徐 慧，龍良紅,2，紀道斌,2，楊忠勇,2，楊正健,2，劉德富，湯正陽

(1. 三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學三峽水庫生態(tài)系統(tǒng)湖北省野外科學觀測研究站，湖北 宜昌 443002；3. 湖北工業(yè)大學河湖生態(tài)修復與藻類利用湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068；4. 中國長江三峽集團公司，北京 100038)

三峽水庫是三峽水電站建成后蓄水形成的人工湖泊，總面積約1 084 km2，是中國重要的戰(zhàn)略水資源庫，在長江流域防洪、發(fā)電、航運、灌溉等方面起著重要作用。目前三峽水庫大部分支流回水區(qū)水體呈富營養(yǎng)化狀態(tài)，而且部分支流庫灣暴發(fā)了嚴重的藻類水華，這已成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的庫區(qū)水環(huán)境問題[1- 2]。針對三峽水庫的水環(huán)境問題，不少學者通過建立水流特性與水質(zhì)、水華、沉積物、溫室氣體動態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系[3- 6]，認為支流庫灣的水動力過程是影響其水環(huán)境現(xiàn)狀和發(fā)展的重要物理驅(qū)動?；诖苏J識，許多學者提出通過水庫生態(tài)調(diào)度來調(diào)控支流庫灣水動力過程，進而改善水質(zhì)、水華等問題，成為緩解水環(huán)境問題的有力措施和新途徑[7- 8]。

水庫生態(tài)調(diào)度的本質(zhì)是通過短時間內(nèi)調(diào)控水位的波動實現(xiàn)增大干支流間的水體交換、改變水流形態(tài)、破壞水體分層狀態(tài)等來改善庫灣水環(huán)境[9- 11]。前期關(guān)于三峽水庫流量調(diào)節(jié)的研究主要集中在三峽下游河段的生態(tài)影響，例如三峽—葛洲壩兩壩間的水位、流量波動特征對航運安全和發(fā)電效率等造成的影響[12- 13]。近年來，針對支流庫灣生態(tài)環(huán)境，卜英[9]研究指出日調(diào)峰運行方式可以提高支流水體流速，加強干支流的水體交換和摻混，但對其影響機制缺乏合理的解釋；徐雅倩[14]進一步研究表明水位的高頻波動可以增加支流庫灣的水體摻混，改變其水溫分層/混合過程，進而對水環(huán)境產(chǎn)生深遠影響。但前期的研究多基于長周期的流量調(diào)節(jié)尺度，針對日調(diào)節(jié)尺度下的水位高頻波動、水動力響應(yīng)機制研究較少。2020年，Long等[15]發(fā)現(xiàn)香溪河庫灣蓄水期存在高頻的水流振蕩現(xiàn)象，并且表明這一物理過程與水庫日調(diào)度過程密切相關(guān)；2021年紀道斌等[16]進一步報道了三峽出庫流量日調(diào)節(jié)所驅(qū)動的干流重力波問題，解析了形成機制，并闡述了在庫區(qū)干流的傳播特征。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了三峽水庫長期存在但被忽視的高頻水動力現(xiàn)象，同時也為水庫調(diào)度提供了新的研究視角。

然而，目前的研究仍缺乏對支流庫灣振蕩物理特性的系統(tǒng)性報道。針對這一問題，本研究基于野外高頻的流速、水位監(jiān)測，對泄水- 蓄水典型調(diào)度過程下支流庫灣水體振蕩特性進行深入探討，主要包括香溪河庫灣水位- 水流特性、庫灣振蕩的物理特征參數(shù)、庫灣振蕩的生成機制及影響因素等方面的問題。通過該研究，進一步拓寬和深入認識水庫水動力過程及其對三峽水庫調(diào)度過程的響應(yīng)規(guī)律，以期為后續(xù)研究和實施生態(tài)調(diào)度解決庫灣水體富營養(yǎng)化及水華問題提供理論參考。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域

