三峽庫區(qū)梅溪河河口干支流界面水流特征

王洪波,鄧 兵,汪福順,羅光富

(1.華東師范大學(xué)河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200062; 2.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海 200444)

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三峽庫區(qū)梅溪河河口干支流界面水流特征

王洪波1,鄧 兵1,汪福順2,羅光富1

(1.華東師范大學(xué)河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200062; 2.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海 200444)

通過對三峽庫區(qū)中部典型支流梅溪河庫灣水動力參數(shù)及水體溫度、濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究水庫運(yùn)行各時(shí)期梅溪河河口干支流界面水流特性,探討其影響因素以及水交換對庫灣的影響。結(jié)果表明:梅溪河河口雙向水流特征明顯,在溫差異重流、干流慣性作用以及庫區(qū)水位變動等因素影響下,干支流界面水流強(qiáng)度、進(jìn)出水體間界面結(jié)構(gòu)及形態(tài)在不同運(yùn)行期有顯著差異；由于雙向水流結(jié)構(gòu)的存在,盡管梅溪河河口干支流界面凈流量較小(多小于100 m3/s),但是干支流水體的交換量相對顯著,介于314.17～535.26 m3/s之間,可達(dá)凈流量的4～40倍;在凈流量最小的低水位運(yùn)行期，干流倒灌水體基本能到達(dá)支流庫灣常年回水區(qū)的末端。

支流河口;庫灣;水交換;異重流;環(huán)境影響;梅溪河;三峽庫區(qū)

江河筑壩在水電、航運(yùn)、防汛、灌溉等多方面為社會經(jīng)濟(jì)帶來效益[1],但同時(shí)大壩攔截破壞了河流的連續(xù)性,使河流原有的水文、水動力特征發(fā)生改變[2-3],從而影響河流生源要素的循環(huán)及其輸送[4-6],甚至引起河流水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能調(diào)整[7-8]。三峽大壩是位于長江上游的世界級水利工程,它的建成及運(yùn)行使三峽庫區(qū)成為人工調(diào)蓄的河道型水庫。自蓄水以來,庫區(qū)干流的自然河流特征明顯[9],紊流作用仍較強(qiáng),水質(zhì)持續(xù)改善[1];而在干流頂托影響下,庫區(qū)大小支流形成庫灣回水區(qū),近年來出現(xiàn)富營養(yǎng)化趨勢,藻類優(yōu)勢種由河流型向湖泊型演變[10]。庫區(qū)干支流水環(huán)境的異化表明,三峽庫區(qū)以表層生產(chǎn)力為代表的生源要素循環(huán)可能主要發(fā)生在眾多的支流庫灣里,究其主因在于水動力條件的改變[11-12]。故干流與支流庫灣水交換的研究是認(rèn)識庫區(qū)水環(huán)境變化的關(guān)鍵。已有支流庫灣水動力特征的研究發(fā)現(xiàn),干支流水體間密度差異導(dǎo)致異重流的產(chǎn)生,而干流水體以倒灌異重流的形式進(jìn)入庫灣與支流水體進(jìn)行水交換,使得庫灣水動力在垂向上具有分層異向流動特征[13-15]。本文基于2012年8月至2013年7月采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀對庫區(qū)典型支流梅溪河庫灣重點(diǎn)斷面(河口區(qū)和常年回水區(qū))上的水動力參數(shù)以及干支流水溫、濁度進(jìn)行的逐月測量的數(shù)據(jù)分析,從水文角度揭示水庫不同運(yùn)行水位條件下的梅溪河河口界面水流特征,并定量估算出各時(shí)期的水交換通量,探討界面水交換的影響因素,以期為干支流水體物質(zhì)交換的進(jìn)一步研究提供參考。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)觀測

