黃宇擘 徐 慧,2 龍良紅,2 紀(jì)道斌,2

(1.三峽大學(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;2.三峽大學(xué) 三峽庫(kù)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(kù)蓄水之后,以香溪河為代表支流庫(kù)灣泄水過程受阻,水庫(kù)調(diào)蓄對(duì)庫(kù)灣的生態(tài)環(huán)境和物質(zhì)輸移形成了脅迫效應(yīng)[1].香溪河庫(kù)灣水動(dòng)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(guān)注[4-5].水華生消與溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽、水動(dòng)力環(huán)境等因素密切相關(guān)[6],而分層異重流作為三峽庫(kù)區(qū)最普遍存在的顯著水動(dòng)力過程,其對(duì)支流庫(kù)灣水溫分層、水流特性、光學(xué)特性、營(yíng)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(dòng)態(tài)演替對(duì)葉綠素濃度的影響,發(fā)現(xiàn)表層、中上層倒灌方式對(duì)庫(kù)灣葉綠素的時(shí)空分布影響明顯;曾一恒等[10]基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,分析了香溪河汛期異重流對(duì)葉綠素空間分布的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)對(duì)藻類運(yùn)動(dòng)遷移的影響比例分別為43.2%和56.8%.營(yíng)養(yǎng)鹽是藻類生消衍替過程中的物質(zhì)基礎(chǔ)之一,水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,尤其是真光層內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)鹽變化及其補(bǔ)給過程與水華暴發(fā)密切相關(guān).因此,在分層異重流背景下,進(jìn)一步明確庫(kù)灣真光層水體營(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)給過程及途徑很有必要.

本研究基于香溪河庫(kù)灣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),構(gòu)建香溪河CE-QUAL-W2水動(dòng)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(shù)對(duì)香溪河庫(kù)灣上下游營(yíng)養(yǎng)鹽的輸移過程、補(bǔ)給途徑進(jìn)行分析,總結(jié)香溪河典型環(huán)流模式下營(yíng)養(yǎng)鹽的來源及輸移規(guī)律,進(jìn)一步明確香溪河庫(kù)灣不同時(shí)空下以總氮(TN)為代表的營(yíng)養(yǎng)鹽來源,以期為研究三峽庫(kù)區(qū)支流庫(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽來源提供參考.

1 香溪河模型建立

1.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

香溪河流域位于湖北省西部山區(qū),是三峽庫(kù)區(qū)上游最近的大型支流,河流全長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)水華暴發(fā)的影響,本次監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)于具有水華暴發(fā)代表性的3個(gè)河段,對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)分別為P1、P2和P3.采樣點(diǎn)的具體位置如圖1所示.

圖1 香溪河樣點(diǎn)布設(shè)圖

監(jiān)測(cè)時(shí)間為2015年1月至2015年12月,每月在P1、P2、P3采樣點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)和水動(dòng)力監(jiān)測(cè)工作.在香溪河走航監(jiān)測(cè)中,采用Hydrolab DS5多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)獲取水溫和水深數(shù)據(jù),采用Vector聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀獲取采樣點(diǎn)位流速分布情況,使用LI1400水下光量子儀獲取不同點(diǎn)位光輻射有效強(qiáng)度.水中TN 含量及葉綠素a濃度在后期根據(jù)文獻(xiàn)[11]在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定,監(jiān)測(cè)頻率為1～2次/月.

1.2 模型構(gòu)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(duì)狹長(zhǎng)水體,如河流、河道型水庫(kù)、河口等[12-13].本研究采用該模型對(duì)香溪河庫(kù)灣的環(huán)流模式進(jìn)行模擬.

根據(jù)香溪河河流走向,研究所構(gòu)建的模型縱向劃分為62個(gè)單位段以及起始段和終末段2個(gè)虛擬段,單位段長(zhǎng)度沿河流流向取500 m,共計(jì)長(zhǎng)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(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)P1、P2、P3;模型垂向網(wǎng)格根據(jù)三峽水庫(kù)與香溪河庫(kù)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(jìn)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(yíng)養(yǎng)鹽濃度均取自模擬起始時(shí)間的監(jiān)測(cè)實(shí)際值,并根據(jù)垂向網(wǎng)格賦予不同層級(jí)值.完成率定后的模型主要水質(zhì)及水動(dòng)力參數(shù)取值見表1.

