（环境科学专业论文）石塘水阳西湾至罗湖水电梯级开发水环境影响研究.pdf

摘要 一遇最大下泄流量为1 0 2 0 8 m 3 s ，2 0 年一遇最大下泄流量为4 0 0m 3 s ，1 0 年一 遇最大下泄流量4 0 0m 3 s ，大大减少了石塘水流域的洪涝灾害。此外，针对水电 工程建设可能产生的主要环境问题，提出切实可行的污染防治措施和建议等。 关键词：梯级水电站；水环境；预测模型；生态基流；洪水 i i a b s t r a c t a b s t r a c t s h i t a n gr i v e rl o c a t e di nn o r t ho fw u y im o u n t a i n s ，i nt h ec e n t r a lo fw u y i m o u n t a i nr a i n s t o r ma r e a , i sa l s oo n eo fm i n o r i t yh e a v yr a i na r e ai no u rp r o v i n c e ，a s t h er a i n s t o r mv e r ys t r o n g ，t h es l o p eo ff i v e rs os t e e p ，t h ef l o o do c c u r sf r e q u e n t l ya n d c o m e sq u i c k l y , t h ep e a ko ff l o o dv e r yh i 曲a n da m o u n tl a r g e ，t h ed a m a g ev e r ys e r i o u s ， i tc a u s e de x t r e m e l ys e r i o u si n f l u e n c ef o r t h er e s i d e n t sw i t h i nt h eb a s i ni np r o d u c t i o n a n dl i f e b u tt h er a i n f a l la s s i g n se x t r e m e l yn o n u n i f o r md u r i n gt h ey e a ra n di n t e r - y e a r , i na d d i t i o nt ot h en e c e s s a r yd i t c hi si m p e r f e c t , t h a ta f f e c t e dt h eb a s i n sf i e l di r r i g a t i o n a n dt h el o c a lf a r m e r s d e v e l o p m e n t , t h e r e f o r e ，t od e v e l o p w a t e rc o n s e r v a t i o n c o n s t r u c t i o ns c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l ei ns h i t a n gf i v e r w i l le n h a n c eg r e a t l yt h ea b i l i t y o ft h eb a s i nw a t e rr e s o u r c e ss t o r a g e ，i fd ot h a t ，b o t l lp r e v e n ta n dc o n t r o lt h ef l o o da n d s o l u t eb a s i c a l l yc o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n do fw a t e rr e s o u r c e si nr i v e r b a s i n t h i s p a p e r , b e g i n w i t ht h er e a l i s t i cs i t u a t i o n t h a tc a s c a d e h y d r o p o w e r d e v e l o p m e n t i n s h i t a n g f i v e r b a s i n s ，a c c o r d i n gt o t h ec a s c a d e h y d r o p o w e r e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ep r o j e c ta r e aa n d t h ee n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i co f t h eb a s i n , t os t u d yt h ei m p a c tf a c t o ro fw a t e re n v i r o n m e n ts u c ha st h eh y d r o l o g y , s e d i m e n td e