李 昶,鄧 兵,汪福順,周子然

(1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室,上海 200062; 2.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海 200444)

三峽水庫自2003年蓄水以來,在防洪、發(fā)電、航運以及水資源調(diào)配等方面產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益,所引起的環(huán)境效應(yīng)也受到了很多學(xué)者的關(guān)注[1-3]。三峽水庫的運行帶來了許多不確定性,如水位抬升一方面會改善庫區(qū)航運條件,另一方面還會造成庫區(qū)泥沙淤積格局的改變[4-6],庫區(qū)水質(zhì)與水環(huán)境也會改變[7-9]。三峽水庫蓄水后,干流水體水質(zhì)持續(xù)改善[10],但同時干流水體的頂托作用使庫區(qū)內(nèi)眾多山區(qū)支流的深切河谷和丘陵間山谷形成庫灣回水區(qū),部分庫灣回水區(qū)藻華頻發(fā)[11-14]。

已有研究表明,庫區(qū)的生源要素循環(huán)與干支流的水交換情況及其動力特征密切相關(guān)[15-16],庫灣與干流水交換是認(rèn)識庫區(qū)水環(huán)境變化的關(guān)鍵。干支流水體溫度差和泥沙濃度差產(chǎn)生的分層異重流是支流庫灣水交換的主要形式[17-18],而在洪季低水位運行期以左右結(jié)構(gòu)的水交換為主[19],干支流界面水文結(jié)構(gòu)復(fù)雜[20-22]。此外,三峽庫區(qū)支流眾多,目前有關(guān)干支流水動力特性的研究多集中在香溪河[23]、大寧河[24]等支流,干支流水交換強度和通量是否受支流庫灣回水區(qū)的規(guī)模及在庫區(qū)的區(qū)位差異等影響,還需要對更多典型支流作進(jìn)一步的研究。

本文利用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)在三峽庫區(qū)典型支流草堂河庫灣進(jìn)行多斷面逐月走航觀測,并對其水動力參數(shù)以及干支流水溫、濁度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,從水文角度探討在水庫不同水位運行期下的支流河口界面水流特征及產(chǎn)生原因,同時定量估算各時期的水交換通量,為進(jìn)一步揭示支流庫灣水環(huán)境演變規(guī)律提供水動力學(xué)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域與觀測方法

草堂河是三峽庫區(qū)長江北岸的一級支流,位于三峽庫區(qū)中部重慶市奉節(jié)縣境內(nèi),介于東經(jīng)108°14′～109°25′、北緯30°35′～31°26′之間,全長33.3 km,流域面積約394.8 km2,年徑流總量2.37億m3,平均流量約7.51 m3/s[25]。庫區(qū)蓄水后,在距河口8 km范圍內(nèi)形成常年回水區(qū)。本次研究在三峽庫區(qū)干流設(shè)置1個監(jiān)測斷面(CJ),在草堂河下游(CT01)、中游(CT02)和上游(CT03)各設(shè)置1個監(jiān)測斷面(圖1),于2012年9月至2013年7月逐月監(jiān)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。

圖1 研究區(qū)域與監(jiān)測斷面

利用光學(xué)后向散射濁度計(濁度測量精度±0.1 NTU;測溫范圍0～35℃,精度±0.01℃)在支流各監(jiān)測斷面中泓線沿垂向由表層至底層每隔5 m進(jìn)行測量,得到相應(yīng)層次的水溫、濁度,由于水庫干流水體垂向混合均勻,水體基本物理化學(xué)參數(shù)的垂向差異小[26],故干流水溫、濁度值由表層數(shù)據(jù)代替。庫區(qū)干流水位、流量等水情信息從中國長江三峽集團公司網(wǎng)站(http://www.ctgpc.com.cn)獲取。

用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(流速測量范圍±5 m/s，精度±0.005 m/s;最大測流水深180 m)在干支流各監(jiān)測斷面進(jìn)行走航測流(船速控制在0.5 m/s左右),得到斷面寬度、水深、流速等數(shù)據(jù),測流期間采用GPS導(dǎo)航。流量的計算公式為

(1)

其中vi=v實cosθ

式中:vi為第i個積分?jǐn)嗝嫣幋怪睌嗝娣较虻牧魉?Ai為第i個積分?jǐn)嗝娴拿娣e;n為測量斷面的積分?jǐn)嗝鏀?shù);v實為實測流速;θ為流向與積分?jǐn)嗝娣ň€方向(指向干流)的夾角,θ<90°時為正值(水體由庫灣流入干流),θ>90°時為負(fù)值(水體由干流倒灌入庫灣)。

