干—支流相互作用下三峡水库典型支流物质输运及水华生消过程研究

1、干支流相互作用下三峡水库典型支流物质输运及水华生消过程研究三峡水库是连接长江上游及长江中下游的重要枢纽, 战略地位重要、生态作用关键 , 是维系和调控长江流域生态健康的主要环节。由于受到水坝拦蓄调节、高强度流域开发活动以及气候变化等多种因素的叠加影响, 三峡水库是一个新生的巨型“人工湖泊” 生态系统 , 其水生态演化主要过程尚不稳定, 富营养化等生态问题尚未全部显现 , 表现出高度复杂性、不确定性和敏感性。本研究通过野外观测和数值模拟相结合的方法进行三峡水库支流库湾水环境演化研究 , 探索解决两个技术问题 , 一是考虑到大坝调蓄水位波动引起的干- 支流水团交换与海洋潮汐过程的相似性, 针对三峡

2、支流库湾的干 - 支流水体交换以密度流 ( 斜压流 ) 驱动为主的水动力特征 , 应用海洋环境研究与预报模式(MarineEnvironment Research and Forecasting Model,MERF),构建了干 - 支流相互作用水动力学模型 , 并采用经验正交函数来识别支流库湾震荡流场的水库不同调度期物质输运问题 ; 二是聚焦库湾浮游植物的关键营养驱动机制, 结合库区精细观测成果 , 建立三峡水库水质模型 , 以有效反演三峡水库支流库湾藻类生消变化高度随机性和不确定性的动力学特征。 针对传统的局部敏感性分析仅着眼于参数不确定性对点的影响 , 并且忽视了参数间相互作用的问题,

3、采用 Sobol 全局敏感性分析方法 , 解析水质模型不同参数取值变化对模型输出的定量影响, 进行水质模型的参数率定和调整。研究首先基于支流库湾多断面, 多层位的精细观测 , 结合稳定同位素水团物理过程示踪 , 精细测量了三峡水库干支流相互作用下朱衣河库湾水团交换过程和流场流态 , 刻画了支流富营养化发生的水文物理机制, 阐述了三峡水库蓄水后支流库湾水文情势转变情况。其次采用MERF模型研究了朱衣河支流库湾的水动力特征 , 并为水体交换和物质输运研究提供了动力场。结算结果表明 , 支流库湾流场存在明显的震荡特征, 而且时空变化显著 , 针对支流库湾这一特性 , 本文采用经验正交函数的分析方法,

4、 提取了水库不同调度运行期下的支流库湾特征流场, 识别了库湾流场的水库不同调度期物质输运特性;采用数值诊断的方法 , 定量解析了不同动力因素对库湾流场的影响, 斜压 ( 密度流 )对支流流场的平均改变为6.2 cm/s,是支流水动力过程的首要控制因素, 并首次指出了在支流库湾中第二动力特性会交替呈现河流或湖泊的特征。通过模型计算结果与同位素示踪相互比对印证, 查明了斜压过程作用下支流库湾中水体的来源和组成这一关键问题 , 结果表明长江水团在支流库湾占90%以上 , 是支流库湾中水体的主要组成部分。干- 支流相互作用的斜压过程, 使得干 - 支流交汇处水交换量在100500m3/s, 并且表现出

5、蓄水期和枯水运行期的水交换量大于泄水期和汛期这一特征,支流库湾的水体滞留时间为35 天 , 远低于世界上同等深度的湖泊。此外, 密度流的作用下 , 支流库湾的热收支也发生了巨大变化, 干流的平流热通量对库湾热含量的贡献率为87%,成为了库湾热收支的主控因素, 太阳辐射和支流天然入流都成为热收支的次要因素, 这与深大湖泊形成了明显的区别。最后 , 建立了三峡水库水质模型。 采用 Sobol 全局敏感的分析方法 , 分析了不同参数对模型输出的总效应及其随时间的变化过程, 在此基础上与 MERF模型进行单项耦合 , 分析了朱衣河支流库湾的浮游植物、富营养化过程、及磷的输运与循环过程。结果表明 : 支

6、流库湾浮游植物的分布具有的时空变化的特点, 在汛前消落期主要集中在库湾上游且叶绿素a 浓度较高 , 在汛期集中在库湾中、 下游 , 而且叶绿素 a 浓度所有降低 , 在汛后蓄水期又再次在库湾上游聚集。高浓度叶绿素a 的出现总是集中在 03 cm/s 这个特定的流速范围内 , 但是叶绿素 a 出现的区域并不是固定在支流库湾中的某一特定位置, 而是在上游、中游间移动。在水华敏感期内 , 由死亡的藻类产生有机碎屑引起磷的再生产利用率约为34%,成为了维持藻类生长所需营养盐的重要一环。在汛前消落期, 浮游植物生长所需的可溶性磷 (DIP) 主要来源于长江水团表层倒灌, 平均输送通量为332 kg/d,而在汛期和汛后蓄水期 , 浮游植物生长所需的DIP 主要是来源长江水团沿底层进入到库湾上游后再流出 , 此时的平均输送通量分别为169 kg/d和 193 kg/d 。全年支流汇入库湾的DIP 和以浮游植物为代表的有机磷(OP)分别