表1 W2模型率定情況表

1.3 模型驗(yàn)證

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

圖4 香溪河庫(kù)灣表層營(yíng)養(yǎng)鹽TN 模擬、實(shí)測(cè)對(duì)比圖

在香溪河庫(kù)灣水溫模擬、實(shí)測(cè)垂向?qū)Ρ葓D中,香溪河河口P1斷面實(shí)測(cè)水溫曲線與模型生成曲線擬合度較高,庫(kù)灣中部P2斷面和上游P3斷面實(shí)測(cè)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(duì)應(yīng)點(diǎn)位的水溫分布情況.TN 模擬結(jié)果對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果,在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上存在較大的偏差,但其在庫(kù)灣沿程分布上的趨勢(shì)能夠較好的表現(xiàn)出來,總體上可以代表營(yíng)養(yǎng)鹽在庫(kù)灣的時(shí)空分布情況.從水溫和營(yíng)養(yǎng)鹽分布情況可以認(rèn)為,本次W2水質(zhì)模型率定效果可實(shí)現(xiàn)模型對(duì)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(xué)者,首次應(yīng)用于美國(guó)南部水庫(kù)的魚類運(yùn)動(dòng)軌跡的預(yù)測(cè)研究.粒子示蹤算法應(yīng)用于計(jì)算粒子的三維輸運(yùn)和去向問題,通過刪除與漂浮、懸浮、溶解材料的表面運(yùn)輸有關(guān)的部分模型,簡(jiǎn)化了粒子橫向運(yùn)動(dòng),使其能夠在表征粒子在二維狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)過程.本次研究需要分析香溪河在不同環(huán)流模式下的營(yíng)養(yǎng)鹽的輸移作用,而粒子示蹤算法能在模型中對(duì)這一作用的環(huán)境和載體進(jìn)行模擬,適用于本次實(shí)驗(yàn).

基于速度的粒子計(jì)算式如下:

式中:Xt為粒子在時(shí)間t的縱向位置;Zt為粒子在時(shí)間t的垂直位置;Ut及Wt分別代表對(duì)應(yīng)點(diǎn)位上的水平流速和垂直流速;Δt為時(shí)間t和時(shí)間(t+1)的時(shí)間間隔.Node(k,i)為位置節(jié)點(diǎn),XNode(k,i)和ZNode(k,i)分別是節(jié)點(diǎn)(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(duì)研究某些特定的水動(dòng)力條件下環(huán)流模式的變化情況,在W2水動(dòng)力模型中,可以通過設(shè)置庫(kù)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(chǎng)環(huán)境,并在環(huán)流模式發(fā)展成形的第10 d在庫(kù)灣上下游加入基本粒子,利用粒子示蹤法模擬營(yíng)養(yǎng)鹽粒子在不同環(huán)流模式下的運(yùn)動(dòng)情況.

2 結(jié)果分析

2.1 香溪河庫(kù)灣環(huán)流模式

受三峽庫(kù)區(qū)蓄水調(diào)度的影響,香溪河庫(kù)灣在接受上游來流的同時(shí)也受到下游長(zhǎng)江干流倒灌水體的影響,同時(shí)因?yàn)楦芍Я魉臈l件存在較大差異,以溫度為主導(dǎo),兩水體密度上差異較大.同時(shí),由于蓄水調(diào)度導(dǎo)致香溪河庫(kù)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(jì)存在5種觀測(cè)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(shí)間,對(duì)香溪河庫(kù)灣整體營(yíng)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(kù)灣各環(huán)流模式模擬圖

2.2 典型環(huán)流模式下的營(yíng)養(yǎng)鹽變化過程

根據(jù)水動(dòng)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(duì)該環(huán)流模式下的真光層和TN 變化做進(jìn)一步分析,結(jié)果如圖7所示.三者的代表性時(shí)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(cè)點(diǎn)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(kù)灣下游受倒灌影響,TN 濃度較低的干流水體侵入庫(kù)灣中上層,庫(kù)灣水體TN 下降較明顯;在庫(kù)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(shí)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(jìn)入庫(kù)灣,使低濃度水體以河口中層為原點(diǎn),向庫(kù)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(jìn)入庫(kù)灣,在下游底部同上游順坡異重流相遇,經(jīng)過發(fā)展后,庫(kù)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(kù)灣營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)給分析

通過設(shè)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(yùn)行,環(huán)流模式正式穩(wěn)定,在此時(shí)添加示蹤粒子,對(duì)粒子在庫(kù)灣中的轉(zhuǎn)運(yùn)輸移情況,分析環(huán)流對(duì)真光層營(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)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(yùn)動(dòng)過程.加入粒子第1天(對(duì)應(yīng)儒略日:11 d,下同),上游輸入粒子全部進(jìn)入庫(kù)灣,下游粒子僅57%由表層輸入庫(kù)灣.第5天,上下游粒子逐漸集中于下游中底層,且下游營(yíng)養(yǎng)鹽粒子的庫(kù)灣留存率為7%,兩方水體對(duì)表層TN 補(bǔ)給率較低.第10 d,上游入流補(bǔ)給真光層范圍局限在庫(kù)灣上游P3點(diǎn)位5 km 以內(nèi),下潛水頭較大,使得大部分營(yíng)養(yǎng)鹽由底層流出庫(kù)灣,對(duì)庫(kù)灣主體水域真光層TN 貢獻(xiàn)較小;下游倒灌水體的補(bǔ)給范圍僅延伸至距河口15 km 的水域,沿程補(bǔ)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(yùn)動(dòng)過程.粒子加入第1天,上游粒子全部進(jìn)入庫(kù)灣,下游粒子僅有57%從中層進(jìn)入庫(kù)灣.第5天,上下游水體在距庫(kù)灣上邊界10 km 的位置相遇,90%的上游粒子停留在庫(kù)灣表層,對(duì)表層水體的TN 補(bǔ)給率提高;下游受雙環(huán)流影響,倒灌水體對(duì)底層、表層的補(bǔ)給率顯著提高.下游粒子僅5%留存庫(kù)灣,且對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)給僅在中層,因此對(duì)表層水體貢獻(xiàn)較小.第18天,24%上游粒子留存于庫(kù)灣,受渦流影響滯留于庫(kù)灣中上游位置;下游粒子庫(kù)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(yùn)動(dòng)過程.加入粒子第1天,下游營(yíng)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(yíng)養(yǎng)鹽粒子擴(kuò)散于庫(kù)灣中下游水體的真光層區(qū)域,補(bǔ)給范圍廣泛.第18天后,仍存在少量上游營(yíng)養(yǎng)鹽粒子分布于真光層,補(bǔ)給時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng).

