不同時間尺度下大型水庫水溫分層結(jié)構(gòu)的變化特征

王帥，劉梅冰,b,c*

(福建師范大學(xué) a.地理研究所，b.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，c.福建省陸地災(zāi)害監(jiān)測評估工程技術(shù)研究中心，福州 350007)

大型水庫的修建，會改變河流水文、水力學(xué)性質(zhì)，天然河道“湖庫化”，徑流、水深、水面面積等均發(fā)生巨大變化。河水進入庫區(qū)，水流放緩，水深增大，熱力學(xué)條件發(fā)生變化，水庫水溫會出現(xiàn)分層現(xiàn)象[1]。水溫分層不利于上下水體間物質(zhì)和能量交換，降低了水庫的自凈能力；同時也阻礙溶解氧的傳遞，致使水體處于厭氧狀態(tài)，加劇底層沉積物中污染物的釋放，從而導(dǎo)致水質(zhì)惡化[2]。此外，水庫的水溫結(jié)構(gòu)受到氣候條件、水文過程和水庫運行方式等多種因素的影響，這些影響因素在不同時間尺度均會呈現(xiàn)不同的變化特征[3]。因此，從不同時間尺度出發(fā)，探究水庫在垂直方向上熱分層結(jié)構(gòu)的演變特征，對于正確認(rèn)識水溫分層演變機制具有重要意義。

不同時段內(nèi)水庫的氣象條件、出入庫流量、入流水溫和出流位置等要素的變化，都會導(dǎo)致水庫水溫分層在年際和年內(nèi)出現(xiàn)差異。已有研究發(fā)現(xiàn)，不同水庫的水溫分層時間存在差異，大部分水庫的水溫分層呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性變化特征[4-5]，分層開始于春季，結(jié)束于秋季。然而，梁斯琦等[6]卻發(fā)現(xiàn)，位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的小灣水庫全年均存在水溫分層現(xiàn)象。同一水庫在不同年份的水溫分層時間也存在差異，Nazariha等[7]發(fā)現(xiàn)，干旱年份的水溫分層開始時間和結(jié)束時間均早于正常年份；而楊紅秀等[8]卻發(fā)現(xiàn)，僅有平水年在夏季出現(xiàn)水溫分層，豐水年和枯水年的夏季分層現(xiàn)象并不明顯。溫躍層存在水體的中間部分，其結(jié)構(gòu)變化是對水庫物理、化學(xué)和生物生態(tài)過程的響應(yīng)，也是對區(qū)域氣候變化的間接反饋[9]。溫躍層在年內(nèi)呈現(xiàn)不同的變化特征，其垂向分布存在單溫躍層和雙溫躍層兩種型式，汛期較大的入庫水量會導(dǎo)致垂向水溫分層由單溫躍層轉(zhuǎn)化為雙溫躍層結(jié)構(gòu)[10]；溫躍層深度與厚度和強度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與水體透明度和水深呈正相關(guān)關(guān)系[8,11]。目前，國內(nèi)對于大型水庫的溫度分層以及影響因素都進行了大量研究，但研究對象多為溫帶內(nèi)陸水庫，且集中在探討季節(jié)性水溫分層演變特征，而對于亞熱帶水庫在不同水文年、年內(nèi)不同季節(jié)及月尺度的水溫分層差異研究存在不足。亞熱帶沿海地區(qū)太陽輻射強，年平均氣溫高，降雨集中，易受臺風(fēng)和洪澇災(zāi)害的影響，其氣候變化和徑流過程與溫帶內(nèi)陸地區(qū)不同，將導(dǎo)致該區(qū)域水庫水溫分層的差異性。

位于東南沿海泉州市的山美水庫是一座大型水庫，在防洪、發(fā)電、灌溉、供水等方面發(fā)揮著重要作用，被譽為“泉州人民的生命庫”。本研究基于CE-QUAL-W2模型，建立了山美水庫二維垂向水溫模型，從不同水文年、不同季節(jié)和月尺度出發(fā)，分析水庫熱分層結(jié)構(gòu)的年際年內(nèi)變化特征，對水溫結(jié)構(gòu)的影響因素進行探討，為水庫合理的運行調(diào)度和可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

