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分层异重流背景下三峡水库典型支流水华生消机理及其调控

杨正健  
【摘要】:三峡水库支流库湾水华暴发频次高,涉及范围广,严重影响了库区人民正常生活生产活动,已成为三峡水库当前最严重的水环境问题。如何有效防控支流水华、改善水库水质是三峡水库当前正常运行迫切需要解决的重要问题,直接关系到三峡库区生态文明建设和民生改善。然而,三峡水库因其自身的特殊性,支流水华生消机理至今尚未完全弄清。本文通过整理2008-2012年三峡水库干支流水文水质跟踪监测数据,从近年来发现的支流库湾分层异重流出发,系统分析了分层异重流的分布特征、形成机制及演变过程;研究了分层异重流对三峡水库支流库湾水体层化结构、营养盐补给过程的影响;利用多元示踪技术分析了香溪河库湾营养盐的主要界面交换过程和真光层内营养盐的主要补给模式;拓展了经典临界层理论并验证其在三峡水库的适应性,由此凝练了分层异重流背景下香溪河库湾水华生消机理;最后根据研究结果提出了防控三峡水库支流水华的“潮汐式”生态调度方法,分析了“潮汐式”生态调度在三峡水库应用的可行性。研究得到的主要结论包括: (1)在三峡水库干流,水体泥沙浓度逐年下降,近坝区域已低于0.5g/L;水体滞留时间在夏季低于20d,冬季超过80d;干流水体整体呈自水库上游流向下游的一维特性。在香溪河库湾,夏季水体滞留时间长期超过200d,冬季接近900d;库湾水流呈现复杂的分层异向流态,包括河口底部倒灌楔、底部倒灌异重流、中层倒灌异重流、表层倒灌异重流和上游来流底层顺坡异重流等5种异重流。三峡水库干、支流及上游来流水温差的变化导致了香溪河库湾水流流态的不断转化,是分层异重流形成的根本原因。 (2)在三峡水库干流,最低水温出现在每年2月,但不低于9℃;最高水温出现在每年8月,在27℃左右;表底温差不超过3℃;水体整体为河流型,部分时期为过渡型,适合于经典水温分层理论。在香溪河库湾,水温分层在每年3月开始发育,夏季分层最显著,水库蓄水后表层分层开始消失,冬季处于混合状态;库湾春夏为湖泊型水体,但秋冬为过渡型水体;香溪河水温分层呈现下游“双‘混-斜’”型和上游“半U”型水温分层结构,且水体越深、分层越弱,水体越浅、分层越强;这种特殊水温分层主要是因气温和分层异重流相互作用形成,并伴随分层异重流的转化而改变,不符合经典水温分层理论。 (3)建立的香溪河库湾立面二维水流水温模型能够很好地模拟库湾分层异重流以及特殊水温分层的时空差异及垂向分布特征。设置的五种水温边界工况包含了香溪河库湾典型的五种水流流态时的边界条件,模拟的无显著倒灌、底部倒灌楔、底层倒灌异重流、中层倒灌异重流和表层倒灌异重流的水流场和温度场与实测规律一致。凝练了香溪河库湾不同情形下的五类水流循环模式,这五种循环模式对分析香溪河库湾水华生消机理及其防控措施具有重要的生态环境意义。 (4)香溪河库湾上游来流磷营养盐相对较高,氮、硅营养盐相对较低;长江干流总磷浓度相对略低,氮和硅营养盐相对较高。Na+和Cl-具有较好的相关性(R2=0.926),是进行干支流水团混合示踪的理想离子,其与氢氧同位素在长江干流、香溪河库湾和香溪河上游来流三者间的差异显著。常量离子示踪和同位素示踪计算结果均表明长江干流对香溪河库湾氮营养盐的贡献总体超过上游来流的贡献。干支流交换界面和上游来流入库界面是香溪河库湾营养盐来源的主要界面;真光层营养盐补给模式主要包括水平输移、中层补给、掺混补给、藻类分解和点面源输入等五种类型,除每年3月香溪河库湾真光层内营养盐多受上游来流影响外,其它时期均由长江倒灌异重流进行补给。 (5)2010-2011年香溪河库湾均暴发了一定程度的水华,主要包括春季水华和夏季水华,夏季水华更为严重。临界层理论表明:当混合层深度小于光补偿深度时,浮游植物迅速增殖,水华风险最大;当混合层深度大于临界层深度时,浮游植物生长受到限制,水华消失;当混合层深度处于二者之间时,浮游植物缓慢生长,水华逐渐发育。香溪河冬季围隔实验验证了上述结论的正确性,且临界层理论能够很好解释2010-2011年香溪河库湾水华生消过程。在一般环境中临界层与真光层数值相似,可以用真光层底部来代表临界层深度值。香溪河库湾底层倒灌异重流和中层倒灌异重流导致的水温特殊分层是导致水华暴发的主要诱因,水温分层所衍生的光热特征是导致香溪河库湾浮游植物群落演替的主要原因。 (6)三峡水库典型水位波动过程能够促使香溪河库湾水流由中层倒灌转变为表层倒灌,打破波动前的表层水温分层现象,使得库湾营养盐空间上分布均匀;能够增大库湾水体混合层深度,进而导致藻类叶绿素a浓度降低。基于临界层理论和中度扰动理论提出的防控支流水华的三峡水库“潮汐式”生态调度概念包括“春季潮汐式”调度方法、“夏季潮汐式”调度方法和“秋季提前分期蓄水”调度方法。与三峡水库设计水位调度过程线相比,“潮汐式”生态调度能够增大三峡水库的发电效益,其对三峡水库年度水华频率、夏季水华和秋季水华均具有很好的防控作用。三峡水库“潮汐式”生态调度在理论上能够应用于三峡水库并有效防控支流水华。


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