（水利水电工程专业论文）改善三峡水库非汛期水质的调度方式研究.pdf

中文摘要 在温度、光照适宜的3 - 5 月份，三峡水库支流的局部水域易暴发“水华” 现象。其主要原因是蓄水后支流由天然状态的流速1 - - 2 m s 变成几乎静止，水 体紊动和水流流速的降低，造成营养盐的富集和藻类的快速生长。而三峡电站 非汛期采用调峰运行，电站调峰有利于干支流水体交换，增大水体紊动和水流 流速，从而为改善支流的水质提供了新契机。 本文主要研究三峡电站调峰对水库水流水质的影响规律，并通过建立非汛 期生态调度模型寻求对库区水质改善和电站发电综合最优的调峰运行方式。主 要有以下几个方面： ( 1 ) 根据三峡电站非汛期的调峰容量和最小生态需水量，通过e f d c 模型模 拟不同水位、不同流量和不同调峰幅度对水流水质的影响，分析能够使支流流 速达到临界流速时不同水位对应的流量。 ( 2 ) 建立准确模拟电站调峰运行时水流水质状况的简单生态动力学模型，模 拟整个非汛期不同下泄流量过程对应的营养盐浓度过程，计算出不同调度方式 对应的营养盐平均浓度。 ( 3 ) 建立改善非汛期三峡水库水质的生态调度模型，即在常规发电调度模型 基础上，增加通过水流水质模型计算出的不同调度方式对应的营养盐t p 浓度 最小化的目标函数，以及满足生态环境基本需求的最小生态需水量和抑制藻类 生长的临界流速的约束条件。 ( 4 ) 采用基于遗传算法的多目标模糊规划法求解生态调度模型。根据典型年 来流量和库区t p 负荷，得出对水质有较大改善作用又能满足发电量要求的调 峰调度运行方式，给今后三峡电站非汛期的调峰运行提出建议。 关键词：电站调峰，水流水质模型，生态调度模型，遗传算法，多目标模糊 规划 a b s t r a c t d u r i n gm a r c h - m a y , w a t e rb l o o mp h e n o m e n o nh a st a k e np l a c ei ns o m ep a n so f t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r st r i b u t a r i e s t h e h i g hw a t e rl e v e lr e s u l t si n t h e d e c r e a s e so ft h ef l o wv e l o c i t ya n dt u r b u l e n c e ，w h i c hl e a d st ot h ee n r i c h m e n to f n u t r i e n ta n df a s tg r o w t ho fa l g a e w h i l ei nn o n - f l o o ds e a s o n ，t h r e eg o r g e sp o w e r s t a t i o nw i l lb ei n p e a k - l o a do p e r a t i o n ，w h i c hw i l l b e n e f i tt h ew a t e re x c h a n g e b e t w e e nm a i ns t r e a ma n dt r i b u t a r i e sa n di n c r e a s et h ew a t e rt u r b u l e n c ea n dv e l o c i t y t h e r e f o r e ，t h ep e a kl o a do p e r a t i o nw i l lp r o v i d ean e ww a yt oi m p r o v et h ew a t e r q u a l i t yo ft r i b u t a r i e s i nt h ep a p e r , t h ei m p a c to f p e a kl o a do p e r a t i o no nh y d r a u l i c sa n dw a t e rq u a l i t y i sr e s e a r c h e d t h eb e s tp e a kl o a do p e r a t i o nm o d ef o rb o t hw a t e r q u a l i t ya n dp o w e r g e n e r a t i o ni sf o u n db ye s t a b l i s h i n gt h ee c o l o g i c a lo p t i m