梯级水库联合调度下库区回流时空特征与驱动机制研究——以新安江—富春江梯级水库为例

《Water》：Study on the Spatiotemporal Characteristics and Driving Mechanisms of Backflow in Reservoir Areas Under Joint Operation of Cascade Reservoirs

　　

梯级水库的协调运行在实现防洪与发电等多目标优化的同时，深刻改变了河流系统的自然水文节律。下游水位顶托与上游来水减少的叠加效应可诱发库区内的反向水流，对水体交换、营养盐输移及藻类水华等环境过程产生耦合影响。本研究以新安江—富春江梯级水库系统为对象，基于MIKE 21二维水动力模型构建了2025年5—7月的高时空分辨率模拟，并结合拉格朗日粒子追踪（Lagrangian particle tracking）、Spearman秩相关分析和冗余分析（redundancy analysis, RDA），系统揭示了富春江库区回流的时空格局、传播机制及驱动因素。结果表明：研究期内回流在中游河段发生频繁，向上、下游递减，支流偶有发生；回流以低强度、间歇性为主，在夜间与上午呈现双峰型时间分布。回流事件主要由新安江水电站日内停机驱动，自上游向下游再向支流依次传播；富春江库水位波动与兰江来流变化仅起次要调节作用。新安江出库流量、兰江入流与富春江库水位三个关键驱动因子共同解释了库区流速总变异的80.1%，呈现分段控制格局。回流可使兰江高浓度营养盐逆向输移进入新安江干流，影响范围约2.5 km；单次回流事件使营养盐平均滞留时间延长约6 h，日内高频发生的累积效应为蓝藻增殖创造了有利的水力条件。库区回流可分为驻波振荡型与传播回流型两类：前者对应电站日内调节引起的水位往复波动，流向围绕均值小幅振荡，净输移量极小；后者指新安江电站停机后回流自上游向下游再向支流依次推进，具有明确的水团输移方向。回流的生态效应并不直接取决于其强度，而取决于其对水体滞留时间的延长程度，以及所携带营养盐的来源与输移方向。研究将水动力模拟、拉格朗日粒子追踪与驱动因子分析集成于1—30 min时间分辨率框架，应用于“上游调峰、下游控水位、支流控入流”的梯级水库系统，系统量化了联合调度下回流的时空格局与驱动机制，为优化水库调度、库区水质管理与饮用水水源保护提供了科学支撑。

梯级水库联合调度下库区回流时空特征与驱动机制研究——论文解读

一、研究背景与问题提出

河流型水库作为流域水资源优化配置、防洪、发电与生态调控的关键枢纽，在全球河流开发中被广泛采用。梯级水库的联合调度通过协调同一条河流上多个水电站的运行参数，实现防洪、发电、供水等多目标优化，但同时也深刻改变了河流系统的自然水文节律。梯级调度导致库区流速降低、水体紊动减弱，显著抑制了丰枯期之间的自然波动。特别是梯级水电站的日内调节会在库区产生周期性水位波动，并以重力波形式向下游传播，大幅改变库区内的时空水动力格局。在此条件下，上游来水减少或下游顶托效应可能触发回流现象——一种以局部流速减缓甚至流向逆转为主要特征的独特水文过程。回流通过改变局部流场结构、延长水体滞留时间、影响热分层与光照条件，对库区水文情势、水体交换时间、藻类生长等环境过程产生耦合影响，尤其是为蓝藻增殖创造有利条件。鉴于传统营养盐削减策略效果有限，通过调控水动力条件控制蓝藻水华已被视为关键途径，因此深入研究回流的时空特征与驱动机制具有重要的科学意义。

目前已有研究主要聚焦于单座水库的运行影响或支流回水区藻类响应，对梯级水库协调运行下变动回水区回流现象的系统性量化研究仍较缺乏。此外，回流事件具有高频、短历时特征，受监测站点布设与采样频率限制，难以连续高分辨率捕捉其时空演化过程。上游来流、下游水位、支流入流等驱动因子对库区流速及回流的定量贡献尚不明确，回流对营养盐输移的影响空间范围及其与驱动因子的定量关系也需进一步厘清。富春江水库位于浙江省钱塘江中游，是一座低水头河床式日调节水库，其上游承接新安江水库（千岛湖）与兰江两大支流来水，下游连接富春江干流。水库位于国家级风景区内，是杭州、嘉兴地区上千万人口的饮用水水源地，水质要求极高。然而，富春江水库的水文条件同时受上游新安江水库泄流与下游富春江水电站运行的共同调控，形成“夹心式”梯级运行格局，导致变动回水区频繁形成，尤其在兰江汇入的中段常发生回流现象。

