大型分層水庫(kù)翻庫(kù)特性及溶解氧響應(yīng)研究

杜彥良，劉小蔚，劉曉波，劉 暢，王世巖，趙仕霖

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水生態(tài)環(huán)境所，北京 100038；2.上海水環(huán)境模擬與水生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，上海 200233；3.長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

1 研究背景

垂向水溫分層導(dǎo)致的密度分層現(xiàn)象普遍發(fā)生在各種大型湖庫(kù)中，基于年內(nèi)分層和混合，早在1957年就有學(xué)者提出雙循環(huán)型、單循環(huán)型、局部循環(huán)型及混合型的湖庫(kù)分類[1]。分層水體溫躍層界面抑制上下層水體的混合，產(chǎn)生了各種水質(zhì)指標(biāo)的分層，衍生生物地球化學(xué)分層[2]和微生物分層，形成復(fù)雜的生源物質(zhì)和微生物群落功能的垂向分異機(jī)制，同時(shí)涉及到氧化-還原熱力學(xué)、界面平衡動(dòng)力學(xué)、微生物營(yíng)養(yǎng)生理與代謝動(dòng)力學(xué)等多方面因素的耦合作用。垂向穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)的變?nèi)鹾痛蚱票环Q為“翻庫(kù)”。翻庫(kù)期間一些水體表現(xiàn)為顆粒態(tài)濃度增加、透明度下降[3]，有時(shí)伴有難聞氣味，水體上層水質(zhì)變差[4-6]，溶解氧降低，甚至造成魚(yú)類與底棲動(dòng)物數(shù)量下降[7-8]。湖庫(kù)翻轉(zhuǎn)也是表層和底層氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽垂向再循環(huán)的重要路徑，尤其為春季藻類提供了早期生長(zhǎng)的磷，當(dāng)湖泊秋冬季翻轉(zhuǎn)缺失后，湖區(qū)表層磷的急劇消耗，使得浮游植物春季水華減弱甚至消逝[6]。翻庫(kù)是內(nèi)陸湖庫(kù)底層水體復(fù)氧的主要途徑，也是溫室氣體CO2、CH4、N2O等的重要排放方式之一[9-10]。水體翻轉(zhuǎn)是季節(jié)性種群控制的主要機(jī)制[11]，隨著氣候變暖，導(dǎo)致一些深水湖庫(kù)底層充分復(fù)氧頻次減小，強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致有毒藻類增加，對(duì)少泥質(zhì)湖庫(kù)，翻庫(kù)相比富營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)深層水體的溶解氧(DO)及水生態(tài)影響更大[12]。

關(guān)于湖庫(kù)分層及終結(jié)的時(shí)間，通過(guò)高頻水溫監(jiān)測(cè)可觀測(cè)得到，不同文獻(xiàn)有不同的水溫判定閾值：(1)表層水溫(Tsur)與底層水溫的溫差(Tbot)小于0.4 ℃，即 |Tsur-Tbot| ≤ 0.4 ℃(或垂向水溫梯度 ≤ 0.01 ℃/m)[13]；(2)|Tsur-Tbot| ≤ 1.0 ℃[14]。當(dāng)垂向數(shù)據(jù)不足時(shí)，表層水體外觀變化，或表層水質(zhì)、水動(dòng)力數(shù)據(jù)分析也可得到相應(yīng)時(shí)間[15]。Blanton通過(guò)對(duì)多個(gè)水庫(kù)的數(shù)據(jù)分析，對(duì)于某一水庫(kù)，平均深度似乎是影響翻轉(zhuǎn)唯一重要的形態(tài)參數(shù)[16]。Lewis等[17]認(rèn)為緯度、海拔高程和深度并不是影響湖泊混合的唯一因素。Nuernberg[18]提出夏季底部滯溫層的平均水溫對(duì)秋季翻轉(zhuǎn)日期具有相關(guān)性，并建立簡(jiǎn)單三變量模型公式預(yù)測(cè)湖庫(kù)翻轉(zhuǎn)日期，通過(guò)引入平均深度和經(jīng)緯度對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)。水動(dòng)力變化是翻庫(kù)的原始動(dòng)力，但是系統(tǒng)全面的水動(dòng)力監(jiān)測(cè)并不常見(jiàn)[19]。通過(guò)一維[5，12，19]、二維[20]及三維[19]模型研究翻庫(kù)動(dòng)力及環(huán)境指標(biāo)變化、驅(qū)動(dòng)要素及時(shí)間節(jié)點(diǎn)等，逐漸成為主要方法。采用模型分析影響翻庫(kù)的主要因子及貢獻(xiàn)占比，大致歸結(jié)為氣溫持續(xù)引起的垂向?qū)α?、風(fēng)驅(qū)動(dòng)、入流擾動(dòng)等，對(duì)微咸湖泊可能蒸發(fā)作用占較大比重。中小型或弱分層湖庫(kù)，上述外界的擾動(dòng)即使不大也可能造成熱穩(wěn)定性喪失，翻庫(kù)成因似乎更復(fù)雜，成為大量文獻(xiàn)研究對(duì)象。對(duì)于大型深水湖庫(kù)，有更強(qiáng)的熱分層穩(wěn)定性，在分層將結(jié)束的時(shí)段內(nèi)受外界影響將導(dǎo)致提前或滯后，總體上翻庫(kù)的規(guī)律性較強(qiáng)。