山美水庫位于福建省晉江支流東溪中游的南安市境內(nèi)，是福建省水利廳管轄庫容最大的水庫。水庫集水面積1 023 km2，多年平均入庫水量14億m3，水庫來水包括本流域集水和外流域調(diào)水，其中來自德化龍門灘的跨流域引水量為4.17億m3，其他則來自上游永春縣境內(nèi)的桃溪、湖洋溪兩大支流。水庫總庫容為6.55億m3，正常蓄水位96.48 m，相應(yīng)庫容4.72億m3[12]。近年來，山美水庫總氮超標(biāo)嚴(yán)重，目前處于由中營養(yǎng)化向富營養(yǎng)化發(fā)展的階段，水源地供應(yīng)水質(zhì)受到影響。山美水庫作為穩(wěn)定分層性水庫，其垂向上的水溫分層會對水庫溶解氧、氮磷等營養(yǎng)鹽分布產(chǎn)生重要影響。

2 研究方法

2.1 CE-QUAL-W2模型的構(gòu)建

CE-QUAL-W2 模型是美國陸軍工程兵團水道實驗站研發(fā)的垂向二維水質(zhì)和水溫通用模型，能較好地模擬出浮力流和溫度分層特征在垂向上的形成和發(fā)展過程，適用于全庫區(qū)大尺度范圍研究水溫特性，成為目前水庫水溫模擬的主流方法，在美國的Wachusett水庫[13]、伊朗的Latian水庫[14]以及國內(nèi)的紫坪鋪[15]、三峽[16]等得到廣泛應(yīng)用，在研究水庫水溫分層的演化特征方面具有較高精度的模擬效果。

CE-QUAL-W2模型需要建立水下地形文件，因此將山美水庫劃分2個支流，18個河段。支流1包括碼四村至壩前，全長9.6 km，包括11個河段，構(gòu)成山美水庫的主體；九都鎮(zhèn)方向，全長2.4 km，包括3個河段。根據(jù)水庫水深的實際情況，將模型層高設(shè)置為1.5 m，共463個計算網(wǎng)格，河段最大層數(shù)為38層，模型最大時間步長設(shè)定為600 s，最小時間步長為1 s。選取2008—2009年為率定期，2010年為驗證期，基于山美水庫壩前斷面實測的水溫數(shù)據(jù)對模型進行率定和驗證。結(jié)果表明，率定期絕對誤差平均值A(chǔ)ME為0.93，相對誤差平均值RMSE為1.09，歸一化目標(biāo)函數(shù)NOF為0.05；驗證期AME為1.87，RMSE為2.36，NOF為0.1。模型AME和RMSE值較小，NOF在0～1之間，較好地反映了山美水庫的水溫分布狀況，可以用來進行水庫熱分層結(jié)構(gòu)的研究，率定的具體過程詳見文獻(xiàn)[17]。

基于《水文情報預(yù)報規(guī)范》(GB/T22482-2008)[18]中的距平百分率P(%)，選取水量差異最大的2006年、2001年和2009年作為豐水年、平水年和枯水年的典型代表年份，同時，選擇2000年、2001年和2003作為豐、平、枯水年的特征年進行溫躍層特征的對照比較。在水溫的模擬上，為了降低初始值的影響，預(yù)熱期一年，以第二年的模擬值作為水溫模擬結(jié)果，對水庫不同水文年和年內(nèi)水溫分層結(jié)構(gòu)進行分析。

2.2 熱分層結(jié)構(gòu)指標(biāo)