a ld i s p a t c h i n gm o d e l t h e m a i nr e s e a r c hw o r kf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h ep e a k - l o a dr e g u l a t i o nc a p a c i t ya n dt h em i n i m u m e c o l o g i c a lw a t e rr e q u i r e m e n t ，t h ei n f l u e n c e so fh y d r a u l i c sa n dw a t e rq u a l i t yu n d e r d i f f e r e n tw a t e rl e v e l ，d i f f e r e n tf l o wa n dd i f f e r e n tp e a k 1 0 a dr e g u l a t ea m p l i t u d ei s s i m u l a t e di nt h es e c o n d p a r to ft h ep a p e r t h e n ，b ya n a l y z i n gt h er e s u l t s ，t h e c o r r e s p o n d i n gf l o wd i s c h a r g eo fd i f f e r e n tw a t e rl e v e lu n d e rw h i c ht h ev e l o c i t yo f t h et r i b u t a r yc a nr e a c ht h ec r i t i c a lv e l o c i t yo f s u p p r e s s i n ga l g a lg r o w t hi so b t a i n e d n e x t ，t h es i m p l ee c o l o g i c a ld y n a m i c sm o d e lr e a c t i n gt ot h eh y d r a u l i c sa n d w a t e rq u a l i t ys t a t u si np e a k l o a dr e g u l a t i o ni ss e tu pi nt h et h i r dp a r to ft h ep a p e r t h em o d e lc a ns i m u l a t et h en u t r i e n td e n s i t yp r o c e s so ft h ew h o l en o n f l o o ds e a s o n t h e n ，t h ea v e r a g en u t r i e n td e n s i t yo fd i f f e r e n td i s p a t c h i n gm o d ei sg a i n e d i na d d i t i o n ，i nt h el a s to ft h et h i r dp a r t ，a ne c o l o g i c a ld i s p a t c h i n gm o d e lo ft h e t h r e eg o r g e sp o w e rs t a t i o ni sb u i l t t h eb a s i ct h o u g h ti sb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a l p o w e rg e n e r a t i o no p t i m a ld i s p a t c h i n gm o d e l ，w i t ha n o t h e ro n eo b j e c t i v ef u n c t i o n a n dt w oc o n s t r a i n tc o n d i t i o n sa d d e d t h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni st h em i n i m u mo ft h e t pn u t r i e n t d e n s i t yc a l c u l a t e db yt h ee c o l o g i c a ld y n a m i c sm o d e l o n eo ft h