本文在北方大型深水雙循環(huán)水庫(kù)潘家口水庫(kù)進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，采用垂向二維CE-QUAL-W2模型，對(duì)水庫(kù)年內(nèi)的水動(dòng)力、水溫、水質(zhì)、藻類、溶氧進(jìn)行模擬，分析秋冬表層及底層水溫及DO翻轉(zhuǎn)在水庫(kù)中的演進(jìn)過(guò)程，通過(guò)不同年型模擬，認(rèn)識(shí)水環(huán)境響應(yīng)特征，分析翻庫(kù)與水深及穩(wěn)定性的相關(guān)關(guān)系，揭示大型深水水庫(kù)翻庫(kù)規(guī)律。

2 材料與方法

研究區(qū)域?yàn)榕思铱谒畮?kù)，位于河北省北部(39°10′N—42°40′N，115°30′E—118°45′E)，水庫(kù)總體上為狹長(zhǎng)的河道形水庫(kù)，水庫(kù)北部有灤河和柳河匯入，中游瀑河支流匯入。2000年以來(lái)，受養(yǎng)殖漁業(yè)發(fā)展水庫(kù)氮磷濃度不斷升高。2016年后水庫(kù)進(jìn)行了養(yǎng)殖網(wǎng)箱的全面清理，2017年后水質(zhì)有逐漸改善的趨勢(shì)，TP下降顯著，基本滿足Ⅲ—Ⅳ水標(biāo)準(zhǔn)，TN為Ⅳ—Ⅴ類水，庫(kù)區(qū)為輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。對(duì)水庫(kù)原位垂向監(jiān)測(cè)和常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集分析，研究區(qū)域及監(jiān)測(cè)斷面位置見(jiàn)圖1(a)。

圖1 研究區(qū)域、斷面位置及模型計(jì)算網(wǎng)格

采用垂向二維開(kāi)源代碼的CE-QUAL-W2模型，空間離散網(wǎng)格見(jiàn)圖1(b)。模型入流分別有北部入流和東部的瀑河入流。南部為水庫(kù)大壩，由于建造時(shí)間較久遠(yuǎn)，沒(méi)有分層取水措施，水庫(kù)的發(fā)電取水位置位于大壩底部。

模型基本方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)為連續(xù)方程；式(2)為水平方向動(dòng)量方程；式(3)為垂向動(dòng)量方程；式(4)為水面方程。式中：U為水平流速，m/s；W為垂向流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；q為單位體積通過(guò)的流量，m3/s；B為水面寬度，m；α為底坡與水平夾角，rad；P為壓力，Pa；τxx和τxz分別為x和z方向的切應(yīng)力，N；ρ為密度，kg/m3；η為水面高程，m；h為水深，m。

水溫及溶質(zhì)輸運(yùn)的通用方程為：

(5)

式中：Φ為水溫(Tw)或溶質(zhì)(如DO等斷面寬度)平均成分濃度，℃或mg/L；Dx為溫度或水質(zhì)成分縱向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Dz為溫度或水質(zhì)成分垂直擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；qΦ為橫向流入或流出的物質(zhì)或熱流量，C/S或g/(m3·s)；SΦ為橫向平均源匯項(xiàng)，g/(m3·s)。

模型耦合計(jì)算水動(dòng)力、水溫、水質(zhì)及藻類動(dòng)力學(xué)，其中水質(zhì)主要計(jì)算指標(biāo)為DO、懸浮固體、磷、氨氮、硝氮、DOM、POM及藻類等，藻類分別模擬了硅藻、藍(lán)藻和藍(lán)綠藻三種藻類。模型輸入氣象數(shù)據(jù)采用實(shí)測(cè)高密度小時(shí)氣象數(shù)據(jù)，并對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)插。水動(dòng)力的邊界條件數(shù)據(jù)為逐日出入庫(kù)流量，水質(zhì)輸入采用常規(guī)逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算邊界進(jìn)行線性內(nèi)插加密。

