三峽庫區草堂河庫灣水動力特征

李 昶,鄧 兵,汪福順,周子然

(1.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,上海 200062; 2.上海大學環境與化學工程學院,上海 200444)

三峽水庫自2003年蓄水以來,在防洪、發電、航運以及水資源調配等方面產生了巨大的經濟效益,所引起的環境效應也受到了很多學者的關注[1-3]。三峽水庫的運行帶來了許多不確定性,如水位抬升一方面會改善庫區航運條件,另一方面還會造成庫區泥沙淤積格局的改變[4-6],庫區水質與水環境也會改變[7-9]。三峽水庫蓄水后,干流水體水質持續改善[10],但同時干流水體的頂托作用使庫區內眾多山區支流的深切河谷和丘陵間山谷形成庫灣回水區,部分庫灣回水區藻華頻發[11-14]。

已有研究表明,庫區的生源要素循環與干支流的水交換情況及其動力特征密切相關[15-16],庫灣與干流水交換是認識庫區水環境變化的關鍵。干支流水體溫度差和泥沙濃度差產生的分層異重流是支流庫灣水交換的主要形式[17-18],而在洪季低水位運行期以左右結構的水交換為主[19],干支流界面水文結構復雜[20-22]。此外,三峽庫區支流眾多,目前有關干支流水動力特性的研究多集中在香溪河[23]、大寧河[24]等支流,干支流水交換強度和通量是否受支流庫灣回水區的規模及在庫區的區位差異等影響,還需要對更多典型支流作進一步的研究。

本文利用聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)在三峽庫區典型支流草堂河庫灣進行多斷面逐月走航觀測,并對其水動力參數以及干支流水溫、濁度等數據進行分析,從水文角度探討在水庫不同水位運行期下的支流河口界面水流特征及產生原因,同時定量估算各時期的水交換通量,為進一步揭示支流庫灣水環境演變規律提供水動力學基礎。

1 研究區域與觀測方法

草堂河是三峽庫區長江北岸的一級支流,位于三峽庫區中部重慶市奉節縣境內,介于東經108°14′～109°25′、北緯30°35′～31°26′之間,全長33.3 km,流域面積約394.8 km2,年徑流總量2.37億m3,平均流量約7.51 m3/s[25]。庫區蓄水后,在距河口8 km范圍內形成常年回水區。本次研究在三峽庫區干流設置1個監測斷面(CJ),在草堂河下游(CT01)、中游(CT02)和上游(CT03)各設置1個監測斷面(圖1),于2012年9月至2013年7月逐月監測,主要監測指標包括水動力參數(流速和流向)、水深、水溫、濁度等。

圖1 研究區域與監測斷面

利用光學后向散射濁度計(濁度測量精度±0.1 NTU;測溫范圍0～35℃,精度±0.01℃)在支流各監測斷面中泓線沿垂向由表層至底層每隔5 m進行測量,得到相應層次的水溫、濁度,由于水庫干流水體垂向混合均勻,水體基本物理化學參數的垂向差異小[26],故干流水溫、濁度值由表層數據代替。庫區干流水位、流量等水情信息從中國長江三峽集團公司網站(http://www.ctgpc.com.cn)獲取。

用聲學多普勒流速剖面儀(流速測量范圍±5 m/s，精度±0.005 m/s;最大測流水深180 m)在干支流各監測斷面進行走航測流(船速控制在0.5 m/s左右),得到斷面寬度、水深、流速等數據,測流期間采用GPS導航。流量的計算公式為

(1)

其中vi=v實cosθ

式中:vi為第i個積分斷面處垂直斷面方向的流速;Ai為第i個積分斷面的面積;n為測量斷面的積分斷面數;v實為實測流速;θ為流向與積分斷面法線方向(指向干流)的夾角,θ<90°時為正值(水體由庫灣流入干流),θ>90°時為負值(水體由干流倒灌入庫灣)。

2 草堂河庫灣回水區水動力特征

綜合2012年9月至2013年7月草堂河口斷面(CT01)的水體流速分布來看,全年流速較小,主要集中在0.2 m/s以內(圖2)。現場監測表明,支流河口界面上存在明顯的雙向水流結構,進出水體出現的位置及流速大小在水庫蓄水期、高水位運行期、消落期以及低水位運行期存在顯著差異。