e c o n s t r a i n tc o n d i t i o n si st h em i n i m u mo ft h ee c o l o g i c a lw a t e rr e q u i r e m e n t ；t h eo t h e r i st h ec r i t i c a lv e l o c i t ya b o v ew h i c ht h ea l g a lg r o w t hc a nb es u p p r e s s e d l a s t l y ，t h em u t i o b j e c t i v ef u z z yp r o g r a mi su s e dt or e s o l v et h ee c o l o g i c a l o p t i m a ld i s p a t c h i n gm o d e lb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h ec o m i n g w a t e rf l o wa n dt h et pp o l l u t a n tl o a d ，t h ep a p e rc o m p u t e st h eb e s tp e a k - l o a d d i s p a t c h i n gm o d ei nw h i c ht h ew a t e rq u a l i t yo ft h er e s e r v o i rc a nb ei m p r o v e da n d t h ep o w e rg e n e r a t i o nc a nb es a t i s f i e d t h e r e f o r e ，s o m eu s e f u ls u g g e s t i o n sw i l lb e p r o v i d e df o r t h et h r e eg o r g e sp o w e rs t a t i o nw h e ni tw o r k si np e a k l o a dm o d e k e yw o r d s ：p e a k - l o a dr e g u l a t i o n ，h y d r a u l i ca n dw a t e rq u a l i t ym o d e l ，e c o l o g i c a l d i s p a t c h i n gm o d e l ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，m u t i o b j e c t i v ef u z z yp r o g r a m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得岙鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王俊印p签字日期：刀矿占 年月日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期；厶咐年 王俊研 l 厂月日 导师签名： 签字日期：力学年6 月 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 水库的修建将一些自由奔腾的天然河流变成了宁静安详的人工湖泊。水流 条件的极大改变所形成的缓慢水流，有利于营养物质的富集和水生植物的生长， 容易造成水体的富营养化问题。尤其是非汛期，水库在高水位运行时，流速低， 不利于污染物扩散，在适宜的温度和光照下，水库的库湾处容易暴发“水华”现 象。据统计，我国l o 的水库存在水体富营养化问题【l j 。 举世瞩目的三峡水电站是世界上最大的水利枢纽，库区从长江干流上重庆 的朱沱到宜昌的三斗坪，全长6 6 0 k m ，为典型的河道型水库，其河道示意图如 图1 1 所示。三峡库区在蓄水之前，水流流速快，干支流水质良好，几乎没有 水体富营养化现象发生。然而，自从三峡水库蓄水以来，靠近水库坝前的云阳 县、奉节县和巫山县一些支流，如汤溪河、朱衣河、梅溪河、神女溪、大宁河、 香溪河等，在非汛期的3 5 月份，回水河段局部间断有“水华”现象发生【2 j 。 图1 1 三峡水库河道示意图 三峡库区支流回水区产生富营养化的原因主要有： ( 1 ) 缓滞的水流。三峡水库蓄水后，水流干流流速降低到天然状态的1 5 , - - - ， 1 4 ，支流几乎静止，般在0 0 0 1 0 0 1 m s 的量级。