三峡水库香溪河河口干流水温分布规律及其对库湾环流模式演替影响

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本文通过分析三峡水库蓄水前后及至今以来香溪河河口干流水温时间变化特性,再使用库水替换次数的α法判断香溪河河口干流水温结构,根据温度梯度、出现分层时间的长短等指标分析水温垂向分布特性。结合2003~2013年三峡水库香溪河河口干流气温、风速、相对湿度、降雨量、入库水温、流量、出库流量等因素通过聚类分析及灰色关联法分析,找到主要影响因素,在通过主要影响因素本身的变化规律及对香溪河河口干流水温分布的影响研究。建立LSTM时间序列模型模拟香溪河河口干流表层水温。首先选取主要影响因子及实测表层水温作为模型的输入变量,选择LSTM模型类型,设置参数,其次选取2003年~2008年的数据进行模型率定,2009年~2013年的数据进行模型验证,通过验证得到误差最小时的模型及参数大小,从而预测出较2014年~2016年的逐日表层水温,再基于表层水温使用Logistic曲线预测模型,确定参数k,b,a,模拟出香溪河河口干流垂向水温,得到三峡水库香溪河河口干流水温逐日垂向分布规律。通过加密后的香溪河河口干流水温结果,作为香溪河水动力模型的下边界条件,收集香溪河库湾有关模型建立的相关数据资料,建立基于CE-QUAL-W2的香溪河库湾水动力模型。对模型的相关参数进行敏感性分析及其率定,最后根据实测数据对模型进行验证,分析香溪河河口干流水温变化对对香溪河对库湾环流模式演替影响。取得如下主要成果:(1)蓄水后庙河的水温变化较寸滩(天然河道)存在明显的“滞后”现象。寸滩与庙河的温差受流量大小影响,随着流量的增大,温差出现正负交替且无明显规律即变温期现象,流量越大变温期持续时间越长且越明显。三峡水库水温分布类型应为不稳定分层型,从分层出现2006年至2016年,香溪河河口干流表层温差变幅大于底层温差变幅,香溪河河口干流分层主要出现在4~5月份,部分年份3、6月也出现分层,从刚出现分层至分层出现最大值,温度梯度最大值的深度在增加。温差出现至最大值的时间比最大值至温差消失的时间长且分层出现至最大分层的时间有减小的趋势。当各年间流量达到15000m~3/s附近时,分层正在消失。(2)流量、相对湿度、风速、气温为主控因子。气温在升温期斜率均大于降温期斜率,故其升温期升温速度均大于降温期降温速度。在恒温期(1月底~2月底),随着气温升高,水温在9.00℃~13.00℃,水温基本不变。在流量在增大的过程中,水温变化从开始的不明显(-0.50℃~0.50℃之间)逐渐变大,当流量达到30000m3/s时,水温变化在-0.50℃~0.50℃之间呈波动性变化。2003年至2013年日均风速变化在2003年至2008年间风速均较低,变化幅度为0.622m/s。2008年至2013年变化较大,变化幅度为1.066m/s且风速与水温呈负相关。2003年至2013年日相对湿度变化1月至5月间相对湿度较低,其余时间段相对湿度较高且相对湿度和表层水温的变化呈正相关。(3)单层或双层模型比多层模型效果好。LSTM时间序列模型能很好地模拟预测三峡水库水温表层水温,由预测结果知2014年的表层水温变化范围为11.80~26.00℃,最低温度是出现在2014年3月10日,最高温度是出现在2014年8月7日。2015年表层水温变化范围11.98~27.10℃,最低温度是出现在2015年3月3日,最高温度是出现在2015年8月18日。Logistic曲线水温预测公式能很好地反映三峡水库水温垂向的分布情况,拟合精度较高,水温最大绝对误差的范围为0~0.79℃。通过确定k,a,b进行预测,经预测结果知,水温最大绝对误差范围为0.45~1.63℃。(4)通过模型输出得到2014年6月29日的香溪河河口(XX01)断面的水温与实测值对比,绝对误差范围在0.02~0.95℃,绝对误差的平均值为0.55℃。2014年6月29日绝对误差范围在0.00~1.13℃,绝对误差的平均值为0.41℃。波动期期间有12次水温波动拐点,每次水温拐点的出现即环流模式发生趋势性变化,可见,较以往每月三次水温数据,波动性变大。由各不同阶段的环流模式动态演替过程可以看出XX01点位混合层深度在水温的拐点附近有明显的变幅,较以往研究结果更加精准的反应环流模式的演替过程且对香溪河库湾影响更加剧烈。
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