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(湖北工業(yè)大學 a.河湖生態(tài)修復與藻類利用湖北省重點實驗室； b.土木建筑與環(huán)境學院，武漢　430068)

1　研究背景

三峽水庫是世界上規(guī)模最大的水利樞紐工程，在防洪、發(fā)電、航運等方面發(fā)揮著重要的作用，為我國社會經(jīng)濟的發(fā)展作出了巨大的貢獻。三峽水庫自2003年正常蓄水以來，水庫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，對庫區(qū)的水環(huán)境及水質安全構成嚴重的威脅[1]。

水溫的分布結構會直接影響水體中浮游植物的生長、遷移過程，在不同典型水動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制也會有所不同，進而誘發(fā)了支流庫灣的水華暴發(fā)[6-7]。因此，研究支流庫灣在水庫蓄水后特殊的水動力條件下水體水溫分層特點，已成為三峽水庫水環(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，水動力條件發(fā)生了改變，支流水體在不同時期出現(xiàn)不同類型的異重流特點。庫灣水體在異重流的影響下出現(xiàn)特殊的水溫分層結構會導致其他生境因子的變化規(guī)律發(fā)生改變[8-10]，同時對支流水體營養(yǎng)鹽的遷移轉化、藻類的生長等都有一定的影響[11-14]。通過利用立面二維模型CE-QUAL-W2，結合對庫灣水體水溫的實地監(jiān)測，構建了香溪河的水溫水動力數(shù)學模型，分析不同異重流模式下的水體的水溫分層結構，以期研究結果能夠為庫區(qū)支流的水流水溫特性、營養(yǎng)鹽遷移及水華預測預報提供相關的理論支持和技術支撐。

2　研究概況

2.1　異重流簡述

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，如果一種流體沿著交界面的方向運動，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、可溶解性物質濃度和鹽度[17]，三峽水庫支流庫灣水體異重流主要受溫度和泥沙等的影響[18-19]。

2.2　香溪河庫灣概況

香溪河是三峽水庫湖北庫區(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架林區(qū)。香溪河干流長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范圍內形成回水區(qū)，河流由北向南，在秭歸香溪匯入長江干流(見圖1)。

圖1　香溪河庫灣采樣點分布Fig.1　Layout of monitoring points in Xiangxi Bay

2.3　監(jiān)測斷面設置

為了分析香溪河水體水溫在垂向上的分布特點，根據(jù)香溪河庫灣地形條件及三峽水庫水文情勢，在香溪河回水區(qū)范圍內設置了11個監(jiān)測斷面，編號范圍為XX00—XX10，如圖1 所示。

監(jiān)測指標主要有：氣溫、相對濕度、太陽輻射強度、風速、風向、水溫、pH值、濁度、含沙量、溶解氧、電導率等。監(jiān)測頻率為1次/周，為減小因采樣監(jiān)測耗時所造成的早晚溫差的影響，采樣過程主要在當天中午時分開始，分2 d完成。主要采用的監(jiān)測設備有Hydrolab DS5多參儀(美國)、ZDR-1F風速風向連續(xù)記錄儀(現(xiàn)場測定)，其中壩前水位及流量從中國長江三峽集團公司網(wǎng)站獲取。

3　模型的構建

3.1　模型簡介

CE-QUAL-W2模型是由美國陸軍工程兵團和波特蘭州立大學負責開發(fā)的立面二維水質水動力模型，主要對河流、河口、湖泊和水庫在縱向或垂向上的二維水動力水質進行模擬，模型主要應用于相對較狹長的水體。香溪河為三峽水庫狹長形的深水庫灣，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模型對香溪河庫灣進行水溫水動力的模擬。

3.2　網(wǎng)格的構建

模型計算網(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32 km，根據(jù)河道實際地形及網(wǎng)格劃分原則，同時考慮模型計算效率與精確度，確定模型計算網(wǎng)格的大小，網(wǎng)格在垂向單元長度為1 m，縱向單元長度為500 m。即在縱向上將香溪河庫灣劃分為66個河段，包括首尾2個虛擬河段；在垂向上，將河口劃分為109層，包括表底2個虛擬層，香溪河庫灣的模型網(wǎng)格見圖 2。

