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三峡水库是国家战略水源水库，担负着“一江清水东流，一库净水北送”的使命，水库水质水华受到高度关注。水动力过程是驱动三峡水库干支流水环境演变、支流水华生消*基础*根本的动力机制，迫切需要系统揭示。《三峡水库支流水动力过程及对水华的影响》通过长期现场监测、数值模拟，解析多源驱动下的支流库湾分层异重流模式演变规律及其影响机理，库湾水体振荡特性及其驱动机制，库湾水体分层混合过程及其演变规律，以及复杂水动力过程对水华的影响规律和支流水华研究新趋势新技术，以全面阐释巨型河道型水库支流复杂水动力特性及其对水华的影响，为通过生态调度利用和营造有利动力过程防控支流水华提供精准的调度时机和调度方法。
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目录第1章 结论 11.1 三峡水库概况 21.2 三峡水库支流概况 31.2.1 支流现状 31.2.2 重点研究区域 41.3 三峡水库支流水动力研究进展 51.3.1 分层异重流 51.3.2 水流振荡 71.3.3 近表层水体混合 91.4 三峡水库支流水华研究进展 101.5 本章小结 12第2章 三峡水库支流库湾分层异重流演变规律 132.1 CE-QUAL-W2模型基本原理 142.1.1 CE-QUAL-W2模型介绍 142.1.2 模型控制方程 152.2 分层异重流模拟模型构建 172.2.1 香溪河库湾网格精细划分 172.2.2 初始条件和边界条件 182.2.3 水动力模型率定及验证 192.3 三峡水库支流主要分层异重流模式 252.4 不同时间尺度支流分层异重流模式统计分析 292.4.1 干流水温变化特征分析 292.4.2 倒灌异重流多年演变趋势 312.4.3 倒灌异重流季节性演变趋势 352.4.4 倒灌异重流日内演变趋势 382.5 三峡水库支流分层异重流模式频繁演变的驱动机制 392.6 本章小结 40三峡水库支流水动力过程及对水华的影响第3章 三峡水库支流库湾水流振荡特性及机理 433.1 日调节驱动的水位波动过程 443.1.1 三峡水库日调节特征 443.1.2 日调节驱动的干流水重力波 463.1.3 支流库湾水位变化 533.2 典型支流水流振荡数值模型构建 563.2.1 水动力模型简介 563.2.2 模型构建准备 573.2.3 参数率定 593.2.4 模型验证 603.3 支流库湾水流振荡物理特性分析 663.3.1 水位高频波动 663.3.2 振荡流速 693.3.3 振荡模式 713.3.4 振荡周期 743.4 水流振荡形成机制及影响因素分析 773.4.1 水流振荡形成过程 773.4.2 不同日调节方式对振荡的影响 793.4.3 不同日调节强度对振荡的影响 833.4.4 振荡的衰减过程 873.5 本章小结 90第4章 三峡水库支流库湾水体垂向对流混合过程 934.1 香溪河库湾风速和降雨特征统计分析 944.1.1 香溪河多年降水量变化 944.1.2 香溪河多年降水量变化趋势分析 954.1.3 香溪河近岸风速统计分析 974.2 香溪河库湾近表层水体水动力特性 994.2.1 气象特征 994.2.2 水动力特征 994.2.3 湍流特征 1004.2.4 气象过程对近表层水动力的影响 1014.3 分层异重流对水体垂向混合的影响 1044.3.1 垂向混合的空间分布特征 1044.3.2 典型断面的垂向混合特征 1064.4 水流振荡对水体垂向混合的影响 1134.4.1 水—气界面热量交换特征 1134.4.2 近表层水体湍流混合特征 1194.4.3 垂向湍流混合发育特征 1254.4.4 