1.1 研究區(qū)概況

梅溪河位于三峽庫區(qū)常年回水區(qū)中部,是長江北岸的一級庫區(qū)支流,發(fā)源于重慶市巫溪縣,在奉節(jié)縣永安鎮(zhèn)由北向南注入長江,三峽蓄水后在距河口21 km范圍內(nèi)形成常年回水區(qū)[16]。梅溪河干流全長約161 km(奉節(jié)縣境內(nèi)長103 km),流域面積2 001 km2,多年平均流量39.60 m3/s,枯水期平均流量15.03 m3/s[17-18]。梅溪河上游落差大,河谷狹窄,植被覆蓋率高;中下游河谷較寬,兩岸有河谷帶階地分布;河口兩岸峭壁林立。

1.2 觀測方式

自梅溪河河口向上,共設(shè)置河口、下游(庫灣常年回水區(qū)中部)、中游(庫灣常年回水區(qū)末端)3個(gè)采樣斷面,編號依次為MX01、MX02、MX03;在長江干流梅溪河河口上、下游適當(dāng)位置分別設(shè)置CJ01、CJ02斷面,斷面分布見圖1。

圖1 研究區(qū)域及站位分布

于2012年8月至2013年7月對梅溪河庫灣回水區(qū)及長江干流各斷面進(jìn)行逐月現(xiàn)場觀測,主要監(jiān)測指標(biāo)包括水動力參數(shù)(流速和流向)、水深、水溫、濁度等。

采用美國Compbell光學(xué)后向散射濁度計(jì)(濁度測量精度±0.1 NTU;測溫范圍0～35℃,精度±0.01℃)在支流各斷面中泓線處由表至底每隔5 m測量水溫、濁度;由于干流水體垂向混合均勻,物理化學(xué)參數(shù)的垂向差異小[9],故干流只進(jìn)行表層水溫、濁度觀測。梅溪河匯入處的干流水溫、濁度由CJ01與CJ02斷面的測量數(shù)據(jù)通過插值計(jì)算得出。干流水位、流量等水情信息從中國長江三峽集團(tuán)公司獲取。

采用美國Teledyne RDI “駿馬”系列300 kHz聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP,其最大測流水深180 m,流速測量范圍±5 m/s,精度±0.005 m/s)對干支流各斷面進(jìn)行走航測流,得到各斷面流速、水深與斷面寬度。由于梅溪河河口流速小、斷面面積大,在計(jì)算斷面流量時(shí)忽略ADCP測流中兩岸淺水區(qū)域以及斷面表底層盲區(qū)的流量值,認(rèn)為實(shí)測流量即為斷面總流量:

(1)

式中:m為河口斷面的積分?jǐn)嗝鏀?shù);Vi為第i個(gè)積分?jǐn)嗝娴姆ㄏ蛄魉?Si為第i個(gè)積分?jǐn)嗝娴拿娣e。根據(jù)GB 50179—1993《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》,Vi可由以下公式求得:

Vi=V實(shí)測cosθ

(2)

式中:V實(shí)測為實(shí)測流速大小;θ為流向與積分?jǐn)嗝娣ň€方向(指向干流)的夾角。根據(jù)Vi的符號,將積分?jǐn)嗝娣譃榱鞒?Vi≥0)和倒灌(Vi<0)兩類。

采用ADCP對河流橫斷面進(jìn)行走航測量的方法近年來已在水文系統(tǒng)中推廣普及,該方法與以往的點(diǎn)式流速儀測量相比,能夠提供更精細(xì)的斷面水流特征。

圖2 梅溪河河口斷面(MX01斷面)水體流速分布

2 梅溪河河口干支流界面水流特征

從2012年8月到2013年7月的梅溪河河口斷面流速分布圖(圖2)可看出,雙向水流結(jié)構(gòu)明顯,進(jìn)出水流的相對位置、進(jìn)出水體間界面結(jié)構(gòu)和形態(tài)在不同運(yùn)行期各有差異。

總體上看(圖3(e)),梅溪河河口斷面進(jìn)出水流平均流速大多集中在0.1 m/s以內(nèi),消落后期、低水位運(yùn)行期流速明顯大于其他時(shí)期,倒灌水流平均流速最大為0.112 m/s(2013年6月23日),最小為0.064 m/s(2012年11月27日);流出水流平均流速最大為0.106 m/s(2013年5月21日),最小為0.062 m/s(2013年3月24日)。此外梅溪河河口斷面的凈流量大多低于100 m3/s(圖3(d)),而其有效交換量相對顯著,介于314.17～535.26 m3/s之間,為凈流量的4～40倍。

