典型气象过程对香溪河库湾近表层水流水温以及水华的影响

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自2003年三峡水库蓄水后,库区主要支流相继暴发不同程度的水华。众所周知,水华暴发主要受气象条件、水流、水温、营养盐以及光照的影响。为分析典型气象过程对香溪河水温及水华的影响,本文以库首一级支流香溪河库湾为研究对象,于2019年7月至8月开展降雨以及起风过程的跟踪监测。利用惯性耗散法计算香溪河近表层湍流特征;并以此分析气象过程对香溪河近表层湍流的影响;从热通量和水动力变化两个方面分析气象过程对香溪河水温的影响机制;根据一次水华暴发过程的跟踪监测,分析气象过程对水华影响的动力机制。研究得到的主要结果包括:(1)2003-2016年香溪河流域兴山水文站日降雨量在0-160mm之间,年降雨量在700-1400mm之间,降雨量等级多为中、小雨,降雨量年际间动态变化,无明显突变。2003-2016年香溪河日均风速在0-7m/s之间,其中2003-2008年日均风速多集中在0-1m/s之间;2009-2016年日均风速多集中在1-2m/s之间,日均风速整体呈上升趋势,且在三峡水库2009年汛末首次蓄水至正常水位175m后,风速出现明显增强。(2)ADV观测得到的香溪河库湾高频流速数据需经过信号检查、滤波和去处理后,可用于水流特性及湍流特征量计算。8月3日至8月18日香溪河库湾近表层湍动能以及耗散率变化范围分别为4ⅹ10-6-1.3ⅹ10-3m2/s2和1.1ⅹ10-9-4.7ⅹ10-5W/kg。香溪河库湾近表层湍流增强的主要原因之一是水面风生流的驱动,在起风过程中水面风浪强度明显增强,促使近表层水体湍流增强;在降雨过程中风浪减弱,近表层水体湍流强度较起风过程有一定程度的降低。(3)潜热通量和净长波辐射通量是水-气界面热通量中两个主要热损项,长波净辐射通量占主导地位,短波辐射通量为热源项。起风期间短波辐射通量减小和潜热通量增大致使水体放热,水面温度降低,但未驱动大规模的垂向对流,在平流热交换和下层水体热交换共同作用下促使表层以下水温升高,使得水柱水温逐渐趋于均匀分布,根据莫宁-奥布霍夫湍流尺度可知起风期间风致湍流混合为水体主要混合方式;降雨期间短波辐射通量减小是水体放热,水面温度降低驱动垂向对流,平流热交换和下层水体热交换共同作用下,使得水柱水温逐渐趋于均匀分布,根据莫宁-奥布霍夫湍流尺度可知降雨期间风雨至切变湍流混合和对流湍流混合共同作用促使水体混合。(4)水华暴发主要受混合层深度影响,混合层骤降将有利于浮游植物在真光层内快速增殖是水华暴发。在香溪河中,风力大小对水华强度有显著影响,当风速小于7m/s时,风速增大,有利于藻类利用湍流引起的营养盐脉冲,促使水华强度增大,且体积较大的蓝藻、硅藻更容易利用营养盐脉冲;当风速大于7m/s时,藻类迁移和生长受到高强度湍流的影响,从而抑制水华强度增大。
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