模型率定數(shù)據(jù)為水庫(kù)常規(guī)監(jiān)測(cè)的逐日水位、水溫及逐月常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為2018年 1月1日至2020年12月31日，采用2018年及2020年全年觀測(cè)數(shù)據(jù)做模型的率定驗(yàn)證。垂向水溫率定采用2020年間多次的YSI-EXO原位監(jiān)測(cè)的結(jié)果。本文主要展示水溫、DO等率定驗(yàn)證部分結(jié)果。2018年和2020年水庫(kù)壩前實(shí)測(cè)水位見(jiàn)圖2。

圖2 2018年與2020年水位與逐日實(shí)測(cè)水位比較

由圖1可見(jiàn)計(jì)算與實(shí)測(cè)水位吻合度較高，R2=0.999，不僅再現(xiàn)了水庫(kù)的進(jìn)出水量的平衡，確保出入流產(chǎn)生的水庫(kù)熱量收支賬。在不同入流及調(diào)度過(guò)程下，2018年和2020年水庫(kù)水位有較大差異，年平均水位分別為221.5 m和207.3 m，年內(nèi)水位變幅分別為8.1 m和12.1 m，2018年有較高的運(yùn)行水位和較小的水位年內(nèi)波動(dòng)。

2018年和2020年模型計(jì)算壩前表層水溫與逐日實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖3，模型計(jì)算壩前淺表層DO與月頻次常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖3 2018年與2020年壩前表層模型計(jì)算與實(shí)測(cè)水溫比較

圖4 2018年與2020年壩前計(jì)算與實(shí)測(cè)DO比較

通過(guò)誤差分析，模擬表層水溫，R2=0.92，數(shù)據(jù)吻合度好，模型計(jì)算表層DO的R2=0.87。由圖4可見(jiàn)，潘家口水庫(kù)逐月常規(guī)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示2020年在11月表層DO出現(xiàn)異常低值現(xiàn)象。據(jù)管理部門觀測(cè)，在某些年份的冬季，水庫(kù)翻庫(kù)帶來(lái)持續(xù)若干天的水體渾濁，氮磷濃度升高，水質(zhì)變差現(xiàn)象。2018年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)該現(xiàn)象卻不顯著。

項(xiàng)目組在2020年對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了6次的全庫(kù)區(qū)的原位YSI-EXO垂向監(jiān)測(cè)，選擇水溫初步分層(5月)、夏季及夏末穩(wěn)定分層(7月和9月)、分層消失(11月)合計(jì)4次實(shí)測(cè)結(jié)果用于模型垂向結(jié)果驗(yàn)證，點(diǎn)位為潘家口(PJK)斷面，垂向指標(biāo)分別為水溫(T)和DO，見(jiàn)圖5。

圖5 庫(kù)中潘家口點(diǎn)位垂向水溫模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比

垂向水溫誤差分析結(jié)果R2=0.96。更多不同斷面及不同日期的模型計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比參見(jiàn)文獻(xiàn)[21]。2020年燕子峪(YZY)與壩前(DAM)斷面的垂向DO變化過(guò)程見(jiàn)圖6。圖中黑線為變溫層的下緣位置，即從底層向表層掃描，|ΔT|≥1 ℃/m的位置。

圖6 2020年燕子峪和壩前斷面垂向DO年內(nèi)變化

由圖5和圖6結(jié)果可見(jiàn)，水庫(kù)在5月水溫開(kāi)始分層，但DO并無(wú)顯著分層，隨著分層結(jié)構(gòu)越來(lái)越顯著，溫躍層變厚，底層DO逐漸變小，水庫(kù)燕子峪水域溫躍層下緣的上方DO略低，壩前不明顯。至11月7日表層與底層的垂向水溫基本一致，水庫(kù)的密度分層已基本打破，但垂向的DO和底層的DO存在差距。該結(jié)果與文獻(xiàn)[22]中千島湖2月垂向水溫和DO監(jiān)測(cè)形態(tài)相似，即當(dāng)垂向分層被打破后，表層與底層的DO均勻混合狀態(tài)滯后于溫度或密度混合。