高水位運(yùn)行期(11月至次年1月),三峽水庫以175 m左右高水位運(yùn)行(圖3(a)),水位日變化小(圖3(b))。這一時(shí)期河口斷面(MX01)水深最大,約65 m,斷面兩側(cè)水體雙向交換特征明顯,進(jìn)出水體間界限清晰(圖2(f)(g)),呈上下分層結(jié)構(gòu),干流水體主要從下層倒灌進(jìn)入支流庫灣,平均流速在-0.064～-0.074 m/s之間,流量為-385.56～-459.26 m3/s;庫灣水體從上層流出,平均流速在0.067～0.071 m/s之間,流量為410.51～535.26 m3/s。斷面凈流量變化大,在-48.75～149.7 m3/s間,為水體交換量的10%～25%。

消落期(2—5月),干流水位降低(圖3(a)),水位日變化的時(shí)間差異顯著,2—4月日均降幅為0.11 m,5月的日均降幅達(dá)0.33 m(圖3(b))。消落前期,干流水位由170 m降至160 m的同時(shí),MX01最大水深降至55 m左右(圖2(h)(i)(j)),河口水流特征與高水位運(yùn)行期相似,進(jìn)出水體上下分層結(jié)構(gòu)明顯(圖2(i)(j)),平均流速值較小(0.062～0.073 m/s),凈流量變化不大,且水體交換量減小。緩慢的流速與減弱的水交換可能提供了該時(shí)期支流庫灣“水華”產(chǎn)生的水動力條件[19]。消落后期,MX01斷面最大水深陡降至45 m左右(圖2(k)),雙向水流穩(wěn)定的分層結(jié)構(gòu)破壞,進(jìn)出水流交錯(cuò)分布;水位下降使頂托作用減弱[20],進(jìn)出水流流速顯著增大,平均流速分別達(dá)到-0.111 m/s和0.106 m/s,高速倒灌水體大部分集中在中層,倒灌流量達(dá)到全年最大值498.62 m3/s(圖3(d)),高速流出水團(tuán)基本占據(jù)著底層,流出量為456.42 m3/s(圖3(d))。

低水位運(yùn)行期(6—8月)水位在145～155 m之間(圖3(a)),水位日變化大(圖3(b))。這一時(shí)期MX01斷面最大水深在40～50 m頻繁變動,雙向水流結(jié)構(gòu)與消落后期類似,進(jìn)出水體相對位置變化頻繁(圖2(b)(l));流速變化較大,平均流速值在0.082～0.112 m/s之間(圖3(e));由于水位急劇變動導(dǎo)致河口過水?dāng)嗝婷娣e改變,水體雙向交換量變化大,介于333.66～485.2 m3/s之間(圖3(d))。

蓄水期(9—10月)水位上升(圖3(a)),水位日變化僅次于低水位運(yùn)行期。MX01斷面最大水深從45 m增至約60 m,雙向水流整體呈現(xiàn)上下分層結(jié)構(gòu),進(jìn)出水流的時(shí)空差異顯著,前期倒灌水流主要集中在斷面中下層,后期則主要分布于斷面上層,進(jìn)出水流交錯(cuò)(圖2(c)(d))。隨著水位的抬升,頂托作用增強(qiáng),進(jìn)出水流流速減小,流出平均流速為0.068～0.069 m/s,倒灌平均流速為-0.066～-0.071 m/s(圖3(e));水體有效交換量增大,倒灌量在-386.29～-477.26 m3/s,流出量在394.08～462.74 m3/s;凈流量變化小,在-14.52～7.79 m3/s間變動,雙向交換流量是凈流量的30～40倍。

3 梅溪河河口斷面水交換的影響因素

梅溪河河口斷面進(jìn)出水流強(qiáng)度、進(jìn)出水流間界面結(jié)構(gòu)及形態(tài)的季節(jié)差異顯著,影響因素復(fù)雜。結(jié)合野外實(shí)測數(shù)據(jù)及研究區(qū)域的基本特征分析得知,溫差異重流、干流水體慣性作用和庫區(qū)水位變化是梅溪河河口斷面水交換特征的主要影響因素。

