三峡库区澎溪河(小江)富营养化及水动力水质耦合模型研究

摘要

三峡水库次级河流回水区富营养化问题是当前三峡库区最为严重的生态环境问题之一。三峡大坝建成蓄水后，长江干流总体营养盐浓度变化并不显著，水质总体保持稳定。但由于水滞留时间的延长，长江支流水体富营养化有加重趋势，因水体富营养化出现了较大规模的水华现象。而水动力条件的改变是导致水体富营养化，加剧水华发生的最主要原因。因此，考虑水动力条件对水质污染和水体富营养化的影响及水华控制具有重要意义。
　　 在分析澎溪河流域气象、水文及污染特征和三峡蓄水后澎溪河水动力条件、水质等水环境因素的变化的基础上，构建SWAT与MIKE21耦合模型，研究调节坝的生态调度控制水体富营养化的可行性并提出优化调度方案。研究成果可为三峡水库支流回水区的富营养化控制提供理论依据和实践参考。论文主要研究内容如下：
　　 ①澎溪河流域气象水文特征及回水区河道形态特征。
　　 澎溪河地区具备发生水体富营养化的光热条件，春夏之交是富营养化多发季节。澎溪河流域年际和年内的降水量、径流量分配不均匀。三峡水库蓄水后，澎溪河断面面积为1082-75126m2，水面宽度为57.60-2026.31m。河道断面面积和水面宽度沿程变化大，河道形态复杂。
　　 ②澎溪河水质及富营养化现状。
　　 在收集野外监测数据的基础上分析环境条件和各污染物指标的相互关系，根据回水区的径流量、降水量，结合水温、气温、溶解氧(DO)、氮(N)、磷(P)、叶绿素a(Chla)，化学耗氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)等指标的浓度值，分析了水污染与水文条件的关系。研究结果表明：季节性温度、降水量等因素是影响澎溪河水环境的首要原因，其次是三峡水库蓄水的影响，蓄水后水位的变化使回水区水环境因子发生变化：DO升高并趋于均匀分布，总氮(TN)峰值浓度略有下降，总磷(TP)峰值浓度略有增加，N/P值有减小的趋势。蓄水后的水文条件易导致水体富营养化的发生。从年内分析来看，高浓度的TN、TP容易出现在降水量大、流量大的丰水期；流量大于1.50m3/S或日平均降水量大于30mm的水文条件下容易测得高的TN、TP浓度值，但Chla含量较低；高含量的Chla容易出现在3-5月份澎溪河流量在35-45m3/s之间，且前期降水量不超过15mm的情况下。
　　 ③三峡蓄水对污染物降解系数及水环境容量的影响。
　　 受天然因素和人工蓄水的影响，澎溪河水域污染物滞留时间及降解率的变化呈现出动态特征，回水区污染物降解系数为蓄水前1/20-1/10，直接影响着水环境容量的变化。采用一二维水动力模型相结合，对澎溪河7个功能区进行计算表明：蓄水后，CODMn水环境容量减少约15.6％，氨氮(NH3-N)水环境容量减少量约12.2％，TP水环境容量减少约28.3％。
　　 ④采用MIKE21水动力模型，研究三峡蓄水对澎溪河回水区水动力特征影响。
　　 三峡蓄水后，水位上升，澎溪河回水区段河道断面增宽，过水面积增加。在相同流量条件下，断面流速比天然状态下减小，流速与蓄水位成反比。蓄水前澎溪河各个断面的最小流速为0.01-0.19 m/s，蓄水后最小流速为0.001-0.005 m/s。蓄水后，渠马、高阳、黄石、双江大桥、河口五个断面的平均流速为蓄水前的1/2-1/100。依据本文对澎溪河水动力和水质特征的分析提出了水体类型划分：湖泊型流速<0.016m/s，过渡型流速为0.016-0.050 m/s，河道型流速为>0.050 m/s。水动力学条件的改变导致水质评价适用标准的改变，从而水质评价结果由蓄水前的Ⅱ-Ⅲ类达标水体变为超过Ⅱ-Ⅲ类水质的不达标水体。
　　 ⑤采用SWAT分布式水文模型对澎溪河流域非点源污染负荷的研究。
　　 采用SWAT模型，根据流域的数字高程、土壤分类、植被分类、气象水文、水质等自然特征和行政区划、人口分布等社会经济状况的相关数据和资料，建立模型数据库。划分为25个计算子流域，225个水文相应单元(HRUs)，模拟计算流域非点源污染负荷。在7-9月氮、磷负荷最大，丰水期氮平均为928.67吨/月，磷平均为173.47吨/月；在12月至次年1月氮、磷负荷最小，枯水期氮平均为61.91吨/月，磷平均为11.56吨/月。
　　 ⑥构建SWAT模型与MIKE21耦合模型，预测水质及水体富营养化。
　　 根据三峡水库的调蓄过程，在175m高水位、小流量、低污染负荷和145m低水位、大流量、高污染负荷的两种设计条件下模拟澎溪河水体断面平均CODMn、TN、TP浓度和Chla含量，澎溪河回水段从上游到下游的CODMn、TN、TP浓度有增加的趋势，在接近河口处有趋同于长江水污染物浓度的趋势。145m低水位的大流量、高污染负荷设计条件下Chla含量较高，在弯道下游和河道水面开阔的高阳、双江大桥断面的流速减缓区段，出现Chla含量峰值。
　　 拟合澎溪河水体流速及Chla含量相关关系，分别在枯丰两种设计条件下建立水体流速(V)与Chla(S)含量的相关关系式，分别为S=0.1860·V1.6820(相关系数r2=0.8380)和S=10.8449·V-0.2939(相关系数r2=0.8380)。模拟结果表明：加大水体流速有利于抑制Chla含量。通过改变水动力条件控制富营养化具有可行性。
　　 ⑦依托已建的澎溪河生态调节坝，提出了澎溪河水华控制生态调度方案。
　　 根据河流流速与Chla含量的相关性，根据澎溪河水动力学特征和水利工程的控制约束条件，建立了生态调度模型，模拟计算并提出了3-6月控制水华发生机率的调节坝最优化调度运行方案，使生态调节坝下游回水区的断面平均Chla含量控制在20 ug/L以下从而达到控制水华的目的。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 引言

