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浅层热带水库的热结构和变化性

邢志坤，Derek A. Fong，Edmond Yat-Man Lo，Stephen G. Monismith

1南洋理工大学土木与环境工程学院，新加坡环境与水资源工程系大学

2加州斯坦福大学土木与环境工程系环境流体力学实验室，

摘要：利用新加坡克兰芝水库收集的数据研究浅层热带水库的结构和混合动力学。2007年2个月的水温资料显示，在水库各处形成了分层和不分层的昼夜循环。在白天形成0.5-3.5℃的温度分层，夜间冷却的时候会减少。在水库的边缘地带与主要部分之间观察到大量的水平热量再分配。克兰芝的动力变化可以用三种物理强迫机制来概括：太阳辐射--主要机制，风的机制和冷流入机制。我们用两个有效的无量纲数来描述三个物理强迫机制，量化了地表加热，风力搅动和流入浮力通量的相对影响。在大部分测量期间（数据记录的88％），以太阳辐射为主的状态表征了流体动力学。尽管太阳辐射在局部分层中占主导地位，但克兰芝水库是一个三维系统，在垂直方向和沿着水库方向的温度有显著变化，这种变化是由冷流入事件，差热和储层释放所造成的。此外，数据表明，克兰芝系统的动力平衡对小强迫事件敏感，分层混合的时间尺度短于一天或更短。

1引言

在过去几十年，热带地区人口的迅速增长为热带湖泊和水库带来了严重的环境问题，其中最显着的是富营养化（Nilssen 1984; Crisman and Streever 1996; Parinet et al。2004）。 因此，管理这些热带内陆水域的需要深入了解其中的热层结和混合过程，因为分层和混合对于初级生产至关重要（Nilssen 1984; Ruardij等1997; Talling 2001）。然而，与温带湖泊的许多研究相比，热带湖泊和水库的物理学研究相对较少（Boon 1996;刘易斯2000; 麦金太尔等人2002）

热带湖泊的特征有：层次较高，季节变化较弱，除了高云量期间外太阳辐射都比温带湖泊多。（Lewis 1987; Talling and Lemoalle 1998; Gunkel and Casallas 2002）。因此，由于太阳辐射较大，热带湖泊的水温通常较高。热带湖的太阳辐射较大且变化小，表明了热带湖泊表层温度和底层温度之间的差异一般比温带湖泊要小。尽管热膨胀系数随温度变化，但水柱的施密特稳定性（Idso 1973）通常低于同样大小的温带湖泊（Lewis 1987）。深层和浅层热带湖泊的分层周期和混合动力也明显不同。许多较早的关于热带湖泊学的研究集中在深而不浅的湖泊（Crisman and Streever 1996）。较深的热带湖泊（即平均深度约为10米或更深的湖泊）往往是暖单季的，即每年混合一次（通常在冬季），并在这一年余下时间内稳定分层（Hutchinson and Loeffler 1956; Lewis 1983,2000）。此外，每天的分层叠加在更深的季节分层上（Lewis，1973; Talling和Lemoalle，1998）。相反，浅层热带湖泊每年可以实现多个水柱的完全混合，甚至可能每天都在混合（Lewis 2000; Talling 2001; Antenucci et al。2013）。值得注意的是，一些浅层温带湖泊，如加利福尼亚州的明湖，可以在初夏时期（Rueda和Schladow，2003; Rueda等，2003），在一天的时间尺度上经历完全混合的周期性分层和不分层。因此，本研究中所描述的一些物理现象可能与一年中某些时候的浅层温带湖泊有关。

Talling和Lemoalle（1998）回顾了热带湖泊中的混合动力学和水温周期，重点是深层热带湖泊和水温年周期。由于较大的辐射加热和较低的稳定性，热带湖泊昼夜混合层的厚度变化大于温带湖泊（Lewis，1987）。较强的辐射间形成的昼夜温跃层在夜间加深。由于白天加热和夜间冷却速率不同，支流与湖泊较深的河道之间的对流运动也可能对热结构和昼夜（分层）周期有很大程度的贡献。另外，由于风混合深度的空间差异，浅层湖泊热结构的水平变化也很明显（Maclntyre and Melack 1995; MacIntyre et al.2002）。目前的研究方向主要集中在新加坡的热带浅水库克兰芝水库的热结构和混合动力学（图1）。方法部分介绍了克兰芝水库和实验。结果部分重点说明了在现场实验期间收集的数据并提出了水库热层结和水平温度梯度的日循环。讨论部分介绍了如何用三种物理强迫机制来概括克兰芝的动力学。每个机制的物理学通过详细研究三个机制中每个机制的短期数据进一步来说明。典型地，假定存在季节性温跃层，湖泊和水库的流体动力学可以按照两个参数来描述和分类，即湖数和弗劳德数。然而，由于缺乏季节性因素，地表加热和流入量在不同时间尺度上相互作用的浅层热带水库，风应力可能不足以描述热循环或不适用。在讨论部分，我们已经介绍了两个新的无量纲数，可以更好地表征分层动态。讨论部分的末尾介绍了这项研究的意义。