三峽水庫位于長江流域腹心地帶，年均徑流量達4 510億m3，約占長江年總徑流量的49%，壩址斷面多年平均流量14 300 m3/s。三峽工程位于長江三峽西陵峽河段，正常蓄水位175 m，防洪庫容為221.5億m3，為季調(diào)節(jié)水庫。香溪河是三峽水庫庫首湖北境內(nèi)第一大支流，全長94 km，發(fā)源于神農(nóng)架林區(qū)，向南流經(jīng)興山縣和秭歸縣，于郭家壩鎮(zhèn)注入長江。三峽水庫蓄水至145 m時，距離河口28 km范圍形成回水區(qū)；當蓄水至175 m時，回水區(qū)范圍長達42 km(河道長度估算來源于谷歌地圖)。本研究水位觀測點分別位于香溪河常年回水區(qū)的上游、中游、下游，流速監(jiān)測點分別在回水區(qū)中游峽口鎮(zhèn)和末端平邑口(見圖1)，位于香溪河庫灣的水華敏感區(qū)。

圖1 研究區(qū)域及監(jiān)測點位Fig.1 Map of study area and monitoring sites

1.2 監(jiān)測指標與方法

本研究中所需數(shù)據(jù)主要包括香溪河庫灣水位、流速和三峽水庫壩前水位、出庫流量(三峽大壩)等。香溪河庫灣水位監(jiān)測點分布如圖1(b)所示，從河口至上游共3個測點，各測點的位置及河道斷面等信息提取于谷歌地圖，如表1所示。流速剖面數(shù)據(jù)采用聲學多普勒流速剖面儀(Signature 1 000 ADCP，Nortek，挪威)收集，將流速剖面儀固定在河床上并采用上視測量，應(yīng)用平均流速監(jiān)測模式，監(jiān)測時間間隔為10 min，測量時段為2019年5月9—21日，監(jiān)測點位位于S2；9月15—27日監(jiān)測點位位于S3。同時段的水位采用高精度水位計(HOBO U20L- 01，HOBO，加拿大)進行觀測，將水位計固定在河床底部，進行水位校正后得到長期高頻的水位波動過程，測量精度0.5 cm，分辨率0.21 cm，采樣間隔為5 min。各觀測期間垂向水溫剖面采用多參數(shù)水質(zhì)儀(YSI，美國)監(jiān)測。流量數(shù)據(jù)包括2019年全年三峽大壩的出庫流量，流量數(shù)據(jù)的時間分辨率為2 h，即每天12個數(shù)據(jù)；同時段的壩前水位數(shù)據(jù)時間分辨率為1 h，即每天24個數(shù)據(jù)。壩前水位及出庫流量數(shù)據(jù)由三峽集團提供。

表1 各監(jiān)測點位的地理位置及河道剖面信息

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

基于高頻連續(xù)的水位、流量時間序列數(shù)據(jù)，本研究采用的主要研究方法包括濾波分析、頻譜分析等。濾波分析主要用于濾除支流庫灣水位變化中的低頻波動過程，從而顯示出水位的日波動或更高頻的波動過程。文中采用Butterworth濾波器對水位進行高通濾波，濾波器的主要參數(shù)包括：濾波器階數(shù)N=20，通過頻率7.7×10-6Hz(約36 h)和6.9×10-5Hz(約4 h)，水位樣本頻率3.33×10-3Hz(5 min)，流速樣本頻率1.67×10-3Hz(10 min)等；使用標準單位為5 min或10 min。頻譜分析主要用于將時域下的信號變換為頻域下的信號，通過對信號進行傅里葉變換找到信號在不同頻率下的信息，對流速數(shù)據(jù)進行頻譜分析，得到流速波動變化的主要周期。

