一個(gè)分層水庫溫躍層的模擬與驗(yàn)證

_個(gè)分層水庫溫躍層的模擬與驗(yàn)證孫昕;王雪;許巖;解岳;黃廷林【摘要】以西安金盆水庫為例，建立了分層水庫水溫結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬方法，并以實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證.運(yùn)用Fluent軟件數(shù)值研究了不同短波輻射強(qiáng)度及短波輻射衰減系數(shù)條件下溫躍層的形成過程與特性.水庫水面總傳熱量在春、夏季為正值，在秋、冬季為負(fù)值，長波輻射是水面總傳熱量的主要影響因素,短波輻射則是溫躍層形成的主要影響因素.隨短波輻射衰減系數(shù)的降低，溫躍層厚度增加，溫躍層內(nèi)溫度梯度減小,短波輻射衰減系數(shù)值與實(shí)測的藻類濃度存在良好的正相關(guān)性.水庫具有極限短波輻射強(qiáng)度，溫躍層內(nèi)溫差隨水面短波輻射強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢;但水面短波輻射強(qiáng)度過高時(shí)，難以達(dá)到熱平衡而形成穩(wěn)定的溫躍層.【期刊名稱】《湖泊科學(xué)》【年(卷)，期】2015(027)002【總頁數(shù)】8頁(P319-326)【關(guān)鍵詞】分層水庫;溫躍層;影響因子;數(shù)值模擬【作者】孫'昕;王雪滸巖;解岳;黃廷林【作者單位】西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安710055;西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安710055;西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安710055;西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安710055;西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安710055【正文語種】中文水溫是湖泊水庫水質(zhì)監(jiān)測中一項(xiàng)非常重要的理化指標(biāo)，它與水中溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)等水質(zhì)參數(shù)密切相關(guān)，也是湖泊水庫分層研究中的重要參數(shù)，水溫的變化還直接影響湖泊水庫的富營養(yǎng)化和生態(tài)變化［1-4］.絕大多數(shù)深水型水庫一般在夏、冬季節(jié)會(huì)普遍發(fā)生水溫分層，夏季典型的正向水溫分層結(jié)構(gòu)從上到下依次為變溫層、溫躍層和等溫層.季節(jié)性水溫分層是分層水庫水質(zhì)內(nèi)源污染的主要誘因之一［5-6］.溫躍層會(huì)阻礙上下水層的物質(zhì)和能量交換，表層水體中較高濃度的溶解氧很難穿過溫躍層而傳遞到底部水體，底部水體和底泥因各種化學(xué)、生物等作用而耗氧，二者共同導(dǎo)致底部水體溶解氧濃度逐漸降低，隨溫躍層厚度增加和持續(xù)時(shí)間延長，溶解氧濃度的降低程度增大，底泥中氮、磷、有機(jī)物等污染物釋放量越大，內(nèi)源污染越嚴(yán)重［6-8］.當(dāng)溶解氧濃度低于2mg/L時(shí)，水庫底泥中的無機(jī)和有機(jī)污染物會(huì)大量釋放，形成水庫內(nèi)源污染，在冬春交替季節(jié)〃翻庫”而污染整個(gè)水庫水體［9］.因此，研究溫躍層的形成及其影響因素對(duì)進(jìn)一步研究破壞分層水庫水質(zhì)的演變和內(nèi)源污染控制技術(shù)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.盡管國內(nèi)外學(xué)者開展了大量水庫水溫預(yù)測模型和應(yīng)用研究［10-12］，但很多模擬軟件均不同程度地存在速度場和能量場耦合難的問題，多數(shù)只是注重模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)的對(duì)比，缺乏對(duì)影響溫躍層形成主要因素的研究與分析，尤其是對(duì)于富營養(yǎng)化分層水庫.