2 草堂河庫灣回水區(qū)水動力特征

綜合2012年9月至2013年7月草堂河口斷面(CT01)的水體流速分布來看,全年流速較小,主要集中在0.2 m/s以內(nèi)(圖2)?，F(xiàn)場監(jiān)測表明,支流河口界面上存在明顯的雙向水流結(jié)構(gòu),進(jìn)出水體出現(xiàn)的位置及流速大小在水庫蓄水期、高水位運行期、消落期以及低水位運行期存在顯著差異。

2.1 干支流界面特征

圖2給出了觀測期內(nèi)CT01斷面水體流場結(jié)構(gòu),圖3～8為干流水位、流量變化以及支流河口界面進(jìn)出流速、流量等變化情況。

a. 蓄水期(9—10月),干流水位上升,最大水位日變幅為2.20 m(圖4),支流河口斷面(CT01)最大水深約55 m(圖2(a)(b))。庫灣流出水體分布在河口左岸,平均流速為0.083～0.088 m/s,流量為707.08～1 072.29 m3/s;干流倒灌水體分布在右岸,平均流速為0.073～0.102 m/s (圖8),流量為901.74～1 367.10 m3/s(圖5),形成右進(jìn)左出的結(jié)構(gòu)(圖2(a))。10月下旬進(jìn)入蓄水末期,隨著干流水位的抬升,干支流水體相互頂托作用增強,流速減小,水體左右進(jìn)出結(jié)構(gòu)沒有9月明顯(圖2(b))。

b. 高水位運行期(11月至翌年1月),壩前水位在11月14日達(dá)到觀測期最高水位174.91 m(圖3),水位日變幅小于0.45 m(圖4),CT01斷面水深最大,約60 m(圖2(e))。這一時期河口進(jìn)出水體呈現(xiàn)典型的上下分層結(jié)構(gòu),大約以25 m水深處為界(圖2(c)(d)),上層為長江干流倒灌進(jìn)入草堂河的水體,平均流速為0.066～0.067 m/s,其上部(0～10 m水深)流速大(0.10～0.22 m/s),下部(10～25 m水深)流速小(<0.05 m/s);下層為庫灣流入長江的水體,平均流速為0.082～0.086 m/s,其上部(25～40 m水深)流速小(<0.05 m/s),下部(水深40 m以下)流速大(0.11～0.28 m/s)。整個斷面流速分布為中間小,表層和底層大。

圖2 草堂河河口斷面(CT01)流速分布

圖3 干流水位變化

圖4 干流水位日變幅

圖5 草堂河河口斷面進(jìn)出水體流量與凈流量

圖6 干流與草堂河河口表底層溫度

圖7 干流與草堂河河口平均流速

圖9 2012年12月與2013年7月不同斷面流速分布

圖8 草堂河河口斷面進(jìn)出水體平均流速

c. 消落期(2—5月),干流水位持續(xù)降低,從170.41 m(2月1日)降至150.93 m(5月31日)(圖3),平均日降幅為0.163 m(圖4),這一時期庫灣水位也在降低,CT01斷面最大水深降至48 m左右(圖2(i))。消落前期(2—4月),CT01斷面水體流場結(jié)構(gòu)從左右分布逐漸過渡到上下分層結(jié)構(gòu)(圖2(f)(g)(h)),相比于上一時期,消落前期進(jìn)出水體平均流速稍有增加,介于0.065～0.081 m/s之間(圖7),流出流量為561.31～640.73 m3/s,倒灌流量為657.04～867.16 m3/s(圖5);消落后期(5月)進(jìn)出水體流速明顯增大,庫灣流出水體平均流速約為0.131 m/s,倒灌水體平均流速約為0.160 m/s(圖8),凈流量達(dá)到249.64 m3/s(圖5)。5月CT01斷面進(jìn)出的流速較大,在水深20 m處,距離右岸90～110 m范圍內(nèi)有一較高流速水團(>0.30 m/s),斷面中部流速較高(>0.25 m/s)?？傮w來講,該時期河口斷面的水體流速較大。

d. 低水位運行期(6—8月),干流水位為145.05～155.92 m(圖3),CT01斷面最大水深維持在45 m左右(圖2(j)(k))。與5月相比,6、7月進(jìn)出水體界面交錯,干流水體在距離河口斷面右岸200～400 m范圍內(nèi)倒灌進(jìn)入庫灣,庫灣水體多在靠近兩岸200 m的范圍內(nèi)流出到干流,倒灌流量為345.05～492.87 m3/s(圖5),平均流速為0.058～0.094 m/s(圖8)。這一時期由于水位較低,流速有所增加,說明干流水體以較高流速倒灌進(jìn)入庫灣進(jìn)行水交換。