3 討 論

3.1 典型環(huán)流模式對(duì)香溪河庫(kù)灣混合層深度的影響

在三峽水庫(kù)支流庫(kù)灣,其水體環(huán)流模式主要取決于上下游的水動(dòng)力過程,而在香溪河庫(kù)灣,分層異重流則是主導(dǎo)庫(kù)灣水動(dòng)力環(huán)境復(fù)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(dāng)春夏季長(zhǎng)江干流水溫升高時(shí),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(duì)庫(kù)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(duì)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(gòu)和垂向混合深度主要受大氣溫濕度、風(fēng)應(yīng)力、太陽(yáng)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(dòng)力條件對(duì)藻類生長(zhǎng)環(huán)境影響的直觀表現(xiàn),也是預(yù)測(cè)水華生長(zhǎng)趨勢(shì)的重要指標(biāo)之一.已有研究表明[22],混合層深度小于真光層時(shí),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(shí)則可以抑制藻類生長(zhǎng).P2監(jiān)測(cè)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(jì)圖如圖10所示.

圖9 P2監(jiān)測(cè)斷面混合層深變化圖

圖10 環(huán)流模式出現(xiàn)日期統(tǒng)計(jì)圖

下游表層倒灌作用使得混合層深度增加,加強(qiáng)了庫(kù)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(qiáng)度增加,但由于動(dòng)量守恒,兩水頭相遇造成橫向流速減緩,庫(kù)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(kù)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(duì)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(duì)表層水體影響較大,可在之后的穩(wěn)態(tài)環(huán)流實(shí)驗(yàn)中控制變量作進(jìn)一步分析.

3.2 香溪河真光層水體營(yíng)養(yǎng)鹽來源分析

真光層是指水生浮游植物進(jìn)行有效光合作用的水層,是浮游植物進(jìn)行光合作用獲取能量、產(chǎn)氧固碳的主要場(chǎng)所[24],因此真光層中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度是水華暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要一環(huán)[25].從現(xiàn)有研究得出的一般結(jié)論認(rèn)為,真光層、營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度以及水動(dòng)力條件共同促使水生浮游植物的生物量在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)持續(xù)提高,最終導(dǎo)致水華暴發(fā).香溪河不同時(shí)期發(fā)生的不同形式的干流倒灌水體,勢(shì)必造成不同程度的物質(zhì)交換,進(jìn)而影響到藻類生長(zhǎng)的主要場(chǎng)所:真光層的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,對(duì)水華的發(fā)展形成一定影響[26].根據(jù)粒子示蹤法計(jì)算得出的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的真光層水體營(yíng)養(yǎng)鹽來源估算結(jié)果見表3.

表3 典型環(huán)流模式庫(kù)灣真光層營(yíng)養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)率表

根據(jù)粒子示蹤算法的結(jié)果,上游來流對(duì)P3(回水末端)貢獻(xiàn)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(yíng)養(yǎng)鹽范圍擴(kuò)散至下游河口,可能的原因是底層水頭碰撞導(dǎo)致庫(kù)灣垂向摻混增強(qiáng),水齡增加[27],導(dǎo)致上游來流對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的營(yíng)養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)率提高.長(zhǎng)江干流的倒灌補(bǔ)給率在表層倒灌情況下的補(bǔ)給力度最大.倒灌異重流的營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)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(duì)真光層的營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)給率較中層倒灌時(shí)更高.2015全年觀測(cè)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(rèn)為該模式是香溪河主要的環(huán)流模式.將全年作為評(píng)價(jià)尺度,即將三類環(huán)流模式按全年所占比例進(jìn)行貢獻(xiàn)率分布,發(fā)現(xiàn)香溪河庫(kù)灣的營(yíng)養(yǎng)鹽主要供給源是長(zhǎng)江干流倒灌補(bǔ)給,上游來流攜帶的營(yíng)養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)率相對(duì)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(kù)灣水體環(huán)流過程主要受兩種驅(qū)動(dòng)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(kù)灣混合層深度.

2)香溪河庫(kù)灣真光層營(yíng)養(yǎng)鹽受上游來流和下游倒灌的雙重補(bǔ)給,補(bǔ)給率受環(huán)流模式的影響較大,其中起主導(dǎo)作用的是下游倒灌及潛入深度.干流倒灌主要貢獻(xiàn)區(qū)域?yàn)橹邢掠?上游源頭補(bǔ)給主要集中在上游段.