目前關(guān)于溫躍層的研究主要針對(duì)海洋和淺水湖泊的水溫觀測，如陳希等［13］、張文靜等［14］、趙保仁［15］現(xiàn)場考察了凈輻射通量、海潮、洋流對(duì)海洋溫躍層形成的影響，認(rèn)為凈輻射通量的季節(jié)性變化是造成海洋躍層產(chǎn)生季節(jié)性變化的主要原因之一；由洋流引起的海潮將海面處高溫水體帶入下層，加速溫躍層的形成Brett等［16］針對(duì)水深較淺的Mirror湖和Swan湖，提出了包含太陽輻射、風(fēng)速、水深、水體密度和比熱容等因素的水溫分層參數(shù)，但未深入研究溫躍層的形成機(jī)制.Lap等［17］根據(jù)對(duì)淺水湖泊的觀測結(jié)果，認(rèn)為水溫分層的形成與消失主要是由于風(fēng)的影響和太陽輻射.Tuan等［18］發(fā)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)τ跍\水湖泊中熱量的混合作用會(huì)產(chǎn)生一定影響.余豐寧等［19］對(duì)太湖溫躍層形成因素的研究認(rèn)為，氣溫的變化會(huì)使得水溫呈線性變化，而大氣濕度的增加會(huì)使水溫呈指數(shù)變化；目前，僅在個(gè)別深水型湖泊和水庫進(jìn)行了溫躍層的現(xiàn)場觀測和初步分析［20-22］.Zhang等［20］根據(jù)千島湖多年水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了該湖水溫及溫躍層的月度和季節(jié)性變化規(guī)律，建立了溫躍層深度、厚度和強(qiáng)度與表層水溫和水體透明度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，認(rèn)為氣候變化明顯影響該湖水溫結(jié)構(gòu).學(xué)者們對(duì)撫仙湖水溫分層進(jìn)行了系統(tǒng)的長期觀測［23］，對(duì)深水湖泊中溫躍層的相關(guān)特征作出了定義，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了溫躍層的形成與演變過程.然而，關(guān)于深水型分層湖泊水庫溫躍層的形成特性及影響因素的系統(tǒng)研究尚未見報(bào)道.本文應(yīng)用商業(yè)Fluent軟件［24］并編寫水體熱交換的用戶自定義函數(shù)(UDF)［25］對(duì)其進(jìn)行了二次開發(fā)，以平均水深80m的西安金盆水庫水體為對(duì)象，系統(tǒng)研究不同表層短波輻射強(qiáng)度及藻類濃度條件下的水溫結(jié)構(gòu)，旨在研究和分析氣象及環(huán)境因子對(duì)溫躍層形成的影響，為控制分層水庫水質(zhì)污染提供參考.1.1水動(dòng)力學(xué)控制方程采用Fluent軟件自帶的可壓縮傳熱紊流模型，包括流體連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和紊流方程，其中紊流方程采用標(biāo)準(zhǔn)的k-s紊流模型.在浮力傳熱紊流中，密度和粘度均隨溫度和壓力變化，但壓力的影響可忽略，根據(jù)不同溫度下水的密度和粘度數(shù)據(jù)，建立水的密度和粘度與水溫的函數(shù)關(guān)系，采用C語言編寫UDF,編譯并加載到Fluent中.1.2水體熱交換模型水庫水體內(nèi)的熱交換按性質(zhì)通常分為對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射和蒸發(fā)4種，按影響的區(qū)域不同又可分為表面?zhèn)鳠岷痛┩競鳠醿煞N.大氣長波輻射、蒸發(fā)和傳導(dǎo)均屬于表面?zhèn)鳠幔砻鎮(zhèn)鳠嵋话阌绊懮疃炔怀^2m；太陽短波輻射則屬于穿透傳熱，會(huì)作用于更深的水體.實(shí)際上，表面0~2m處水溫受表面?zhèn)鳠岷捅砻娑滩ㄝ椛溆绊?水溫分層是表面?zhèn)鳠岷退露滩ㄝ椛鋫鳠峁餐饔玫慕Y(jié)果，二者影響范圍的有限性導(dǎo)致水溫在一定水深處出現(xiàn)躍降，自上而下形成水溫變幅較小的變溫層、溫度梯度較大的溫躍層和水溫相對(duì)恒定的等溫層.