底边界层湍流混合机制 1284.5 本章小结 132第5章 三峡水库支流水温分层对水动力过程的响应 1355.1 热分层特性及其演变特征 1365.1.1 水文气象特征 1365.1.2 热分层特征 1375.1.3 水—气热收支特性 1385.2 不同分层异重流及演变对水温的影响 1425.2.1 分层异重流界面剪切作用对水温的影响 1425.2.2 倒灌异重流日演变过程对库湾水温的影响 1435.2.3 倒灌异重流演变对垂向水温结构的影响 1445.3 库湾水流振荡对垂向水温结构的影响 1455.3.1 水温结构年内年际循环特征 1465.3.2 不同水深的水温波动特征 1575.3.3 不同水流振荡强度对水温分层的影响 1625.4 典型气象过程对水温及水体混合的影响 1665.4.1 气象条件变化 1665.4.2 水—气界面热量通量变化 1675.4.3 特征流速变化 1705.4.4 水温结构及混合层变化 1725.4.5 水—气界面热交换对香溪河水温的影响 1735.4.6 典型气象条件下水动力过程对水温结构的影响 1745.5 本章小结 175第6章 三峡水库支流库湾水华对水动力过程的响应 1776.1 典型气象过程对香溪河水华的影响 1786.1.1 气象条件变化 1786.1.2 叶绿素a浓度及浮游植物变化 1786.1.3 混合层变化对水华的影响 1796.1.4 风力作用对藻类生长的影响 1806.2 宏观水动力过程对水华的影响 1826.2.1 分层异重流演变对水华的影响 1826.2.2 水流振荡影响下的水华生消新机 1846.3 微观水动力过程对水华的影响 1856.3.1 实验设计 1856.3.2 不同扰动频率下微囊藻群体的生长过程 1876.3.3 不同扰动频率与微囊藻群体尺寸的关系 1906.3.4 水动力结构与微囊藻群体的关系 1916.4 变化条件下三峡水库支流水华新趋势 1946.5 三峡水库水华研究新方法、新技术 1956.5.1 基于PIV技术的藻类生态动力学 1956.5.2 狭长水体水华遥感反演技术 1986.5.3 深水水质剖面自动监测技术 1996.6 本章小结 201参考文献 203
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第一章绪论 1.1三峡水库概况 三峡水库位于湖北省宜昌市三斗坪，距离下游的葛洲坝水利枢纽约38km，其地理位置如图1.1所示。控制流域面积达100万km2，占长江流域总面积的56%。多年平均径流量为4510亿m3。水库正常蓄水位为175m，总库容393亿m3，其中防洪库容221.5亿m3。三峡大坝为混凝土重力坝，轴线全长2335m，坝顶高程185m，最大坝高181m。三峡水库经历了多次蓄水过程：2003年6月，库水位*次升至135m；2006年9月，库水位进一步上升至156m；2008年10月，库水位达到172.8m；自2010年10月26日起，库水位被试验性提升至175m，达到设计最大蓄水位。三峡库区地处中国第二阶梯东部边缘，地形复杂，呈西高东低分布，总面积5.76万km2，其中，林地和耕地面积分别占48.61%和36.81%，森林覆盖率超过50%。库区气候温暖湿润，年均气温14.9～18.5℃，无霜期300～340天，年均降水量1000～1300mm。截至2022年底，库区19个区县（不含重庆市主城区）总人口为1531.64万人，城镇化率为64.9%。 图1.1三峡水库地理位置 三峡水库是长江流域治理与开发的核心骨干工程，自投运以来，在防洪、发电和水资源调度利用等方面取得了显著成效。三峡水库作为长江流域的重要防洪设施，能够直接调控荆江河段95%的洪水来量，将荆江河段防洪标准从“十年一遇”提升至“百年一遇”。