1.2 流域富营养化及模型研究现状

1.2.1 三峡库区及支流富营养化研究现状

1.2.2 水动力模型研究进展

1.2.3 水质模型研究进展

1.2.4 富营养化模型研究进展

1.3 本文选题的目的与意义

1.3.1 澎溪河流域富营养化研究的必要性

1.3.2 SWAT与MIKE 21模型耦合的研究意义

1.4 研究方案

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容与方法

1.4.3 技术路线

2 澎溪河流域概况分析

2.1 流域自然概况

2.1.1 地理位置

2.1.2 地形及水系

2.1.3 植被现状

2.2 流域气象水文特征

2.2.1 水文站网及资料来源

2.2.2 气温及热量特征

2.2.3 降水特征

2.2.4 水文特征

2.2.5 泥沙特征

2.3 流域社会经济状况

2.4 小结

3 澎溪河水质及水环境容量研究

3.1 澎溪河水质变化趋势分析

3.2 降水径流对营养盐浓度的影响

3.3 三峡蓄水后澎溪河水环境容量变化分析

3.3.1 计算范围

3.3.2 水环境容量计算模型

3.3.3 计算水文条件设计

3.3.4 污染物降解系数变化分析

3.3.5 水质目标值确定

3.3.6 计算结果及分析

3.4 小结

4 澎溪河流域MIKE21模型研究

4.1 基本原理

4.2 边界及初始条件

4.3 数值计算方法

4.4 三峡蓄水对澎溪河水动力条件的影响

4.4.1 澎溪河流域径流分析及计算

4.4.2 澎溪河回水区河道地形特征

4.4.3 模型建立及初始条件设置

4.4.4 水面形态计算结果及分析

4.4.5 流速计算结果及分析

4.4.6 水体类型特征及分析

4.5 小结

5 SWAT与MIKE21耦合模型研究

5.1 SWAT模型及数据库建立

5.1.1 流域基础数据库准备

5.1.2 基于DEM的水文参数计算

5.1.3 子流域划分及计算

5.1.4 植被类型数据库的建立

5.1.5 土壤类型数据库的建立

5.1.6 气象数据库的建立

5.1.7 水文响应单元(HRU)生成

5.1.8 模型率定和验证

5.2 MIKE21生态动力学模型

5.3 SWAT与MIKE21耦合模型设计

5.3.1 水动力场数值设计

5.3.2 模型参数的确定

5.3.3 水质数值模拟

5.3.4 定解条件及初始设置

5.3.5 水质及富营养化预测

5.4 小结

6 澎溪河水华控制的生态调度研究

6.1 水华发生的临界水文条件

6.2 调节坝及调度方式

6.3 调节坝生态调度模型

6.3.1 模型计算条件的确定

6.3.2 水动力场数值设计

6.3.3 计算成果及分析

6.4 生态调度方案及运行方式

6.5 小结

7 结论及建议

7.1 结论

7.2 建议

致谢

参考文献

附 录