p o s i t i o n , w a t e rt e m p e r a t u r ea n dw a t e rq u a l i t y t h eb a s i ct h o u g h ti st h a t m a i n l ym e t h o df r o mt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i st ot h eq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o n t h ew a t e r q u a l i t yo fc a s c a d er e s e r v o i r su s ec o m p l e t e m i x i n gp r e d i c t i o nm o d e l ；o nt h et o t a l p h o s p h o r u sa n dt h et o t a ln i t r o g e nt a k ed e l l e nf o r e c a s tm o d e l ，i nt h ed o w n s t r e a mu s e d i no n ed i m e n s i o nm o d e l t h er e s u l ts h o wt h a ta f t e rt h ec a s c a d eh y d r o p o w e rs t a t i o nc o n s t r u c t i o n , t h r o u g h c o n n e c t 、析廿1t h eu p s t r e a mg a o d i a nr e s e r v o i rw h i c hi sa l r e a d yb u i l to p e r a t i o n , w i l l c h a n g et h ew a t e rr u n o f fd i s t r i b u t i o no fs h i t a n gr i v e rd u r i n gy e a r , r e d u c ef l o o d ，t h e a m o u n to fw a t e ri n c r e a s eg r e a t l yi nd r yp e r i o d ；t h es e d i m e n tc o m i n gi n t ot h ec a s c a d e r e s e r v o i r si sa b o u t3 3 4x1 0 jt o n se v e r yy e a r ；1 1 l ew a t e rt e m p e r a t u r er i s es l o w l y t h r o u g hc a s c a d eh y d r o p o w e rs t a t i o n s ，i nt h es i t eo fl u o h ud a m ，t h et e m p e r a t u r er i s ei n 0 4 c k mr a t e ，c o m p a r e 诚也n a t u r a lw a t e rt e m p e r a t u r e ，t h ep l a c eo fl u o h ud a ms i t e i i i a b s t r a c t s e c t i o na n n u a la v e r a g et e m p e r a t u r er e d u c ea b o u t2 5 ；t h ed e n s i t yo fb o d sa n d a m m o n i an i t r o g e ni nc a s c a d eh y d r o p o w e rs t a t i o n sa c h i e v es u r f a c ew a t e ri ic l a s s s t a n d a r d s ，f r o my a n g x ib a yt ol i a o t o ua n dl u o h ur e s e r v o i r s ，t h eb o d sa n da m m o n i a n i t r o g e ni sd e c l i n e ，n u t r i t i o nr e s e r v o i r i nt h ed e g r e eo fe u t r o p h i c a t i o n , t h e d o w n s t r e a mc a nq u i c k l yd i l u t ea n dd e g r a d a t ep o l l u t a n t sw h e np o l l u t i o ne n t e r i n g ， b o d sa n da m m o n i an i t r o g e nd i f f e r e n te a c hm o n t hm a i n l yb e c a u s eo ft h ea m o u n t f r o mu