3 分析與討論

3.1 年內(nèi)表層與底層水溫及DO變化為了解水庫(kù)表層及底層的水溫及DO的年內(nèi)變化，以及變化的特性，通過(guò)模擬分別做出2018年及2020年水庫(kù)壩前水面及底部的水溫與DO的變化過(guò)程，見(jiàn)圖7，圖中“Sur”表示水面，“Bot”表示庫(kù)底。潘家口水庫(kù)顯示出雙循環(huán)水庫(kù)特性，垂向水溫在氣溫最冷的2月及春夏季均出現(xiàn)溫度分層。當(dāng)水溫分層，表層與底層的DO也開(kāi)始發(fā)生變化，水庫(kù)的上層，大氣對(duì)水體的復(fù)氧條件好，DO濃度較高，受氣溫影響，冬季高于夏季，底層DO主要受水庫(kù)底泥耗氧影響，水溫分層后，DO濃度逐漸下降，當(dāng)水體垂向均勻混合，底部DO迅速上升，翻庫(kù)使得水庫(kù)底部溶氧水平基本恢復(fù)。

圖7 2018年及2020年壩前水面及底部水溫和DO變化過(guò)程

壩前表層DO受大氣復(fù)氧及藻類的光合作用，維持在較高水平，冬季低水溫有較高的DO濃度，夏季DO略低。底部水體冬季DO在垂向上均勻混合，當(dāng)水體開(kāi)始分層，底層水體與表層的對(duì)流擴(kuò)散減弱，滯溫層水體內(nèi)還原物質(zhì)的不斷耗氧，底層逐漸低于表層，在夏季分層時(shí)間長(zhǎng)，底層DO逐漸耗盡，2018年及2020年底層DO濃度低于2 mg/L的天數(shù)分別達(dá)到66 d和40 d。

受水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度、氣象條件的影響，水庫(kù)的水溫和DO過(guò)程不同。2018年相比2020年有更高的運(yùn)行水位，底層水溫維持在較低水平，越高的水位導(dǎo)致翻庫(kù)日期推后，2018年的表層DO的變化小于2020年的變化。2020年監(jiān)測(cè)及模擬結(jié)果均顯示出表層水體的低DO濃度現(xiàn)象，而2018年卻不太明顯。

水庫(kù)翻庫(kù)時(shí)段低水位運(yùn)行，沉積水平較高的水庫(kù)可能產(chǎn)生較為劇烈的水質(zhì)污染現(xiàn)象，帶來(lái)水生態(tài)負(fù)面影響。在南方的某水庫(kù)我們也觀測(cè)到翻庫(kù)的日期通常比北方滯后，監(jiān)測(cè)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽不高的情況下，當(dāng)翻庫(kù)時(shí)，水庫(kù)運(yùn)行水位過(guò)低，在早春季節(jié)引發(fā)水華。但對(duì)某些大型深水水庫(kù)，在氣候變暖背景下，過(guò)高的運(yùn)行水位也可能導(dǎo)致翻庫(kù)作用減弱，底部復(fù)氧的不充分，同樣引發(fā)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

3.2 穩(wěn)定性分析深大水庫(kù)分層通常持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，在穩(wěn)定期間短暫的強(qiáng)對(duì)流天氣基本不能打破分層結(jié)構(gòu)，水庫(kù)變溫層深度及厚度在全庫(kù)區(qū)的分層水域基本一致。選擇水庫(kù)中的潘家口斷面，對(duì)2018年及2020年水庫(kù)年內(nèi)的垂向水溫過(guò)程進(jìn)行描述，見(jiàn)圖8。

圖8 2018年與2020年潘家口斷面的垂向水溫年內(nèi)變化

水庫(kù)垂向水溫的變化(見(jiàn)圖7)表明，2018年相比2020年，7月下旬上層溫水層厚度明顯變厚，變溫層(垂向水溫梯度≥1 ℃/m)深度大，2018年變溫層最大水深與2020年比下移了近10 m。原因是綜合的，但水位的變動(dòng)是主因。2018年7月中旬水庫(kù)的水位開(kāi)始抬升，而2020年水位在8月中旬開(kāi)始抬升，雖然2018年相比2020年有較大的年內(nèi)水位變幅，但影響夏季分層結(jié)構(gòu)的是夏季混合循環(huán)期間的運(yùn)行水位及動(dòng)力學(xué)變化。

