香溪河初冬降溫過程中垂向混合結構特征分析

楊忠勇,錢門亮,紀道斌*,周哲軒, 姚仕明,范中亞

香溪河初冬降溫過程中垂向混合結構特征分析

楊忠勇1,2,錢門亮1,紀道斌1,2*,周哲軒1, 姚仕明3**,范中亞4

(1.三峽大學水利與環境學院,湖北 宜昌 443002；2.三峽大學,三峽水庫生態系統湖北省野外科學觀測研究站,湖北 宜昌 443002；3.長江科學院水利部江湖治理與防洪重點實驗室,湖北 武漢 430010；4.生態環境部華南環境科學研究所水環境研究中心,廣東 廣州 510655)

基于2018年11月29日～12月15日三峽水庫支流香溪河峽口站點的水文氣象等實測數據,討論了香溪河初冬一次典型降溫過程中水體的垂向混合結構動力過程,以及水-氣界面的熱通量和風應力在其中的貢獻機制.結果表明,該時段香溪河表層約8m水深范圍的垂向混合結構呈顯著的日間弱分層,夜間強混合模式,且日間分層時段較短,僅發生在正午前后的約4h內(最大浮力頻率約2×10-4s-1).水-氣界面的能量輸入或耗散過程對水體分層混合過程的貢獻顯著大于風應力對水體的機械擾動作用.太陽短波輻射是表層水體日間吸熱從而分層的主要驅動力,長波輻射在夜間放熱過程中處于主導地位,潛熱和感熱過程在水體放熱過程中作用相當.風應力以機械擾動的方式對水體混合模式的影響極小(湍能通量最大值2×10-7m3/s3),主要集中在表層水體約0.5m內,但其可通過影響潛熱和感熱的方式顯著增強中層水體混合特征.由于研究時段香溪河水溫較低,蒸發放熱較小,而水-氣溫差相對較大,風應力通過感熱驅動的湍能通量(8×10-7m3/s3)略大于潛熱(7×10-7m3/s3).

香溪河；垂向混合過程；湍能通量；水-氣熱通量；風應力

湖泊或水庫是地表生態系統的重要組成部分,水庫的混合與分層模式主導著動量、熱量及營養物質等的垂向輸送過程,對水體中浮游生物的生長、魚類棲息地的改善等方面發揮著重要作用,是水庫中物質、能量及生物量垂向分布的重要調節器[1].針對日益嚴峻的水環境生態問題,研究庫區水體分層與混合特征對控制水華、保護水環境等有至關重要的研究意義[2].水庫的水-氣界面能量輸入或耗散過程是引起水體擾動混合的主要來源之一[3],其中湖面能量收支和分配特征會對水環境產生重要影響.在相對封閉的水體中,大氣、風、太陽輻射等因素是改變水體的熱量結構,導致垂向混合的重要驅動力,進而對水體中的生物化學物質運輸產生重要的影響作用,比如水中含氧量的變化等[4].對于許多內陸湖泊而言,太陽輻射是主要的熱量來源,垂向對流在垂直輸送方面發揮重要作用[5].而在秋冬季,冷空氣過境明顯增強水熱通量,同時冷空氣對水熱通量的貢獻受冷空氣強度、發生頻次以及持續的時間等共同影響[6].冷空氣過境使得水—氣界面之間的水熱交換強度增加,尤其是潛熱和感熱通量,不斷強化水庫湍流混合[7].香溪河是三峽水庫的一級支流,其水環境變化特征在三峽所有支流中具有很強的代表性[8],三峽蓄水以來香溪河在不同季節均出現了大規模的水華暴發事件,其富營養化的水環境問題引起廣泛關注[9].有研究表明,香溪河庫灣水溫分層對浮游植物垂向分布特征和水華爆發強度有重要影響[10-11],也是其下游深水區水華暴發強度低于上游的重要原因之一.

