基于CE-QUAL-W2模型的三峡水库神农溪库湾水流水温特性分析

龙良红,纪道斌,刘德富,2,严　萌,崔玉洁，宋林旭

(1.三峡大学 水利与环境学院, 湖北 宜昌　443002; 2.湖北工业大学 资源与环境工程学院, 武汉　430068;3.武汉大学 水利水电学院,武汉　430072)



基于CE-QUAL-W2模型的三峡水库神农溪库湾水流水温特性分析

龙良红1,纪道斌1,刘德富1,2,严萌1,崔玉洁3，宋林旭1

(1.三峡大学 水利与环境学院, 湖北 宜昌443002; 2.湖北工业大学 资源与环境工程学院, 武汉430068;3.武汉大学 水利水电学院,武汉430072)

摘要：三峡水库蓄水以来，库区干、支流水文水动力变化显著。通过现场观测和构建三峡水库神农溪支流库湾立面二维水动力模型(CE-QUAL- W2)，对比研究了三峡水库不同时期水流、水温时空分布特征。研究结果表明：神农溪库湾水体整体流速缓慢，不同时期均存在不同强度的异重流现象，包括干流倒灌异重流和上游入流底部顺坡异重流；枯水运行期和汛前消落期干流水体从表层潜入库湾，强度较弱；汛期和汛末蓄水期存在中层倒灌并且强度较大，影响整个库湾；上游入流处由于来流水温一般低于库湾，存在入流底部顺坡异重流现象。库湾水温呈春夏升温、秋冬降温的变化趋势，一年四季均存在水温分层现象；但冬季分层相对较弱，其它季节水温分层明显；水温分层模式因异重流的存在，明显不同于一般水库的水温分层。对比分析表明，CE-QUAL-W2模型可较为准确地反映神农溪库湾水流及水温时空分布特性。研究可为更细化分析三峡水库神农溪库湾水流水温特性、开展水华预报提供技术支撑。

关键词：三峡水库；神农溪库湾；水流水温时空分布；异重流；CE-QUAL-W2模型

三峡水库蓄水以来，在一定程度上改变了长江水流条件和水文情势，进而影响了长江流域的水生态环境[1-3]。近年来三峡库区大多数支流的营养水平已达富营养状态，水流条件改变，使得支流库湾等水域暴发“水华”的风险逐渐加大[4-5]。目前对于三峡支流库湾的水体富营养化[6-8]和水华[9-11]的研究表明，水动力条件的变化是三峡水库支流库湾发生富营养化的主要诱因[12-16]。它作为表征水动力条件最基本、最直观的因子，对于藻类的生长、聚集与分布具有十分明显的影响[17]。三峡水库成库后，在库湾支流形成水体水温分层结构。水温分层影响了藻类的生长、分布。大量研究表明，水温分层会减小水体混合层的深度、加速藻类的生长繁殖、促进水华的爆发[18]。

本文基于2013年三峡水库神农溪库湾全年的野外监测数据，利用CE-QUAL-W2立面二维水流水温模型，对比分析库湾流速、水温的时空分布特征和变化规律，验证CE-QUAL-W2模型对三峡水库支流库湾的适用性，以期为开展“水华”预报提供技术支撑。

1研究区概况

1.1神农溪概况

神农溪湾多，狭长，5A级景区的封闭管理使得研究相对落后。2003年以来神农溪暴发了多次水华[19]，2014年6月历时1个月的蓝藻水华更引起社会的广泛关注，因而研究神农溪支流库湾水流、水温的分布特征和变化规律对于探明水华暴发机理、改善库湾水环境具有重要意义。

神农溪是湖北巴东长江北岸的一级支流，发源于神农架的南坡，自南向北在巫峡口以东2 km处汇入长江，全长60.6 km，流域面积1 031.5 km2[20]。2003年三峡水库开始蓄水以来，随着水库水位的逐渐抬升，神农溪库湾水面逐渐变宽、水流变缓，出现似湖泊水体特征。从河口至回水末端(沿渡河大桥)35 km水流几乎静止，导致营养物质在库湾内滞留，加上底泥中营养盐的缓慢释放，为藻类的生长提供了充足的营养物质，进而引发了“水华”的暴发。神农溪为国家5A级旅游景区，是长江三峡旅游线上的5大景点之一[21]，同时也是“引江补汉”工程的源头，所以有效防控神农溪“水华”的暴发显得尤为重要。