為定量描述分層水體的穩(wěn)定性，1955年Lorenz[23]最初推導(dǎo)了流體的總勢(shì)能(重力和內(nèi)部勢(shì)能)，很多學(xué)者通過(guò)可用勢(shì)能指數(shù)(Available Potential Energy，APE)研究分層流體偏離參照密度分層結(jié)構(gòu)位移偏差下的勢(shì)能[24]，APE計(jì)算方程見(jiàn)式(6)，其中密度計(jì)算為式(7)。

(6)

(7)

式中：APE為可用勢(shì)能指數(shù)，J/m；z為所在高程，m；ρ對(duì)應(yīng)水深處的水體密度，kg/m；ρr為參考位置的水體密度，kg/m；zx為參考總高柱，m；ρT為水的密度隨溫度的函數(shù)，kg/m3。

水庫(kù)垂向均勻混合狀態(tài)為參照狀態(tài)，表層水體與底層水體密度基本相同，APE指數(shù)表征了水體完全混合所需要的勢(shì)能，越高則代表水體密度分層結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，反之說(shuō)明穩(wěn)定性較弱，與水深、溫躍層厚度、溫度梯度有密切關(guān)系。選取參考位置為底層水體，通過(guò)模型計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步計(jì)算不同斷面的APE年內(nèi)變化過(guò)程。2018年及2020年的不同點(diǎn)位APE變化見(jiàn)圖9。

圖9 2018年和2020年不同斷面APE年內(nèi)變化過(guò)程

因潘家口水庫(kù)的緯度較高，在1—2月垂向形成表層水溫低底部水溫略高的結(jié)果，但APE不大，在3—4月垂向混合后，開(kāi)始夏季的分層演進(jìn)，APE升高，在APE增大的過(guò)程中，全庫(kù)區(qū)APE變幅不大，在7—9月先后達(dá)到最大值。水庫(kù)不同斷面的最大穩(wěn)定性不同，壩前及深水水域的穩(wěn)定性高，庫(kù)尾穩(wěn)定性較低，越深的水域，APE最大值出現(xiàn)得較晚。不同來(lái)流及運(yùn)行調(diào)度水位下，APE存在差異，2018年運(yùn)行水位高，年內(nèi)最大APE大，2020年水位低，對(duì)應(yīng)較低的APE值。2018年靠近庫(kù)尾的清河口斷面的年內(nèi)最大APE值大于2020年壩前值。2018年表溫層厚度大，產(chǎn)生了較大的APE指數(shù)?？傮w上APE與運(yùn)行水位的相關(guān)性程度更強(qiáng)。

3.3 翻庫(kù)日期與穩(wěn)定性關(guān)系翻庫(kù)的日期的預(yù)測(cè)，對(duì)水庫(kù)管理及科學(xué)研究均有重要意義。本文采用|Tsur-Tbot| ≤ 1.0℃[21]定義，并定義DO完全翻轉(zhuǎn)時(shí)|DOsur-DObot|≤ 1.0 mg/L。通過(guò)模型反演水庫(kù)水溫、水質(zhì)及DO的變化，對(duì)于狹長(zhǎng)型的河道水庫(kù)的翻庫(kù)，并不是在全庫(kù)同時(shí)發(fā)生的，而是由庫(kù)尾淺水段逐漸行進(jìn)至壩前，在壩前水深相差不大的水域，基本同時(shí)發(fā)生。在表1中，分別列出水庫(kù)斷面位置及最深處高程，在2018年和2020年水溫及DO的翻轉(zhuǎn)日期，該日期分別用月/日和該年的計(jì)算日數(shù)(Julian Day Number，JDN)表示，儒略日數(shù)是一種不用年月只從起點(diǎn)累計(jì)日數(shù)的方法，每年的起點(diǎn)天數(shù)始于1月1日。各斷面位置見(jiàn)圖1。

表1 模型計(jì)算水庫(kù)不同斷面翻庫(kù)日期及DO混合日期

2018年從庫(kù)尾清河口到壩前，翻轉(zhuǎn)過(guò)程為57 d，2020年該過(guò)程為98 d，2018年比2020年翻庫(kù)經(jīng)歷的時(shí)間短了41 d。2020年庫(kù)尾由于水深較淺，在氣溫較高時(shí)期就發(fā)生混合，到壩前時(shí)間反而更長(zhǎng)些。在2年中，燕子峪、潘家口及壩前水域幾乎是同時(shí)翻庫(kù)，即水表及庫(kù)底水溫基本一致。