水平方向上香溪河庫灣內部水體溫差較小[12-13],而垂向分層結構顯著.長期觀測表明,三峽蓄水后香溪河由于水位抬高,流速變緩,垂向分層顯著加強,夏季表現得尤為顯著.而且庫灣水體的垂向分層結構也呈季節性變化,庫灣下游河口水域受長江干流影響分層較弱,上游水體垂向分層則相對較強[14].季節性轉換過程中的重要水文氣象事件對香溪河水體的垂向分層與混合轉換過程可能產生顯著影響,而這方面的研究成果還較為缺乏.本文基于2018年11月底至12月初的一次較強冷空氣事件的野外監測數據,分析香溪河混合過程中的熱量結構和湍流特性,探討冷空氣過境對水庫水體垂向混合結構的影響特征,分析熱通量與風應力在降溫過程中對水體垂向混合分層與混合的貢獻機制,旨在為認識香溪河水動力特征及生源要素輸移過程提供參考,為水庫水華預報及控制等提供支撐.

1 數據與方法

1.1 研究區域概況

香溪河河口距離三峽大壩約29km,流域集水面積3099km2,水面面積16.8km2,干流長度約94km.該流域屬于亞熱帶大陸季風氣候,冬季干旱,夏季多雨,多年平均流量40.18m3/s[15-16].香溪河庫灣具有獨特的水動力特征,庫灣水動力特性主要受上游來水和水庫干流調節方式影響,水流全年流速較小為分層異向流動[17].由于上游來水與庫灣回水之間存在溫差,上游來水主要以順坡底部異重流形式流出庫灣;下游干流水體主要以倒灌異重流的形式進入香溪河庫灣,異重流倒灌時潛入點深度主要取決于干支流水體密度差,一般在2和3月從底部潛入,4～9月主要為中層潛入,汛后主要為表中層潛入形式,11和12月分別為底部和中層潛入.潛入點異重流厚度主要受水庫干支流水體密度差及水位高低影響;異重流潛入庫灣的距離主要受支流上游來流量、水庫水位高低及水位日變幅等多方面因素的影響[13].溪河的水體垂向混合結構在氣溫、入流等的影響下,上游淺水區段受氣溫影響很大,下游深水區受氣溫影響小[7];從不同時期來看,上游在枯水期垂向水溫存在弱分層現象;而庫灣水體在4～5月和汛期(6～8月),在距離河口18～30km范圍內始終保持穩定分層,但在蓄水期(9～10月)和枯水期(11月～次年2月)僅在庫灣底部存在水溫分層[18].

圖1 研究區域示意

1.2 數據來源

觀測時間為2018年11月29日～12月15日,水溫采用微型溫度儀(型號RBR-SOLO3)測定,采樣頻率為2Hz,測量分辨率為10-4℃.觀測期間,探頭布置在香溪河峽口站點(31°08′02.7″N,110°46′42.2″E),測量水深為表層20m范圍內,垂向上每5m設置一個探頭,數據時間分辨率60s.水面熱交換中氣象邊界條件所采用的氣象數據來自于香溪河下游地區的郭家壩氣象站(30°57′46.3″N,110°45′19.5″E)以及上游的古夫氣象站(31°13′34.8″N,110°45′28.4″E),其中郭家壩氣象站四周區域開闊,是理想的觀測站點,數據主要包括氣溫(采樣點距地面2m)、相對濕度(采樣點距地面2m)、云量、風速風向(ZDR-1F)等,所有數據均常年持續監測,采樣頻率為3h.

1.3 研究方法

基于研究時段內香溪河的冷空氣過境事件,通過氣象與水動力數據,量化分析降溫和風應力作用下,河流垂向混合結構的響應過程.本文首先采用浮力頻率來衡量研究時段內,降溫影響下香溪河水體的穩定性特征.由于浮力頻率表達式中僅考慮了垂向水體密度梯度,不能分離出熱輻射、風應力等的影響,參考已有研究,引入了水體湍流能量通量和浮力通量.湍能通量表征在降溫或者風應力等其他驅動力作用下,水體發生湍流混合時其能量通量強度.基于湍能通量,可將水體表層的風應力和熱輻射分離開來,進一步將熱輻射分解為太陽短波輻射、長波輻射、感熱和潛熱4項,討論各自的貢獻機制.事實上風應力一方面可通過其驅動的風生流增強水體混合,另一方面可通過影響感熱和潛熱來增強水體混合過程,基于以上研究方法,討論風應力的機械擾動和感熱潛熱效應對水體混合的影響機制.