图1　神农溪库湾监测点布设Fig.1　Layout of monitoringpoints in Shennong Bay

图2　神农溪库湾模型计算网格分布示意Fig.2　Calculation model grids for Shennong Bay

1.2采样断面设置和观测频率

根据神农溪的地形

地貌特征、水体富营养化时空特性，从神农溪河口至回水末端沿河道中泓布设6个监测断面，依次记为SN01，SN02，SN03，SN04，SN05，SN06；另在神农溪源头布置监测断面1个，记为SNYT；在长江干流神农溪出口的上、下游各布设1个监测断面，分别记为CJBDS(长江巴东上)、CJBDX(长江巴东下)，共计9个采样断面(如图1)。

监测时段为2013年全年，每月进行1次现场监测及室内分析。水流流速利用挪威产声学多普勒三维点式流速仪6 MHz的“Vector”测量，对每个监测断面在垂向上沿水深依次为0.5，1，2，4，6，8 m至水底，每隔2 m监测1组流速数据，每个水深流速仪停留35 s。水温、水深等参数由HydrolabDS5多参数水质分析仪(美国)实时测定，从表层到水底进行连续均匀的监测，读数每5 s更新一次。

2基于CE-QUAL-W2的水流水温模型

2.1CE-QUAL-W2模型

CE-QUAL-W2模型是由美国陆军工程兵团水道实验站开发的立面二维水动力水质模型，适宜模拟侧向水动力和水质参数变化都非常小的狭长水体[22]，例如河流、水库、河口以及较为复杂的组合系统。三峡水库支流神农溪为狭长型深水库湾[23]，并且水体水温沿纵、垂向差异显著，横向变化则很微弱，具有明显的立面二维特性。

本文主要分析神农溪库湾水流水温特性，所以采用立面二维CE-QUAL-W2模型来模拟神农溪库湾水动力特征。

2.2库湾网格划分

CE-QUAL-W2模型采用有限差分法求解，采用矩形网格对计算区域进行离散，纵向上划分为若干单元段，垂向上划分为若干层，每个单元的宽度采用断面平均宽度。计算网格主要参数：段长DLX、层厚H、单元宽度B、水面坡度SLOPE。在划分的网格中，上、下游边界段和表、底边界层宽度均设为0 m，用来表示各条支流之间的相互连接关系，但这些网格并不参与模型的实际运算。如图2所示，上游入口从距离河口23.14 km处开始，下游至神农溪库湾与长江干流交汇处。根据网格划分原则，将神农溪库湾划分为48个河段、106层。计算网格垂向间距为1 m，各单元长度为503.03 m。考虑到三峡水库最高蓄水位为175 m，因此模型顶部高程设为175 m。2.3边界条件与初始条件确定利用CE-QUAL-W2建立神农溪库湾水流水温模型所需的边界条件主要包括上下游的水流和水温边界条件、水体表面边界以及河床底部边界。

上游水流边界取入流流量边界，流量数据来源于神农溪上游沿渡河报汛流量统计,如图3(a)；上游水温边界取自神农溪源头石板坪水文站实测数据,如图3(b)；下游水流边界取其水位边界，水位数据来源于CJBD监测点处水位统计值,如图3(c)，水温边界为CJBD监测断面沿深度方向的实测水温。

图3　2013年神农溪上游来流量、水温及下游水位变化曲线Fig.3　Variations of upstream incoming flow,watertemperature and downstream water level inShennong Bay, 2013

水流表面边界所需纬度、气温、风速和风向为实测数据，露点温度通过实测气温和湿度折算而来，云量则由实际记录的晴朗程度来计算。河床底部边界取为法向流速为0、绝热的边界。所有边界条件输入的时间间隔为1 d。

2.4参数敏感性分析

本文主要分析了水温和流速对风遮蔽系数(WSC)的敏感性，风遮蔽系数WSC反映气象站风速与计算区域实际风速的差异。进行敏感性分析时，模型其余参数采用推荐值，比较河口断面在WSC取不同值时的水温和流速分布。图4绘出了风速为2 m/s时取风遮蔽系数分别为0.1，0.5，0.9，1.5对应的河口附近断面水温、流速的垂向分布。

图4　不同WSC下河口水温、流速垂向分布Fig.4　Vertical distribution of water temperature andflow velocity in the presence of different WSCs

由图4可见，不同风遮蔽系数对应的水温、流速垂向分布趋势差异较大，说明WSC对水温和流速的垂向分布影响显著，敏感性较高，在模型计算前需要进行率定。

2.5模型率定

模型参数率定是一个反复调试的过程，需要根据实测值和模型模拟值的误差不断调整参数大小，直到模拟误差能够满足预测精度要求为止。本模型要求对风遮蔽系数进行率定，同时以2013年1月、4月、7月、10月现场监测数据为依据，并参考相关文献资料，主要关注模型对流速、水温的模拟效果。流速的验证主要侧重于流场的分层异向流动特征，水温的验证主要侧重于水温的分层结构特征和库湾监测点的垂向水温分布。经过反复调试，模型最后采用的各个参数如表1所示。