根據(jù)Hodges的水體熱交換模型［26］，水體表面總的熱交換量(QS)為長波輻射量(QR)、水面蒸發(fā)量(QW)、水面顯熱對(duì)流量(QH)之和，即：長波輻射量(QR)的計(jì)算公式為：式中，T(water)、￡(water)、￡(air)、Rt(w)(1/C)、8、T(air)、C(cloud)分別為水面0m處溫度(K)、水的輻射系數(shù)(取0.96)、大氣的輻射系數(shù)、水面長波輻射反射率(取0.3)、波茲爾曼常數(shù)(取5.669x10-8W/(m2C4))、水面上2m處氣溫(K)、云層覆蓋率(取0.17).水面蒸發(fā)量(QW)的計(jì)算公式為：式中，L、CW、p(air)、u(wind)、P、Rh分別為蒸發(fā)潛熱(取2.5x106J/kg)、蒸發(fā)傳熱系數(shù)(取0.0014kg/m3)、空氣密度(取1.225kg/m3)、水面處的風(fēng)速(m/s)、—個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(pa)、相對(duì)濕度.水面顯熱對(duì)流量(QH)的計(jì)算公式為：式中，CH、cp(air)、T(air_r)分別為顯熱傳導(dǎo)體積系數(shù)(取0.0014)、水的定壓比熱(取1003J/kgC)、水面上空氣的干球溫度(K),其余同上.水面太陽凈短波輻射量(Qsw(S))和水下短波輻射量(Qsw(Z))的計(jì)算公式為：式中，Rt(sw)、Q(sw_surface)、Qsw(S)sqe分別為無量綱的短波輻射表面反射率、通過水面的總短波輻射量(W/m2)、透過水面的凈短波輻射(W/m2)、衰減系數(shù)(m-1).1.3金盆水庫及計(jì)算網(wǎng)格、初始條件與邊界條件研究對(duì)象為西安金盆水庫，該水庫平均水深70~100m，日供水量80x104m3,為西安市主要飲用水水源.近年來，該水庫水體富營養(yǎng)化程度不斷加劇，其中氮、磷營養(yǎng)鹽濃度階段性超標(biāo)，有機(jī)質(zhì)含量上升，藻類季節(jié)性高發(fā)等水質(zhì)問題尤為突出，處于中富營養(yǎng)化狀態(tài)，7-8月表層藻類濃度可高達(dá)2x107-3x107cells/L[4].以壩前主庫區(qū)的斷面水體為研究對(duì)象，所研究水域半徑約為500m.水庫地形采用中海達(dá)RTK系統(tǒng)測量.為長期監(jiān)測金盆水庫水質(zhì)，在主庫區(qū)設(shè)置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，本文所用數(shù)據(jù)均取自引水塔和主壩之間的S1點(diǎn)[4]，該點(diǎn)約位于圖1所示斷面寬度的1/3處(近右側(cè)).水溫采用美國HACHHydro-LabDS5型多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場監(jiān)測，垂向測點(diǎn)間距一般為5~10m;藻類現(xiàn)場取樣(1L)，采用魯哥試劑(15ml涸定后，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行顯微鏡計(jì)數(shù)分析，垂向測點(diǎn)分別位于水面下方0.5、5、30m，頻率1-3次，本文所用藻類濃度為水深0.5m處值.采用GAMBIT構(gòu)建水域斷面的實(shí)際地形網(wǎng)格，針對(duì)水深月際變幅較小的3、5、7、9和12月，水深約為80-88m，圖1為水深80m(7月)壩前斷面的二維網(wǎng)格，共有12835個(gè)節(jié)點(diǎn)(nodes),12600個(gè)單元(cells).該河道型水庫上游河道長近40km，根據(jù)水庫壩前特征計(jì)算出流量和斷面面積，進(jìn)口采用速度入口邊界(velocity-inlet)，計(jì)算的斷面平均流速約為0.0002m/s，由此計(jì)算左上側(cè)等效進(jìn)水口和右下側(cè)出水口斷面的平均流速.水庫邊壁和底部都采用無滑移固體壁面條件(Wall)，設(shè)置為絕熱墻，其當(dāng)量粗糙高度取0.0003m.根據(jù)金盆水庫底部水溫資料(斷面中心處)，將水庫水體初始溫度設(shè)為279.15K，開啟能量方程(energyequation)，采用k-8紊流模型進(jìn)行計(jì)算，通過水體的自然熱交換實(shí)現(xiàn)分層.