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水利工程论文-三峡工程中的几个环境水力学问题.doc

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水利工程论文-三峡工程中的几个环境水力学问题.doc

水利工程论文三峡工程中的几个环境水力学问题摘要对三峡工程环评阶段的几个环境水力学问题,如扩散能力和污染带影响、库区BOD5负荷的影响、泥沙对水质的影响、水温预测、河口径流的变化和盐水入侵等进行了述评,指出了存在的问题和进一步研究的方向和意义。关键词三峡工程环境水力学水质泥沙盐水入侵水温1三峡工程概况二峡工程坝址位于湖北宜昌县三斗坪镇,距下游葛洲坝水利枢纽约40km,控制流域面积100万kmz,是治理和开发长江的一项关键性骨干工程。其规模空前,技术复杂,投资多,周期长,在中国水利工程史上是前所未有的。三峡工程1994年12月正式开工,预计2009年完工。根据审查通过的三峡水利枢纽初步设计报告,三峡水利枢纽的主要建筑物由拦江大坝、水电站和通航建筑物三大部份组成。大坝为重力坝,坝顶全长2335m,坝顶高程185m吴松高程,下同。正常蓄水位75m,相应的防洪限制水位145m,枯季消落低水位155m。泄洪坝段位于原主河槽部位,其两侧为左右厂房坝段和非溢流坝段。正常蓄水位175m时,20年一遇洪水回水末端至四川巴县木洞镇,距坝址565.7km。水库水面面积1084km2,水面平均宽度约1100m,与天然情况相比增加约一倍。水库平均库容393亿m3,其中防洪库容有221.5亿m3,兴利调节库容有16亿m3,约占坝址径流量的3.7,系一径流调节能力不大的季调节水库。水电站为坝后厂房,共安装26台左14台,右12台单机容量为70万kW的混流式水轮发电机组,总装机容量1820万kW,年平均发电量约847万ktWh。另外,为减少弃水增加发电,右岸预留6台70万kW机组的地下厂房位置。通航建筑物全部布置在左岸,设双线连续五级船闸和垂直升船机。建成后的三峡工程具有防洪、发电、航运等巨大综合效益。水库运行中,将兼顾防洪、发电、航运、排沙的要求,协调好除害与兴利、兴利各要素之间的关系,以发挥工程最大综合效益。通过选取丰、平、枯各种来水典型年进行分析计算可以发现,经水库调节后,径流年内变化与天然情况差别不大,且年内人海径流总量不变。2三峡工程中的几个环境水力学问题及研究现状环境水力学是环境科学和水力学相结合的一门学科,研究水体中的污染物在水体中的迁移转化,特别是随着水体力学特性的变化而变化1三峡工程对水质的影响是生态与环境评价中一个有争议的问题。库区工业和生活废水年排放量10亿t,绝大部分未经处理直接入江,造成局部污染。根据监测结果,三峡库区段总体水质良好,但城市江段岸边污染严重。其中重庆市区的岸边污染最严重,其次是万县市、涪陵市和长寿县城关镇江段。主要污染物为发挥性酚、总磷、总氮、石油类、BOD、COD、悬浮物、总汞、硫化物、氧化物、六价格和砷等。从总体上看,三峡工程对库区水质不利,对中下游水质有利。建库后,库区水体流速减缓,复氧和紊动扩散能力下降,将加重局部水域污染。另一方面,枯水期下泄流量增加,提高了坝下游河道污染稀释能力,有利于改善水质、减轻污染。可削弱长江枯水期咸潮入侵,增强冲淡氯度,有利于提高上海市供水的水质。如前所述,三峡工程对枯水期中下游的水质改善是有利的。因此,对扩散能力和污染带的研究重点是库区,即不利影响区,特别是重庆江段的水质问题。水文水力学条件一般控制在枯水期,采用多年最枯平均保证率P=90的枯季流量为水文水力学的计算、设计条件。对库区水质的研究,分整体水质和局部水质。整体水质主要是针对库区队BOD5负荷,局部水质主要针对岸边污染带。一般认为,建坝后水流流速减缓,扩散能力降低,从而使水环境容量降低,加重污染带和库湾静水局部污染。2.1对库区整体水质BOD5负荷的影响研究建坝后,库区流速下降,复氧能力减弱,从而降低对BOD5的接纳能力.