三峡水库香溪河库湾分层异重流特性及其影响因素模拟分析

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支流水体富营养化及藻类水华是研究三峡水库生态环境问题的重要内容,在污染物来源控制短期内难以达到预期目标的情况下,通过三峡水库的生态调度来控制支流水华的发生可能是较为有效途径,而弄清支流水体运动规律则是实现生态调度的关键。本文对三峡水库香溪河库湾水动力与水温特性进行了立面二维数值模拟和原型观测分析,进而分析了特殊水动力背景下香溪河库湾营养盐变化特点及水华情势。论文的主要工作及研究结论如下:  (1)分析了香溪河库湾水动力特征及其形成原因。研究表明,香溪河库湾存在分层异向流动现象,干流水体主要以中层异重流形式倒灌入库湾,上游来流以底部顺坡异重流形式流出库湾,水库干流及上游来水与库湾水体的温差是导致分层异重流发生的主要因素。  (2)分析了2009年泄水期香溪河库湾营养盐动态及水华情势。研究表明,水库干流对库湾营养盐的补给及水华暴发范围有明显逆向作用,氮和硅受干流影响明显,自河口至回水末端呈递减趋势,磷主要受上游来水影响,空间分布趋势与氮、硅相反;库湾水体 Chl-a浓度分布及水华暴发的范围受干流水体倒灌潜入深度及距离的影响,当从底部倒灌入库湾时库湾水体 Chl-a浓度分布相对均匀,当从上层倒灌入库湾时库湾水体 Chl-a浓度分布差异性增大,峰值逐渐向上游移动,潜入的距离越长,水华暴发范围越小。  (3)分析了香溪河库湾水温动态及分层特性。结果表明,香溪河库湾河口附近水温分层较弱,回水末端分层较强;水温分层表现为三种典型状态:一是,上层水体温度梯度较小且温度较高,下层水体温度梯度也较小而温度较低,中间为温跃层;二是,上层和下层温度梯度较大,中层温度梯度明显变小且厚度较大;三是,中上层水温均匀分布,在底层出现温分层。  (4)基于 CE-QUAL-W2建立了香溪河库湾立面二维水流水温模型,模拟分析了库湾水动力与水温特征。结果表明,计算结果能基本反映分层异重流的主要水力学要素及运动过程中的立面环流;水温计算值与实测值吻合较好,代表点的最大误差在1.72℃左右,平均误差在1℃以内,垂向分布形态与实测数据一致。  (5)应用所建模型模拟分析了上游来流量与来流水温对上游顺坡异重流的影响及干支流温差、初始水位与水位日变幅对干流倒灌异重流的影响。结果表明:①上游入流水温越低,异重流厚度越小,潜入点流速和运行距离越大;入流流量越大,异重流厚度、潜入点流速及运行距离越大;潜入点流速直接影响异重流到达河口的时间,潜入点流速越大,到达河口的时间越短。另外,上游来流水温越低,潜入点距离入口越近,越容易形成异重流,上游来流量越大,潜入点距离入口越远,越不容易形成异重流。②干支流温差对干流倒灌异重流存在影响。底层和表层倒灌时,干支流温差越大,异重流头部速度和运行距离越大,而异重流厚度越小;中层倒灌时,随着干支流表层温差不断越大,异重流厚度先变小后变大,运行距离先变大后变小,当温差等于库湾上下层温差的一半时,异重流厚度最小,运行距离最大。③初始水位和水位日变幅对中层异重流存在影响。水位越高,异重流厚度、运行距离和潜入点流速均较大;水位上升时,异重流厚度、潜入点流速和运行距离均变大,上升幅度越大,变化越明显;水位下降时,异重流厚度、潜入点流速和运行距离均变小,下降幅度越大,变化越明显。④发生中层倒灌异重流时,表层流速的变化受干支流表层温差和水位波动的影响。干支流表层温差越大,表层流速越大,温差越小则表层流速越小;水位上升时,表层流速有减小趋势,日升幅越大,作用越明显,水位下降时,表层流速有增大趋势,日降幅越大,作用越明显。
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