表面和水下傳熱過程采用C語言編寫的UDF寫入，表面?zhèn)鳠犴?xiàng)由DEFINE_PROFILE(name,thread,i)宏將方程通過HeatFlux項(xiàng)寫入，水下傳熱通過DEFINE_SOURCE(name,cell,thread,dS,eqn)宏寫入水體源項(xiàng)(sourceterms).1.4水庫溫躍層影響因子及模擬參數(shù)在分層水庫地形和水文條件相對(duì)固定的條件下，水庫溫躍層的形成是水庫內(nèi)熱力和動(dòng)力過程共同作用的結(jié)果［23,27］,受各種氣象和環(huán)境等因素的影響，如風(fēng)力混合、水體清澈度（藻華堆積）、大氣溫度、云量、太陽輻射強(qiáng)度等［27］；水庫的運(yùn)行調(diào)度（如進(jìn)出水流）、原位水質(zhì)控制設(shè)施的運(yùn)行等也會(huì)影響溫躍層的形成與破壞；自然水文事件（如夏季汛期暴雨徑流和/或冬春季融雪徑流等）也在一定程度上影響溫躍層的變化［28］.本文以中富營養(yǎng)化的金盆水庫為案例，因該地區(qū)春、秋季一般均為20d左右，故未將氣溫作為主要因素進(jìn)行研究，而是重點(diǎn)研究氣象因子（如太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速等）以及水質(zhì)因子（藻類濃度）對(duì)溫躍層形成的影響，并利用非暴雨徑流期間實(shí)測水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證.根據(jù)西安市氣象局和相關(guān)文獻(xiàn)［29-30］，2009年西安金盆水庫庫區(qū)相關(guān)氣象和水文參數(shù)如表1所示.根據(jù)改進(jìn)的水體熱交換模型，將以上氣象條件參數(shù)通過UDF導(dǎo)入，直接進(jìn)行基于Fluent的數(shù)值計(jì)算，時(shí)間步長選取10s；由于實(shí)際水庫中水體形成分層過程較慢，每個(gè)條件下運(yùn)行30d左右（即259200s），通過溫度云圖觀察溫躍層的形成和變化特性.模型垂向深度間隔約為2m,由于表面?zhèn)鳠醿H僅作用于水面下1~2m深度處,故忽略可能產(chǎn)生的能量躍變問題.2.1模型驗(yàn)證及溫躍層演變根據(jù)王銀珠等的研究結(jié)果［21］，將垂向的溫度梯度大于0.2oC/m的水層定義為溫躍層.利用表1所示基礎(chǔ)資料并對(duì)照在金盆水庫庫區(qū)斷面中實(shí)測的垂向水溫分布數(shù)據(jù)［30］,變化不同的短波輻射衰減系數(shù)進(jìn)行水溫模擬，對(duì)比不同條件下模擬的水溫結(jié)構(gòu)和實(shí)測的水溫結(jié)構(gòu)，對(duì)短波輻射衰減系數(shù)進(jìn)行參數(shù)率定，發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)水溫結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合良好，對(duì)弱分層、較強(qiáng)分層和混合階段的水溫結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)均在0.91以上，說明了這種模擬方法的準(zhǔn)確性（圖2）.3月水庫處于弱分層期，溫躍層約位于水深3~8m處，溫躍層內(nèi)溫差約為3C.7月水庫處于強(qiáng)分層期，溫躍層約位于水深3~19m處，溫躍層內(nèi)溫差約為20C,水深2.5m內(nèi)為上部變溫層，水深19m以下為等溫層.9月水庫水溫分層不斷減弱,溫躍層約下潛至水深30~70m處，溫躍層內(nèi)溫差約為8^,水深30m內(nèi)為變溫層.12月，冬季氣溫較低，上下層水體溫差微小（約1.9°C）,基本處于等溫狀態(tài)，水溫分層結(jié)構(gòu)消失，不存在溫躍層.對(duì)照2009年實(shí)測數(shù)據(jù)，溫躍層的形成過程更為完整，冬、春季節(jié)整個(gè)庫區(qū)水溫基本相同，不存在溫躍層；夏、秋季節(jié)水面和水底開始存在一定溫差，極易形成水溫分層，尤其是7-8月，水面和底部水體溫差最大，水溫分層最為強(qiáng)烈，溫躍層最為穩(wěn)定、厚度最大.