p s t r e a m i nm d i t i o n , b e c a u s eo ft h ec o n s t r u c t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o nw i l lp r o d u c el e s s w a t e rr i v e r , t h el a s tl e v e lo fc a s c a d eh y d r o p o w e rs t a t i o ni st h el o n g e s tr e d u c e dr i v e r , t oe n s u r et h er i v e rn o r m a l ，u s m gt c n n a n tm e t h o dt oc a l c u l a t et h ee c o l o g i c a lb a s ef l o w , a f t e rt h eh y d r o p o w e rs t a t i o nc o n s t r u c t i o ns h o u l dr e l e a s em i n i r n u r ne c o l o g i c a lb a s e f l o w f r o mt h el u o h ud a mf o rq 1 强亡l s i nt h em o s td r ym o n t hi s0 31d ? j | t h ef l o o do fs h i t a n gd i s p a t c h i n ga f t e rh y d r o p o w e rs t a t i o n ，t h el a r g e s td i s c h a r g e d f l o wi s10 2 0 8 m j si n5 0 y e a r s ，4 0 0 m 3 si n 2 0 y c a r s ，4 0 0 m i n loy e a r s ，g r e a t l yr e d u c i n g t h es h i t a n gf l o o d f o rh y d r o p o w e rc o n s t r u c t i o nm a yp r o d u c et h em a i ne n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s ，a n dg i v ef e a s i b l ep o l l u t i o np r e v e n t i o nm e a s u r e sa n ds u g g e s t i o n s ，e t c ， k e y w o r d s ：c a s c m eh y d r o p o w e rs t a t i o n ；w a t e re n v i r o n m e n t ；p r e d i c t i o nm o d e l ； e c o l o g i c a lb a s ef l o w ；t h ef l o o d i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 水是人类基本的自然资源，也是具有战略意义的经济资源。我国拥有丰富 的水资源，由于受经济和技术条件的限制，我国对水力资源的开发远远落后世 界发达国家。但同时，在未来1 0 年甚至2 0 年，水电事业也具有更大的潜力，在 中国，更多的水库大坝正在规划或建设之中。铅山河流域水资源数量丰富，多 年平均径流量1 7 6 8 亿m 3 ，属于亚热带季风气候区，气候温湿，雨量充沛，是暴 雨多发区，大暴雨和特大暴雨发生频繁，以致洪水频繁发生。由于流域内山高、 河段、河道窄、坡降大，洪水暴涨暴落，具有汇流快、历时短、洪峰高的特点。 但流域内径流主要由降雨形成，径流量在年内、年际上分配极不均匀，此外， 在农作物需水量大的生长期往往干旱无雨，此时河槽中流量也很少，依靠以前 建的一些小坡坝引水灌溉，难以满足农作物的生长需求，流域内及其附近的农 田经常遇旱，造成农作物歉收。还有流域内居民饮用水水源和水量无法保障， 形成季节性困难人群。针对以上的水资源供需矛盾，铅山县人民政府为科学合 理的兴修水利，防治水害，在铅山河流域规划了一批集防洪、灌溉、发电、供 水等一体的水利工程。石塘水是铅山河的主支之一。 大量水电工程的兴建，在取得巨大的经济效益、促进区域经济发展以及防 止水患灾害的同时，也带来了不同程度的环境影响。水电工程的建设，对环境 产生各种影响，既有有利的影响，也有不利的影响。近年来，随着我国水电工 程建设速度加快、规模扩大和人们对环保意识的提高，水电工程建设带来的环 境影响日益受到人们关注【l j 。水电工程对环境的影响主要改变了区域水文、环境 状态，打破了原来流域的水量平衡、能量平衡及生态平衡关系【2 】。水电工程对水 环境的影响尤为突出，大坝和其他水电工程的建设不仅对库区河道水流造成阻 隔变化，使得上游水库河流水文情势、水质等变化，同时，对下游河流的河水 流量、流速、流向及水生生物也发生较大的变化【3 1 。