2018年水庫(kù)水位較高，DO的翻轉(zhuǎn)與水溫相比推遲了10 d，2020年水位較低，DO翻轉(zhuǎn)只比水溫推遲了7 d。高水位運(yùn)行，表層和底層DO交換垂向空間大，因此時(shí)間也更長(zhǎng)，表層DO的變化不似2018年劇烈。潘家口水庫(kù)緯度較高，底部富含高有機(jī)物質(zhì)，庫(kù)區(qū)水流緩慢，冬季底層水體的復(fù)氧水平高。

通過(guò)模型可得到比常規(guī)監(jiān)測(cè)更為精細(xì)的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究APE與翻轉(zhuǎn)時(shí)間的相關(guān)性。因水庫(kù)年內(nèi)發(fā)生2次翻轉(zhuǎn)，對(duì)于秋季的翻轉(zhuǎn)的有效時(shí)間開(kāi)始于春季均勻混合后。計(jì)算2018年和2020年夏季分層后的各斷面平均的水深及APE值，與表1中的翻庫(kù)日期做相關(guān)性分析，縱坐標(biāo)分別為平均水深和APE值，橫坐標(biāo)為年的計(jì)算日數(shù)，見(jiàn)圖10。

圖10 翻庫(kù)日期與APE關(guān)系

參考文獻(xiàn)中對(duì)翻庫(kù)的預(yù)測(cè)成果，Blanton[15]結(jié)論認(rèn)為翻庫(kù)日期與水深相關(guān)，分層期間的平均水深與翻庫(kù)時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖11(a)。Nuernberg[17]推薦計(jì)算翻庫(kù)的公式為：

圖11 翻庫(kù)日期與各斷面平均水深和Nuernberg公式計(jì)算時(shí)間關(guān)系

(8)

latad=latx+ax/100×alt

(9)

水庫(kù)分層后，水庫(kù)儲(chǔ)存越多的熱能，翻庫(kù)的日期越滯后。斷面在穩(wěn)定性較差的分層末期，可能一場(chǎng)風(fēng)或降溫或入流脈沖等導(dǎo)致水體的翻轉(zhuǎn)，具體的日期或提前或滯后。分層期間內(nèi)的平均APE的大小與水庫(kù)的翻庫(kù)日期呈正相關(guān)。同年中，庫(kù)尾斷面平均APE較低，翻庫(kù)日期早，壩前水體翻庫(kù)遲。雖然2018年與2020年運(yùn)行水位及水溫結(jié)構(gòu)變化過(guò)程不相同，但可將不同年份不同斷面的翻庫(kù)日期統(tǒng)一在以APE為指標(biāo)相關(guān)關(guān)系中。APE是主導(dǎo)水庫(kù)翻庫(kù)日期的主要因子。

4 結(jié)論

湖庫(kù)的翻庫(kù)具有生態(tài)環(huán)境學(xué)意義，通過(guò)水庫(kù)的原位監(jiān)測(cè)及模型手段，對(duì)大型深水水庫(kù)進(jìn)行研究，過(guò)低和過(guò)高的水庫(kù)運(yùn)行水位均會(huì)通過(guò)翻庫(kù)對(duì)生態(tài)產(chǎn)生影響。

大型深水水庫(kù)的翻庫(kù)過(guò)程始于庫(kù)尾或淺水水域向深水水域演進(jìn)，狹長(zhǎng)形潘家口水庫(kù)的翻庫(kù)過(guò)程可持續(xù)2或3個(gè)月。翻庫(kù)時(shí)水庫(kù)的水溫先在垂向上達(dá)到基本均勻，DO垂向上的均勻混合通常會(huì)滯后于水溫。強(qiáng)烈翻庫(kù)使得水庫(kù)底層缺氧區(qū)復(fù)氧。當(dāng)水位較低時(shí)，表層水體受翻庫(kù)影響更大，表現(xiàn)為較短時(shí)間內(nèi)DO迅速下降等。

關(guān)于翻庫(kù)日期及分層穩(wěn)定性，水庫(kù)的運(yùn)行水位是關(guān)鍵，夏季混合循環(huán)中的水位變動(dòng)，影響溫躍層的深度及上層溫水層的厚度，也決定了水體穩(wěn)定性指數(shù)的大小，可通過(guò)可用勢(shì)能指數(shù)(APE)量化水庫(kù)分層穩(wěn)定性。水庫(kù)不同位置斷面的翻庫(kù)日期與夏季循環(huán)期的平均APE指數(shù)大小有較好的相關(guān)關(guān)系。

研究成果將支撐水庫(kù)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度、水源地生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水環(huán)境科學(xué)管理等的實(shí)踐。