對(duì)比國內(nèi)關(guān)于深水湖泊的開創(chuàng)性研究成果［21］，金盆水庫溫躍層的垂向演變特性與平均水深87m的撫仙湖情況大體類似，只是該湖地處中亞熱帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，水溫常年高于12C,不同于金盆水庫.撫仙湖1、2月份處于完全混合期，其余月份水溫自上而下均可分為變溫層、溫躍層和等溫層，但溫躍層深度、厚度以及層內(nèi)溫度梯度因季節(jié)而異，增溫期溫躍層位置較淺、厚度較大、溫度梯度較小，升溫期溫躍層位置下移、厚度變薄、溫度梯度增大.此外，該湖水面寬廣，溫躍層特征也在水平方向略有差異，與水面較小的金盆水庫不同.2.2風(fēng)對(duì)溫躍層形成的影響風(fēng)在一定水深范圍內(nèi)、一定條件下影響著水面的混合強(qiáng)度和水體能量的耗損，一般風(fēng)驅(qū)動(dòng)的混合作用使得上部水體水溫趨于均勻，在中部形成穩(wěn)定度很大的溫躍層，風(fēng)對(duì)淺水湖庫和海洋水溫分層影響較大［20,27］.具體而言，風(fēng)對(duì)水溫的影響至少體現(xiàn)在3方面：1）影響表面?zhèn)鳠幔?）影響波浪和湖流，造成上下層水層交換；3）改變水柱中光衰減物質(zhì)組成，造成短波輻射衰減系數(shù)變化，影響短波輻射傳熱量.根據(jù)表1所示金盆水庫氣象及水文資料，應(yīng)用根據(jù)Hodges的水體熱交換模型，分別計(jì)算3、5、7、9、12月水庫表面各項(xiàng)傳熱量和總傳熱量，并繪制于圖3.根據(jù)傳熱量計(jì)算結(jié)果，如果不計(jì)表面的短波輻射傳熱量，長波輻射傳熱量約占總傳熱量的95%~100%，說明長波輻射傳熱量是決定表面熱量散失的絕對(duì)主導(dǎo)因素，而水面蒸發(fā)和熱對(duì)流引起的傳熱量對(duì)水面處熱量散失的影響極其微小.根據(jù)段譽(yù)等的研究[31],當(dāng)水面總傳熱量為負(fù)值時(shí)，風(fēng)的影響較小，基本可以忽略；另外，金盆水庫實(shí)際氣象條件(表1)表明，風(fēng)速較小，水面蒸發(fā)和熱對(duì)流引起的傳熱量與風(fēng)速相關(guān)，因此風(fēng)對(duì)金盆水庫水溫結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì).如果考慮表面的短波輻射傳熱量，則在春、夏季節(jié)，水面總傳熱量為正值，水面將處于加熱狀態(tài)，表層水的密度將隨水溫增加而減少，溫躍層將會(huì)變厚；在秋、冬季節(jié)，水面總傳熱量為負(fù)值，水面處于散熱狀態(tài)，溫躍層變稀薄，等溫層加深.在本研究條件下，壩前主庫區(qū)水面面積和風(fēng)速均較小，可以認(rèn)為風(fēng)的作用對(duì)金盆水庫溫躍層形成的影響較小，不同于淺水環(huán)境[32].2.3短波衰減系數(shù)對(duì)溫躍層形成的影響在本模擬中，水庫水面凈熱交換量為負(fù)值，說明水庫溫躍層的形成主要取決于水體受納的短波輻射傳熱量，影響短波輻射傳熱量的主要參數(shù)是水面短波輻射強(qiáng)度和水體短波衰減系數(shù).先以表層和底部水溫差別最大的7月為例，此時(shí)水體分層較強(qiáng)烈，利用表1所示的實(shí)際氣象資料，分別取短波輻射衰減系數(shù)為0.5、2.0、3.0和4.0m-1進(jìn)行模擬，運(yùn)行一個(gè)月后的水溫結(jié)構(gòu)如圖4所示.隨著短波輻射衰減系數(shù)從0.5增加到4.0，在表層水深5m范圍內(nèi)，雖然不同條件下的水體水溫總體基本在26°C附近；但表層水溫仍有略降低的趨勢，水深5m處水溫約從26.5C降低到25C；隨著水深的增加，水溫隨短波輻射衰減系數(shù)的增加而降低的趨勢更為明顯，水深20m處水溫約從18C降低到9.5C.依據(jù)公式(7),短波輻射傳熱量隨水庫水深的增加而呈指數(shù)衰減，衰減的快慢主要與短波輻射衰減系數(shù)有關(guān)，短波輻射衰減系數(shù)越大，單位水深內(nèi)藻類及其他懸浮物等吸收的熱量越大，水體實(shí)際受納的短波輻射熱量越小，表現(xiàn)為水溫增加值越小，太陽短波輻射的穿透深度越小.模擬結(jié)果與理論分析相一致.根據(jù)圖4所示的水溫結(jié)構(gòu)，短波輻射衰減系數(shù)對(duì)溫躍層的形成有直接影響.