根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》，淺海(水深≤200 m)中水溫梯度超過0.2℃·m-1的水層為溫躍層，在三峽水庫等熱學(xué)研究中也將超過0.2℃·m-1的水層定義為溫躍層，而且一般將水體表層1 m之內(nèi)排除在溫躍層以外[19-21]。由于模型在網(wǎng)格設(shè)定時為每層1.5 m，因此在計算中將每層水溫梯度超過0.3℃作為溫躍層的劃定標(biāo)準(zhǔn)。溫躍層的特征量一般通過溫躍層深度、厚度和強度來描述，在溫度垂直分布曲線上，溫躍層上、下各有一個極大曲率點，最淺極大曲率點所在的深度即溫躍層深度，也就是溫躍層上界的深度；溫躍層厚度為上、下2個極大曲率點的垂向距離；溫躍層強度為溫躍層范圍內(nèi)上下界的平均值[22]。為了精準(zhǔn)表達(dá)溫躍層的變化特征，采用水體相對穩(wěn)定性RWCS指數(shù)[23]描述水庫熱分層的動態(tài)變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫躍層年內(nèi)變化特征

以平水年(2001年)為例，對1月—12月的逐月壩前垂向水溫分布進行模擬，結(jié)果如圖1所示。山美水庫為穩(wěn)定分層型水庫，垂向水溫分布呈現(xiàn)典型的亞熱帶單循環(huán)混合模式，具有明顯的季節(jié)性變化特征，3月—11月為穩(wěn)定分層期，12月—2月為混合期。8月水溫最高，垂向平均水溫為23.55℃，此時水溫分層最為穩(wěn)定；2月水溫最低，庫表與庫底水體混合，垂向平均水溫為17.1℃，垂向分布較為均勻。

圖 1 年內(nèi)不同月份垂向水溫模擬

圖 2 溫躍層深度、厚度和強度變化的月模擬過程

為定量分析溫躍層的變化特征，對2月—12月溫躍層月平均深度、強度和厚度進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。2月開始出現(xiàn)水溫分層現(xiàn)象，溫躍層深度由2月的18.9 m上移至8月的5.9 m。伴隨著穩(wěn)定溫躍層的出現(xiàn)，溫躍層厚度不斷增強，在8月達(dá)到最大值，表明該時段山美水庫水溫分層最為顯著。8月以后，隨著氣溫降低，溫躍層深度增加，厚度減少，在11月厚度最薄，深度最大，12月以后溫躍層消失，水庫水體呈等溫分布。通過分析發(fā)現(xiàn)，溫躍層深度和厚度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.62，P<0.05)，這與小灣水庫和新安江水庫研究中得出的結(jié)論一致[6,9]。

圖 3 典型水文年和特征年四季溫躍層對比

以往研究中，溫躍層強度受氣溫主導(dǎo)，總體呈現(xiàn)夏季強，冬春弱的特點，山美水庫的溫躍層強度卻在夏季減弱，秋季以后增強，這可能與夏季入庫的高徑流過程有關(guān)。水庫溫躍層會受到入庫徑流的影響，夏季較大徑流于中部水層潛入庫區(qū)，與庫區(qū)上下原水進行混合與熱量傳遞，縮小潛流層溫差，破壞上層溫躍層，在下部形成溫度梯度較小的新溫躍層[24]。山美水庫2001年6月以后有較大入流過程，水體沿著與入流溫度相近的中層流動，水體溫躍層易受破壞，同時該時期水深不斷擴大，溫躍層總厚度增加，導(dǎo)致溫躍層平均強度呈現(xiàn)下降的趨勢。秋季以后，降溫作用從表層開始，等溫層厚度增加并不斷向下層傳遞熱量，這會導(dǎo)致中層水溫持續(xù)增加，上層溫躍層受增溫影響大于下層溫躍層，導(dǎo)致溫躍層強度增加，這一現(xiàn)象與撫仙湖溫躍層秋季強度的變化特征一致[22]。

3.2 不同水文年垂向水溫變化特征

為了進一步分析不同水文年季節(jié)變化差異，選取了3種水文年壩前河段的4月15日、7月15日、10月15日和1月15日代表春、夏、秋、冬4個季節(jié)進行模擬，并將特征年的四季變化進行對照，發(fā)現(xiàn)不同水文年溫躍層季節(jié)特征具有相似性(圖3)。