2.1 干支流界面特征

圖2給出了觀測期內CT01斷面水體流場結構,圖3～8為干流水位、流量變化以及支流河口界面進出流速、流量等變化情況。

a. 蓄水期(9—10月),干流水位上升,最大水位日變幅為2.20 m(圖4),支流河口斷面(CT01)最大水深約55 m(圖2(a)(b))。庫灣流出水體分布在河口左岸,平均流速為0.083～0.088 m/s,流量為707.08～1 072.29 m3/s;干流倒灌水體分布在右岸,平均流速為0.073～0.102 m/s (圖8),流量為901.74～1 367.10 m3/s(圖5),形成右進左出的結構(圖2(a))。10月下旬進入蓄水末期,隨著干流水位的抬升,干支流水體相互頂托作用增強,流速減小,水體左右進出結構沒有9月明顯(圖2(b))。

b. 高水位運行期(11月至翌年1月),壩前水位在11月14日達到觀測期最高水位174.91 m(圖3),水位日變幅小于0.45 m(圖4),CT01斷面水深最大,約60 m(圖2(e))。這一時期河口進出水體呈現典型的上下分層結構,大約以25 m水深處為界(圖2(c)(d)),上層為長江干流倒灌進入草堂河的水體,平均流速為0.066～0.067 m/s,其上部(0～10 m水深)流速大(0.10～0.22 m/s),下部(10～25 m水深)流速小(<0.05 m/s);下層為庫灣流入長江的水體,平均流速為0.082～0.086 m/s,其上部(25～40 m水深)流速小(<0.05 m/s),下部(水深40 m以下)流速大(0.11～0.28 m/s)。整個斷面流速分布為中間小,表層和底層大。

圖2 草堂河河口斷面(CT01)流速分布

圖3 干流水位變化

圖4 干流水位日變幅

圖5 草堂河河口斷面進出水體流量與凈流量

圖6 干流與草堂河河口表底層溫度

圖7 干流與草堂河河口平均流速

圖9 2012年12月與2013年7月不同斷面流速分布

圖8 草堂河河口斷面進出水體平均流速

c. 消落期(2—5月),干流水位持續降低,從170.41 m(2月1日)降至150.93 m(5月31日)(圖3),平均日降幅為0.163 m(圖4),這一時期庫灣水位也在降低,CT01斷面最大水深降至48 m左右(圖2(i))。消落前期(2—4月),CT01斷面水體流場結構從左右分布逐漸過渡到上下分層結構(圖2(f)(g)(h)),相比于上一時期,消落前期進出水體平均流速稍有增加,介于0.065～0.081 m/s之間(圖7),流出流量為561.31～640.73 m3/s,倒灌流量為657.04～867.16 m3/s(圖5);消落后期(5月)進出水體流速明顯增大,庫灣流出水體平均流速約為0.131 m/s,倒灌水體平均流速約為0.160 m/s(圖8),凈流量達到249.64 m3/s(圖5)。5月CT01斷面進出的流速較大,在水深20 m處,距離右岸90～110 m范圍內有一較高流速水團(>0.30 m/s),斷面中部流速較高(>0.25 m/s)。總體來講,該時期河口斷面的水體流速較大。

d. 低水位運行期(6—8月),干流水位為145.05～155.92 m(圖3),CT01斷面最大水深維持在45 m左右(圖2(j)(k))。與5月相比,6、7月進出水體界面交錯,干流水體在距離河口斷面右岸200～400 m范圍內倒灌進入庫灣,庫灣水體多在靠近兩岸200 m的范圍內流出到干流,倒灌流量為345.05～492.87 m3/s(圖5),平均流速為0.058～0.094 m/s(圖8)。這一時期由于水位較低,流速有所增加,說明干流水體以較高流速倒灌進入庫灣進行水交換。

2.2 水交換影響范圍

a. 水庫高水位運行期,進出水體在河口界面呈現典型的上下分層結構(圖9(a)),尤其在2012年12月,庫灣中部(圖9(b))及尾部(圖9(c))也存在同樣結構,說明該結構沿河道方向具有良好的連續性,干流水體能夠到達庫灣末端,水交換較為徹底。庫灣自河口向庫尾3個斷面(CT01、CT02、CT03)倒灌平均流速依次緩慢減小,分別為0.069 m/s、0.062 m/s和0.061 m/s。

b. 水庫低水位運行期,庫灣河口進出水體流場主要呈左右結構,以2013年7月為例,CT01斷面水體流向左右結構明顯(圖9(d)),而在庫灣中部(圖9(e))及尾部(圖9(f))斷面呈較弱的上下分層結構,此結構沿河道方向連續性較差,水交換形態復雜。這一時期干支流水體濁度差異顯著,干流高濁度水體向庫灣倒灌可有效指示干支流水交換。以低水位運行期的2013年7月為例,干流水體濁度高于700 NTU,而庫灣內水體平均濁度僅為198 NTU,庫灣尾部更是低于20 NTU,攜帶著大量泥沙的高濁度干流水體在慣性作用下從河口進入庫灣,倒灌過程中由于受到庫灣水體的頂托及河道的阻滯作用,流速明顯減小,同時顆粒物沉降,濁度自河口向庫灣內部遞減,呈明顯的“舌狀”分布(圖10),在距河口3.5 km的庫灣回水區內仍有濁度大于50 NTU的水體,說明干流水體能到達庫灣常年回水區末端。