如以水溫7~9C作為等溫層水溫，則當(dāng)短波輻射衰減系數(shù)分別為0.5、2.0、3.0和4.0m-1時(shí)，溫躍層位置分別約為水下8~43m、5~35m、4~30m、3~21m,躍層內(nèi)溫度梯度分別為0.50、0.57、0.63、0.92°C/m.利用表1所示其他4個(gè)月份的基礎(chǔ)氣象和水文資料，變化短波輻射衰減系數(shù)進(jìn)行水溫模擬，得到的溫躍層特性也較為相似，即隨短波輻射衰減系數(shù)的降低，溫躍層位置下移、溫躍層厚度降低，溫躍層內(nèi)溫度梯度逐漸增加.根據(jù)不同短波輻射衰減系數(shù)條件下模擬的垂向水溫分布，對(duì)比實(shí)測的垂向水溫分布數(shù)據(jù)［18］，得出針對(duì)3、5、7、9和12月的最適宜短波輻射衰減系數(shù)分別為0.5、1.5、0.5、2.0和0.5m-1.國外對(duì)湖泊水庫水體短波輻射衰減系數(shù)的參考范圍較大，從清澈的貧營養(yǎng)湖泊的0.2m-1到渾濁的富營養(yǎng)湖泊的4.0m-1［27］，本文校驗(yàn)的短波輻射衰減系數(shù)值亦與其相近.將不同月份經(jīng)過校驗(yàn)的短波輻射衰減系數(shù)和實(shí)測藻類濃度共同繪于圖5，可以看出短波輻射衰減系數(shù)大小與藻類濃度高低的對(duì)應(yīng)關(guān)系良好，較好地反映出中富營養(yǎng)化水庫不同季節(jié)藻類生長情況與短波輻射衰減狀況的關(guān)系.水庫水的濁度很低，非汛期一般為10NTU左右，無機(jī)顆粒對(duì)短波輻射衰減系數(shù)的影響可以忽略，藻類成為影響短波輻射衰減系數(shù)的主要物質(zhì)，故藻類濃度的增加會(huì)影響短波輻射的水下穿透量，從而造成短波輻射衰減系數(shù)降低，影響溫躍層位置.水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示，藻類濃度隨水深增加，表現(xiàn)出先增加至水深5m處的峰值，然后降低，并在15m左右約降為峰值的1%.盡管藻類濃度在垂向分布不均，但由于短波輻射熱量呈指數(shù)型衰減，在夏季凈短波輻射較強(qiáng)的時(shí)節(jié)，短波輻射能量的消耗主要集中在表層水體，故垂向采用統(tǒng)一的短波輻射衰減系數(shù)對(duì)水溫預(yù)測結(jié)果的影響較小.2.4短波輻射強(qiáng)度對(duì)溫躍層形成的影響根據(jù)表1所示水庫7月的氣象和水文資料，取實(shí)測短波輻射強(qiáng)度197.4W/m2和經(jīng)過校驗(yàn)的短波輻射衰減系數(shù)0.5m-1，變化水面短波輻射強(qiáng)度100、400、800W/m2進(jìn)行水溫模擬，雖然所取得的短波輻射強(qiáng)度變化范圍較大，超出實(shí)測范圍，但利用極端條件的水溫模擬數(shù)據(jù)，可更全面、直觀地評(píng)判短波輻射強(qiáng)度對(duì)溫躍層的影響趨勢，為后續(xù)短波輻射強(qiáng)度的相關(guān)影響研究提供參考.圖6表示水面短波輻射強(qiáng)度與上下層水體溫差的關(guān)系.當(dāng)水面短波輻射強(qiáng)度為100、400W/m2時(shí)，上下層水體溫差隨時(shí)間的推移而逐漸增加，但增幅減小，20d后趨于穩(wěn)定，說明在次模擬條件下，水體熱交換達(dá)到相對(duì)平衡.當(dāng)水面短波輻射強(qiáng)度為800W/m2時(shí)，上下層水體溫差也隨時(shí)間的推移而增加，但增幅并未減小，20d后水體溫差仍在繼續(xù)增加.隨著短波輻射傳熱過程的延續(xù)，水面及以下水體吸收的熱量增加，導(dǎo)致表層水溫增加，上下層溫差隨之增加.根據(jù)公式(7)，在短波輻射衰減系數(shù)相同的情況下，短波輻射在水下的衰減速率相同，并呈指數(shù)型衰減，可以看出在夏季凈短波輻射較強(qiáng)的時(shí)節(jié)，短波輻射能量在穿透水下40m左右時(shí)，能量消耗達(dá)90%，水體受納的短波輻射傳熱量理論上主要與水面短波輻射強(qiáng)度有關(guān)，從而上下層水體溫差隨短波輻射強(qiáng)度的增加而增加.圖6表明，水庫可能存在一個(gè)水面短波輻射強(qiáng)度極值QSe[400,500].