圖 4 不同水文年RWCS指數(shù)變化示意

春季，3種水文年垂向水溫均呈現(xiàn)雙溫躍層結(jié)構(gòu)?？菟隃剀S層深度最淺，其次是豐水年和平水年；豐水年溫躍層厚度最大；枯水年溫躍層強度最小。夏季，氣溫和太陽輻射達(dá)到全年最大值，3種水文年垂向分層加劇，其中，平水年呈現(xiàn)出雙溫躍層結(jié)構(gòu)；溫躍層強度表現(xiàn)為枯水年>平水年>豐水年。秋季，隨著氣溫降低，表層水溫下降，恒溫層厚度不斷增加，水溫分層減弱，3種水文年均呈現(xiàn)出單溫躍層結(jié)構(gòu)；溫躍層深度表現(xiàn)為豐水年>平水年>枯水年，枯水年厚度最小。冬季，氣溫降到最低，水庫進入混合期，3種年型水溫垂向均呈現(xiàn)均勻分布的特征。

表 1 不同年型熱分層對比

3.3 不同水文年的熱分層特征

RWCS指數(shù)通過垂向水體密度差反映水體表層與底層的溫差大小，可以直觀地反映熱分層穩(wěn)定性的變化。通過對圖4中3種水文年的日RWCS指數(shù)進行統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)，不同水文年山美水庫RWCS指數(shù)均呈現(xiàn)單峰變化，夏季高，春秋低。RWCS指數(shù)與氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，不同水文年的相關(guān)指數(shù)r均大于0.9(P<0.01)，可見，氣溫是影響熱分層變化的主導(dǎo)因素，氣溫升高會加大表底溫差，增強水庫分層穩(wěn)定性[25]。從RWCS指數(shù)的變化來看(表1)，枯水年的RWCS指數(shù)平均值最大，達(dá)到188.1，年分層穩(wěn)定性最強；平水年和豐水年的分層穩(wěn)定性較為接近，豐水年的RWCS指數(shù)均值略小，為171.3。從分層時間來看，豐水年分層時間也要短于平水年和枯水年。曾康等[26]研究發(fā)現(xiàn)，高入流會增強水體交換對流能力，削弱水體垂向分層穩(wěn)定性。豐水年雖然年均溫高于平水年和枯水年，但由于其年入庫流量大于平水年和枯水年，水體受到卷吸摻混作用強烈，故年分層穩(wěn)定性最弱，分層時間最短。

4 討論

4.1 水庫多個溫躍層結(jié)構(gòu)的影響因素

水庫的水溫受到外部熱量輸入和內(nèi)部流態(tài)的影響，從而呈現(xiàn)不同的變化特征。外部熱量輸入主要為氣象條件和入流條件，其主要決定熱分層的時間演變，而內(nèi)部熱量交換主要是與流動直接相關(guān)的對流輸運、紊流擴散和溫度異重流[3]。

水庫溫躍層在內(nèi)部流態(tài)的影響下呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)特征，方晴等[27]發(fā)現(xiàn)夏秋季入庫流量猛增會導(dǎo)致水庫水溫出現(xiàn)雙溫躍層結(jié)構(gòu)，華逢耀等[24]同樣發(fā)現(xiàn)中強度的徑流會破壞上層溫躍層結(jié)構(gòu)，并在底部形成溫度梯度較小的新溫躍層。山美水庫平水年(2001年)有142天出現(xiàn)單溫躍層，126天出現(xiàn)雙溫躍層，20天出現(xiàn)3個溫躍層。其中，單溫躍層出現(xiàn)于2月，此時氣溫回升，但水庫入流量較小，水體分層穩(wěn)定。雙溫躍層開始于4月，這與入庫流量的增加有關(guān)。由于入庫水溫低于表層水溫，中層紊流擴散運動強烈，加劇水體混摻作用，在水體中層形成溫度梯度較小的等溫層，破壞了完整的溫躍層結(jié)構(gòu)，形成雙溫躍層結(jié)構(gòu)；雙溫躍層結(jié)束于10月，此時水庫入庫流量大幅度減少，表層水溫降低，恒溫層厚度擴大，垂向?qū)α髯饔迷鰪?，雙溫躍層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螠剀S層結(jié)構(gòu)。3個溫躍層的出現(xiàn)可能與風(fēng)力作用有關(guān)，王銀珠[22]在撫仙湖溫躍層的研究中發(fā)現(xiàn)了局地性溫躍層的存在，由于風(fēng)力和水中混合交換強度交替變化，表層溫躍層在弱風(fēng)時形成，強風(fēng)時下沉。山美水庫表層受風(fēng)力影響，在弱風(fēng)時形成表層溫躍層，但其厚度僅為1.5～3 m，且具有不穩(wěn)定性，不能持續(xù)存在。