在工程规划中，几乎都要对 水环境质量进行分析、预测和评价，使经济和环境协调发展。水电站建设、水 电站规划、环境评价、治理和管理的基础就是水电站水环境分析和预测，其预 测结果具有非常重要的意义。所以，在水电站建设前对水环境进行预测，研究 第1 章绪论 分析水电站建设前后水文情势的变化，泥沙淤积情况、水温和水质的变化，是 很有必要的，为以后水环境管理和水体污染治理提供科学依据。 1 2 水电站建设对环境的影响 1 2 1 水电站对自然环境的影响 水电开发对自然环境的影响主要体现在库区气候的变化、水环境的变化、 地质和土壤及生物资源的变化上。 1 2 1 1 对库区气候的影响 在一般情况下，一个地区的气候主要由其上空大气环流控制。水电工程将 陆地变成大片的水域或湿地，改变了原来陆地性气候，水域面积的增加使得库 区环境气候条件发生一点小变化，通过有关研究表明，水库建成后水库水面比 成群的建筑物上空的空气透明度高8 1 0 ，紫外线辐射高3 0 ，相对湿度高 1 0 1 5 。水域上的气温在炎热季节同比会下降4 左右，但水库建成后水库附 近的平均气温稍微高一些，气温的年差和日差变化更小，由此使得初霜日推迟， 年无霜期加长，霜冻的强度减弱。水库建成后，增加了该河段的水资源量，也 增加了水汽的蒸发量，上空的湿度增大，有益于降雨的形成，所以，水库的建 设有利于增加水库周围降雨的效力。由于湿度大，加上冬季水面温度高于气温， 为雾的形成提供很好的条件，所以梯级水电站中水库的建成，使水库及周边全 年的雾日将明显增多。 1 2 1 2 对水环境的影响 ( 1 ) 对水沙惰势的影响 梯级水电站中一个一个的水库在运行过程中，既蓄积了汛期的洪水，还拦 截了非汛期的基流，如果水电工程对下泄流量调节不当，将直接导致下游河道 水位下降、水资源量减少，甚至断流，还可能引起库区下游流域的地下水位下 降，严重的改变了水资源的天然分配；另外，水库形成后，上游来水进入水库 后，由于水面变宽，流速减小，使得上游来水中的泥沙逐渐下沉，很容易导致 泥沙淤积，加上库岸的改变，水对库岸的冲刷，侵蚀库岸，加重库底泥沙淤积， 影响水库的功能。水电工程主要以发电为主，下泄流量主要根据发电负荷来调 节，所以下泄流量和下游水位日变化幅度比较大，影响下游灌溉和养殖；下泄 水量的减少甚至断流，势必恶化下游水体水质。【4 】 2 第1 章绪论 ( 2 ) 对水质的影响 梯级水电工程中水库蓄水后，对水质的影响既有利也有弊。 有利影响：水库建成蓄水后，坝址以上将形成大面积的水域，增加了坝址 以上河段的水环境容量，特别体现在桔水年的枯水期，大坝将大量的水体拦截， 使上游的水体流速减缓，停留时间增长，这有利于悬浮物的下沉和有机物的降 解，水体的色度、浊度明显降低，水体有机物减少。此外，库区水体流速变慢， 有利于藻类的繁殖，大量藻类呼吸作用产生的二氧化碳会与水中的钙镁离子结 合生成碳酸钙和碳酸镁，降低水体硬度，提高了水库的水环境纳污能力。 不利影响：对于大中型水库，水库内水体的流速变得很慢，水库水深增加， 水、气交换的速率减小，水体复氧能力减弱，水体中污染物的迁移扩散速率显 著减小，使得水库的自净能力小于河流的。流速减慢，藻类大量繁殖生长将引 起水体富营养化；水库蓄水淹没了大量的植被，这些有机物会耗用水中很多氧 气，同时释放二氧化碳和甲烷等气体，引起温室效应。 ( 3 ) 对水温的影响 水库蓄水后对水温的影响主要是由于改变了水体的天然配置和水体流速， 使大量的水聚集在库区，降低了水体的透光性，当阳光照射到水库水面后，光 线以几何速率减弱，热量也随光线在下层水中逐渐减小【5 1 。根据4 时水密度最 大，低温水体自然下沉入库底，形成温度分层现象。 水库水温分层也有强弱之分，一般库容大、来水量相对比较小的水库，温 度分层更明显。水库水体水温分层会影响库区的气候、水库的水质以及水生生 物，还会对下游农田灌溉和粮食作物的产量产生影响。 1 2 1 3 对环境地质的影响 水库的修建可能会诱发岸塌、滑坡、地震等地质灾害。水库蓄水后，由于 水位升高、水利条件发生改变，降低了岸坡抗压强度，易发生山体滑坡和塌方 等，但根据具体的地形地质条件不同，产生的强度也不同；水库建成后开始蓄 水，增加了水体重力引起地壳应力，水渗入断层，增加了断层之间的润滑度和 岩层中空隙水压力，从而容易引发地震。水库蓄水后，初次地震大约有7 0 的 概率发生在蓄水后的一年内，震中也主要分布在水库及附近，大坝附近的深水 区发生地震的可能性略大【6 】。 3 第1 章绪论 1 2 1 4 对土壤环境的影响 水电工程对土壤环境的影响主要表现在改变了土地利用方式和土壤的理化 性质。在土地利用方式的改变上主要体现在水电站的建设占用大片的土地，可 将这些占用的土地分为工程占地和施工占地，工程占地主要是水库淹没和永久 性的工程建筑物等占地，属于永久占地，对环境的影响比较大；施工占地主要 是水电工程建设期间搭建的临时设施所占的地，属于临时占地，可以恢复，对 环境的影响比较小。在土壤肥力方面，表现在利弊两方面的影响，一方面，水 电工程拦坝建库，在一定程度上减少了下游的洪灾损害，使河流的径流量变化 平稳，补充了枯水季节流域内土壤水份和养分；另一方面，由于大坝拦截了水 体中的泥沙，使下游平原的泥沙肥源减少。 