水库调度作用下香溪河库湾水动力场特征数值模拟研究

摘要

支流水体富营养化及藻类水华是研究三峡水库生态环境问题的重要内容,而水动力场对支流库湾营养盐的输移有重要影响,长期野外观测发现,香溪河库湾在一年内大部分时间内都有长江干流与库湾水体的温差倒灌异重流存在,其对库湾的水质及水体富营养化进程有着直接影响。研究三峡水库正常运行调度后支流库湾水动力特性及其受水库干流影响的规律,是深入研究库湾水环境状况和解决其水体富营养化问题的基础。基于此,本文通过数值模拟方法,以实际监测数据为基础,率定合理的数学模型参数,模拟香溪河库湾在三峡水库正常调度运行后的水动力场、温度场年内运动、变化特征,研究库湾水温异重流的运动特征,并探讨水库水位调度对库湾水动力场、温度场的影响,主要内容及研究成果如下:
　　(1)系统开展三峡水库支流库湾水温分布相关文献收集与整理,分析影响水库水温分布的主要因素,总结实际监测方面的研究成果;收集三峡库区以及香溪河相关的水动力、水温、气象等数据,为建立香溪河库湾异重流的数学模型提供基础数据支持。
　　(2)根据收集的相关资料,综合考虑影响异重流模型的主要因素,建立香溪河库湾异重流数学模型,并利用07年实测资料对数学模型的主要参数进行率定和验证,在此基础上,预测三峡水库正常调度运行后,香溪河水动力场、温度场的变化情况,分析异重流运动在全年的运动变化情况。模拟结果表明,整个香溪河计算区域在一年中均存在温度异重流现象,其中,在河口区,长江干流水体倒灌进香溪河口的流速较大,与库湾水体垂向交换明显,水温垂向温差较小。而在香溪河上游,异重流现象表现微弱,流速很小,只有毫米级,而由于来流水温低,一年中大部分时间是以低温水潜入,水体垂向表底存在温差。
　　(3)由于长江干流水体的倒灌和香溪河上游来流的影响,香溪河水体水温具有明显的空间分布特性,即在近河口区域,因受长江入流的影响,在一年中水体有较弱的分层;在香溪河库湾上游区域,地形较高,水深较浅,由于上游来流水温在一年中大部分均低于库湾水体水温,主要以底层潜流的形式进入库湾,表底层垂向存在一定的温差;而在库湾中游区域,表底层垂向温差处于上游和河口之间,表现为长江干流倒灌水体,随着向库湾上游运动,在运动过程中逐渐与库湾水体发生掺混,与库湾水体温差逐渐缩小。
　　(4)由于水动力场对库湾营养盐的输移有重要影响,是香溪河库湾水华暴发的主要诱因,而异重流的运动是水动力场的重要组成部分,因此,如果通过水库调度,增强库湾异重流的运动强度,增加水体表底层的垂向掺混,从而改变香溪河库湾的水动力场,可能会对库湾的水华情势产生积极的影响,基于此,本文探讨了通过三峡水位调度,水位改变对香溪河库湾水温-水动力场的影响。结果表明,①水库通过水位下降的调度对库湾水动力场的影响主要体现在库湾表底层温差减小上,可以增大中上游区域的垂向掺混,减小其垂向温差,而对库湾水体流速的影响主要在库湾上游,对中下游段流速影响很小;②水库水位抬升的调度对库湾中、底层水体的流速影响较大,会减小库湾流向河口的流速,水库水位抬升的调度也会使库湾中下游区域表底层垂向温差明显减小,增大其垂向掺混。③水库以不同水位运行对于香溪河水动力场的影响较为明显,较低水位运行相对较高水位运行使长江干流倒灌范围减小,倒灌流速减小,而中下游区域流向河口流速增大,使库湾中下游区域表底层垂向温差明显减小,增大其垂向掺混。
　　(5)水库水位下降以及降低水位运行对能够减小香溪河中上游的表底垂向温差,增强其垂向掺混,而对下游区域影响相反;水库水位抬升运行能够减小香溪河中下游的表底垂向温差,增强其垂向掺混,而对香溪河中上游区域相反。利用这一结论,可以考虑针对库湾不同区域的水华暴发采取不同的水库调度方式,以此达到改善库湾支流水环境的目的。

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1 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 三峡库区水环境现状

1.3 三峡库区支流库区富营养化问题研究

1.4 异重流研究现状

1.5 主要研究内容和技术路线

2 香溪河水温-水动力数值模型的建立

2.1 香溪河概况

2.2 香溪河库湾水文水动力特点

2.3 构造香溪河水温-水动力数值模型

2.4 定解条件

2.5 计算区域及网格划分

2.6 模型验证

3 香溪河水温异重流运动特征

3.1 引言

3.2 计算区域及边界条件

3.3 模拟结果及分析

3.4 小结

4 水库调度对香溪河水温-水动力场影响

4.1 引言

4.2 调度方案选择

4.3 调度成果分析

4.4 小结

5 总结与展望

5.1 主要研究成果

5.2 展望

参考文献

后 记

攻读硕士学位期间发表的学术论著

攻读硕士学位期间参与的项目