2 三峽支流庫灣的水位特性

2.1 水位和流量調(diào)度過程

三峽水庫全年一般采取枯期高水位發(fā)電、汛期低水位防洪的運營策略。圖2(a)中顯示了2019年大壩出庫流量和茅坪壩前水位變化過程。在1月，水庫水位呈緩慢下降趨勢并于月底降至170 m，隨后至3月中旬庫區(qū)水位較為穩(wěn)定，在170 m上下小幅波動；從3月下旬到6月初逐漸騰出庫容防洪，水位持續(xù)下降至147 m 左右；在整個汛期，水位在150 m上下浮動，中小洪水調(diào)度過程中水位有一定的抬升；從9月開始，水庫逐漸蓄水，到10月底庫區(qū)水位上升至175 m，隨后保持高水位運行。從圖2中還可以看出，除了汛期流量波動較大，1—5月和9—12月枯水期日出庫流量并非恒定值，而是一直處于高頻波動中。

圖2(b)和圖2(c)所示分別為汛前泄水期和汛后蓄水期觀測期內(nèi)(對應(yīng)圖2(a)中灰色時段)的出庫流量和庫灣S3斷面日尺度水位波動過程。2個觀測期內(nèi)，出庫流量變化都是典型的雙峰調(diào)節(jié)，即早上出庫流量增大，午后出庫流量有小幅降低，傍晚出庫流量再次增大，午夜再次降低。相應(yīng)的支流庫灣水位日波動也表現(xiàn)出雙峰波動，尤其是在出庫流量較大的時間段，水位日變幅在泄水期和蓄水期分別達到0.3 m和0.4 m。除了典型的日尺度波動外，支流庫灣水位還表現(xiàn)出更高頻的水位波動，由于日尺度的水位上漲和下落幅度遠大于高頻的水位波動，水位上升過程中高頻的波動信息并不顯著，而在日尺度波峰和波谷的時刻，高頻的水位波動較為明顯。

2.2 庫灣沿程的水位波動

為進一步分析高頻的水位波動過程，對水位數(shù)據(jù)進行高頻濾波分析，結(jié)果如圖3所示。2個觀測期內(nèi)，這種周期性的水位波動都十分顯著。從河口至上游，水位波動的振幅沿程增大，且各測點波動基本同步，都沒有明顯的相位差。在S1觀測點，靠近河口的位置，水位波動振幅很小(<0.05 m)且波動的噪音較大，這可能與該位置受到外界其他干擾有關(guān)(行船擾動、風浪作用等)；而在S3觀測點，水位波動振幅可達到0.1～0.2 m，可見越靠近庫尾的位置，水位波動越強。此外，在5月9—15日，振蕩過程表現(xiàn)出一定的日尺度內(nèi)的衰減，日內(nèi)振幅先增加再減??；而在5月15日之后以及9月觀測期間，所產(chǎn)生的振蕩過程更為持久，能量更強，振幅衰減特征不顯著，這可能與該時段內(nèi)出庫流量日變化相對較大有關(guān)。

圖3 不同測點的水位高頻波動Fig.3 High frequency water level fluctuation at different sites

3 三峽支流庫灣的水流特性

3.1 分層異重流特征

三峽水庫作為長江流域最典型的河道型水庫，其特殊的水動力特性一直備受關(guān)注。前期的研究表明[17]：普遍存在的分層異重流(即支流上游入流水體主要從底層流出庫灣，長江干流水體倒灌潛入支流庫灣)是三峽水庫支流庫灣最特殊、最顯著的水動力過程。圖4(a)、圖4(b)分別顯示了泄水期和蓄水期香溪河庫灣監(jiān)測斷面的水平流速，流速為正表示水流流向庫灣上游。如圖4(a)所示，在泄水觀測期內(nèi)庫灣水位下降約3 m(圖中紅色實線為測點水深)，監(jiān)測斷面流速顯示出顯著的分層異向流特征。距底10 m內(nèi)的水柱流速為負，為上游低溫來流，以順坡異重流的形式流向庫灣下游，最大流速出現(xiàn)在距底2～5 m的位置，流速在0.15 m/s左右。庫灣中上層水體則為下游倒灌潛入的水體，流向相反，最大流速主要集中于距水面10 m 以內(nèi)的位置且表現(xiàn)出一定的上下波動特征。在蓄水觀測期內(nèi)(圖4(b))，庫灣水位上升近8 m，主要集中在前3 d(<1 m)，這段時間干流倒灌水體潛入體量較大，底層上游順坡異重流很弱。后9 d水位上升緩慢，底部順坡異重流僅出現(xiàn)在距底3 m 以內(nèi)且流速較低。除了分層異重流特征，2個觀測期內(nèi)剖面流速都還表現(xiàn)出顯著的高頻波動，如圖中間歇式的紅藍條帶所示。在三峽水庫中這種高頻的水流波動過程長期以來并未被廣泛報道。