2013年4月,梅溪河河口上下分層的雙向水流結(jié)構(gòu)特征明顯,庫灣水體由底部流出,而干流水體從表層倒灌,進(jìn)出水體間界限清晰(圖2(j)),同時(shí)庫灣水體溫度分層顯著,表底水溫分別為19.62℃和16.28℃,長江干流水溫介于兩者之間,為17.18℃(圖4),以上界面水流特征為典型的溫差異重流影響特征。同樣的現(xiàn)象在2013年3月也存在(圖2(i)),說明這一時(shí)期梅溪河河口水流特征形成的驅(qū)動因素以溫差為主。溫度低密度大的庫灣底層水體,形成順坡流從梅溪河河口底層流出,同時(shí)干流水體形成反方向的補(bǔ)償流從表層倒灌。由于庫灣水溫分層產(chǎn)生的密度梯度使水體的垂向交換受到限制,干支流溫差形成的異重流[21]侵入庫灣后受阻,其垂向擴(kuò)散減弱[22],梅溪河河口干支流界面呈現(xiàn)穩(wěn)定的上下分層結(jié)構(gòu),進(jìn)出水體間界面近水平分布且界限清晰(圖2(i)(j)),進(jìn)出水流強(qiáng)度小,流速分別為-0.073 m/s和0.067 m/s(2013年4月,圖3(e))。這種由干支流水溫差異驅(qū)動引起的溫差異重流在三峽庫區(qū)香溪河、朱衣河以及大寧河等支流庫灣也有發(fā)現(xiàn)[15,23-24],消落前期,干流水體表層倒灌進(jìn)入庫灣,平均流速分別為:香溪河-0.05 m/s[15]、朱衣河-0.061 m/s[23]、大寧河-0.055 m/s[24],干支流界面水流強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)特征與梅溪河河口相似。

圖4 梅溪河庫灣與長江干流水溫對比

圖5 梅溪河河口干支流流速變化

消落后期和低水位運(yùn)行期的干支流溫差同樣顯著,但梅溪河河口上下分層結(jié)構(gòu)破壞,進(jìn)出水體間水流交錯(cuò)(圖2(b)(k)(l)),說明水交換進(jìn)程可能并非只受溫差異重流影響。這一階段干流流速大(平均流速超過0.3 m/s,圖5),干支流之間流速差異可達(dá)3～6倍,以低水位運(yùn)行期為例,2013年6月平均流速達(dá)到0.33 m/s的干流水體在慣性驅(qū)動下,向支流回水阻力較小的區(qū)域倒灌進(jìn)入庫灣,庫灣水體在來水?dāng)D壓下流向干流,進(jìn)出水流強(qiáng)度較其他時(shí)期顯著增強(qiáng),平均流速分別達(dá)到-0.112 m/s和0.102 m/s(圖3(e));高速水體慣性倒灌引起梅溪河河口強(qiáng)烈的紊動摻混,其力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了水體的垂向擴(kuò)散阻力,因此在其影響下河口上下分層結(jié)構(gòu)被破壞,進(jìn)出水體水流交錯(cuò)且向倒灌一側(cè)發(fā)生傾斜(圖2(b)(k)(l)),可見干流高速水體的慣性倒灌也是影響梅溪河河口水交換的重要因素。這種由干流慣性倒灌引起的河口水交換的現(xiàn)象在庫區(qū)朱衣河河口也有發(fā)現(xiàn)[23]。低水位運(yùn)行期,朱衣河河口進(jìn)出水體呈左右分布,干流水體主要沿河口左岸倒灌,平均流速為-0.09 m/s[23];不同規(guī)模的梅溪河河口,在干流水體慣性倒灌影響下,水流強(qiáng)度有所增強(qiáng),水流形態(tài)呈現(xiàn)差異。