1 2 1 5 对生物资源的影响 水电工程的建设，使陆地变成水域，改变了原来的生境，这必然会对该地 区的生物资源产生一定影响，对生物资源的影响主要体现在水生生物、陆生动 植物和鱼类。水库的建设，使得水生生物的生存环境( 水域形态、营养物质、 水位等) 发生变化，必然会影响水生生物的生存和生长，有可能因藻类大量繁 殖而导致水体富营养化，影响水体的水质和水生生物的生存和生长；陆生动植 物的影响主要是水电工程的工程占地和水库淹没，破坏了动植物的生存环境， 还由于水库使水面面积增大，在一定程度上将改变当地的气候环境和土壤条件， 可能对一些对环境比较敏感的动植物产生不同程度的影响，导致生物多样性下 降；对鱼类的影响，主要体现在工程大坝切断了洄游鱼类的洄游通道，对其繁 殖和生产产生影响，水库下泄的低温水对一些鱼类可能造成致命的影响，还有 大坝对径流量拦截的同时还拦截了泥沙肥源，以至于减少了下游鱼类的饵料， 影响鱼类产量。 1 2 2 水电站建设对社会环境的影响 1 2 2 1 对人群健康的影响 水电工程的建设，会有大批的施工队伍进入，同时在施工的生产和生活过 程中也必不可少地会产生废水、废气、废渣等污染物，加上水库建成后，原来 的陆地变成水域，这些都将影响当地居民和施工队人员身体健康及生活的卫生 环境。根据相关资料统计，水库库区一带引发血吸虫发病率达8 0 ，一些三角 洲地区达1 0 0 ，严重威胁着当地居民的身体健康，所以在水库建设期间及建完 4 第1 章绪论 管理中应采取有效的防治措施，建立健全的卫生防疫机构。 1 2 2 2 对移民的影响 水电工程移民是指由于水电工程的建设而产生的移民。水电工程的建设使 当地居民迁离居住地，迁入移民安置村，使移民的生产、生活发生改变，移民 安置的原则是不能低于移民原来的生活水平。在安置过程中，合理配置生产设 施、公共设施和基础设施，尽可能减小移民搬迁过程中的不利影响。 1 2 2 3 对文化景观的影响 一般水电工程都修建在峡谷区，往往这些地方的自然环境比较优美，山清 水秀，水电工程的建设或多或少都会影响甚至破坏原来的自然景色，有些地方 可能涉及自然保护区、历史文物和古物遗迹，这些风景或文物古迹由于水电工 程的建设造成部分甚至全部淹没或破坏。但目前，越来越多的人发现，水库建 设后，水域面积增加，形成人工湖，环境与气候有所改善，同样也具有美学和 旅游价值，在一定程度上促进了当地的第三产业的发展【7 j 。 1 3 梯级水电站水环境研究现状与进展 1 3 1 国外梯级水电站水环境研究现状与进展 国外对水工程的研究始于2 0 世纪2 0 3 0 年代，当时主要是研究水库、大坝， 5 0 年代后研究范围进一步扩大。到上世纪7 0 年代，水资源越来越重要【8 。10 1 ，研 究方向主要涉及跨流域调水、河流蓄水、农田灌溉及水土保持等水资源开发利 用活动。国外在研究人类活动对地表水、土壤水及地下水的数量、质量、时空 变化、水环境及生物多样性等方面的理论、方法和实用技术等方面研究取得了 很大的进展。 欧美国家在水库的水环境影响方面，研究比较早，始于2 0 世纪4 0 年代， 发展于7 0 年代，7 0 年代关于水库的研究进一步被重视，扩展了研究的深度、广 度及研究水平，研究的内容也从研究水库淤积影响和水库对下游河道的影响， 发展到对下游水量变化，库区的水温和水质以及水生生物变化影响，并通过建 立各种模型来模拟水库等水工程对水环境的影响。 美国开发较早的流域之一是科罗拉多河，通过对科罗拉多河在水电站开发 前后进行比较，水电站的建设对科罗拉多河流域水环境影响很明显。科罗拉多 河流域自1 9 3 1 年开始，兴建了大批的水利水电工程，干流和支流水库总库容约 5 第1 章绪论 为8 7 2 x1 0 8 m 3 ，干流上兴建水库1 1 座，支流上修建水库9 5 座。由于格伦峡大 坝( 建于1 9 6 3 年) 等一系列水库的拦沙作用，建坝后的1 9 6 3 - 1 9 7 2 年与建坝前的 1 9 2 7 1 9 4 2 年相比，下游河道的年来沙量减少9 0 4 ，科罗拉多河水变清，流速 显著降低；自格伦峡坝修建后，9 0 以上的泥沙淤积在坝后的鲍威尔湖中，建坝 前河水温度在o c 至3 0 之间变化，建坝后水温基本保持在9 左右，致3 种本 地鱼灭绝，弓背蛙濒临灭绝，还有6 0 多个物种受到威胁1 1 l 】。从整个流域看，水 库大坝改变了河流径流，使河流的流量在时空上发生变化，拦截了泥沙，改变 了水温，导致当地鱼类处于濒危灭绝状态d 2 。 前苏联对水电站研究始于2 0 世纪2 0 年代，主要进行水工程对水文、水质、 水生生物、鱼类资源及工程的运行管理的方面的研究。以前，前苏联只注重引 水调水带来的经济效益，而对其负面效益研究得很少，只片面地认为把锡尔河 和阿姆河的水资源用于引水灌溉是有利的，而忽略了引水灌溉将导致入海流量 减少、水位下降、环境恶化生态受损等一系列环境问题的危害。近几年来，俄 罗斯学者相继开展了一系列关于水工程引起的水环境问题，比如：修建水工程 对天然径流过程和水质的影响，水工程对上下游河床演变的影响，河床冲於、 库岸崩塌、水库运行对水生生物的影响【l 引。 1 3 2 国内梯级水电站水环境研究现状与进展 流域水电梯级开发可发挥梯级效益，提高水资源的利用率，协调水资源综 合利用之间的矛盾。