圖4 實測水平剖面流速Fig.4 Monitored horizontal profile velocity

3.2 水流振蕩特征

為進一步分析這種顯著的高頻水流波動特性，通過高通濾波分析過濾掉低頻的分層異重流成分，得到振蕩流速的變化過程，舉例分析了24 h內(nèi)振蕩流速和水位波動過程，如圖5所示(圖中顯示4 h高頻濾波分析)。在泄水期，振蕩流速相對較小(< 0.05 m/s)，水位波動振幅也較弱；在蓄水期，振蕩過程更加強烈，振蕩流速達到0.1 m/s，水位的波動幅度可達0.2 m，水位振幅和流速大小具有很高的一致性。其次，通過對比實際流速和振蕩流速的大小，庫灣水流振蕩流速與庫灣的分層異重流處于同一量級，可見振蕩過程對庫灣水流流速的貢獻不能忽略。觀測結(jié)果也表明：泄水- 蓄水調(diào)度過程中，流速的這種間歇式增強和減弱在整個水柱剖面都可見，且具有固定的波動周期。在整個水柱流速保持同步的周期性變化，這一特性表明庫灣振蕩為正壓波[18]。圖5中也顯示了振蕩流速和水位波動兩者之間存在π/2個相位差(T/4，T為庫灣振蕩周期)，即水位的波峰和波谷對應(yīng)于振蕩流速的平衡位置(流速為0的位置)，這一特性表明水流振蕩為水平方向傳輸?shù)鸟v波。

圖5 24 h內(nèi)振蕩流速和水位波動過程Fig.5 Water level fluctuation and velocity

4 三峽支流庫灣振蕩的物理特性

4.1 振蕩模式

圖6 庫灣振蕩示意Fig.6 Schematic diagram of tributary oscillation

根據(jù)香溪河庫灣的水流特性可知，其振蕩的垂向模式為最基本的一層結(jié)構(gòu)，具有正壓波的特征。根據(jù)流速和水位波動的相位差特性則表明振蕩為水平傳輸?shù)鸟v波，并結(jié)合庫灣水位沿程波動的特點(圖3)，可知庫灣振蕩為最基本的水平模態(tài)(n)，即Helmholtz模式(n=0)[19]。如圖6所示，概括反映了支流庫灣振蕩的模式，圖中箱圖為3個測點的實測水位波動振幅。由于長江干流水域體量較大，在庫灣振蕩反射過程中，引起的香溪河河口高頻的水位波動振幅很小，可忽略不計，該區(qū)域為振蕩的波節(jié)(水位固定)；而在庫灣上游盡頭，振蕩引起的水位波動最強，為波腹。該模式唯一的波節(jié)線和波腹點分別處于庫灣入口和庫灣盡頭，且該模式的波長等于庫灣長度的4倍，以這種方式振蕩的水域被稱為1/4波振蕩器[20]。振蕩過程中，波節(jié)線處受振蕩影響最顯著，流向水平且流速最大[19]，庫灣振蕩通過河口周期性的水流交換輸送灣內(nèi)外物質(zhì)，對庫灣物質(zhì)縱向交換將起到重要作用。越靠近上游，在波腹處流速最小且流向垂直[19]，庫灣振蕩引起的垂向混合過程更為強烈。