圖10 草堂河庫灣濁度分布縱剖面(2013年7月)

從以上分析來看,無論水庫高、低水位期,干支流水體交換都比較徹底。雖然在洪季用濁度來指示水交換情況效果較好,但在其他時期干支流濁度差異不明顯。已有研究表明,草堂河庫灣頂部全年營養鹽濃度與干流相近,與草堂河上游差異顯著,其月變化趨勢也與干流一致,并無明顯滯后[25],干流水體對草堂河庫灣的影響可達庫灣末端,庫灣與干流連通性很好,干支流水體交換迅速且充分。胡念三等[27-28]對三峽庫區其他4條支流(香溪河、大寧河、磨刀溪和小江)庫灣水動力的觀測也證實了干流倒灌水體攜帶營養鹽能到達庫灣中上游,在縱向上表現為靠近庫灣河口處的營養鹽濃度高而庫灣尾部營養鹽濃度低的分布趨勢,說明干流水體對支流庫灣的影響較為普遍。

3 干支流界面水交換影響因素探討

草堂河干支流進出水體的交換強度、界面形態結構在庫區不同運行期存在差異,并對庫灣中部水體的交換存在季節上的影響,所以驅動干支流水交換的影響因素較復雜。

3.1 干支流水體溫度差

水庫消落期,草堂河河口界面上下分層的雙向水流結構特征明顯,河口進出水體間界限較清晰(圖2(g)(h))。由圖11可知,這一時期庫灣表底層水體溫度差異顯著，尤其在2013年4月,庫灣表層(水深0～3 m)水溫大于17.50℃,底層(水深3 m以下)小于16.50℃,而長江干流表底層水溫均在17.10～17.40℃范圍內。庫灣水溫分層產生的密度梯度使水體在垂直方向上的交換受阻,溫度低密度大的庫灣水體沿底坡從河口界面底部流出,干流水體以表層補償流的形式倒灌進入庫灣(圖2(h)),這是典型的溫差異重流驅動下的水流特征。河口水流強度較小,進出水體流速大小分別為0.077 m/s和0.073 m/s(圖8)。相似的結構在2012年11月也有出現(圖2(c)),說明雖然冬季干支流溫度差異較小(圖6),但其所驅動的密度差異仍然存在。

圖11 2013年4月長江干流及草堂河庫灣溫度分布

長江三峽庫區段多數支流呈東西走向,大部分支流處于同一緯度帶(北緯30°00′～31°00′)和氣候帶之間。在以溫差異重流為主導的時期,各支流庫灣與干流水體溫度差異相似,因而水交換結構、強度在不同支流具有相似性[17,19,24]。梅溪河、朱衣河在消落前期也是上下分層結構,其平均流速大小約分別為0.073 m/s[29]和0.059 m/s[19]。香溪河、大寧河也有類似情況,如香溪河在3—5月平均流速約為0.051 m/s、表層平均密度約998.21 kg/m3的干流水體從河口水深40 m以上范圍倒灌潛入庫灣,且絕大多數時間均影響到庫灣中上游[29];庫灣內密度約為997.78 kg/m3的水體從底層流出到干流,形成上下分層的水流結構。

3.2 水體慣性

消落后期及低水位運行期的干支流溫差同樣顯著,但其支流河口進出水體界面交錯(圖2(i)(j)),說明其水交換進程可能并非只受溫差異重流影響。該階段干流平均流速超過0.250 m/s,干支流流速差異達3～5倍(圖7),由于草堂河河口偏向長江上游來水方向(圖1),干流水體極易由于慣性從河口右岸倒灌進入庫灣。以消落后期(2013年5月)為例,平均流速約為0.252 m/s的干流水體在慣性作用下,長驅直入庫灣回水區,庫灣內水體由于倒灌水體的擠壓,從河口斷面其他位置流出,高速慣性倒灌水體引起的支流河口界面強烈紊動摻混遠超過水體的垂向擴散阻力,形成左右流場結構(圖2(a)(i)(k))。

不同規模庫灣回水區,在干流水體慣性倒灌影響下,其河口界面水流強度、流場形態存在差異,如在低水位運行期的8月,最大流速約分別為0.059 m/s[23]和0.077 m/s[23]的朱衣河、梅溪河干流倒灌水體,主要以底部倒灌的形式進入其庫灣回水區,倒灌范圍接近庫灣尾部。這與草堂河的水交換強度差異顯著,可能與河流規模、支流與干流的朝向等因素有關。草堂河的規模雖不及三峽庫區其他支流,但該時期由于干流水體較強的慣性作用,倒灌量較大。