2.2 水交換影響范圍

a. 水庫高水位運行期,進(jìn)出水體在河口界面呈現(xiàn)典型的上下分層結(jié)構(gòu)(圖9(a)),尤其在2012年12月,庫灣中部(圖9(b))及尾部(圖9(c))也存在同樣結(jié)構(gòu),說明該結(jié)構(gòu)沿河道方向具有良好的連續(xù)性,干流水體能夠到達(dá)庫灣末端,水交換較為徹底。庫灣自河口向庫尾3個斷面(CT01、CT02、CT03)倒灌平均流速依次緩慢減小,分別為0.069 m/s、0.062 m/s和0.061 m/s。

b. 水庫低水位運行期,庫灣河口進(jìn)出水體流場主要呈左右結(jié)構(gòu),以2013年7月為例,CT01斷面水體流向左右結(jié)構(gòu)明顯(圖9(d)),而在庫灣中部(圖9(e))及尾部(圖9(f))斷面呈較弱的上下分層結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)沿河道方向連續(xù)性較差,水交換形態(tài)復(fù)雜。這一時期干支流水體濁度差異顯著,干流高濁度水體向庫灣倒灌可有效指示干支流水交換。以低水位運行期的2013年7月為例,干流水體濁度高于700 NTU,而庫灣內(nèi)水體平均濁度僅為198 NTU,庫灣尾部更是低于20 NTU,攜帶著大量泥沙的高濁度干流水體在慣性作用下從河口進(jìn)入庫灣,倒灌過程中由于受到庫灣水體的頂托及河道的阻滯作用,流速明顯減小,同時顆粒物沉降,濁度自河口向庫灣內(nèi)部遞減,呈明顯的“舌狀”分布(圖10),在距河口3.5 km的庫灣回水區(qū)內(nèi)仍有濁度大于50 NTU的水體,說明干流水體能到達(dá)庫灣常年回水區(qū)末端。

圖10 草堂河庫灣濁度分布縱剖面(2013年7月)

從以上分析來看,無論水庫高、低水位期,干支流水體交換都比較徹底。雖然在洪季用濁度來指示水交換情況效果較好,但在其他時期干支流濁度差異不明顯。已有研究表明,草堂河庫灣頂部全年營養(yǎng)鹽濃度與干流相近,與草堂河上游差異顯著,其月變化趨勢也與干流一致,并無明顯滯后[25],干流水體對草堂河庫灣的影響可達(dá)庫灣末端,庫灣與干流連通性很好,干支流水體交換迅速且充分。胡念三等[27-28]對三峽庫區(qū)其他4條支流(香溪河、大寧河、磨刀溪和小江)庫灣水動力的觀測也證實了干流倒灌水體攜帶營養(yǎng)鹽能到達(dá)庫灣中上游,在縱向上表現(xiàn)為靠近庫灣河口處的營養(yǎng)鹽濃度高而庫灣尾部營養(yǎng)鹽濃度低的分布趨勢,說明干流水體對支流庫灣的影響較為普遍。

3 干支流界面水交換影響因素探討

草堂河干支流進(jìn)出水體的交換強度、界面形態(tài)結(jié)構(gòu)在庫區(qū)不同運行期存在差異,并對庫灣中部水體的交換存在季節(jié)上的影響,所以驅(qū)動干支流水交換的影響因素較復(fù)雜。

3.1 干支流水體溫度差

水庫消落期,草堂河河口界面上下分層的雙向水流結(jié)構(gòu)特征明顯,河口進(jìn)出水體間界限較清晰(圖2(g)(h))。由圖11可知,這一時期庫灣表底層水體溫度差異顯著，尤其在2013年4月,庫灣表層(水深0～3 m)水溫大于17.50℃,底層(水深3 m以下)小于16.50℃,而長江干流表底層水溫均在17.10～17.40℃范圍內(nèi)。庫灣水溫分層產(chǎn)生的密度梯度使水體在垂直方向上的交換受阻,溫度低密度大的庫灣水體沿底坡從河口界面底部流出,干流水體以表層補償流的形式倒灌進(jìn)入庫灣(圖2(h)),這是典型的溫差異重流驅(qū)動下的水流特征。河口水流強度較小,進(jìn)出水體流速大小分別為0.077 m/s和0.073 m/s(圖8)。相似的結(jié)構(gòu)在2012年11月也有出現(xiàn)(圖2(c)),說明雖然冬季干支流溫度差異較小(圖6),但其所驅(qū)動的密度差異仍然存在。

