基于CE-QUAL-W2模型的三峡水库神农溪库湾水流水温特性分析

三峡水库蓄水以来,库区干、支流水文水动力变化显著。通过现场观测和构建三峡水库神农溪支流库湾立面二维水动力模型(CE-QUAL- W2),对比研究了三峡水库不同时期水流、水温时空分布特征。研究结果表明:神农溪库湾水体整体流速缓慢,不同时期均存在不同强度的异重流现象,包括干流倒灌异重流和上游入流底部顺坡异重流;枯水运行期和汛前消落期干流水体从表层潜入库湾,强度较弱;汛期和汛末蓄水期存在中层倒灌并且强度较大,影响整个库湾;上游入流处由于来流水温一般低于库湾,存在入流底部顺坡异重流现象。库湾水温呈春夏升温、秋冬降温的变化趋势,一年四季均存在水温分层现象;但冬季分层相对较弱,其它季节水温分层明显;水温分层模式因异重流的存在,明显不同于一般水库的水温分层。对比分析表明,CE-QUAL-W2模型可较为准确地反映神农溪库湾水流及水温时空分布特性。研究可为更细化分析三峡水库神农溪库湾水流水温特性、开展水华预报提供技术支撑。     

三峡水库香溪河库湾不同异重流下水温分层模式研究

三峡水库蓄水后支流库湾水体的水动力条件发生变化,水温在垂向上的分布也呈现出了不同模式。为了分析不同类型的倒灌异重流条件下水体的水温分布情况,对香溪河库湾不同断面的水温进行原位监测,并构建库湾水体的水温水动力数学模型(CE-QUAL-W2)。研究结果表明:水库正常运行的不同时期,香溪河库湾水体的主要水动力条件和水温分布结构均不同,在水库运行时的泄水期,库湾水体水动力主要为表层倒灌异重流,水温呈现传统的分布模式;在水库汛期低水位运行时,库湾水体水动力主要为中层倒灌异重流,水温呈“双混斜”式分布;在水库蓄水期,库湾水体水动力主要为底部倒灌异重流,水温呈“半U”型分布。研究成果可为揭示香溪河水流水温特性、营养盐迁移及水华预测预报提供相关的理论支持和技术支撑。     

三峡水库支流水华机理及其调控技术研究进展

三峡水库自2003年蓄水以来,水库干支流水环境状况及支流水华问题已成为广泛关注的问题,国内外不少科研单位及学者对此进行了大量的研究。本文在介绍三峡水库蓄水以来水库水质状态及支流水华情势的基础上,系统总结了关于三峡水库干支流水动力特征及其环境效应、水华机理及其调控措施的研究发现,并提出了有待进一步研究的内容。主要研究发现包括:(1)三峡水库蓄水后支流库湾普遍存在分层异重流现象,产生的原因是干支流温度差及泥沙浓度差引起的水体密度差,其中水体温度差是主要因素;(2)在分层异重流的驱动下,支流库湾水体呈现"双混斜"及"半U"型特殊水体分层模式,支流库湾营养盐也主要来自于水库干流倒灌;(3)流速变缓只是支流暴发水华的表观原因,分层异重流驱动下的混合层(Zm)与临界层(ZCr)的关系变化才是决定水华生消的关键;(4)水库水位升降可通过影响分层异重流的形态、改变支流水体分层状态进而调控支流水华的生消过程,基于此提出了防控支流水华的"潮汐式"生态调度方法。如何将上述新发现上升为具有三峡水库特色的系统理论与方法,实现支流水华的精准预测预报,开展能够协调水库传统效益和防控支流水华等生态效益的三峡及上游梯级水库群联合多目标优化调度实践,应是今后进一步努力的方向。     

三峡水库汛末蓄水期香溪河库湾倒灌异重流现象及对水华的影响

为研究汛末蓄水过程中，三峡水库干流对支流水体水流、水环境因子影响特征及作用机制，从2007年9月25日开始对三峡水库蓄水过程中香溪河库湾水流速度和水环境因子进行持续监测分析。结果表明2007年秋季三峡水库汛末蓄水过程中，水库干流依次以底部异重流、中层异重流、表层异重流形式倒灌进入库湾，使得香溪河库湾水体在深度方向具有典型的分层流特征，异重流现象是由水库干流与库湾水体之间的温度差和浊度差造成的。2007年秋季香溪河库湾暴发了一定程度的水华，倒灌异重流使得库湾表层水流流速增大，并将库湾表层浮游藻类演进式输运出河口从而降低库湾藻类生物量是本次异重流影响秋季水华的重要机制。     

汛末蓄水期香溪河库湾倒灌异重流现象及其对水华的影响

为研究三峡水库汛末蓄水过程中,干流对支流水体水流、水环境因子的影响特征及其作用机制,从2007年9月25日开始对三峡水库蓄水过程中香溪河库湾水流速度和水环境因子进行持续监测分析。结果表明,2007年秋季三峡水库汛末蓄水过程中,水库干流水体依次以底部异重流、中层异重流、表层异重流形式倒灌进入库湾,使得香溪河库湾水体在深度方向具有典型的分层流特征,异重流现象是由水库干流与库湾水体之间的温度差和浊度差造成的。2007年秋季香溪河库湾暴发了一定程度的水华,倒灌异重流使得库湾表层水流流速增大,并将库湾表层浮游藻类演进式输运出河口从而降低库湾藻类生物量是本次异重流影响秋季水华的重要机制。     