水流流速减缓，不利于污 染物扩散，导致营养盐富集，给藻类生长提供了养料，水流携带的泥沙大量沉 积，水色变清，水体透明度加大，有利用太阳光照射，给藻类生长提供了能源。 ( 2 ) 充足的营养盐洲、p ) 含量。三峡水库干支流蓄水前后的水质监测数据表 第一章绪论 明：t p 的平均浓度为0 2 m g l ，t n 的平均浓度约为2 m g l ，远远大于湖库水 体出现富营养化的临界浓度o 0 2m g l ，0 2m g l 。可以说，三峡库区的水体不 论在蓄水前还是在蓄水后，都具有水体富营养化现象发生所需要的充足的氮、 磷营养盐含量。 ( 3 ) 适宜的水温和光照。每年非汛期的3 - - - 5 月份，三峡库区的平均气温为 1 6 8 、2 1 9 。c 、2 5 3 ，适合藻类的生长( 1 5 - 3 0 ) 。此期间充足的阳光也加 快了藻类的光合作用速度，促使了藻类的繁殖。 分析对比三峡库区蓄水前后的水质变化和水体发生富营养化的主要原因可 以看出：蓄水前后库区的水温、光照和营养盐含量变化都不大，营养盐的含量 一直大大超过水体发生富营养化的临界值，而最大的变化在于水流条件，尤其 是支流，由天然状态下的1 2 州s ，变成了几乎静止，原来较快的水流流速对 藻类生长的抑制作用没有了，变成了有利水生植物生长的缓滞水流。因此，如 何一方面降低水库中n 、p 营养盐的含量，另一方面加快水体的流动，成为解 决三峡水库非汛期水体富营养化问题的两个重要途径。 三峡电站非汛期拟采用调峰运行，水电站的调峰会引起一天之内水位的上 下变动和干支流水体的交换，类似于“潮汐”的作用。据清华大学周建军p j 研究， 如果三峡电站按较大规模进行日调节，支流的最大流量可达到几百立方米每秒， 比不调峰时至少要大好几倍，一些支流局部区域出现“水华”的现象或许会因此 而得到缓解。但是非汛期电站的调峰能力和电站调峰所引起的流量增加对流速 大小的影响、及其对藻类生长的抑制作用、干支流水体交换所带来干支流的污 染物浓度的变化、以及如何根据整个非汛期的来流量过程确定泄流量过程和调 峰过程达到对水质改善的目的等等，都有待进一步的研究。也就是说，非汛期 电站调峰作为协调水电工程与库区环境保护关系的新途径，其实际操作中的可 行性和对水质改善的程度，急需进一步深入地研究。 1 2 生态水力学原理及其在改善水质方面应用的国内外研究现状 通过非汛期电站调峰对水流条件的改变，来缓解水体富营养化的水质问题， 实际上正是应用生态水力学原理，采用流场控制技术来寻求改善水质的新途径。 生态水力学是研究水动力和水生态系统动力学之间相互作用的一门新兴学科。 它一方面研究水力条件的改变对生态系统平衡及生物多样性的影响，另一方面 研究水生态系统的演变对水力情势的反作用【4 j 。以往的模型要么是很少涉及动 力学的研究水生生物生理特征和生境评价的静态生态模型，要么是很少涉及生 态的水动力模型；而对于“水华”产生这种既有生物的生理因素，更有水动力学 因素的典型生态恶化，就需要采用生态水力学原理，研究水生生物的输移和消 2 第一章绪论 长规律及其流场控制技术1 5 】，从而达到改善水质的目的。 流场控制技术在实践上已经取得的成功实例有：上世纪6 0 - 7 0 年代，美国 i o w a 大学水力学研究所通过对鲑鱼生态水力学特性的系统试验研究，采用流场 控制技术，帮助( 诱导) 鲑鱼鱼苗成功地通过哥伦比亚河上的七座大坝；8 0 年代， 瑞士苏黎世联邦理工大学采用流场控制方法使一座小型牧场湖泊由重度富营养 化变得清澈见底；我国已经采用流场控制技术，成功控制了钉螺随灌溉水流度 的扩散，有效防止了血吸虫病在灌区流行【6 j 。 生态水力学原理在水体富营养化控制中的一些正在进行的理论研究和实践 探索有：李文达在文献 7 】中根据巢湖水体富营养化的发生和发展规律，采用流 场控制技术，通过“引江济淮”工程，使得湖水水体得以流动、变换，并在水体 富营养化的严重区域适当控制水位，使其有更大的露滩面积，形成有利于挺水 植物生长的流场环境，水流的流动和挺水植物的大量生长都有利于抑制蓝藻生 长。 采用流场控制技术能够控制水体富营养化原因主要在于：利用水动力条件 的改变，增加了水流的流速和紊动，一方面有利于水体中污染物的降解，降低 了污染物的浓度，另一方面又产生了抑制水体富营养化的水流条件，从而达到 改善水质的目的。目前，针对水动力条件的改变对污染物降解和富营养化规律 的研究主要有：上世纪9 0 年代，四川大学的蒲迅赤，赵文谦掣引，通过室内实 验首先发现紊动对有机物的降解有明显影响，并给出了在紊动水力条件下，有 机物降解反应速率方程。