圖11 2013年4月長江干流及草堂河庫灣溫度分布

長江三峽庫區(qū)段多數(shù)支流呈東西走向,大部分支流處于同一緯度帶(北緯30°00′～31°00′)和氣候帶之間。在以溫差異重流為主導(dǎo)的時期,各支流庫灣與干流水體溫度差異相似,因而水交換結(jié)構(gòu)、強度在不同支流具有相似性[17,19,24]。梅溪河、朱衣河在消落前期也是上下分層結(jié)構(gòu),其平均流速大小約分別為0.073 m/s[29]和0.059 m/s[19]。香溪河、大寧河也有類似情況,如香溪河在3—5月平均流速約為0.051 m/s、表層平均密度約998.21 kg/m3的干流水體從河口水深40 m以上范圍倒灌潛入庫灣,且絕大多數(shù)時間均影響到庫灣中上游[29];庫灣內(nèi)密度約為997.78 kg/m3的水體從底層流出到干流,形成上下分層的水流結(jié)構(gòu)。

3.2 水體慣性

消落后期及低水位運行期的干支流溫差同樣顯著,但其支流河口進(jìn)出水體界面交錯(圖2(i)(j)),說明其水交換進(jìn)程可能并非只受溫差異重流影響。該階段干流平均流速超過0.250 m/s,干支流流速差異達(dá)3～5倍(圖7),由于草堂河河口偏向長江上游來水方向(圖1),干流水體極易由于慣性從河口右岸倒灌進(jìn)入庫灣。以消落后期(2013年5月)為例,平均流速約為0.252 m/s的干流水體在慣性作用下,長驅(qū)直入庫灣回水區(qū),庫灣內(nèi)水體由于倒灌水體的擠壓,從河口斷面其他位置流出,高速慣性倒灌水體引起的支流河口界面強烈紊動摻混遠(yuǎn)超過水體的垂向擴散阻力,形成左右流場結(jié)構(gòu)(圖2(a)(i)(k))。

不同規(guī)模庫灣回水區(qū),在干流水體慣性倒灌影響下,其河口界面水流強度、流場形態(tài)存在差異,如在低水位運行期的8月,最大流速約分別為0.059 m/s[23]和0.077 m/s[23]的朱衣河、梅溪河干流倒灌水體,主要以底部倒灌的形式進(jìn)入其庫灣回水區(qū),倒灌范圍接近庫灣尾部。這與草堂河的水交換強度差異顯著,可能與河流規(guī)模、支流與干流的朝向等因素有關(guān)。草堂河的規(guī)模雖不及三峽庫區(qū)其他支流,但該時期由于干流水體較強的慣性作用,倒灌量較大。

3.3 地形的影響

庫區(qū)朱衣河、梅溪河、草堂河3條支流走向與干流所成角度約分別為60°、90°和150°(圖1),草堂河河口基本面向干流上游。水庫各運行期,干流水體更易直接進(jìn)入草堂河庫灣內(nèi)部,草堂河河口斷面(CT01)各月進(jìn)出水體流速要大于其他支流(圖12);倒灌流量所占干流流量比例也要大于其他支流,水交換強度更大,尤其在低水位運行期較為顯著,如2013年3—5月,倒灌流量占干流流量比例均高于7%(圖5)。這說明支流走向的差異會對水體交換產(chǎn)生影響[29]。