4.2 振蕩周期

在振蕩系統(tǒng)中，庫灣所具有的本征頻率(固有頻率)以及模態(tài)結(jié)構(gòu)是其基本屬性[19- 21]，主要由水域的幾何形狀和深度決定，并不受外力的影響。三峽水庫支流庫灣在形態(tài)上不同于湖泊水域，相對于支流庫灣，長江干流水域體量極大，其形態(tài)特征與海灣、港灣類似，支流庫灣為典型的半封閉系統(tǒng)。在振蕩模式和周期方面的研究中，針對半封閉的狹長矩形水域，通過三角函數(shù)構(gòu)建了相應(yīng)的波動方程，并推導了在半封閉等深矩形湖庫系統(tǒng)中振蕩周期的參數(shù)方程[22- 23]。根據(jù)香溪河庫灣的實際幾何特征(縱剖面為三角形)修正其振蕩周期公式，并參照Wilson[23]研究結(jié)果，采用修正系數(shù)α=2.618，得到香溪河庫灣振蕩的理論周期計算公式。

(1)

式中：n為水平模態(tài)，取值為0，1，2，…；L為庫灣長度；g為重力加速度；H為河口處水深。

由圖4和圖5可知，泄水期和蓄水期庫灣水流振蕩在垂向結(jié)構(gòu)上并無差異，且各自具有固定的振蕩理論和觀測周期。進一步對2個觀測期內(nèi)不同水深的水平流速進行頻譜分析，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果進一步驗證了在垂向上振蕩過程的一致性，且具有十分相近的振蕩能量。但泄水- 蓄水過程中的振蕩觀測周期存在一定的差別，泄水期的振蕩觀測周期為1.78 h，蓄水期的振蕩觀測周期為1.94 h，兩者相差約10 min。2次觀測期間的河口平均水深分別為75 m和80 m，對應(yīng)的平均庫灣長度分別為33.6 km和36.5 km，通過式(1)計算發(fā)現(xiàn)：泄水期和蓄水期理論振蕩周期分別為1.80 h和1.89 h，與實測值較為吻合；而泄水期和蓄水期振蕩觀測周期的差異(10 min)是由2個觀測期間庫灣的長度和水深差異造成的。類似地，在三峽水庫全年近30 m的水位波動下，由于香溪河庫長(L=28～42 km)和河口水深(H=63～93 m)等參數(shù)的變化較大，庫灣振蕩的理論周期應(yīng)為T=1.6～2.0 h。

圖7 不同距底深度處水平流速的能譜分析Fig.7 Energy spectrum analysis of horizontal velocity at different depth from the bottom

5 支流庫灣振蕩生成機制及影響因素

在自然湖泊中，受到風或其他外界因素的驅(qū)動形成內(nèi)波或湖面波動[24]，而在本系統(tǒng)中，庫灣振蕩的驅(qū)動力來源于水庫的日流量調(diào)節(jié)。其次，香溪河庫灣有別于典型的自然湖泊，可視為半封閉系統(tǒng)(類似于港灣、海港等水體)，干支流的交匯作用、相互影響也增加庫灣水動力過程的復雜性。結(jié)合前期研究結(jié)果，本研究總結(jié)了三峽水庫支流庫灣振蕩的形成過程：在三峽水庫的日調(diào)節(jié)調(diào)度過程中，出庫流量的劇烈增加或降低，都會導致壩前水域水位的降低或升高，這種水位的波動會以重力波的形式向干流上游傳播；在干支流河口，干流的水位擾動驅(qū)使干支流的水體交換，并在支流形成駐波，當驅(qū)動頻率接近支流庫灣的固有頻率時，支流庫灣水位振幅被加強，形成高頻的庫灣振蕩。