圖2　香溪河模型計算網(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構的因素比較多，主要有構建模型相關的邊界條件，如氣象條件、入流條件、出流條件和水庫地形等[22]。在構建模型時參考相關文獻資料，同時對模型參數(shù)進行了大量的調算，最終確定了模型計算的主要參數(shù)，相關主要參數(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

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

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)率定是一個反復調算的過程，為了保證模型模擬計算的準確性，需要通過比較實測值和模型模擬值之間的誤差來不斷地調整模型參數(shù)值。以XX01，XX06，XX09這3個斷面為參照點，比較了2011年每月中旬的實際監(jiān)測值和模型模擬值，并采用絕對平均誤差(Absolute Mean Error，AME)、均方差(Root Mean Square Error，RMSE)這2個統(tǒng)計量來評價模型模擬的準確性，統(tǒng)計量的計算公式分別為：

(1)

(2)

式中：n為實測值的次數(shù)；Xobs,i為變量X的第i個實測值；Xmodel,i為變量X第i個實測值對應的模擬值。

2011年水溫模擬值與實測值誤差統(tǒng)計見表2，通過比較2011年每月中旬XX01,XX06,XX09這3個斷面的實測值與模型計算值發(fā)現(xiàn)，模型計算值與實測值擬合較好，該模型能夠準確地模擬出香溪河庫灣水體的水溫分布。

4　異重流下的水溫結構分析

通過對香溪河庫灣2010—2011年這2年水溫水動力的模擬，比較了3種典型的異重流下的水溫分層結構，分析不同類型異重流情勢下呈現(xiàn)不同典型特征的水溫分布結構的原因。

表2　2011年水溫模擬值與實測值誤差統(tǒng)計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及水溫分布?？芍攷鞛吵霈F(xiàn)表層倒灌異重流時，水體水溫呈傳統(tǒng)分布結構，即對于深水水庫水溫變化而言，其溫躍層在水體表層。水庫正常運行時，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架山區(qū)冰雪融化后的低溫水，與長江干流水體相比，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灣。庫灣水體表層為干流倒灌，中下層為支流上有天然來流，此時水體水溫呈傳統(tǒng)分布結構。

圖4　2010年表層倒灌異重流流場及水溫分布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及水溫分布，當庫灣出現(xiàn)中層倒灌異重流時，水體水溫呈“雙混斜”式分層。每年7—9月份為汛期，水庫運行進入汛期時，干流來流量明顯增大，為保證水庫的正常運行，汛期水庫一般保持低水位運行。期間水位仍有較大波動，汛末蓄水初期，水庫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入庫灣，此時表層水體溫度較高，中層為干流倒灌進入庫灣的水，溫度分布均一，底層水溫較低，水庫水溫在垂向分布上出現(xiàn)中上層和中下層2個溫躍層，即庫灣水體的水溫呈“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及水溫分布，當庫灣出現(xiàn)底層倒灌異重流時，水體呈“半U”型分層。10—12月份為蓄水期，蓄水期間水庫保持較高水位運行，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，從底層倒灌進入支流庫灣，在河口處以底部倒灌異重流的形式進入庫灣，庫灣水體水溫呈“半U”型分層模式。

5　結　語

庫灣水體水溫分層結構受庫灣水動力條件影響較大，干支流水體之間的交互形式?jīng)Q定了水溫的時空分布。在香溪河庫灣，水體出現(xiàn)特殊的水動力情勢，在不同的時段會出現(xiàn)不同類型的倒灌異重流，不同類型的倒灌異重流會導致產(chǎn)生不同的水溫分層模式。

根據(jù)水庫常規(guī)調度的特點，水庫運行主要以“泄水期-低水位運行期-蓄水期”為周期運行。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，庫灣水體水溫呈傳統(tǒng)分層模式；在汛期，水庫保持低水位運行時，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，庫灣水體水溫呈雙混斜式分布；蓄水期水庫保持高水位運行，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，庫灣水體水溫呈“半U”型分層模式。

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