通过三峡水库泄水调度抑制支流水华的可行性探讨

摘要

三峡水库支流回水区的富营养化和水华已成为当前三峡库区备受关切的生态环境问题之一。水库生态调度作为改善库区河流流域生态系统的一种有效手段,正得到越来越广泛的关注与研究。但水库生态调度研究大都是定性的理论分析,没有一个比较准确的调度方案,目前需要对库区支流水流水质进行模拟预测,提出相应的水库调度方案来控制可能出现的环境问题。三峡水库作为人工调蓄水体,一年之内水位消落差达到30m,且经历两次,已有的研究表明,水位波动对藻类生长和水库的富营养化状态影响巨大,因此生态调度可能是近期解决三峡水库水环境问题的理想措施。三峡水库蓄水过程可有效抑制水华的暴发,而水位下降的泄水过程作为与蓄水抬升水位的反过程,其水动力学特性及对库湾水环境的影响特征有待更深入研究。本文拟通过模拟三峡水库泄水期支流库湾的水动力变化过程,探讨通过三峡水库泄水调度抑制支流库湾水华的可行性,为三峡水库的生态调度提供科学依据。论文的主要研究工作及研究结论如下:
　　(1)通过对2008-2011年主要泄水过程水动力条件和水华的时空动态特征进行分析,建立水华与水动力条件的响应关系。研究表明,在泄水初期,长江干流水体从香溪河河口底部潜入库湾,随着泄水过程的进行,水位持续下降,潜入深度逐渐上移到中上层;在强泄水期,长江干流水体基本从河口表层倒灌入库湾,并且影响范围更大。2008-2011年泄水阶段流速统计表明,流速最大值均达到0.1m/s左右,且在强泄水期流速大小较弱泄水期大。
　　(2)流速大小对香溪河库湾水华有重要的影响,叶绿素 a浓度与流速大小呈负相关关系,且越靠近河口,这种关系越明显,可以以流速大小作为影响库湾水华情势的主要因子。5m水深处,R2=0.4694,流速与叶绿素 a浓度拟合效果较好,选用y=-11.711Ln(x)-7.754为流速大小与叶绿素 a浓度的响应关系模型。综合考虑拟合结果和香溪河库湾水华的藻类组成,保守取定控制水华暴发的临界流速为0.04m/s。(3)基于CE-QUAL-W2建立的香溪河库湾立面二维水流水温模型能够准确的模拟香溪河库湾水动力特性以及长期存在的分层异重流特性,能基本反映干流倒灌水体的潜入深度。同时,模型计算的库湾流速垂向分布与实测值趋势基本一致,流速大小吻合较好。因此,该模型可以用于香溪河库湾水动力模拟。
　　(4)分别模拟了初始水位170m,165m,160m,155m条件下,不同泄水调度工况下库湾的水动力特性,主要结果如下:
　　①初始水位为170m时,水库干流水体基本以中层异重流形式倒灌入香溪河库湾,上游来流以顺坡异重流形式从底部流出库湾,库湾表层水体则流向河口。当水位平稳时,库湾下游XX00～XX03表层流速达到抑制水华发生的临界流速0.04m/s。在泄水工况中,泄流量越大,表层流速则越大。工况中水位日降幅最大达到2.4m/d时库湾表层流速与水位平稳时相比增大不明显,仅在河口附近水域达到抑制水华发生的临界流速,而这一效果在水位平稳时即可达到,因此在初始水位170m时的泄水调度抑制水华效果有限。
　　②初始水位为165m时,水库干流水体基本以中层异重流倒灌入香溪河库湾,上游来流则从底部和表层流出库湾。当水位平稳时,库湾河口附近XX00表层流速达到抑制水华发生的临界流速0.04m/s。在泄水工况中,泄流量越大,表层流速则越大。工况中水位日降幅最大达到2.24m/d时库湾表层流速显著大于其他工况,特别是工况6-1.5情况下,XX00、XX03、XX04和XX07表层流速均达到抑制水华发生的临界流速,因此,这一泄水调度抑制水华的效果较好。
　　③初始水位为160m时,水库干流水体基本靠近表层倒灌入香溪河库湾,上游来流以顺坡异重流形式从底部流出库湾。当水位平稳时,库湾下游 XX00～XX04表层流速达到抑制水华发生的临界流速0.04m/s。在泄水工况中,泄流量越大,表层流速则越小。三种工况泄水调度后,库湾表层流速与水位平稳时相比增大不明显,仅在河口附近水域达到抑制水华发生的临界流速,而这一效果在水位平稳时即可达到,因此在初始水位160m时的泄水调度效果并不是很好。
　　④初始水位为155m时,水库干流水体基本以中层异重流形式倒灌入香溪河库湾,上游来流以顺坡异重流形式从底部流出库湾。当水位平稳时,库湾上游 XX10受上游来水影响,表层流速达到抑制水华发生的临界流速0.04m/s。在泄水工况中,库湾表层流速大小变化差异性不大。整体调度效果较水位平稳时不明显,因此在初始水位155m时的泄水调度效果并不是很好。
　　整体而言,通过泄水调度抑制支流水华效果不明显。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容及技术路线

1.4 本章小结

2 香溪河库湾水华特征及其与水动力的响应关系

2.1 引言

2.2 监测方案及分析方法

2.3 香溪河库湾泄水期水华特征

2.4 水动力条件的时空动态特征

2.5 水华与水动力条件的响应关系

2.6 本章小结

3 香溪河库湾水动力数值模拟

3.1 引言

3.2 模型介绍

3.3 香溪河库湾水动力模型的建立

3.4 模型的率定与验证

3.5 本章小结

4 通过三峡水库泄水调度控制香溪河库湾水华的计算分析

4.1 引言

4.2 计算工况设置

4.3 结果与分析

4.4 讨论

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录