蓄水期的干流流速較大,但梅溪河河口上下分層結(jié)構(gòu)卻較穩(wěn)定(圖2(c)(d)),河口水流流速較小(介于0.066～0.071 m/s之間),說明這一時(shí)期干流慣性倒灌可能并非是梅溪河河口水交換的主要影響因素。該時(shí)期庫區(qū)水位變動較大,日均變幅達(dá)0.45 m(圖3(b)),干流水位的急劇上漲引起干支流水面相對高度差的形成,高度差產(chǎn)生壓強(qiáng)梯度力驅(qū)使表層水體從干流一側(cè)向庫灣一側(cè)流動,同時(shí)溫差異重流的存在,使底層低溫水體沿支流河道流出庫灣,進(jìn)出水體平均流速分別為-0.071 m/s和0.069 m/s(圖3(e));庫區(qū)水位變動引起表層水體紊亂摻混,在溫差異重流的疊加影響下,梅溪河河口上下分層明顯，進(jìn)出水體水流交錯(cuò)(圖2(d))。水位變動影響下的干支流界面水交換在朱衣河河口同樣存在[23],測得蓄水期河口進(jìn)出水體平均流速為-0.063 m/s和0.064 m/s,上下分層異向流動特征明顯[23]。

除了上述影響因素以外,梅溪河河口水交換還會受到其他因素的影響。比如高水位運(yùn)行期,梅溪河河口水流強(qiáng)度、進(jìn)出水體水流分布形態(tài)與消落前期類似,但相對位置卻完全相反,并非溫差異重流影響特征,同樣的現(xiàn)象在高水位運(yùn)行期時(shí)的大寧河、朱衣河河口也有發(fā)現(xiàn)[23-24],究其原因可能與冬季持續(xù)北風(fēng)的影響有關(guān)。這一時(shí)期,干流流速小、水位變動小、干支流水溫差異小,在冬季持續(xù)的順河谷北風(fēng)的影響下,表層水體順風(fēng)向從庫灣一側(cè)流向干流一側(cè),而干流水體則為補(bǔ)償流從底層倒灌(圖2(f)(g))。可見庫區(qū)梅溪河河口界面水交換影響因素復(fù)雜,仍有待更深入的研究和探討。

圖6 干支流濁度變化

圖7 低水位運(yùn)行期梅溪河庫灣濁度分布(縱剖面)

4 干流倒灌對梅溪河庫灣水環(huán)境的影響

在溫差異重流、干流慣性倒灌、水位變動等因素驅(qū)動下,梅溪河河口界面上的干支流水交換在不同水位運(yùn)行期下持續(xù)進(jìn)行。由于雙向水流結(jié)構(gòu)的存在,河口干支流界面水體的交換量可達(dá)314.17～535.26 m3/s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于凈流量。在如此高的水交換強(qiáng)度下,干流倒灌所能影響的庫灣范圍及其深度對于認(rèn)識干支流水交換對庫灣水環(huán)境的影響有重要意義。

在洪季,干支流水體的濁度差異顯著,干流濁度高達(dá)145.0 NTU,而梅溪河上游濁度只有12.5 NTU,隨著流速的減慢,水體中泥沙沉降引起濁度值降低。以低水位運(yùn)行期的2012年8月為例,干流水體濁度為123.5 NTU(圖6),在干流慣性倒灌作用下,攜帶著大量泥沙的高濁度干流水體從河口進(jìn)入庫灣,倒灌過程中由于受到庫灣水體的頂托,流速明顯放緩,同時(shí)顆粒物沉降,濁度由河口向庫灣內(nèi)部遞減,呈現(xiàn)明顯的“舌狀”分布(圖7),在庫灣常年回水區(qū)末端(MX03斷面)觀察到有少量較高濁度的倒灌水體分布(圖7和圖8(b)),即使干支流水交換量處于最小的低水位運(yùn)行期時(shí),倒灌的高濁度干流水體也能到達(dá)庫灣常年回水區(qū)末端。在其他水位運(yùn)行期下,干流水體對庫灣的影響范圍不亞于低水位運(yùn)行期。已有研究發(fā)現(xiàn),草堂河支流回水區(qū)營養(yǎng)鹽濃度隨時(shí)間的變化趨勢與干流高度一致,而與支流源頭變化相差很大[25-26],表明干流水體對支流庫灣的影響相當(dāng)顯著。通過梅溪河河口界面的干支流水交換,干流水體倒灌進(jìn)入支流庫灣回水區(qū),同時(shí)將大量生源要素帶入庫灣[14],這些生源要素參與到庫灣的生物地球化學(xué)循環(huán)過程,對庫灣水環(huán)境產(chǎn)生影響。而在庫區(qū)眾多支流庫灣回水區(qū)中,干支流水交換廣泛存在,這對于庫灣水環(huán)境的影響值得更深入的探討。