圖12 3條支流進(jìn)出水體平均流速

草堂河河口區(qū)別于庫區(qū)其他支流的特殊性除河流走向之外,還在于有一座島嶼(白帝城)位于河口干支流交界處(圖1),水位會由于其阻擋作用在河口區(qū)域抬升,干支流水體的流速減小,勢必會造成干支流水體在河口交界處流場分布的季節(jié)性差異,如2012年10月凈流量約為660.02 m3/s(庫灣流向干流),而2013年5月凈流量約為249.64 m3/s(干流倒灌庫灣)(圖5)。當(dāng)庫區(qū)水位較低時,河口平均水深較淺(約為33.95 m),白帝城與河道右岸之間部分水體的流速由于水下原有道路(三峽水庫建成前,白帝城與草堂河河口右岸有道路聯(lián)通,三峽水庫建成后,道路淹沒,在水面上修建風(fēng)雨廊橋)的阻擋迅速減小,干支流水體以漫灌的形式在河口進(jìn)行交換,而大部分水體主要從白帝城與左岸之間進(jìn)出河口,形成河口環(huán)流,如2013年5—7月(圖2(i)(j)(k));庫區(qū)水位較高時,干支流水體可以直接從白帝城兩側(cè)進(jìn)出庫灣,不易形成河口環(huán)流。

4 干支流水體交換對庫區(qū)水環(huán)境的影響

在溫差異重流、干流慣性倒灌、地理特性等因素驅(qū)動下,支流河口界面上的干支流水交換在不同水位運行期持續(xù)進(jìn)行。三峽庫區(qū)內(nèi)主要支流約40條[27],且普遍存在與干流的水體交換,本文選取庫區(qū)香溪河、小江、梅溪河及朱衣河這4條典型支流作為參考,其中香溪河河口干支流水體有效交換量為170.9～677.5 m3/s[17],朱衣河為209.2～493.0 m3/s[19]。

圖13 三峽庫區(qū)典型支流與干流有效交換流量及倒灌流速

三峽水庫全年各運行期,草堂河與干流水體的有效交換量均高于梅溪河及朱衣河。如圖13(a)所示,蓄水期10月草堂河干支流水體交換量為全年最高,達(dá)到1 113.07 m3/s;在其他時期經(jīng)歷連續(xù)的波動過程,干支流水體交換量在12月降至全年最低(約為345.05 m3/s)后持續(xù)上升,到2月達(dá)到極值(約為1 072.29 m3/s),之后又繼續(xù)下降,至4月達(dá)到低值424.53 m3/s?？傮w而言,庫區(qū)干支流水體交換量較大,全年平均值為730.55 m3/s,高于其他典型支流，其中2012年12月相差最小,約為19.18 m3/s,2012年10月差值最大,約為738.26 m3/s(圖13(a)),這可能與草堂河特殊走向有關(guān)。水庫各運行期,草堂河河口干流倒灌支流庫灣的強度普遍高于其他支流,尤其在消落前期(2月),干流倒灌水體平均流速高于0.100 m/s,其他支流河口低于0.070 m/s(圖13(b))。支流河口界面的干支流水交換會將大量生源要素從干流帶入庫灣[13,15,25],這些生源要素進(jìn)入庫灣,參與其生物地球化學(xué)循環(huán)過程,對庫灣水環(huán)境產(chǎn)生影響。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[17,19,29],這對于庫灣水環(huán)境的影響值得更深入的探討。

5 結(jié) 論

a. 草堂河河口存在明顯的雙向水流特征,受溫差異重流、干流慣性作用以及特殊的地形等因素影響,在水庫各個運行期干支流界面上進(jìn)出水體的結(jié)構(gòu)以及水流強度差異顯著。在蓄水期,受水位變動和溫差異重流疊加影響,支流河口界面水流強度小,進(jìn)出水體以分層異重流形式進(jìn)行交換;在低水位運行期,河口水流特征主要受地形和水體慣性影響,干流水體直接沿河口右岸倒灌進(jìn)庫灣,水流強度大,支流河口界面水流結(jié)構(gòu)破壞,進(jìn)出水體間界面交錯并向倒灌一側(cè)傾斜,形成左右分布的雙向水流結(jié)構(gòu)。此外,支流河口界面水交換還會受到其他諸多因素的影響,仍有待研究。

b. 干流水體全年均能倒灌至庫灣尾部,水庫高水位運行期進(jìn)出水體上下分層結(jié)構(gòu)沿庫灣且縱向連續(xù)性較好,在低水位運行期河口進(jìn)出水體以左右環(huán)流為主且沿河道方向連續(xù)性較差。

c. 草堂河相比庫區(qū)其他支流的特殊走向使干流水體在水庫各運行期均能大量倒灌進(jìn)入庫灣,其干支流水體的有效交換量高于其他典型支流，其中2012年12月相差最小,約為19.18 m3/s,2012年10月差值最大,約為738.26 m3/s。

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