4.2 不同水文年分層結(jié)構(gòu)季節(jié)差異的影響因素

水庫不同時段內(nèi)的氣象條件、來水流量、混摻能力等各不相同，同一水庫在不同水文年相同季節(jié)之間，水溫分層狀態(tài)和強弱亦存在差異。研究發(fā)現(xiàn)，溫躍層強度、厚度和深度等會受到氣溫、上游徑流條件和水深等因素的共同影響[11,28]。本研究中，氣溫是影響溫躍層強度的主要因素。春季，豐水年氣溫均高于枯水年，因此豐水年溫躍層強度大于枯水年；夏季枯水年氣溫高于豐水年，因此溫躍層強度呈現(xiàn)相反的特征。同時，氣溫也是影響溫躍層厚度的重要因素，由于典型年和特征年春季豐水年氣溫明顯高于枯水年，豐水年溫躍層厚度也顯著大于枯水年。上游徑流條件和水深也會對溫躍層厚度產(chǎn)生影響，夏季枯水年入庫流量小，同時受水深限制，溫躍層厚度最??；秋季隨著氣溫降低，溫躍層下移，水深成為影響溫躍層厚度的主要因素。典型年中，平水年水深最大，溫躍層厚度最大；而特征年中，豐水年水深最大，因此溫躍層厚度最大。水深是影響溫躍層深度的主要因素，春季，平水年水深最大，枯水年水深最淺，平水年溫躍層深度明顯大于枯水年；秋季，豐水年水深大于枯水年，豐水年的溫躍層深度亦大于枯水年。此外，表層水溫也會影響溫躍層深度，本研究中，典型年和特征年的枯水年夏季表層水溫最高，因此溫躍層深度均表現(xiàn)為最淺，這與白楊等[11]在千島湖發(fā)現(xiàn)的夏季溫躍層深度與表層水溫呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論基本一致。

5 結(jié)論

通過建立山美水庫垂向二維水溫模型，對不同水文年的水庫垂向水溫進行了模擬，并從年、季節(jié)和月尺度出發(fā)，分析了不同水文年和年內(nèi)水溫分層結(jié)構(gòu)的變化特征和影響因素，得到以下結(jié)論：

1)山美水庫為穩(wěn)定分層型水庫，垂向水溫分布呈現(xiàn)典型的亞熱帶單循環(huán)混合模式，具有明顯的季節(jié)變化特征，3月—11月為穩(wěn)定分層期，12月—2月為混合期。其中，8月份水溫最高，垂向分層最穩(wěn)定；2月份水溫最低，熱分層消失。

2)受氣溫、徑流、水深等因素的共同影響，山美水庫溫躍層呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征。從溫躍層型式來看，秋季為單溫躍層結(jié)構(gòu)，春夏季入庫流量的劇增加強了水體的垂向混摻，導(dǎo)致垂向水體多呈現(xiàn)雙溫躍層結(jié)構(gòu)；溫躍層強度受氣溫和入庫流量的影響，呈現(xiàn)春秋強、夏季弱的特點；厚度隨季節(jié)呈現(xiàn)周期性變化，夏季厚度增加，秋季減少，分層深度變化與厚度相反。

3)水體相對穩(wěn)定性RWCS指數(shù)與氣溫呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，同時會受到入庫流量的影響。豐水年汛期水量大，加強水體擾動，年分層穩(wěn)定性和分層天數(shù)小于平水年和枯水年。