在較低的水面短波輻射強(qiáng)度G400W/m2)下，隨著時(shí)間的推移，水面短波輻射強(qiáng)度越高，水面處吸收的熱量越多，水面處水溫增加；由于短波輻射強(qiáng)度在水深方向呈指數(shù)關(guān)系衰減，水體垂向各層吸收的能量向下遞減，當(dāng)短波輻射強(qiáng)度小于水庫輻射強(qiáng)度極值時(shí)，表層水溫因不斷吸收短波輻射而增加，但能量來不及作用到水底，從而上下層水體溫差逐漸增大，即上下層水體溫差與水面短波輻射強(qiáng)度呈正相關(guān).在較高的水面短波輻射強(qiáng)度(>400W/m2)時(shí)，當(dāng)短波輻射強(qiáng)度高于水庫短波輻射強(qiáng)度極值時(shí)，由于水體吸收的熱量較多，會(huì)影響到底部水體溫度，使底部水溫也增加，在一定的傳熱時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)致上下層水體溫差減??；而隨著傳熱過程的繼續(xù)，受較高的水面短波輻射強(qiáng)度影響，表層水溫增幅會(huì)高于底部水溫增幅，導(dǎo)致后期上下層水溫差增大.上下層水體溫差隨水面短波輻射強(qiáng)度的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在太湖地區(qū)也曾有所觀測：在太湖地區(qū)，當(dāng)短波輻射強(qiáng)度增大到700W/m2時(shí)，太陽輻射強(qiáng)度會(huì)使得垂向水體受到均勻加熱，溫差降低，產(chǎn)生短波輻射極值［32］.對(duì)比本文初步得出的水庫短波輻射強(qiáng)度極值與太湖地區(qū)［31］報(bào)道的值，可以發(fā)現(xiàn)水庫水溫分層的形成與水面短波輻射的關(guān)系較為密切，上述變化過程應(yīng)該還會(huì)與水庫或湖泊的水深及不同緯度帶上的氣象與地質(zhì)要素等有關(guān)，具體關(guān)系仍需要進(jìn)一步研究與討論；但是現(xiàn)有結(jié)果表明，水面短波輻射強(qiáng)度對(duì)水溫結(jié)構(gòu)和溫躍層的形成有重要影響，當(dāng)水面短波輻射強(qiáng)度超過極值時(shí)，很難形成穩(wěn)定的溫躍層.表1資料顯示，金盆水庫地區(qū)短波輻射強(qiáng)度不高（約200W/m2），水深較大（約80m），故在季節(jié)交替時(shí)易形成穩(wěn)定的溫躍層，不同于淺水環(huán)境的分層情況.1） 通過模型參數(shù)率定，模擬研究了水溫結(jié)構(gòu)與溫躍層隨季節(jié)的變化，溫躍層從春季氣溫回升逐步形成，在夏季形成穩(wěn)定分層、溫躍層厚度最大，秋季隨著氣溫下降而逐步下潛，至冬季再次消失.模擬結(jié)果對(duì)水庫水質(zhì)演變和內(nèi)源污染控制研究具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義.2） 在本模擬條件下，水庫水面長波輻射、蒸發(fā)和傳導(dǎo)傳熱量總和為負(fù)值，長波輻射量約占表面總傳熱量的95%~100%，風(fēng)基本不影響金盆水庫溫躍層的形成過程;短波輻射是影響溫躍層形成的主要因素.3） 經(jīng)校驗(yàn)的短波輻射衰減系數(shù)值與實(shí)測的藻類濃度存在良好的正相關(guān)性，二者的年際變化相互一致；隨短波輻射衰減系數(shù)的降低，溫躍層位置下移、厚度增加，層內(nèi)溫度梯度減小.4） 水面短波輻射強(qiáng)度對(duì)溫躍層形成的影響較為復(fù)雜，不同類型水庫具有不同的極限短波輻射強(qiáng)度，溫躍層內(nèi)溫差隨水面短波輻射強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢；但水面短波輻射強(qiáng)度過高時(shí)，難以達(dá)到熱交換平衡，對(duì)形成穩(wěn)定溫躍層有重要指示作用.