采用StreeterPhelps模型分析,结论认为,按GB383888地面Ⅲ类水标准溶解氧不小于6mg/L计算,建坝后BOD5接纳能力将减少59。但由于径流量大,其接纳能力仍有156万t/a,比现有污染排放量大得多,因此建坝后三峡水库的整体水质不会恶化。另外,由于水库蓄水,污水在水库中的停留时间长,BOD的降解量将增加。当然,这里仅仅谈整体水质是不够的,实际上岸边水质对工业和人民生活更为有用,因为目前大多数取水口都在岸边。StreererPhelps模型是1925年由Streercrt和Phelps研究OhioRiver污染问题时所建立的最早的河流溶解氧模型,条件比较简化,如污染负荷不随时间而变,河流流量沿程不变,水流为均匀流,生化耗氧为一级动力反应且反应速率为常数,复氧只有水气交界面上的吸氧而且复氧系数为常数等等。在研究天然河流BOD5和DO的变化时,对三峡水库,根据实际需要,还应考虑这样几个方面的因素1由于泥沙吸附而引起的BOD的减少2由于底沙冲刷或底沙中有机物的分解而引起水中的BOD的增加3由于沿程径流加入引起的BOD的增加4由于纵向离散而引起BOD和DO的不断重新分布5Kd随着时间的变化,特别是硝化阶段开始以后Kd不可能为常数6河渠特性的改变将改变表面紊动特性,从而改变从大气中的吸氧率。泥沙的淤积增加水库的透明度,增加光合作用的产氧率7含氧量、BOD、温度、污流量的日变化等等。2.2对扩散能力和污染带的影晌研究在环评阶段,对扩散能力和污染带的研究,是基于迁移扩散方程。假定水流为二维均匀流,断面水深和流速变化不大,污水排放为时间连续源,采用岸边排放,在水深方向均匀混合得到二维扩散方式Cx,z2m/uhAπEzx/uExpuz2/4EzxKx/u式中Cx,z为坐标x,z处的污物浓度mc0q0/h,单位水深污水排放率。其中C0为污水浓度,q0为污水量,h为污染带平均水深Ez为横向扩散系数u为平均流速K为污染物降解率x为离排污口的纵向距离z为离排污口的横向距离。这项研究分别是四川省环境保护科学监测所七五攻关和长江水资源保护科学研究所等单位的成果,其中后者未考虑污染物降解这一项2。由于研究单位所站角度不同,两家单位的结论有差异。四川省环科所的结论认为水库蓄水后,随着流速降低。岸边污染带加宽,污染物浓度相应增加,该水域可资利用的水环境容量相应降低。若维持建坝前控制点的污染物浓度水平,约需削减20,以补偿损失的水环境容量。长江水资源保护科研所的结论认为主要排污口只要按国家规定达标排放,建库后尽管扩散能力下降,但控制点不会因此而发生水质超标。研究中存在的共同问题有1数学模型过于简化,特别是忽略了断面上水深和流速的不均匀性。对天然河流至少应采用无量纲累积流量坐标来反映断面上水深和流速的不规则变化。2扩散能力不仅反映在流速上,也反映在扩散系数上。因此,应进行试验研究确定扩散系数。根据长江三峡水利枢纽环境影响报告中四川省环科所P529提供的建坝前后寸滩、长寿、涪陵清溪、万县沦口等处的平均流速、平均水深、水面坡降和横向扩散系数,反算出相应的无量纲横向扩散系数azE0/hu,u为摩阻流速建坝前,az0.3~0.5建坝后az=0.15。这些值特别是建坝后的az似嫌所取偏小,只有在顺直均匀明渠中,az=0.1~0.2中值0.15。天然河流中的az很少小于0.4。实际应用中,H.B.Fischer建议取az0.610.53。3应考虑水深增加对扩散能力的影响。水深增加。有利于稀释扩散。4建坝后主流平均流速减小,污染源排放速度和主流速的比值可能增大,从而使建库后污染带向江心摆动。关于污染带,不同的学者从各自的研究角度出发提出过不同的定义,黄时达等在研究三峡库区污染带时提出的定义为4在排污口附近及下游,水中污染物浓度高于该水体环境功能类别标准的区域。并且提出了污染带评价指数Pi和评价方法。Csi式中,Pi为控制点排污口下游1000m,离排污岸10m处的的i污染物

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