基于抑制近坝支流水华的三峡水库非汛期优化调度研究

摘要

三峡水库蓄水运行后，水体富营养化问题日益加剧，水动力条件显著变缓导致库区近坝支流频繁暴发水华。在影响藻类生长的主要因子中，环境因子和营养盐浓度短期内均无法人为改变，因此通过水库调度改善水动力条件是缓解支流水华暴发程度的重要途径。本文结合实测数据和数值模拟手段，以三峡库区干流及近坝支流香溪河为研究对象，对干支流水体之间的水动力、水质交换掺混特性展开研究，揭示了温差剪切分层流对支流水动力和藻类输移过程的影响机理，探明了有利于降低支流水华暴发程度的水库调度方式；按长期和应急两种时间尺度，提出了基于抑制近坝支流水华的非汛期优化调度准则，并给出了不同水平年下的长期优化调度可行性和应急调度空间。
　　第一，基于嵌入水体流速~藻类生长关系式的CE-QUAL-W2模型，构建三峡库区干流-香溪河垂向二维富营养化模型，利用实测数据对模型进行率定；通过率定工况下的干支流交换掺混特征分析，初步得到温差剪切分层流和水库调度是影响香溪河水华暴发过程的主要因素。
　　第二，基于温差剪切分层流理论和异重流理论，提出量化温差分层流特性的特征值，研究不同干支流初始水温差下分层流的形成和发展过程；分解复杂分层流类型，分别研究单一类型和多类型分层流遭遇下的藻类输移过程；结合典型分层流类型研究支流来流对水华暴发过程的影响规律；结果表明：(1)温差分层流的潜入量、潜入距离和潜入深度均与干支流初始相对密度呈正相关关系；(2)香溪河非汛期水华易发时期，分层流类型对水华暴发的影响表现为：多种不利分层流连续遭遇造成藻类在回水区内往返输移，致使藻类有充足时间大量生长；(3)增加支流来流整体上对抑制水华有利，但对于香溪河非汛期水华易发时段的分层流特征，增加支流来流的作用十分有限，应通过干流潜入流的调节改善支流水动力条件进而达到抑制水华的目的。
　　第三，结合实际调度规则，将三峡水库非汛期调度方式概化为短期、中期和长期三种；研究单一调度因子改变下，不同日泄流过程、水位蓄放过程以及调度时机对支流水华暴发过程的影响规律；结果表明：调峰，相同谷荷流量下增加调峰幅度，低谷荷流量和高调峰幅度组合的日泄流方式，相同调峰幅度下增加谷荷流量，水库蓄水过程以及增加升水位日变幅，能够起到加速藻类逆时针输移过程和降低藻类生长率的作用，有效降低水华暴发水平；以最短调度时间达到最大效果为原则，藻类复苏期开展调峰至增长中期结束，复苏期末开展升水位调度至增长峰值后结束，增长峰值后开展降水位调度，是抑制水华的最佳调度时机。
　　第四，按时间尺度，从长期和应急两方面开展基于抑制近坝支流水华的三峡水库非汛期优化调度研究：(1)在三峡电站常规电力调度规则基础上，提出在水华易发时期3~5月份，根据上游来流情况，在满足最小下泄流量和后期水位消落以及不弃水的原则下，尽可能开展蓄水调度；(2)通过实例验证了优化调度准则能够同时达到改善支流水质和提高非汛期发电量的双重目的；(3)根据三峡水库历史径流资料，分析不同典型年执行优化调度的可行性，得到以3~5月为调度期时，较丰水年可行性最高；以4~5月为调度期时，特丰水年可行性最高；即水量充沛且年内分配均匀的年份具有较高的调度可行性；(4)针对近坝支流春季突发水华事件，提出水华预警和应急处置策略；综合考虑三峡入库径流过程、电站经济运行、机组最大下泄能力和水位日变幅等因素，提出应急调度空间计算方法，计算实例表明非汛期径流分配均匀的较丰水年具有最大的应急调度空间。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究进展

1.3本文研究内容及技术路线

第二章 嵌入改进藻类生长关系式的三峡水库富营养化模型研究

2.1 W2模型及改进

2.2研究区域概况

2.3三峡水库富营养化模型构建

2.4模型率定

2.5干支流交换掺混特征分析

2.6本章小结

第三章 近坝支流温差分层流影响下的水动力水质特性

3.1干支流初始水温差对支流水动力特性的影响

3.2温差分层流影响下的藻类输移过程

3.3支流来流对水华暴发过程的影响

3.4本章小结

第四章 水库调度对近坝支流水华暴发过程的影响

4.1三峡水库调度方式概化

4.2香溪河水华暴发特征数值模拟重现

4.3日泄流过程对水华暴发的影响

4.4水位蓄放过程对水华暴发的影响

4.5抑制水华暴发的调度时机

4.6本章小结

第五章 基于抑制近坝支流水华的三峡水库优化调度准则

5.1非汛期长期优化调度准则

5.2实例验证

5.3不同典型年的调度可行性分析

5.4突发水华事件的预警和应急调度

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2本文创新点

6.3展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