【相關(guān)文獻(xiàn)】BurnsNM,RockwellDC,BertramPEetal.Trendsintemperature,secchidepth,anddissolvedoxygendepletionratesinthecentralbasinofLakeErie，1983-2002.JournalofGreatLakesResearch，2005，31(Suppl.2):35-49.LiuX，LuXH，ChenYW.TheeffectsoftemperatureandnutrientratiosonMicrocystisbloomsinLakeTaihu，China:An11-yearinvestigation.HarmfulAlgae，2011，10(3):337-343.QinBQ，GaoG，ZhuGWetal.Lakeeutrophicationanditsecosystemresponse.ChineseScienceBulletin，2013，58(9):961-970.馬越，郭慶林，黃廷林等.西安黑河金盆水庫季節(jié)性熱分層的水質(zhì)響應(yīng)特征.水利學(xué)報(bào)，2013，44(4):406-415.黃廷林，叢海兵，柴蓓蓓.飲用水水源水質(zhì)污染控制.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.孫昕，黃廷林.湖泊水庫水體污染控制.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2013.吳雅麗，許海，楊桂軍等.太湖水體氮素污染狀況研究進(jìn)展.湖泊科學(xué)，2014，26(1):19-28.FernandezRL，BonanseaM，CosavellaAetal.Effectsofbubblingoperationsonathermallystratifiedreservoir:Implicationsforwaterqualityamelioration.WaterScienceandTechnology，2012，66(12):2722-2730.CongHB，HuangTL，ChaiBBetal.Anewmixing-oxygenatingtechnologyforwaterqualityimprovementofurbanwatersourceanditsimplicationinareservoir.RenewableEnergy，34(9):2054-2060.MidhatH，HeinzGS.Lakewatertemperaturesimulationmodel.JournalofHydraulicEngineering，1993，119(11):1251-1273.任華堂，陳永燦，劉昭偉.大型水庫水溫分層數(shù)值模擬.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展：A輯，2007，22(6):667-675.PolitanoM，HaqueMDM，WeberLJ.AnumericalstudyofthetemperaturedynamicsatMcNaryDam.EcologicalModelling，2008，212(3/4):408-421.陳希，沙文鈺，李妍.南海北部海區(qū)溫躍層分布特征及成因的初步分析.海洋預(yù)報(bào)，2001，18(4):9-17.張文靜，沙文鈺.黑潮對(duì)環(huán)臺(tái)灣島海域溫躍層影響的數(shù)值研究.海洋預(yù)報(bào)，2001，18(3):17-24.趙保仁.渤、黃海及東海北部強(qiáng)溫躍層的基本特征及形成機(jī)制的研究.海洋學(xué)報(bào)，1989，11(4):401-410.BrettFB，ThomasT.Predictingtheonsetofthermalstratificationinshallowinlandwaterbodies.AquaticSciences，2009，71(1):65-79.LapBQ，TuanNV，Hamagamiketal.Formationanddisapperanceofthermalstratificationinasmallshallowlake.JournaloftheAgricultureKyushuUniversity，2009，54(1):251-259.TuanNV，HamagamikK，MoriKetal.Mixingbywind-inducedflowandthermalconvectioninasmall，shallowandstratifiedlake.PaddyandWaterEnvironment，2009，⑺：83-93.余豐寧，蔡啟銘，徐勇積.太湖水溫模型和氣象參數(shù)對(duì)水溫的影響.海洋與湖沼，1993,24(4):393-399.ZhangYL，WuZX,LiuMLetal.T