关于浅层热带水库的热结构和可变性在时间尺度上强迫事件的响应时间短于1d的研究很少。Antenucci等人最近的一项相关研究（2013）在分析溶解氧的背景下注意到新加坡另一个浅水热带水库Marina水库每天的加热和降温模式，但没有提供对其热结构的详细分析。

2 方法

2.1研究地点

克兰芝水库，位于新加坡岛的西北角。这是一条古老的河，1972年它的河口被堵住，形成一个淡水储水池。克兰芝水体流域总面积约5.6times;10⁷ m²，克兰芝水库的表面面积约为3.03times;10⁶ m²，最大体积为1.6times;3times;10⁷ m³。克兰芝水库主河道长约4公里，最大深度约20米，平均深度约5米。是新加坡的供水水库之一。克兰芝水库有四条主要支流：双溪康卡，双溪登加，双溪彭祥和彭吉新。在2005年底，庞格苏格流入到到克兰芝水库。克兰芝水库的补给几乎完全由四条支流的干旱天气和暴雨径流决定，在水库有直接的降水。水库的外流包括在克兰芝大坝的排放和抽水厂。克兰芝水库及其水域主体的地图如图1所示。其他特征中，测得的太阳辐射消光深度约为1米；这通常与相对较高的藻类生物量有关（Gin和Gopalakrishnan，2010）。

图1 （A）新加坡克兰芝水库的定位图，显示了水体及其水库（B）2007年4月至6月，克兰芝水库的等高线图，包括实验系泊站，2007年流入克兰芝大坝的4个重要支流和实验站点的位置：热敏电阻链（M1至M8）和ADCP（M4，M5和M6）

2.2现场实验和收集的数据

现场实验使用Sea-Bird SBE 39温度记录仪构成的热敏电阻链和两个向上的1200 kHz RDI ADCP、一个向上600kHz RDI ADCP。从2007年4月10日（年[DOY] 100）至6月14日（DOY165）在克兰芝水库进行观测。本文主要关注这一时期测量的水温和流速。图1中还显示了8个系泊站（标记为M1-M8）和部署的仪器的位置，表1说明了仪器详情。实验期间，附近的一个气象站M5正在运行（以下简称Met站）。该站使用安装在水面以上1.5米处的传感器记录了气温，相对湿度，风速和风向，短波辐射以及每隔15分钟的降雨量（参见Xing等人[2012]表3的仪器介绍）。由于设备故障，从5月6日（DOY126）到2007年5月15日（DOY135），电台记录的数据有10天左右的短缺。除降雨资料外，用四阶低通巴特沃斯滤波器对气象数据进行滤波，截止时间为2小时。

表1 2007年实地实验期间每个系泊站所使用的仪器详情

2.3支流流入量计算

为了计算每日总支流入流量，我们使用了构建好的水文和水力模型XP雨水和污水管理模型（XP Software 2005; http：//www.xpsoftware.com/），通过单一和连续的暴雨流量事件进行校准，以预测克兰芝集水区四个主要流域的直接径流（Tan et al。2008）。正如Xing等人所讨论的那样（2012），使用日降雨量作为输入计算的流入量与克兰芝水库的每日大坝流出量进行比较。

3 结果

3.1气象观测

现场实验期间的气象观测结果如图2所示。记录了风速，太阳辐射，气温和相对湿度的昼夜模式。风速平均值为1.27 m s^-1，最大值为6.64 m s^-1。当风向是东北方向时，风力强度在下午一般较高，夜间较低。在大多数日子里，太阳辐射的峰值在500 W m^-2和1000 W m^-2之间。从DOYs116至120气温属于降温期，并维持了几天的低谷；随后逐渐升温。相对湿度每天高达近100％，平均84％。发生了几次降水事件，尤其是DOY116到120（见图2F），DOY116的径流量最多。下面将说明这些因素导致了显著的垂直和水平分层。

图2 （A）风速，（B）风向，（C）短波辐射，（D）气温，（E）相对湿度，（F）降雨深度的气象资料。 气象数据的时间间隔为（A，C-E）每15分钟，（B）每2小时，（F）每天。2007年DOY126至135之间的空白区域表示设备故障发生的时间。

