三峡水库近坝区典型支流水流特性及其对调度的响应

摘要

三峡水库蓄水以后,由于库水位抬高,干支流水流变缓,水体富营养化日趋严重,部分支流库湾多次了“水华”,部分学者认为水流变缓是水库富营养化的主要诱因之一,通过水库调度改变库区的水流条件,进而控制水体富营养化已经得到许多专家学者的认可,但还没有明确提出防控支流水华的水库生态调度需求。本文通过研究三峡水库近坝区典型支流香溪河和神农溪库湾的水动力特性,采用现场监测与数值模拟等手段相结合,分析了三峡水库香溪河和神农溪库湾水动力过程,并比较了水库不同运行时期各个支流的水温水动力特征。借助CE-QUAL-W2建立数学模型模拟香溪河和神农溪库湾水流特性,验证了CE-QUAL-W2模型在香溪河和神农溪库湾水流计算中的适用性。并进一步应用模型,模拟不同泄水调度和蓄泄结合调度工况下库湾水动力特性的变化,结合水动力过程与水华的响应关系,判断各泄水调度工况控制水华是否可行。主要结论如下:
　　(1)通过野外监测比较水库不同运行时期各个支流的水温水动力特征,得出主要结论如下:
　　①香溪河和神农溪库湾全年都存在倒灌异重流现象,同一时间干流水体从河口的潜入位置基本相同;香溪河和神农溪库湾上游下泄低温水全年都以顺坡异重流的形式流向下游。
　　②香溪河和神农溪库湾倒灌异重流的潜入方式基本相同,由于枯水期历时较长,经历了由表层-中层-底层-表层转化的过程;汛前消落期和汛期主要以表层和中层倒灌为主;蓄水期主要由中层倒灌转化为表层倒灌。
　　③干流潜入香溪河水体潜入过程中,异重流厚度沿程变化较为平缓,呈缓慢减小的趋势。而潜入神农溪水体由于受地形影响异重流厚度沿程变化过程较为复杂,表层倒灌时异重流潜入规律与香溪河相似,呈缓慢减小的趋势,而底层倒灌时,SN02断面处特殊的地形条件对干流倒灌水体的入侵起到了缓冲作用。
　　④香溪河和神农溪库湾水体垂向分层状态的时空分布规律基本相同,水体稳定系数由库湾下游向上游都呈现逐渐递增的趋势。枯水期主要垂向掺混状态为主,库湾上游小部分区域处于弱分层状态,随着时间的推移库湾水体掺混状态向弱分层状态转变;汛前消落期库湾水体由弱分层状态向分层状态转变;汛期库湾下游呈现弱分层状态,上游呈现分层状态;蓄水期库湾水体由分层状态向掺混状态转变。
　　⑤香溪河水体主要进行“水平”而非“垂直”能量交换,而神农溪水体下游段河口至SN02断面“水平”和“垂向”能量交换都很明显,中上游SN02断面以上主要进行“水平”能量交换。
　　(2)基于 CE-QUAL-W2建立的三峡水库-香溪河-神农溪库湾立面二维水流水温模型能够准确的模拟香溪河库湾长期存在的分层异重流特性,模型能够较为准确的模拟出长江干流以及支流库湾水温垂向分布特征和支流库湾长期存在的水流分层异向流动,基本能够反映出干流水体潜入厚度以及潜入距离,同时模型能够较为准确的模拟出支流库湾流速大小以及流速垂向分布规律。因此,该模型可以用于香溪河和神农溪库湾水动力模拟。
　　(3)分别模拟了初始水位160 m、155 m条件下,不同泄水调度工况下的库湾水动力特性,以及在汛前消落期不同水位日变幅蓄泄结合调度工况水位调度对近坝区典型支流水流特性的影响规律分析,得出主要结论如下:
　　①在160 m水位下进行泄水调度时,香溪河和神农溪库湾流场发生了明显的变化,随着泄水幅度的增强,干流倒灌异重流的潜入距离明显减小,异重流厚度也有一定程度的减小,且神农溪库湾流场的变化比香溪河更加明显。泄水调度对香溪河库湾表层水体的流出起到了促进作用,库湾下游XX00-XX05断面之间表层流速基本都在控制水华暴发的临界流速0.04 m/s以上,库湾上游XX05-XX10断面之间表层流速变化较小,流速均小于0.04 m/s。而神农溪库湾160 m水位时,干流以表层倒灌为主,泄水调度对神农溪库湾表层水体的潜入起到了抑制作用,因此整个库湾表层流速在短期调度时间内大小较小,均低于0.04 m/s。
　　②在155 m水位下进行泄水调度时,香溪河和神农溪库湾流场发生了明显的变化,随着泄水幅度的增强,干流倒灌异重流的潜入距离明显减小,异重流潜入厚度变化不大。泄水调度对香溪河和神农溪库湾表层水体的潜入起到了抑制作用,因此整个库湾表层流速在短期调度时间内大小较小,几乎均低于0.04 m/s。
　　③在汛前消落期不同水位日变幅蓄泄结合调度工况香溪河和神农溪的纵向水流分布特征与水位平稳时基本相同。在汛前消落期进行蓄泄结合调度与常规的泄水调度方式相比,蓄水时段库湾表层流速明显增加,泄水时段表层流速有所减小。综合考虑表层流速随时间和空间的变化特征,第一天蓄0.5 m,第二天泄1.1 m,循环蓄泄15个周期,对控制香溪河支流下游水华最为有利,第一天蓄1 m,第二天泄1.6 m,循环蓄泄15个周期的调度效果略微次之;而第一天蓄1 m,第二天泄1.6 m,循环蓄泄15个周期的调度对控制神农溪库湾水华最为有利,第一天蓄0.5 m,第二天泄1.1 m,循环蓄泄15个周期的调度效果略微次之。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容及技术路线

2 三峡水库近坝区支流库湾水温水动力特性分析

2.1 引言

2.2 区域概况

2.3 监测方案

2.4 2013年三峡水库运行时期划分

2.5 香溪河库湾水温水动力时空分布特征

2.6 神农溪库湾水温水动力时空动态特征

2.7 水库不同运行时期各个支流的水温水动力特征比较

3 三峡水库-神农溪-香溪河水温水动力模型

3.1 CE-QUAL-W2模型介绍

3.2 三峡库区-香溪河-神农溪垂向二维水温水动力模型构建

3.3 模型参数率定及验证

3.4 本章小结

4 水位调度对近坝区典型支流水流特性的影响规律分析

4.1 引言

4.2 计算工况设置

4.1 蓄泄结合调度工况下泄流量变化过程图

4.3 结果分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