對比不同時期庫灣振蕩的特征參數(shù)，雖然振蕩模式一致，但振蕩周期、振幅等物理參數(shù)存在一定的差異。周期雖然是庫灣系統(tǒng)的固有屬性，但由于三峽水庫不同運行期水位差異較大，水位從145 m上升至175 m的過程中庫灣長度和河口水深都增加了近50 %，庫長和水深的變化導致了年內(nèi)振蕩周期在1.6～2.0 h之間變化。而振蕩過程中水位振幅大小很大程度上依賴于外界作用力的能量[19]，在香溪河庫灣，其驅(qū)動能量來源于出庫流量調(diào)節(jié)引起的干流水位波動，因此，支流庫灣水位波動過程可能與出庫流量的變化過程(流量改變大小、變化速率、持續(xù)時間等)密切相關(guān)。其次，若考慮到振蕩過程的自衰減，河口水深和河道寬度變化也會影響振蕩的衰減系數(shù)[23]；不同水位下河道束窄也會影響水位波動和能量的衰減過程[24]。另一方面，考慮到三峽水庫全年具有多種日調(diào)節(jié)模式，如單峰、雙峰等，紀道斌等[16]研究也表明了單峰調(diào)節(jié)、雙峰調(diào)節(jié)引起的重力波存在差異，以及多次日調(diào)度過程下庫灣振蕩如何相互疊加，庫灣振蕩如何和分層異重流相互影響，其相互作用機制有待后續(xù)進一步研究。

前人的研究也報道過類似由水庫日調(diào)度誘發(fā)的高頻水動力過程。謝奇珂等[25]研究發(fā)現(xiàn)水庫日調(diào)節(jié)調(diào)度能誘發(fā)內(nèi)波，造成溫躍層水溫的高頻波動。余真真等[26]通過數(shù)值模擬也發(fā)現(xiàn)了同樣來源于水庫日調(diào)度的“假潮”運動，這種類似于長江河口潮波運動[27]的往復水流，可驅(qū)動三峽水庫香溪河庫灣形成潮成內(nèi)波，但該研究缺乏實測數(shù)據(jù)的驗證。本研究中，通過對泄水和蓄水期間的觀測發(fā)現(xiàn)：支流庫灣振蕩在垂向上始終為正壓波，水平模態(tài)為最基本的模式(Helmholtz模式)。在9月蓄水過程中，庫灣垂向幾乎沒有水溫分層，不具備形成內(nèi)波的條件。在5月，香溪河庫灣已逐漸形成水溫分層，但其振蕩的垂向結(jié)構(gòu)仍為正壓波，在具備密度分層和外界驅(qū)動干擾的必要條件下[24]下，并沒有形成內(nèi)波；主要原因可能在于受分層異重流的影響，溫躍層不夠穩(wěn)定。相比于自然湖泊，在頻繁變化的分層異重流、庫灣振蕩的耦合影響下，庫灣振蕩也可能與溫躍層厚度、深度的變化密切相關(guān)，在后續(xù)的研究中，將進一步論證。

6 結(jié) 論

基于三峽水庫香溪河支流庫灣高頻連續(xù)的水位、流場結(jié)構(gòu)等觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地分析了三峽水庫泄水期(5月)和蓄水期(9月)支流庫灣的水位、水流波動特性，以及庫灣振蕩的物理特征、生成機制及其主要影響因素，得到了如下結(jié)論：

(1) 在三峽水庫香溪河庫灣，分層異重流和庫灣振蕩相互疊加作用是該支流庫灣普遍存在的兩大顯著水動力過程，其中水流振蕩是長期被忽視的另一水動力過程。

(2) 庫灣振蕩在垂向上為正壓波，具有典型的駐波特性，水平上表現(xiàn)為最基本的模態(tài)，即Helmholtz模式(n=0)。庫灣振蕩引起的水位波動在庫尾可達0.2 m，振蕩流速可達0.1 m/s，全年的振蕩理論周期約1.6～2.0 h。

(3) 支流庫灣振蕩形成的外界驅(qū)動力為三峽庫區(qū)的干流重力波，其產(chǎn)生于三峽大壩流量日調(diào)節(jié)過程，大壩流量日調(diào)節(jié)的形式及流量調(diào)節(jié)大小是影響支流庫灣振蕩強度的主要因素。