3.2热分层日循环

图3A、C显示了实验期间在M4（支流交汇处）和M6（克兰芝水库主河道最深的系泊站）表面、中间和底部深度的水温时间变化。水表面的温度日变化明显，中层和底部的水温变化缓慢，历时数天。每天都在发生周期性分层和不分层。在期间有几个冷流入事件，其中最大的单一的冷流入事件发生在DOY116，之后水柱保持分层约3天，然后在每天的基础上重新开始混合（详细的温度和流量结构见图3 Xing等，2012）。在记录初期，湖泊混合良好，升温约1℃，之后因为凉爽的气温（见图2D，3A，C）和DOY113至117期间的冷风暴流入而降温。在DOY119时水柱再次加热，再次充分混合。

M4和M6的表面温度和底部温度之间的差异（）绘制成图3B，D。在两个地点都可以观察到不分层和分层的日循环。通常，在白天下形成0.5℃-3.0℃的分层（由定义），在每晚冷却时分层变得不明显或没有分层。在记录的最大的冷流入事件中，当支流的冷流入流入支流汇合处的较深部分和分层增加时，在M4观察到了最大的分层。

图3 （A）M4在水下不同深度（1米，3米，5米）的和（C）M6在水面下不同深度（1米，6米和11米）的水温；和（B）M4和（D）M6处从2007年DOY103至162号的现场实验期间的热层结（DT 5 Ttop 2 Tbottom）

3.3水平温度差

沿着水库主河道水面以下1米和5米处的水平温度差异很大，并与垂直变化相当（图4A，B），也存在显着的时间变化：除了从DOY113到DOY117的冷流入事件之外，水面附近（1米以下）的差异通常大于底部（5米以下）的差异，其中冷流入从支流流入汇合处点较深的地方（M4），形成了较大的水平温度差。正如过去的观测（Monismith et al。1990）所预期的那样，白天加热和夜间冷却时，较浅的支流和主河道之间水平温度差较大（图4C，D）。因此，我们预计热量驱动横向交换应该是克兰芝的一个关键运输机制。

图4 （A）从M6到M4，在1米和5米以下的水平温度差，（B）从M6到M5，在1米和5米以下的水平温度差，（C）从三个支流（M1，M2和M3）到交界点（M4）处的表面水温的温度差，以及（D）从2007年DOY103至162的实验期间，从Sungei Pangsua河道到主河道入口（M5）的地表水温的水平温差

3.4观察到的现象

三个不同时期：我们发现克兰芝的热结构在不同的时期是变化的，如下所示，通常用三个不同的时期来描述不同的分层和混合动力学：太阳辐射占主导地位的时期，强风的时期，冷流入时期。

以太阳辐射为主的时期，白天的入射太阳辐射通常较大，下午则形成强烈的垂直分层。例如，在DOY110，水库在清晨几乎混合。由于白天的太阳辐射，水库在下午变成垂直分层，形成一层厚约2米的浅层（见图5D）。就像Imberger（1985）讨论的昼夜混合层，由于在夜间时表面冷却（图中未示出），这一层几乎加深到底部。

图5A-C中还示出了DOY110 M4，M5和M6处的的垂直温度分布和流速。早上（09：00-12：00），湖面垂直分层很少，风速低至2.5米/秒，三个站点的风速都不明显。垂直分层开始时间为中午12：00-15：00，在下午晚些时候（15：00-18：00）分层达到最大值，其中浅层站（M4和M5）和深层站（M6）在水的表面有显著的水平方向上的温差（1.0℃），估计在白天加热期间浅层水区比深层水区有更大的温度变化（Monismith等，1990）。来自大坝方向的风在下午晚些时候达到峰值，最高时速为5 m s^-1。水平温差和强风导致大坝表面水从大坝汇合到支流，由于汇合处中游深度的回流，支流流入加强。

图5 2007年DOY110（A）M4，M5和M6的水温3小时平均值。（B）3小时内的风向和强度，箭头指向风向。（C）在同一天的M4，M5和M6沿河道的流速的3小时平均值，沿主河道指向克兰芝大坝方向为正方向。（D）等温线，通过在主河道的四个系泊站（M4，M5，M6和M7）的热敏电阻从1米到7米测得的水温内插值来绘制。等高线之间的间隔是0.2℃。x轴是坝的距离（m），而y轴是水面的深（度）。

在大风的时期，强风将表层的水混合起来并加深。水柱的分层主要是由于风的混合而不是净热通量。举一个大风天的例子，DOY125的克兰芝温度场的时间演变如图6D所示。下午，表层强风混合，阻止了水库稳定的垂直分层的形成。

DOY125的M4，M5和M6处的流速和垂直温度分布在图6中示出。在09:00至18:00之间，在浅层站（M4和M5）

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