圖8 低水位運(yùn)行期梅溪河河口界面、回水區(qū)末端流速分布

5 結(jié) 論

a. 作為三峽庫區(qū)中部典型支流的梅溪河,其河口界面雙向水流特征明顯,在溫差異重流、干流慣性作用以及庫區(qū)水位變動等因素影響下,水流強(qiáng)度、進(jìn)出水體間界面結(jié)構(gòu)及形態(tài)在不同運(yùn)行期差異顯著。受典型溫差異重流影響的時(shí)期,梅溪河河口水流強(qiáng)度小,進(jìn)出水體間界限清晰;低水位運(yùn)行期,干流慣性倒灌引起水體紊亂摻混,水流強(qiáng)度大,梅溪河河口水流結(jié)構(gòu)被破壞,進(jìn)出水流交錯(cuò);蓄水期,受水位變動和溫差異重流疊加影響,梅溪河河口界面水流強(qiáng)度小,進(jìn)出水流交錯(cuò)分布。此外梅溪河河口界面水交換還會受到其他多重因素的影響(比如冬季北風(fēng)),具體機(jī)理仍有待探究。

b. 在水庫不同水位運(yùn)行期,由于梅溪河河口雙向水流結(jié)構(gòu)的存在,盡管其凈流量大小普遍偏小(大多低于100 m3/s),但水體交換量相對顯著(介于314.17～535.26 m3/s之間),可達(dá)凈流量的4～40倍。

c. 即使水庫處于梅溪河河口界面凈流量最小的低水位運(yùn)行期,倒灌的干流水體也能到達(dá)庫灣常年回水區(qū)末端。

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Characteristics of flow at interface between Yangtze River and Meixi River in Three Gorges Reservoir area//

WANG Hongbo1, DENG Bing1, WANG Fushun2, LUO Guangfu1

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China; 2.SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200444,China)

Based on analyses of the hydrodynamic parameters, turbidity, and temperature of water in the bay of the Meixi River, a typical tributary in the middle area of the Three Gorges Reservoir area, the characteristics of flow at the interface between the mainstream and the tributary during different operation stages of the Three Gorges Reservoir were investigated, and the factors influencing the flow characteristics and the influence of water exchange on the bay are discussed. The results show that the flow is bidirectional in the Meixi Estuary. Driven by the thermal density flow, the inertia of mainstream flow, and changes in the reservoir water level, the flow intensity at the interface and the structure and pattern of the interface between the inflow and outflow differed in different operation stages. The net flux is low (mostly below 100 m3/s), while the water exchange volume (from 314.17 to 535.26 m3/s, about 4 to 40 times the net flux) is relatively large at the interface in the Meixi River Estuary because of the bidirectional flow. The mainstream inflow could reach the end of the perennial backwater zone even during the low-water level stage with minimum net flux.

tributary estuary; bay; water exchange; density current; environmental impact; Meixi River; Three Gorges Reservoir

國家自然科學(xué)基金(41271519);國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07104-001)

王洪波(1989—),男,碩士研究生,主要從事沉積地球化學(xué)研究。E-mail:wanghongbocq@sina.cn

鄧兵(1975—),男,副教授,博士,主要從事沉積地球化學(xué)研究。E-mail:dengbing@sklec.ecnu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.007

TV697

A

1006-7647(2017)03-0042-07

2016-02-22 編輯：鄭孝宇)