表1　模型主要参数

3神农溪库湾流速特征分析

神农溪从北向南流入长江干流，水流方向与库湾支流深泓线方向一致，库湾水体整体流速较小，平均流速只有cm级。三峡水库属多年调节性水库，根据三峡水库调蓄规则，可将三峡水库年度分4个运行期[24]，分别从汛前消落期、汛期、汛末蓄水期、枯水运用期来分析库湾流速特征。流速空间分布图5和图6中红色表示流速为正，水流由干流倒灌进入库湾；蓝色表示流速为负，水流由库湾流入干流。

图5　不同运行期实测流速空间分布特征Fig.5　Spatial distribution characteristics of measuredflow velocity in different running periods

图6　不同运行期模拟流速空间分布特征Fig.6　Spatial distribution characteristics of simulatedflow velocity in different running periods

3.1实测流速特征

2013年1月28日库湾水体流速较小，流动方向基本一致，仅有局部区域表层水体向库湾上游流动且倒灌强度较弱。4月14日在河口水深4～20 m处水流流速为正的楔形区域代表干流水体倒灌潜入库湾，潜入距离大约距河口10 km处，倒灌水体最大流速发生在SN01(水深7 m处)，其值为0.250 m/s；上游来水由库湾底部流向河口，最大流速发生在SN01(水深36 m处)，其值为0.140 m/s。7月20日干流水体从河口由中层水体倒灌入神农溪库湾，潜入距离为20 km左右，影响范围为整个库湾。河口附近水深27 m左右达到最大倒灌流速0.283 m/s，潜入水体逐渐向表层延伸，流速逐渐降低。上游水体分别从表层、底层流向河口，最大流速发生在河口附近表层2 m处，流速达到0.242 m/s，倒灌异重流现象明显。10月20日倒灌水体在河口水深为30～70 m处形成楔形区域向库湾延伸，影响范围为整个库湾，在SN04表层附近达到最大流速0.128 m/s。上游水体从库湾底部流向河口，最大流速发生在SN04底部，其值为0.122 m/s，倒灌强度较大。监测表明神农溪库湾在三峡水库不同运行期均存在一定的分层异向流。枯水运用期干流水体倒灌潜入库湾较弱，汛前消落期、汛期、枯水运用期水体倒灌现象逐渐加强。

3.2模型流速验证

采用率定好的模型对三峡水库不同水位运行期下神农溪水流水温进行模拟，模拟结果如图6所示。

由图6可以看出， 2013年1月28日模型计算结果表现出表层倒灌异重流，库湾表层水体倒灌潜入库湾，但强度较低，与实测枯水运用期水流特征基本吻合。4月14日计算结果和实测结果都显示干流水体由表层倒灌进入库湾，库湾水体由中、底层流出，干流潜入深度为表层至20 m水深处，潜入距离约为河口以上20 km处，与实测结果基本一致。7月20日计算结果显示：干流水体以中层倒灌形式进入库湾，与实测结果吻合，计算潜入深度介于10～40 m，而实测为10～50 m之间，潜入距离计算值为19 km，与实测值几乎吻合。10月20日的流速模拟结果表明：库湾水体从中层水深30～60 m成楔形潜入库湾，影响整个库湾水体。上游来流分别从表层、底层注入长江干流，模拟流场与实测流场的分层异重流特征一致。可见已建的神农溪CE-QUAL-W2模型能够准确地模拟出神农溪库湾普遍存在的倒灌异重流现象，对2013年异重流潜入形式模拟准确。

图7　不同运行期神农溪库湾水温纵向变化Fig.7　Longitudinal changes of water temperature inShennong Bay in different running periods

4神农溪水温特征分析

4.1实测水温特征

水温的空间分布分4个时期分析，如图7所示。

枯水运用期1月28日神农溪库湾最低水温为12.6 ℃，最高水温也仅有13.7 ℃，最大温差只有1.1 ℃，整个库湾水体处于近似等温状态；上游底部局部地方受上游低温入流水体影响，水温略低，入河口受长江干流回水影响水温略低，但整体水温分布相对均匀，变化幅度较低。