三峡电站日调度驱动的支流振荡对支流水温垂向结构的影响

三峡电站日调度驱动的重力波对其支流动力过程造成显著影响,其中的高频水流波动会显著影响支流库湾的物质、能量等垂向扩散和输运过程,进而影响水华暴发等环境问题。基于三峡水库香溪河支流2021年蓄水期末的水动力及水温垂向结构监测数据,分析了三峡电站日调度驱动的支流库湾高频振荡对水温结构的影响。研究发现,三峡出库流量日波动驱动支流水位也呈日波动和高频波动特征,其中水位日波动振幅约0.3~0.5 m,高频水位波幅约0.04 m。库湾底层水温高频波动比中上层更加明显,与香溪河库湾水深从河口向上游逐渐变浅有关系。支流近底水温波动功率谱分析显示,香溪河湍流耗散速率(6.5×10^-7 W/kg)明显高出一般水库的近底耗散率,表明水库调度驱动的水体高频波动导致较强的湍流发育和耗散。     

三峡水库支流库湾热收支——以朱衣河为例

为更好认识水库库湾热收支过程,本文利用实测水温、气象和美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)短波辐射等资料,分析了朱衣河库湾水温结构的时空变化、水面热通量和平流输运热量的年内变化,结果表明:(1)朱衣河库湾年内表层水温为12.0~31.6℃,底层为11.8~27.8℃;(2)受干-支流相互作用影响,支流表层水温沿程存在水温差,导致干-支流交汇处净热通量变化为-63.02~128.81 W/m~2,支流中部为-62.01~116.14 W/m~2,上游回水末端为-59.31~78.40 W/m~2;(3)支流水体的平流输运热量与水位变化具有很好相关性;(4)影响支流水体热含量变化的主导因素是平流输运热量。     

乌江梯级开发对东风水库水温分布影响分析

为探讨梯级电站联合运行对下游水库水温影响,以乌江梯级开发电站中的东风水库为研究对象,根据东风水库2002年及2006年实测水温数据,分析了东风上游水库建成前后东风水库水温的变化过程,同时运用EFDC模型计算了东风水库上游引子渡和洪家渡水电站下泄低温水对东风库区表层水温及坝前垂向水温的影响。结果表明:梯级水库运行对天然河道水温的累积性影响程度跟主要支流水体温度及流量均有关,入库流量越大,东风库区相同位置库表水温越低,与天然水温的温差越大;下泄低温水温度越低,相同位置库表水温越低,与天然水温的温差越大;入库流量越大、入流温度与天然水温温差越大,低温水影响越大,上游下泄低温水对库区累积性作用越明显。     

三峡水库香溪河库湾水华水动力调控初步研究

针对三峡水库蓄水运行后支流库湾春季水华频现问题,利用CE-QUAL-W2模型建立了香溪河-三峡库区整体立面二维水动力数学模型,对三峡水电站不同开机数量和春季不同水文条件下的香溪河库湾流速进行了数值模拟。计算结果表明:香溪河上游来流量较小时,滞留区表层流速小于香溪河库湾水华的临界流速0.05 m/s;而香溪河上游来流量增大到合适的值时,香溪河滞留区表层流速可大于0.05 m/s;仅利用三峡电站小幅度日调节对支流库湾流速的改善效果十分有限,而利用干支流水库对香溪河库湾流速的联合调控效果明显,可控制三峡水库香溪河库湾水华爆发。     

金沙江下游梯级开发对长江上游保护区鱼类繁殖的水温影响

长江上游珍稀、特有鱼类国家级自然保护区位于金沙江下游梯级水库最后一级——向家坝水库下游1.8km至重庆小南海水库库尾间河段。梯级水库运行后,其下泄水温的改变可能会对保护区鱼类的生长、繁殖带来影响。本文采用立面二维水温模型CE-QUAL-W2模拟了金沙江下游梯级水库联合运行后向家坝的下泄水温,并分析了下泄水温变化对保护区鱼类生长、繁殖的影响。研究结果表明:向家坝、溪洛渡两库联合运行时,除黄石爬鮡外,保护区其余有繁殖期记录的34种珍稀、特有鱼类均会受到水温节律变化影响;金沙江下游4个梯级水库同时运行时,保护区内所有鱼类均会受到水温节律变化影响。     

Density‐driven water circulation in a typical tributary of the Three Gorges Reservoir,China

A 2‐D hydrodynamic model was developed for modelling water circulation from 2008 to 2011 in a typical tributary of the Three Gorges Reservoir. The model is capable of describing flow behaviour and mixing mechanisms for different density current patterns and performs well in computing the velocity, the intrusion layer at the plunge point, and the travel distance of the density current. The effects of 10 flow patterns on thermal stratification, hydrodynamics, and algal bloom risk are discussed and classified in terms of algal growth. Patterns (6) and (10) can effectively prevent algal blooms; Patterns (7) and (8) are good for algal blooms. More frequent transformations of flow‐driven patterns, as observed in 2010–2011, could create more eddies and mixing and thus reduce bloom risk. Further studies are necessary and recommended for more accurate predictions, assessing the impact of water level fluctuations on transform flow patterns and water quality.     