3.3 地形的影響

庫區朱衣河、梅溪河、草堂河3條支流走向與干流所成角度約分別為60°、90°和150°(圖1),草堂河河口基本面向干流上游。水庫各運行期,干流水體更易直接進入草堂河庫灣內部,草堂河河口斷面(CT01)各月進出水體流速要大于其他支流(圖12);倒灌流量所占干流流量比例也要大于其他支流,水交換強度更大,尤其在低水位運行期較為顯著,如2013年3—5月,倒灌流量占干流流量比例均高于7%(圖5)。這說明支流走向的差異會對水體交換產生影響[29]。

圖12 3條支流進出水體平均流速

草堂河河口區別于庫區其他支流的特殊性除河流走向之外,還在于有一座島嶼(白帝城)位于河口干支流交界處(圖1),水位會由于其阻擋作用在河口區域抬升,干支流水體的流速減小,勢必會造成干支流水體在河口交界處流場分布的季節性差異,如2012年10月凈流量約為660.02 m3/s(庫灣流向干流),而2013年5月凈流量約為249.64 m3/s(干流倒灌庫灣)(圖5)。當庫區水位較低時,河口平均水深較淺(約為33.95 m),白帝城與河道右岸之間部分水體的流速由于水下原有道路(三峽水庫建成前,白帝城與草堂河河口右岸有道路聯通,三峽水庫建成后,道路淹沒,在水面上修建風雨廊橋)的阻擋迅速減小,干支流水體以漫灌的形式在河口進行交換,而大部分水體主要從白帝城與左岸之間進出河口,形成河口環流,如2013年5—7月(圖2(i)(j)(k));庫區水位較高時,干支流水體可以直接從白帝城兩側進出庫灣,不易形成河口環流。

4 干支流水體交換對庫區水環境的影響

在溫差異重流、干流慣性倒灌、地理特性等因素驅動下,支流河口界面上的干支流水交換在不同水位運行期持續進行。三峽庫區內主要支流約40條[27],且普遍存在與干流的水體交換,本文選取庫區香溪河、小江、梅溪河及朱衣河這4條典型支流作為參考,其中香溪河河口干支流水體有效交換量為170.9～677.5 m3/s[17],朱衣河為209.2～493.0 m3/s[19]。

圖13 三峽庫區典型支流與干流有效交換流量及倒灌流速

三峽水庫全年各運行期,草堂河與干流水體的有效交換量均高于梅溪河及朱衣河。如圖13(a)所示,蓄水期10月草堂河干支流水體交換量為全年最高,達到1 113.07 m3/s;在其他時期經歷連續的波動過程,干支流水體交換量在12月降至全年最低(約為345.05 m3/s)后持續上升,到2月達到極值(約為1 072.29 m3/s),之后又繼續下降,至4月達到低值424.53 m3/s。總體而言,庫區干支流水體交換量較大,全年平均值為730.55 m3/s,高于其他典型支流，其中2012年12月相差最小,約為19.18 m3/s,2012年10月差值最大,約為738.26 m3/s(圖13(a)),這可能與草堂河特殊走向有關。水庫各運行期,草堂河河口干流倒灌支流庫灣的強度普遍高于其他支流,尤其在消落前期(2月),干流倒灌水體平均流速高于0.100 m/s,其他支流河口低于0.070 m/s(圖13(b))。支流河口界面的干支流水交換會將大量生源要素從干流帶入庫灣[13,15,25],這些生源要素進入庫灣,參與其生物地球化學循環過程,對庫灣水環境產生影響。在庫區眾多支流庫灣回水區中,干支流水交換廣泛存在[17,19,29],這對于庫灣水環境的影響值得更深入的探討。

5 結 論

a. 草堂河河口存在明顯的雙向水流特征,受溫差異重流、干流慣性作用以及特殊的地形等因素影響,在水庫各個運行期干支流界面上進出水體的結構以及水流強度差異顯著。在蓄水期,受水位變動和溫差異重流疊加影響,支流河口界面水流強度小,進出水體以分層異重流形式進行交換;在低水位運行期,河口水流特征主要受地形和水體慣性影響,干流水體直接沿河口右岸倒灌進庫灣,水流強度大,支流河口界面水流結構破壞,進出水體間界面交錯并向倒灌一側傾斜,形成左右分布的雙向水流結構。此外,支流河口界面水交換還會受到其他諸多因素的影響,仍有待研究。

b. 干流水體全年均能倒灌至庫灣尾部,水庫高水位運行期進出水體上下分層結構沿庫灣且縱向連續性較好,在低水位運行期河口進出水體以左右環流為主且沿河道方向連續性較差。

c. 草堂河相比庫區其他支流的特殊走向使干流水體在水庫各運行期均能大量倒灌進入庫灣,其干支流水體的有效交換量高于其他典型支流，其中2012年12月相差最小,約為19.18 m3/s,2012年10月差值最大,約為738.26 m3/s。

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