2 結果與討論

2.1 降溫期香溪河水體垂向穩定性特征

圖2 研究時段內(11月29日～12月15日)的氣溫、風速、水溫以及浮力頻率隨時間變化過程

圖a中黃色的區域表示白天(8:00～20:00)時間段,圖b～d中垂向虛線表示每日中午12:00,圖d中黑色等值線表示0值區域

(a)氣溫(a)及日溫差(Da)和表層水溫(T=0);(b)風速(10);(c)水溫(z)垂向結構;(d)浮力頻率(2)垂向結構

由圖2可見,研究時段內,氣溫(a)在-1.2～16.8℃之間波動,呈顯著的晝夜波動特征,其晝夜溫差值為0.8～8.8℃(Da).這期間表層水溫(T=0)略有降低,從11月29日的20.1℃降至12月15日的18.6℃,降幅極小,且一直保持在氣溫以上,二者溫差平均約13.5℃,最大溫差發生在12月9日夜間,約20℃.降溫期風速(圖2b)變化不大,平均值約1.75m/s,每日下午時段風速略大,最大風速約5m/s.

在氣溫不斷降低的影響下,水體溫度在整個垂向上隨時間不斷降低,從11月29日的19.8逐漸降低至12月15日的18.6℃ (垂線平均值),但整體上仍基本保持上層水溫高、下層水溫低的穩定結構特征.圖2d中是采用浮力頻率2(s-1)表示的水體穩定性垂向結構隨時間變化過程.浮力頻率的表達式為:

式中=9.81m/s2為重力加速度,為水深(垂直向上為正),為水體密度.浮力頻率值越大,表示水體垂向結構越穩定,分層越強,當2<0時即表示水體垂向結構不穩定,或處于混合狀態.研究時段的降溫期間,水體穩定性呈顯著的日波動過程,日間水體呈弱分層狀態,夜間水體呈強混合,變化范圍在±2×10-4s-1,且這種日波動過程在表層約8m水深范圍內最為顯著.由于整體處于降溫環境中,水體表層日間處于分層狀態的時長(2>0)顯著小于夜間處于混合狀態的時長(2<0).

2.2 水體穩定性的影響因素分析

分析可知,研究時段為水體穩定性的日間弱分層-夜間強混合模式是氣溫變化的直接影響結果,且表層穩定狀態對降溫較中底層更敏感,然而通過繪制氣溫與水溫差值和水體浮力頻率(約表層8m水深范圍內的平均值)之間的關系發現,二者并未呈現顯著的線性關系(圖3a).其主要原因在于整個研究時段內,雖然水溫在冷空氣影響下逐漸降低,但其他因素(例如太陽輻射)對水體穩定性也有重要影響.此外,研究期間內的風速也會影響水體的穩定性,在冷空氣的耦合影響下,風速與浮力頻率的關系仍然不顯著(圖3b).由此可見香溪河的水體垂向分層與混合結構應該是由降溫和風應力共同作用的復雜過程.為區分二者的貢獻機制,引入湍流通量(q)來定量分析降溫和風速對水體垂向摻混結構的影響特征和貢獻大小.

圖3 水體浮力頻率與水-氣溫差和風速的關系

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圖4 降溫期內(11月29日～12月15日)N2與Fq之間的關系

圖(a)表示日平均值

水庫水氣界面熱交換通量m主要包括短波輻射(w)、長波輻射(w)、感熱通量(s)和潛熱通量(1)4個部分:

其中太陽短波輻射w計算公式為:

圖5 研究時段內湍流能量通量和水-氣界面熱交換通量隨時間變化特征

(a)降溫期q變化過程;(b)水—氣界面熱交換通量隨時間變化特征;(c)由熱通量中各項產生的湍流能量通量;虛線表示正午時段

圖6 研究時段內Pa以及Fq的變化過程

圖7 風速(U10)與風應力機械擾動驅動的湍能通量貢獻(Pa)之間的關系

白天表層穩定性主要由風應力和浮力通量共同決定,在表層水體出現分層的情況下風速增加可加強表層水體的混合作用,可引起表層水體擾動的最小(臨界)風速min(m/s)[27]為,