汛前消落期4月14日神农溪库湾最高水温为SN05表层20.5 ℃，最低水温为SN01底层13.5 ℃，最大水温温差7.0 ℃。变温区主要集中在近表层水体，表层10 m内水温差达到5 ℃。库湾中、底层水温垂向差异不明显。汛期7月20日神农溪表层水温高于中层及底层，在SN04表层达到最高水温29.5 ℃，SN05底层5 m处水温最低19.5 ℃，整个库湾最大水温差达9.9 ℃。中层水体等温线稀疏，表明中层水温变化不明显；库湾上游有低温水体从底部潜入库湾，潜入库湾时水温仅19.6 ℃，随着潜入距离的增加，水温略有升高，在入河口底部达到24.6 ℃。汛末蓄水期10月20日神农溪库湾在SN05达到最高水温23.6 ℃，在SN02底层达到最低水温22.0 ℃，库湾最大水温温差仅1.6 ℃。表层水体水温恒定且沿纵向分布变化较小，水深40 m以内几乎处于等温状态，水温略高于底层；有明显的上游低温水体从底层潜入库湾、干流水体从中上层倒灌入库湾的现象。神农溪库湾2013年全年监测结果表明一年四季均存在水温分层现象，但在枯水运用期和汛末蓄水期水温分层较弱；在汛前消落期和汛期由于气温升温快、表层水温高，加上上游入流水温较低，库湾水温分层明显，存在明显的温跃层，最大温差达10 ℃左右。同时分析表明，库湾水温分层模式不同于一般水库水温分层，如汛末蓄水期变温层主要集中在底部等。

4.2模型水温验证

对水温的模拟结果分别从水温分层特性和监测点垂向水温分布特征来验证。由图8可以看出，2013年10月20日模拟结果和实测结果都显示出神农溪库湾普遍存在的水温分层现象。模拟结果显示库湾水温在22.0～23.5 ℃之间，与实测值22.3～23.5 ℃基本一致，各等温层与实测结果大致相同。入流低温水体从底层进入库湾流向干流，表层水体水温基本一致，主要受干流倒灌水体的影响。模拟水温在底层比实测值略高，边界水温的模拟误差相对较大，主要原因可能在于模型边界CJBD的水温边界数据实际监测时间步长偏大、中间靠插值造成，也可能是底部水温边界条件与实际有偏差所致。如何选取底部水温边界或底部边界条件如何获得值得进一步研究。

图8　模拟水温与实测水温分层对照Fig.8　Comparison between simulated andmeasured water temperature stratification

图9　水温垂向分布验证Fig.9　Verification of vertical distribution ofwater temperature

图9为7月20日模型下游边界附近断面(SN01)和上游边界附近断面(SN06)水温垂向分布验证图，可见，模型模拟值与实测值基本吻合，水温沿垂向的变化趋势基本一致，SN01的模拟值更符合实际值，绝对误差在0.5 ℃以内，而SN06由于水深较浅，水温变幅较大，模型的模拟值基本偏低，绝对误差达到2 ℃，但水温的变化趋势基本一致。整体而言，模型能够较好的反映神农溪水温的分层特性和垂向的变化趋势，模拟精度能够达到预期要求。

5讨论

神农溪库湾水流水温特性与库湾分层异向流的特性密切相关，而分层异向流现象很难由简单的重力作用下的水体流动现象来解释。异重流特性与水体密度紧密相连，水体密度由水温对应水体密度加上水体中的含沙量而得。由于实测三峡水库水体含沙量较小，故本文只考虑了水温对水体密度的影响。水温对应的水体密度依据《1990年国际温标纯水密度表》提供的数据，拟合出计算公式为

(1)

表2为长江干流和神农溪河口SN01处的水温指标。

表2　长江干流和神农溪河口处表、底层水温

由表2可见干流表层、底层水温变化梯度较小、垂向水温基本一致；而SN01处表层水温略高于底部。干支流水温比较，SN01处表层水温略高于干流表层水温，底部水温略低于干流底部。

图10为2013年干流与神农溪河口附近SN01断面表层水温密度差及干流水体最大密度与神农溪河口SN01底层水体密度差的年度变化过程。

图10　长江干流与神农溪河口附近(SN01)断面表层、底层水体密度差Fig.10　Surface and bottom water density differencein mainstream Yangtze River and Shennong riverestuary (section SN01)

