservoir; Shennong Bay; Spatio-temporal distribution of flow and water temperature; density current; CE-QUAL-W2 model

中圖分類號(hào)：X832

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)05-0028-08

doi:10.11988/ckyyb.201409272016,33(05):28-35

作者簡(jiǎn)介：龍良紅(1991-)，男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事生態(tài)水利學(xué)研究，(電話)15872577710(電子信箱)longlianghong1@163.com。通訊作者：宋林旭(1980-)，女，湖北咸寧人，講師，主要從事生態(tài)水利、環(huán)境工程研究工作，(電話)13972607937(電子信箱)lxsong1980@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51209123，51209190)；國(guó)家科技合作與交流專項(xiàng)(2014DFE70070)

收稿日期：2014-11-03；修回日期：2014-12-29