即使遭遇“千年一遇”的特大洪水，通过联合调度三峡水库、荆江分洪区及其他分蓄洪区，也可有效减少洞庭湖和江汉平原的灾害性损失。此外，三峡水库作为国家淡水战略储备的重要保障，为长江流域及全国9.4亿人提供高质量淡水资源，并支持跨区域水资源调度。当水库蓄水至175m时，库区总面积达1084km2，兴利调节库容为165亿m3。近年来，三峡水库干流水质保持总体稳定并呈现改善趋势。2010～2022年，入库断面（重庆市朱沱站）水质逐步接近《地表水环境质量标准》II类标准，出库断面（湖北省宜昌市南津关）水质则逐步向I类标准靠近。干流水体流速较快，垂向混合显著，仅在春、秋季局部江段出现弱水温分层现象。汛期因含沙量和浊度较高，真光层通常不足1m。尽管干流具备适宜藻类生长的营养条件，但因水动力条件限制，水华暴发的可能性极低。 目前，三峡水库所处的自然、生态、环境与社会交织的复杂系统正加速变化。气候变化、水沙格局、地质条件及联合调度的不确定性持续增强，带来一系列新问题和挑战，尤其是水资源保护与水环境管理方面压力显著。库区水资源承载能力有限，现有经济发展模式对优质水资源与健康水生态的压力尚未得到根本缓解。在全球气候变暖背景下，极端高温与强降水事件频发，直接威胁流域防洪和供水安全。例如，上游汛末多年平均来水量呈减少趋势，尤其在特枯水年，梯级水库争先蓄水加剧了三峡水库汛末蓄满的难度。此外，库区入库污染物持续增加，虽然城镇污水处理实现全覆盖，但脱氮除磷效果不理想，小江、香溪河等支流回水区的富营养化和水华问题尚未完全解决。三峡工程运行至今，许多问题仍需进一步深入研究，并在发展中逐步应对和解决。当前，库区正处于从量变到质变的关键阶段，面临诸多复杂挑战。唯有持续关注并采取科学合理的措施，才能确保三峡工程长期安全稳定运行。 1.2三峡水库支流概况 1.2.1支流现状 三峡库区内水系发达，江河纵横，除长江干流外，仅流域面积超过100km2的一级支流就有26条，包括香溪河、大宁河、梅溪河、汤溪河、磨刀溪、小江、龙河、龙溪河、御临河等，是三峡水库水系的重要组成部分。三峡水库支流流域面积差异显著，从数十至数千平方千米不等。三峡水库的支流通常与山区和丘陵地区相连，地势变化较大，河床狭窄且弯*。因此，支流的水文特性与水库干流存在显著差异。根据流域大小和地形特征，三峡水库的支流可大致分为两类：一类是主要支流，具有较大的流域面积和丰富的水资源；另一类是次级支流，流域面积较小，水量相对较少，但仍然对水库水质和生态环境产生一定影响。三峡水库支流普遍受亚热带湿润气候影响，降水量较为丰富，年均降水量通常超过1200mm。降水量集中在春夏季，尤其在汛期，降水量占全年降水量的绝大部分。而秋冬季降水量减少，导致流量显著下降。在流域内，土地利用类型较为多样，包括农业、林业和少量的城市建设。部分支流流域仍保留了原始森林生态系统，但随着水库蓄水后水位的上涨及流域内人口的增加，人类活动对水质和生态环境的影响逐渐显现。 水体富营养化问题一直是三峡水库支流面临的重要生态环境挑战。根据《长江三峡工程生态与环境监测公报》（2015）的数据，库区38条主要支流及水文条件相似的坝前库湾水域中，共布设77个营养状态监测断面，其中处于富营养化状态的断面占比为20.8%～37.7%，并且呈现上升趋势[1]。重点支流在夏季通常处于轻度富营养化状态，而在其他月份多处于中度富营养化状态。尽管如此，支流的氮、磷营养盐浓度已足以满足水华发生的条件[2]。早期普遍认为，支流水体富营养化主要是支流沿岸城市点源污染和农业面源污染所致，并且在干流回水顶托作用下，污染物不断富集，形成富营养化[3，4]。然而，后续研究表明，支流的营养盐主要来源于长江干流的倒灌，而非支流库湾的内部污染[5，6]。长江干流的贡献率高达84%～95%，其水体营养盐浓度对支流水质产生主导作用[7]。