由图10可见，由于监测点位距离较近，整体而言密度差异较小，但仍明显的表现出：干流表层水体密度略大于库湾SN01表层水体密度，在汛期尤为显著；干流最大水体密度均略低于库湾SN01底层水体密度。从密度差曲线的走势来看，1—2月密度差异较小，水体倒灌特征不明显；3—6月及10—12月密度差异逐渐增大，干流水体密度大于库湾SN01表层水体密度并小于底层水体密度，干流水体表现出以中层倒灌异重流形式进入库湾；汛期6—8月表层密度差异增大，干流水体密度与SN01底层水体密度相近，加上汛期干流水体含沙量较大，进一步增大干流水体的密度，因此汛期干流水体应以底部倒灌异重流的形式倒灌潜入库湾，潜入深度与实测结果略有偏差。从水体密度的角度分析，在三峡水库的不同运行期，神农溪确实存在不同强度、不同形式的倒灌异重流现象。正因为异重流的存在，使其库湾的水流、水温特性明显区别于一般水库，有其特殊的时空分布规律。

6结语

本文以神农溪野外2013年长期监测数据为依据，着重分析了神农溪库湾水流水温在时间、空间上的分布规律，总结出在三峡水库蓄水后神农溪表现出的水流水温特性，得出以下结论：

(1) 库湾水体整体呈分层异重流形态，流速较小，平均流速只有cm级。流速的垂向分布趋势和流速大小在不同季节时段存在差异。枯水运用期倒灌异重流较弱，汛前消落期、汛期、汛末蓄水期倒灌异重流强度逐渐加大，影响范围逐渐扩大。同时由于上游来流水温较低，存在上游入流顺坡底部异重流现象。

(2) 库湾表层、底层水温都呈现春夏升温、秋冬降温的趋势，表层水温年内变幅20.5 ℃，底层水温年内变幅12.1 ℃。库湾一年四季均表现出水温分层现象，枯水运用期整个库湾水温变幅相对较小，水温整体分布相对均匀，水温分层较弱；其它季节均存在明显的水温分层，其中汛期最大表层、底层水温差达到9.9 ℃。由于上游低温来流顺坡底部异重流及不同形态干流倒灌异重流的存在，库湾水温分层模式明显不同于一般的水库水温分层模式。

(3) 对比分析表明，本文所建立的CE-QUAL-W2模型具有一定的适用性，能够用于模拟神农溪水流、水温特殊特性，对于神农溪后续水动力特性的细化研究具有重要的意义。

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(编辑：王慰)

Characteristics of Flow Velocity and Water Temperature inShennong Bay Using CE-QUAL-W2 Model

LONG Liang-hong1, JI Dao-bin1, LIU De-fu1,2, YAN Meng1, CUI Yu-jie3, SONG Lin-xu1

(1.College of Hydraulic & Environmental Engineering,China Three Gorges University,Yichang443002, China; 2.School of Resources and Environmental Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan430068, China; 3.School of Water Resources and Hydropower Engineering, Wuhan University, Wuhan430072, China)

Abstract:The hydrodynamic characteristics have changed greatly in the mainstream and its tributaries since the impoundment of Three Gorges Reservoir (TGR).Through field observation and a two-dimensional, laterally averaged, hydrodynamic model simulation by CE-QUAL-W2, we compared and analyzed the spatial and temporal distributions of the water temperature and the hydrodynamics of Shennong River bay in the TGR in different running periods. The comparative analysis results reveal that water flow has become quite slow in Shennong Bay, and density currents of different strengths exist in different running periods, including reverse density currents from mainstream to bay and the accordant bottom density current from the Shennong River to bay. In dry season and the drawdown period before flood season, the water of the mainstream of TGR flows into the Shennong Bay in surface density current with low strength; while in wet season and impoundment period in the end of flood season, mid-layer density current of high strength affects the whole bay. Downward bottom density current exists at the upstream inflow because the temperature of incoming flow is usually lower than that in the bay. Furthermore, the water temperature in the bay increases in spring and summer and decreases in autumn and winter. The stratification of water temperature is obvious in the bay in all seasons, but was weak in winter and strong in other seasons. The model of stratification is quite different from that of general reservoirs due to density currents. The simulation results indicate that CE-QUAL-W2 model performs well in simulating the density current and water temperature stratification characteristics. This research offers technical support for detailed analysis on the hydrodynamics in Shennong River of TGR.

Key words:Three Gorges Reservoir; Shennong Bay; Spatio-temporal distribution of flow and water temperature; density current; CE-QUAL-W2 model

中图分类号：X832

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0028-08

doi:10.11988/ckyyb.201409272016,33(05):28-35

作者简介：龙良红(1991-)，男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事生态水利学研究，(电话)15872577710(电子信箱)longlianghong1@163.com。通讯作者：宋林旭(1980-)，女，湖北咸宁人，讲师，主要从事生态水利、环境工程研究工作，(电话)13972607937(电子信箱)lxsong1980@163.com。

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(51209123，51209190)；国家科技合作与交流专项(2014DFE70070)

收稿日期：2014-11-03；修回日期：2014-12-29