梯级连续开发，可优化安排各级水电站的施工进度，施工 期互相搭接施工高峰又互相错开，利用上游水库蓄水时机减少下游电站的施工 导流流量，减少施工队伍转移的费用和时间，提高施工设备和场地的利用率， 可缩短总体工期，减少总投资。上游水电站水库调节径流可增大下游所有梯级 水电站的保证出力和年发电量；上、下游水库联合调度，可协调发电和其它用 水要求的矛盾；上游水电站削减洪峰、蓄存洪量，可提高下游各级水电站防洪 标准，减小泄洪设施规模；上游电站水库有时可为下游电站缩短初期蓄水时间 【1 4 】。但是，单个水电项目产生昀影响是局部，而梯级水电站的影响则是流域性 的，单个水电站只是对水电站所在河段及周围区域产生环境影响，而梯级水电 开发将引起流域内一系列群体性、系统性和累积性的环境影响。 国内对单个水电站的水环境研究的结果相对比较多，梯级水电站的水环境 研究还处于起步发展阶段。寇晓梅【1 5 】等对黄河上游已建梯级电站的水环境累积 6 第1 章绪论 效应进行了研究，通过对龙羊峡刘家峡河段水文、水温、水质等环境要素的 累积效应的分析，可知梯级水电站的开发布局、水库规模和调节运行方式不同， 对水环境的影响程度也会不同，梯级布局对水环境的影响较大，梯级水电站使 河流径流年内分配更趋均化、水库下游含沙量明显减小、天然河流湖泊化、库 区淤积有所增加，水温和水质的影响是基于水文要素影响而产生的，梯级水库 下游河道水温的变化不一定是同向叠加，水电梯级建设对河段及下游水质呈改 善趋势。候保灯【1 6 】等和程根伟【l 刀等研究了岷江上游两河口至都江堰河段1 0 级水 电梯级开发，通过采用暮景分析法，对梯级水电站对水环境累积影响进行评价， 结果表明岷江典型河段的梯级水电开发对水环境已经产生了二定的累积影响， 径流量表现为逐年下降，但水质变化不大，水温的累积影响则相对比较大，这 可能对下游河道中的鱼类及浮游植物的生长和繁殖产生影响，但对农业灌溉的 影响不大。黄玉胜【l8 】等研究了黄河龙羊峡至刘家峡河段的梯级水电站对水环境 的水文情势、泥沙状况、冰情及水质均有改善作用。李文波【1 9 】等以清江流域为 例，研究梯级水电站对水资源时空分布，通过采用两种归一化水体指数模型， 分别从t m e t m + 遥感数据中提取水域面积，来研究梯级水电开发对水资源分布 的影响，结果为清江中下游水域面积增加，流域面积从梯级水电站开发前的1 9 8 7 年的6 0 k i n 2 增j j i 至u 2 0 0 4 年的11 0k m 2 。陈唏【2 0 】等将b p 人工神经网络应用到雅砻江 流域的梯级水电站开发后的径流预测中，建立了雅砻江流域梯级水电站径流预 测模型。黄薇1 2 l 】等对梯级水电站对河流的径流过程和水温过程的均化作用进行 了研究，将均化系数入引入，分析水电站建设对天然径流的均化作用，采用宽 度平均的立面二维k 。水温模型来分析水温均化。黄峰1 2 2 】等对乌江干流中下游 的洪家渡至乌江渡坝下河段的梯级水电站开发对水温的影响，研究表明，不同 水库水温结构对水温累积效应不同，稳定分层型水库对水温累积产生正效应， 混合型水库对水温累积产生负效应，过渡型水库则介于两者之间。郝红升【2 3 】等 研究了有“龙头水库”的河流引水式梯级水电站的水温累积影响，通过采用垂 向一维水温模型、增温率法对各水库的水温进行预测，由于上游“龙头水库 改变了下游的水温分布规律，推迟春季水温升高，延迟秋季水温下降，加上引 水隧洞，使得这种推迟现象更加明显，并且河流水温的年内变幅减小。刘兰芬【2 4 】 等对河流水电梯级开发水温累积影响进行了研究，采用现场观测和数学模型计 算相结合的方法，研究结果表明，高坝大库对河流水温改变大，流域开发程度 越高，累积影响越大。此外，薛联芳【2 5 1 、李兰【2 6 - 2 7 等也对梯级水电站水温影响 7 第1 章绪论 预测方法进行了研究。 我国对大坝产生的环境影响研究始自2 0 世纪7 0 年代，自1 9 7 9 年中华人 民共和国环境保护法( 试行) 颁布，国内正式开始关注重大水工程的环境问题。 通过对国内重点流域黄河、长江上水电站以及山区的小水电的水环境研究，来 说明国内水电工程相关的水环境研究。 黄河干流上已建电站有1 0 多座，如龙羊峡、刘家峡、小浪底、三门峡等， 有效地调节了黄河流域水资源的时空分布。由于上游大量的引水筑坝等原因而导致 下游水量减少甚至断流这一严重环境问题，从1 9 8 8 年开始，大量国内学者就开始 研究水沙、水质水量变化和水土保持措施对流域减水减沙的效益【2 即o 】。 黄河上以三门峡研究为例，三门峡水电站是黄河上建的第一个大型的水利 水电工程，三门峡自1 9 5 8 年修建以来，导致区域环境和河流水环境等发生了一 系列的变化，如泥沙淤积、水质恶化、土地盐碱化、库岸崩塌等。韦洪莲【3 l 】等 研究三门峡水库对黄河下游的水环境影响，通过历年来水库运行期间的实测资 料，研究三门峡水电站不同的运行模式对黄河下游河水离子总量和下游支流的 汇入作用，研究结果表明，黄河下游各站离子总量与三门峡水库下泄流量以及 三门峡一花园口间支流入汇条件有着密切的关系，而且断流严重程度主要受到 水库运行模式的控制。武洪涛【3 2 】等通过对- - f - j 峡水库库区生物多样性、水环境 演变、库区泥沙淤积、库岸崩塌等方面对三门峡水库水环境影响进行了综合评 价，研究结果表明，随着水库运行方式的改变，不利影响因素有所减弱，但并 没有也不能完全消除，有的还可能进一步加剧。