具体而言，汛期时，干流倒灌的强度较小，但水体营养盐浓度较高，从而增加了支流的营养盐浓度；而在蓄水期，干流倒灌的强度较大，但水体营养盐浓度较低，这会导致支流的营养盐浓度得到稀释[8]。同时，流域内的面源污染，尤其在降水期间，进一步加剧了支流水质的污染。因此，支流水环境保护已经成为当前和未来一段时间内三峡工程生态环境保护中的紧迫任务。 1.2.2重点研究区域 香溪河流域位于湖北省西部，作为三峡库区内距三峡大坝*近的*最大支流，其全长为97.3km，整个流域面积约3099km2，流域经纬度范围在110°25′～110°06′E、31°04′～31°34′N。香溪河上游水源分别来自东河及西河，东河起于神农架骡马店，西河起于神农架红河，并于昭君镇响滩汇流流入香溪河，后一路由北向南顺流而下，横穿兴山县，于秭归县流入长江。 香溪河流域呈亚热带大陆性季风气候，四季分明，春季冷暖无常，夏季雨少量大，秋季阴雨连绵，冬季雨雪交加。相关资料统计，香溪河年均降水量为900～1200mm，目前记录的最大年降水量为2036mm。香溪河流域夏季降水量在全年内所占比例最大，约为41%，而春、秋两季降水量所占比例相差仅2%，分别为28%、26%，由于流域跨度较大，流域上游地区降水量高于中下游地区降水量。香溪河流域年均气温16.6℃，*高（42.5℃）与*低（.9.3℃）温度相差51.8℃。香溪河流域由于两侧环山，呈峡谷型河流，常年起风，以西南风、东南风居多，其中最大瞬时风速达34m/s，最大平均风速为21m/s。由于夏季降水量较大，根据水文站记载香溪河的流量统计结果，香溪河出现的最大洪水流量为2890m3/s，多年平均流量为40.18m3/s，枯水季节*小流量为14m3.s。 香溪河自三峡水库蓄水后，其水流状态发生较大的改变，从之前的河流态变为湖泊态。河口至上游段由于水位的抬升形成回水，并且回水区的范围随着不同的水位发生不同的变化，三峡水库水位为135m时，香溪河回水区长约24km；水位升至156m时，回水区扩展至约30km；水位达到175m时，回水区进一步扩展至约40km。本书研究范围为香溪河与干流交界河口处至昭君镇附近。干流与香溪河库湾河口交界处设置1个采样点（CJXX）；从库湾河口处至上游回水末端共设置10个采样点，分别为XX00～XX09。研究区域及各采样点具体位置如图1.2所示。 图1.2香溪河库湾及样点布置图 1.3三峡水库支流水动力研究进展 自三峡水库蓄水以来，库区多条支流受到了干流回水的影响，导致支流水体流速显著下降。对库区不同支流的调查显示，支流普遍流速较低，实测流速通常在0.05～0.20m/s，并且大多数为厘米级，枯水期甚至下降到毫米级[9-11]。三峡水库中下游河段的支流水体大多呈现准静止状态，表现出典型的湖泊水体特征。除了水体流速普遍减缓外，支流水体还展示出复杂且特殊的水动力现象。通过长期的野外监测，三峡水库支流库湾的典型水动力过程可总结为以下3种。 1.3.1分层异重流 分层异重流是指三峡水库干流倒灌水体与支流上游来流在回水区相遇时，受到水体密度差、干支流水位波动等因素的影响，呈现出分层异向流动，并且在不同季节表现出多种异向流模式[12]。借鉴钱宁[13]对泥沙异重流的定义，本书将这种现象命名为“分层异重流”，包括长江干流的“底层倒灌异重流”［图1.3（a）］、“中层倒灌异重流”［图1.3（b）～（c）］和“表层倒灌异重流”［图1.3（d）～（f）］，以及支流上游的“底层顺坡异重流”［图1.3（a）～（b）、图1.3（d）～（i）］和“表层异重流”［图1.3（c）］。如图1.3所示，支流上游的水流与下游干流的倒灌水体共同作用下，形成了三峡水库支流复杂多变的水体环流模式，主导着支流水体的混合与热分层过程[14]。
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