二、研究内容与主要结论

本研究以新安江—富春江梯级水库协调运行为背景，聚焦富春江水库变动回水区，基于MIKE 21二维水动力模型对2025年5—7月（典型高温期）进行高时空分辨率模拟，系统开展了以下研究：揭示梯级运行下富春江水库变动回水区回流现象的时空特征，包括回流频率、持续时间、流速强度与发生时段等统计规律；利用拉格朗日粒子追踪量化各监测站点回流最大上游推进距离，评估回流对营养盐输移的空间影响范围；综合运用Spearman秩相关分析与冗余分析，阐明新安江出库流量、富春江水电站水位与兰江流量对库区流速及回流的驱动机制。研究将水动力模拟、拉格朗日粒子追踪与驱动因子分析集成于1—30 min时间分辨率框架，系统揭示了梯级协调下富春江库区回流的时空格局，填补了常规监测难以捕捉的高频回流事件识别的关键空白。

研究得出以下主要结论：在梯级联合调控下，富春江库区回流事件呈现显著时空异质性。回流频率与持续时间均呈中游高、上下游递减、支流偶发的空间格局，回流以低强度、间歇性为主。所有回流事件呈双峰分布，峰值出现在夜间（00:00—03:00）与上午（09:00—11:00）。回流事件由新安江水电站日内发电停机驱动，自上游向下游再向支流依次传播，富春江站水位波动与兰江流量变化仅起调节扰动作用。库区流速格局呈现“分段控制”特征：新安江来流是干流段的主要驱动力，支流JJY与DY主要由兰江流量控制，汇合口下游的SDDQ受两源共同影响，富春江库水位顶托效应贯穿全河段但贡献较小。回流显著延长营养盐滞留时间，可将兰江高浓度营养盐逆向输移进入新安江干流，影响范围约2.5 km，单次回流事件使营养盐平均滞留时间延长约6 h，日内高频发生的累积滞留效应对营养盐转化与累积具有不可忽视的影响，为蓝藻增殖提供了相对稳定的水力条件，增加了饮用水水源藻华暴发风险。

三、主要技术方法

研究人员基于MIKE 21 FM二维水动力模型（丹麦DHI开发），在非结构化三角网格上采用有限体积法求解二维浅水方程，模拟富春江库区水位与流速场。模型上边界位于新安江水电站坝址，下边界位于富春江水电站坝址，支流兰江上游边界位于金华江与衢江汇合处，网格约53,615个单元，主河道分辨率约30—100 m。地形数据源自2019年浙江省水体调查，模拟时段为2025年5月1日至7月1日共61天，常规输出间隔30 min，典型回流事件期间加密至1 min。模型采用LTB与JJY两个水位站的日平均水位序列进行验证。回流识别采用流向夹角超过120°且瞬时流速大于0.01 m/s的判定标准。回流距离计算采用拉格朗日粒子追踪方法，基于IDW空间插值与线性时间插值重构速度场，采用四阶Runge–Kutta法（RK4）进行时间积分，时间步长60 s。驱动因子分析采用Spearman秩相关分析与冗余分析（RDA），以8个监测站点流速为响应变量，新安江出库流量、富春江库水位与兰江流量为解释变量，样本量n=1465。

四、研究结果

4.1 回流特征统计

2025年5—7月，富春江库区8个站点共发生861次回流事件。回流频率与持续时间呈显著空间差异，总体呈现新安江干流中上段高、下游段与兰江支流低的格局。MMDQ站回流次数最多（152次），其次为XYB（147次）与YXD（143次）；JJY与DY仅记录38次与43次。回流总时长占比方面，MCMT最高（22.0%），其次为MMDQ（19.6%）、DT（17.6%）与XYB（16.6%），兰江段JJY与DY仅占3.9%与5.6%。库区中段（MMDQ至MCMT）是回流发生最频繁、持续时间最长的核心河段。

回流事件平均持续时间介于1.46—2.66 h。SDDQ平均持续时间最长（2.66 h），MCMT平均2.48 h并记录全区最长单次事件9.83 h，YXD（1.46 h）与JJY（1.51 h）持续时间明显较短。

回流流速总体偏低，平均值介于0.067—0.123 m/s，中位数集中于0.052—0.094 m/s，表明回流以低强度、间歇性为主要特征。YXD、MCMT与MMDQ站回流流速相对较高，极端事件峰值可达0.36—0.373 m/s；DT与DY站回流流速明显偏低。