式中:min表示可引起表層水體擾動的最小風速;crit=1表示標準無量綱分層參數,表征水體開始出現分層的臨界值.根據式(9)本文進一步計算了當水體處于穩定狀態時,風通過機械做功擾動水體的深度與浮力通量()和湍能通量(qa)之間的關系,結果如圖8所示.對于每個擾動深度而言,所需要的風速均隨著值增大而增大,即水體越穩定,所需要的擾動風速越大.圖中的點表示香溪河計算得到的實際浮力通量()和湍能通量(qa)值,當≈0.2×10-7m2/ s3時,水處于穩定臨界狀態,香溪河的最大風速(3m/s)可以擾動2m水深(紅線).相應地,當浮力通量值逐漸增加至[0.5, 1.0, 2.0]×10-7m2/s3時,香溪河的風僅分別可以擾動[1, 0.5, 0.1] m水深內的水體.從圖8中還可以發現,風應力通過機械做功驅動的湍能通量(qa)值與風速呈正相關,與浮力通量呈負相關.風速越大(風應力越強),值越小(水體越接近穩定狀態),qa值越大,反之亦然.

圖8 風生環流能夠擾動的水深與B和Fq之間的關系

圖9 風速通過潛熱和感熱驅動的湍能通量變化特征

黑線表示湍能通量平均值,灰色區域表示其10%和90%分位數

3 結論

3.1 研究時段內香溪河表層約8m水深內浮力頻率呈顯著的日波動過程(±2×10-4s-1),日間水體弱分層,夜間水體呈強混合,且分層時長顯著小于混合時長.

3.2 太陽短波輻射是表層水體日間分層的主要驅動力,其在午后達到峰值(～560w/m2).水體長波輻射、潛熱和感熱在夜間水體放熱期間作用相當,其中長波輻射的貢獻略大.

3.3 風應力可從增強潛熱和感熱,以及機械擾動兩種方式混合水體,其中以機械擾動作用驅動的湍能通量在絕對值上很小(<2×10-7m3/s3),但在日間分層期間的相對值較大(>90%);風應力作用下水體以潛熱和感熱兩種方式驅動的湍能通量值分別可達到7×10-7和8×10-7m3/s3,均顯著大于其機械擾動作用.

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Analysis on the vertical mixing structure of Xiangxi River during early winter.

YANG Zhong-yong1,2, QIAN Men-liang1, JI Dao-bin1,2*, ZHOU Zhe-xuan1, YAO Shi-min3**, FAN Zhong-ya4

(1.College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China；2.Three Gorges Reservoir Ecosystem Hubei Province Field Scientific Observation and Research Station, Three Gorges University, Yichang 443002, China；3. Key Labratory of River Regulation and Flood Control, Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China；4.Water Environment Research Center, South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment, Guangzhou 510665, China)., 2021,41(6)：2862～2870

Based on the measured data of hydrology and meteorology at the Xiangxi River Xiakou site from November 29 to December 15, 2018, the vertical mixed structure of the water body during a typical cooling process in the early winter of the Xiangxi River and the heat at the water-air interface were discussed, including the contribution mechanism of flux and wind stress. The vertical mixing structure of Xiangxi River during this period showed significant weak layering during the day and strong mixing at night, and the daytime layering period was quite short, only occurred around noon within 4 hours. The contribution of the energy input or dissipation process at the water-air interface to the stratified mixing process of the water body was significantly greater than the mechanical disturbance effect of the wind stress on the water body. Solar short-wave radiation was the main contribution for the surface water body to absorb heat during the day and thereby stratify the driving force, long-wave radiation was dominant in the heat release process during night. The latent heat and sensible heat processes also played a non-negligible role in the heat release process of the water body. The influence of wind stress on the mixing mode of the water body by mechanical disturbance was mainly concentrated in the surface water body has extremely limited impact on the middle and lower layers, but it could significantly enhance the mixing characteristics of the water body by affecting the latent heat and sensible heat. Due to the low water temperature of the Xiangxi River during the study period, the evaporation heat release was small, and the water-temperature difference was relatively low. Larger, the turbulent energy flux driven by wind stress through sensible heat was slightly larger than latent heat.

Xiangxi River；vertical mixing；turbulent kinetic energy flux；air-water interface；wind stress

X522

A

1000-6923(2021)06-2862-09

楊忠勇(1984-),男,重慶市忠縣人,副教授,博士,主要研究方向為三峽庫區水動力與水環境.發表論文60余篇.

2020-11-09

國家自然科學基金(U2040220,51779128,52079069,52009066);廣東省重點領域研發計劃(2020B1111350001)

* 責任作者, 教授, dbji01101@163.com; **責任作者, 教授級高級工程師, gzhshymq@163.com