三门峡水库经过4 0 多年的运行， 已初步形成以水库为基础的工农业发展格局和生物链，极大地调节库区周边的 湿度和气候。 长江也是我国的主要河流之一，流域面积很广，水资源量丰富，长江及其 支流是我国修建大坝最多的河流，也是世界上河流生态系统退化最严重的河流 之一。在长江干流上，三峡大坝工程的修建受到国内外学者的特别关注。三峡 水库工程的建设，水库的水环境问题引起特别关注，为水环境科研提出了机遇 和挑战，国内学者相继开始了水文情势变化、水库淤积、库区清理、水库淹没 与移民、河道冲刷、卫生防疫、库岸稳定、诱发地震、水生生物、文物古迹及 水质预测和环境容量计算等调查研究1 3 3 。3 6 】。研究表明，建坝蓄水后，在径流量、 入海泥沙、洪水泛洪次数、生物多样性等方面环境都发生了明显的变化。其中， 中国科学院环境评价部和长江水资源保护科学研究院组织院内外几十个科研单 8 第1 章绪论 位及高等院校的数百名科研人员，就三峡工程对环境影响及对策进行了系统研 究，取得了大量有价值的成果，完成了长江三峡水利枢纽工程环境影响报告 书，为国家决策提供了科学依据。三峡水库运行后，在相当长的一段时间内， 库区水环境系统将处于一个不断的动态变化过程中，其水环境领域还有许多复 杂的科学问题亟待进一步深化、补充研究， 除对长江、黄河主要河流研究之外，我国还有大量的学者对山区小水电进 行了研究，李建坤【3 7 j 研究了山区性的日调节水电站对区域水资源和水环境的影 响，表明日调节水电站库容虽小，调节性能差，但是水电站的运行却改变了河 流径流的时空分配，对水环境中的水质、水量、水温有不同程度的变化。黄祖 亚【3 8 】等通过研究闽江水口水电站的水环境，得出水电站建设后，季节水位变化 不是很明显，库区水流减慢，使得泥沙淤积和污染物沉入库底，会加剧水库的 富营养化。王超p j 通过对广西龙江上游深山峡谷的干捞水电站建成蓄水后水环境 的研究，水库的建设对水库的水体水质没什么影响，水质基本维持现状。李勇【3 9 】 等研究了广西红水河上游的龙滩水电站库区垂向上水温水质变化，表明水库蓄 水后水温随水深的增加逐渐降低，下泄水温的年变化率减小，比天然河道水温 低，垂向上的水质分布存在明显分层现象，表层水质变化比较大，随深度增加，? 水质变化趋势减小。何素n ( 4 们，丁恒兀【4 1 】等对山区中小水电资源开发现状及其 对环境和区域生物多样性的影响进行了分析，根据具体的地理位置及运行情况 研究水电站对环境的影响。 1 4 梯级水电站水环境模型研究进展 水电工程水环境预测是水环境研究中一个基础性的工作，在区域水环境规 划、评价及管理中起着非常重要的作用，但是目前尚还没有研究梯级模型，只 有对单个水库的水环境模型，且目前对水环境模型研究主要是对水质和水温模 型研究，以下主要介绍水质和水温模型研究进展。 1 4 1 水库水质模型研究进展 在水库水质模型的研究中，水库水质模型大部分都是由河流水质模型转化 而来的，模拟水库水质最简单的模型是完全混合型水质模型。这类模型把水库 水体看成是一个完全混合反应器，水进入系统后就快速分散到整个系统，根据 质量平衡原理，建立水库水质浓度变化的微分方程： 9 第1 章绪论 y 妾= q o c 。一q c k 助 ( 1 1 ) 式中：c 0 为流入水库的水中污染物的浓度，m g l t 卜为水库内污染物降解速率，1 d r q 为出库流量，m 3 s t q 广为入库流量，m 3 s ； 卜为水库库容，m 3 。 河海大学的黄国如【4 刁针对官厅水库及污染物扩散的特点，通过采用一维 s t v e n a n t 方程组模拟水流状态，再利用完全混合反应器模型模拟其水质变化， 该模型在模拟官厅水库的氨氮浓度的时空变化时，精度令人满意。 对于一些狭长、水浅，类似河道的水库，可采用纵向一维水质模型来模拟。 西安理工大学等【4 3 4 5 1 采用一维动态水质模型模拟水库水质的时空分布，水质模 型控制方程如下： 等+ 唾= e 窘一k l m 2 ) 一+ “一= 上，彳一 c+ol1 z ， 8 t a ) c 3 a x 2 式中：r 水质浓度，m g l t 卜时间，s t l r 纵向水流流速，m s ； x 纵向距离，m ； e x 纵向离散系数，m 2 s ； k 厂一污染物降解系数，1 s t s 源漏项，m g ( m d ) 。 在进行水质预测前，对一维动态水质模型中一些参数进行简化，简化后的 参数减少，容易求解，所需的原始资料也大大减少，再通过水质监测数据进行 验证，效果良好。 而对于一些大型的分层型水库，水库水温垂向变化很大，导致水质出现分 层现象，对各层水体，分别采用不同的水质基本方程，各水层中水质的基本方 程为： ( 1 ) 表层 k 鲁= 一g c l + 巨：( c z c t ) 一k t k c ( 1 3 ) 1 0 第1 章绪论 ( 2 ) 第i 层 巧詈2 形一q c 。+ p ，飞) + ( c i + i - - c i ) - k j k 。 ( 1 4 ) ( 3 ) 底层 圪竺= 一q 6 c 6 + 毛一l 声g 6 一c b - i ) 一k 6 圪c 6 ( 1 5 ) 其中：v l ，v i ，v b _ _ 一分别为表层、第i 层、底层水体体积，m 3 ； c 1 、c i 、c b 分别为表层、第i 层、底层的污染物浓度，m g l 1 ； w l 、w i 、w b _ 水库表层、第i 层、底层获得的污染物量，m g s ； e 1 2 、e i 1 。i 、e b _ l ，b - _ 一分别为表层、第i 层、底层各层垂直方向的混合系数， m 3 s 。 四川大学将金沙江水库纵向分段，各断面分别利用上述模型计算，得到一 个准二维水质模型。 凌万沛【4 6 】等在研究东江水库的有机物预测时，只考虑水质沿垂向分层，预 测结果与建库前相比，水质有一定的改善。对于坝前水质分布可以用垂向一维 水质模型，杨传智【4 7 1 将利用垂向一维水质模型预测龙滩水库建成后多年月 b o d 5 、d o 、平均水温沿垂向变化。余明【4 8 】等研究对水库网箱养鱼区沿程分段、 沿垂向d o 变化，通过对纵向上分段，垂向上的水深分层来预测了网箱区d o 随 流程及随水深变化。马可夫斯基【4 9 】等针对水库富营养化和深层水处于厌氧状态 问题，推导了水库的b o d 5 d o 模型。此外，随着计算机的广泛应用，水库水质 预测更加多元化，许其功【5 0 】在进行三峡水库水质预测时提出了基础有限单元法 的复杂河流二维随机预测模型，运用m o n t ec a r l o 法计算得到三峡水库建成后水 质概率分布。 近年来，大量的专家学者进行水体富营养化及水华的预测研究，主要从两 个方面着手：一方面是机理生态建模，主要有单因素预测模型【5 、t p 平衡模型、 藻类生长模型【5 2 1 、生态动力学模型旧等。另一方面是人工智能建模，主要采用 的是神经网络建模【5 4 】，在机理生态建模中，存在很多困难，原因是导致水体富 营养化的影响因素非常多，且各因素之间存在着复杂的作用关系，很难将各因 素及其中的复杂关系全部考虑。人工智能建模方法利用独特的信息处理能力进 行建模与分析，在一定程度上避免了机理建模所带来的问题。 第1 章绪论 1 4 2 水库水温模型研究进展 水库水温分布预测的方法很多，按性质可以分为经验法和数学模型法两大类。 ( 1 ) 水库水温预测的经验法 在2 0 世纪7 0 年代的时候为了解决实际问题，我国提出了不少经验性的水 温估算方法，这些方法都是通过在大量实测资料的基础上综合分析得出的计算 公式，具有简单、实用、方便的优点，在工程应用中广泛应用。从整体思路来 看，大体都是通过估算出计算时段( 月或年) 的库表和库底水温，再推算垂向 水温分布，在经验法的研究成果中，水电部东北勘测设计院张大发【5 5 1 和水科院 朱伯芳【5 6 】提出的方法都可以预测水库水温分布，并在生产中得到广泛应用，这 两种方法已分别编入水文计算规范和混凝土拱坝设计规范。但通过深入的研究 表明，上述研究成果还存在不足之处。对一些具体问题( 如水库运营、库型及 泥沙异重流等对水温的影响) 及较短时段( 日或月的变化) 的情况就不能解决， 由于经验法是通过实测资料综合而来的，只反映水温变化的一般规律。 ( 2 ) 水库水温预测的数学模型法 一维数学模型 利用数学模型研究水库水温分布和变化规律最先开始于美国，从2 0 世纪3 0 年 代初起，美国为研究水库及湖泊的加速富营养化问题、水利水电工程的环境影响问 题，对水库水温进行了大量的研究。1 9 6 1 年，r a p h a e l 首次提出了具有水动力学基 础的水库热量平衡计算方法，6 0 年代末，在深分层蓄水体温度变化的一维模型上， 美国水资源工程公司o r l o b 5 7 1 和s e l n a 麻省理工学院的h a r l e m a n 和h u b c r t s s 分别提 出了垂向一维数学模型，w r e 模型和m i t 模型，这两个模型都是只研究水温的垂 向变化，两者的基本思想是一致的，目前在美国仍得到广泛的使用。 二维数学模型 在一维模型的发展中，很多国内外的学者开始尝试研究二维模型，立面二维 模型是对n s 方程的横向积分，沿垂向和纵向进行刨分水库而得到的，1 9 7 8 年 e d i n g e r 开发的l a r m 模型是最早的立面二维水温模型，随后美国陆军工程师水 道实验室在此基础上增加了支流汇入和海湾的计算，并加入水质计算模块。我国 对立面二维水温模型研究始于上世纪9 0 年代，雒文生1 5 9 j 考虑了水流运动与水温 之间的关系，对红峰潮水库水温进行了计算，江春波 6 0 l 考虑了自由水面的变化， 邓云【6 l 】等引入了湍浮力流对水温分布的影响对水库水温进行了预测。立面二维水 温模型虽能较好的模拟纵向和垂向上水流及水温分层，但是为了更好的体现水库 1 2 第1 章绪论 水温变化情况，横向上的变化不能忽略，所以许多学者开始研究三维水温模型。 三维水温模型 国外三维水温预测数学模型在大型湖泊的研究中已开始应用，三维水温数 学模型能考虑温度在纵向、垂向和横向上的变化，三维水温计算工作量巨大，但 随着数值计算手段和计算机的发展，使三维数值模拟成为可能，已有部分学者 对湖泊或水库进行了三维的计算，如b e l e t s k y 【6 2 】采用b o u s s i n e s q 假设和静水压力 对m i c h i g a n 湖泊的