回流事件起始时间呈双峰分布，峰值出现在夜间（00:00—03:00）与上午（09:00—11:00），且随回流强度增大，夜间集中性更加显著。中游河段是回流频率最高且夜间强回流主导性最明显的区段。

4.2 最大回溯距离

选取2025年6月19—20日典型回流事件，以1 min输出频率释放粒子追踪运动轨迹。SDDQ站最大回溯距离最长（2487 m），其次为XYB（1628 m）、YXD（1435 m）与MCMT（1267 m），JJY（888 m）与DT（1172 m）最短。各站平均回流流速介于0.087—0.190 m/s，流速差异主要由河道地形与河宽共同决定。回溯距离可反映营养盐被逆向输移的上游范围。

五、讨论与结论

典型事件分析表明，MCMT站流速与新安江水电站出库流量显著相关：出库流量从0增至1300 m3/s时流速迅速升至峰值0.57 m/s，停机后流速急剧下降并反向，最大回流流速达0.35 m/s。各站首次回流发生时间清晰揭示了回流自上游向下游再向兰江支流传播的过程：YXD最先于00:49发生回流，随后依次为XYB（00:51）、MMDQ（01:00）、DT（01:03）、MCMT（00:55）、SDDQ（01:03），兰江支流DY于01:49、JJY于02:05最后发生。两个回流峰值时段对应新安江水电站日内发电循环的停机阶段。与已有研究对比，本研究识别出日调节诱发的次级流动可分为“驻波振荡”与“传播回流”两种类型，丰富了变动回水区高频水动力机制的认识。

Spearman秩相关分析显示，新安江流量与干流段流速呈强正相关（ρ=0.84—0.90），与汇合口下游SDDQ呈中等相关（ρ=0.53），与兰江支流站几乎无相关（ρ≈0.01）；兰江流量与支流站JJY（ρ=0.85）和DY（ρ=0.81）呈强正相关，与SDDQ呈中等相关（ρ=0.52），与干流段相关极弱；富春江库水位与各站流速均呈弱负相关（ρ=?0.20至?0.28）。三个驱动因子两两相关系数均低于0.23，不存在多重共线性问题。

RDA分析表明，三个驱动因子共同解释流速总变异的80.1%。第一轴RDA1（55.0%）与新安江出库流量高度相关（loading=+0.828），五个干流站沿RDA1正方向分布，标准化回归系数β为0.83—0.92；第二轴RDA2（25.1%）与兰江流量强相关（loading=+0.894），JJY与DY在RDA2上得分显著高于其他站点（β=0.92—0.94），而新安江流量对其β值仅0.03—0.04；SDDQ在两轴上均呈中等得分（β分别为0.49与0.68），反映汇合口下游“双源共控”的过渡特征。单因子解释力方面，新安江流量贡献最大（50.91%），兰江流量次之（27.75%），富春江库水位仅占4.45%。

营养盐分析显示，2016—2025年月度监测数据中，YXD站TN与TP年均浓度分别为1.20 mg/L与0.02 mg/L，LJK站达2.23 mg/L与0.09 mg/L，约为YXD的1.9倍与4.5倍，SDDQ站介于两者之间，表明兰江是库区高营养盐负荷的主要来源。考虑各站最大回溯距离，兰江水质影响可上溯至新安江干流约2.5 km范围。典型回流事件中，各站回流持续时间2.27—4.48 h，平均约2.95 h，回流恢复至初始位置需4.54—8.96 h，全库区平均单次回流事件使营养盐平均滞留时间延长约6 h，约为藻类生物量倍增周期（平均2.8天）的9%。回流几乎每日发生，累积滞留效应显著，为蓝藻增殖提供了相对稳定的水力条件。

研究结论部分指出：在梯级联合调控下，富春江库区回流事件呈显著时空异质性，频率与持续时间均呈中游高、上下游递减、支流偶发的空间格局，回流以低强度、间歇性为主，呈夜间与上午双峰分布。回流由新安江水电站日内发电停机驱动，自上游向下游再向支流依次传播，富春江站水位波动与兰江流量变化仅起调节扰动作用。库区流速呈“分段控制”特征：新安江来流主导干流段，兰江流量控制支流段，汇合口下游受两源共同影响，富春江库水位顶托效应贡献较小。回流显著延长营养盐滞留时间，可将兰江高浓度营养盐逆向输移至新安江干流约2.5 km范围，单次事件使滞留时间延长约6 h，累积效应为蓝藻增殖创造有利水力条件，增加饮用水水源藻华暴发风险。研究还提出两点机制认识：库区回流可分为驻波振荡型与传播回流型两类；回流的生态效应取决于其对水体滞留时间的延长程度及所携带营养盐的来源与输移方向。