三峡库区试验性蓄水期间浮游生物群落特点研究

蓄水改变了三峡水库的水文情势,使得浮游生物密度及群落结构出现明显改变,在不同蓄水阶段呈现不同的特点。根据2009年三峡水库试验性蓄水期间分季节实地监测结果,分析了浮游动植物在不同季节、不同蓄水位以干流与支流河口的分布变化情况。结果表明：就季节变化而言,秋季浮游植物种类最多、夏季次之、冬春较少;浮游生物密度整体不高,且时空分布不均,为春夏秋冬依次递减,支流河口密度高于干流;与蓄水前相比,蓄水后浮游生物密度显著增加,但与135 m及156 m蓄水位相比,试验性蓄水期间有下降趋势。库区营养盐水平较高,对浮游生物的生长不形成限制,浮游生物分布的时空显著差异是由流量、流速及浊度造成的。     

Factors influencing thermal structure in a tributary bay of Three Gorges Reservoir

To better understand the factors influencing the thermal structure of tributaries in the Three Gorges Reservoir(TGR),a well validated three-dimensional hydrodynamic and water temperature model was proposed to simulate the water temperature distribution in the Xiangxi Bay, a representative tributary of TGR.The numerical results show that water temperature stratification seasonally occurred in the Xiangxi Bay, with stable vertical temperature profiles.It is found from the numerical experiments that three key factors are responsible for the formation of water temperature structure:(1) very often,the locations of thermocline are mainly determined by wind speeds, and the higher the wind speed is, the deeper the thermocline is located beneath the water surface,which could be expressed by a fitted exponential function,(2) the thermal structure is affected by static stability of water column, and the thermocline becomes closer to the water surface and its thickness increases with the increase of temperature, (3) due to the effect of the thermal density inflow, the water temperature of the hypolimnion tends to be uniform, however, even under the condition of larger inflow discharge,the influence of the inflow on the epilimnion and the thermocline is not significant.     

福建省山仔水库富营养化特征

通过水质主要指标的时空变化以及气象、水文条件等因素,研究山仔水库富营养化特征。研究表明,山仔水库1997~2005年年平均质量浓度总氮为0.59~2.89mg/L,总磷为0.035~0.063mg/L,总氮、总磷从1997年开始呈现下降趋势,2001年后又有所回升,水库的进口、支流入口的总磷、总氮、COD、藻类数量相对较高。在1年内藻类种群冬、春季以硅藻为主,其余季节以蓝藻为主,水花微囊藻为优势种群持续的时间最长,每年的春末、秋初有2个藻类生长的高峰期。枯水年份水库水体滞留时间长,水力交换能力差,是导致2000~2004年水库水华频繁暴发的主要原因。     

Driving factors of the flushing time of bays formed where tributaries enter a reservoir

Flushing time is an integrative parameter that can represent water exchange capacity and sensitivity to pollution threats. As bays formed where tributaries enter the Three Gorges Reservoir of China have experienced frequent algal blooms over the past decade, we examine the spatially variable flushing time of a typical tributary bay (Xiangxi Bay) by numerical tracer experiments. First, the tracer concentration reduction could be approximated well by a double exponential decay curve, and the local flushing time of Xiangxi Bay is determined using key flushing coefficients. Second, a sensitivity analysis is performed to examine the influence of upstream inflow, temperature difference, wind, water level of the reservoir, and daily water level fluctuation on the spatial variation in local flushing time. Finally, according to local flushing time values and the sensitivity analysis results, the bay can be generally characterized by three zones: riverine, transitional, and mainstream‐influenced zones. In particular, the local flushing times in the riverine zone are mainly affected by the upstream inflow. The difference in temperature between the reservoir mainstream and Xiangxi Bay is the main forcing in the transitional and mainstream‐influenced zones. This study is the first to investigate different driving factors for flushing time in a typical reservoir tributary bay. The findings provide insights on the transport processes in such water bodies, suggesting the possibility of using the longitudinal zonation of flushing time for reservoir management.     

上游水库水温情势变化对中华鲟产卵江段水温的影响

针对三峡水库蓄水运行后中华鲟自然产卵期逐渐推迟的问题,对影响中华鲟繁殖关键要素水温的因素开展研究。基于三峡大坝及葛洲坝上下游典型断面的水温及气温实测资料,分析了三峡水库蓄水后10年(2003—2012年)的水温变化情势和影响葛洲坝下游中华鲟产卵江段特定时段水温的原因。结果表明:三峡水库蓄水后库区在10月水温高于蓄水前,对下游中华鲟产卵江段水温产生直接影响;局地气温变化与水温情势变化密切相关,是引起中华鲟产卵江段水温上升的根本原因,对水温上升的贡献度约为61%。