近年来，中国水科院水环境所的李锦绣、廖文根等， 针对三峡水库蓄水前后水流和水质的巨大变化，开展了一系列有关水动力的变 化对有机污染物的降解速率【9 】和对富营养化影响规律的研列1 0 】，将以往研究中 有机污染物的降解系数和藻类的生长速率计算时没有考虑到的水流流速影响因 子加进去，得出考虑水动力对水质影响的新的降解系数和生长速率计算公式， 能够很好地反映三峡水库蓄水前后水动力发生巨大变化对水质的不同影响。 国外这方面的研究更侧重于室内的实验和对现场观测数据的分析，根据不 同河流的发生水质问题的特殊情况，寻求控制某些藻类生长的临界速度，如p o f f 等人研究发现去除河流岸壁藻类的最小流速为o 3 0 4 m s ，m i t r o v i c 等人研 究发现水库中的项圈藻暴发的临界流速为0 0 5 m s 1 1 2 j ，e s c a r t n 等人的室内实验 证明，要破坏藻群结构，水流速度必须达到0 1 “s 【l3 1 。而国内在关于“水华”发生 的临界水流条件方面的研究鲜有报道，这一点成为将流场控制技术应用于防治 我国水库和湖泊水体富营养化现象中的一个极大障碍。因此，在改善三峡水库 水质方面，尽快开展三峡库区“水华”的藻类种类的相关研究，寻找控制其生长 的临界水力学条件，并在温度和光照适合藻类生长的季节，利用三峡水库调度 运行产生临界水流条件，通过增加干支流交汇口和库湾等易于暴发“水华”水 第一章绪论 域的流速，使其失去藻类生长所需要的水文和水力学条件，从而达到控制“水华” 的目的1 1 4 j 。 将三峡水库非汛期调峰的调度运行方式对水流水质的影响规律和生态水力 学的流场控制技术相结合，如何建立三峡水库非汛期生态调度模型，通过优化 算法获得对水质有较大改善作用，又满足发电量需求的非汛期综合最优的水库 运行方式，是本文研究的重点。 1 3 水库生态调度模型的国内外研究现状 现行的水库优化调度主要围绕水库的防洪、发电、航运等功能，协调防洪 和兴利之间的矛盾，以及各种兴利之间的利益问题，体现水资源利用的最大化 和经济效益的最大化。其主要问题是没有考虑库区和下游生态保护要求。而生 态调度是指：在现行水库调度运行中考虑生态因素，探讨不同的调度运行方式 对河流生态系统的影响以及相应的对策措施【l5 | 。 目前水库生态调度的主要研究内容有：基于生态水文学的河流生态需水 量研究，蓄丰泄枯，增加枯水期泄水量，提高下游河道水体的自净能力；水 库调度与水库营养物质控制研究，如在易于发生富营养化的时段，增加泄流量， 加快流速，破坏水体富营养化的形成条件；根据水库水质的时间分布特征和竖 向分层特征，在适当时间，通过分层泄水，将n 、p 浓度较高的水体泄出去； 对水生生物保护的研究，如为溯河洄游鱼类设计鱼道，加强水体紊动破坏水 库水温分层，利用人造洪峰诱导鱼类繁殖等。 三峡水库生态调度问题主要有以下几个方面1 1 驯：泥沙方面，协调河流的水 沙过程，保持河流洪水节律，维持上下游输沙平衡【16 j ：长江口咸潮入侵方面， 增加三峡最枯水期2 月份的泄流量：“四大家鱼”繁殖调度方面，在五月到六月 初利用较丰的天然来水量和此时段水库水位降落的要求，创造“人造洪峰”列； 中华鲟保护方面，采取人工繁殖和建立保护区相结合；库区支流水体富营养化 方面，采用非汛期电站调峰加快干流、支流水体置换。 三峡水库生态调度问题当中，库区支流水体富营养化问题自从蓄水以来日 趋严重，引起了社会各界的普遍关注。中国科学院水生生物研究所的蔡庆华i l 9 | ， 对三峡水库蓄水前后水体的理化参数、生物群落、富营养化问题、“水华”暴发 过程的连续监测和动力学问题进行了研究；水科院水环境所的李锦绣，禹雪中 和重庆市环境科学研究院的幸治国等【2 0 1 ，对库区支流富营养化模型开发进行研 究，模拟和预测了支流的b o d ，c o d ，t p ，t n ，c h l a ，d o 等的含量。这些 研究中，中科院侧重于现场的监测和对监测数据的对比分析，水科院等侧重于 通过建立生态动力学模型，对未来水质状况进行预测。他们都没有考虑非汛期 4 第一章绪论 的不同调度方式和电站调峰对水质的影响，水库优化调度的模型与生态动力学 模型相结合的生态调度模型建立方面，至今还没有人进行过深入的研究，但是 董哲仁等【2 l 】在水库多目标生态调度方法方面进行了一些非常有益的理论探索。 三峡水库非汛期生态调度方法是依靠电站调峰运行改善支流水体富营养化 现象，在电站日调峰对水流、水质、生态影响方面研究，尤其是对改善水体富 营养化方面的研究还很少。国内的李建坤【2 引，主要针对小型日调节水电站对区 域水资源和水环境的影响进行分析，其情况与三峡这种大型水电站日调峰情况 有很大不同。国外的s i n t e f 能源研究所f 2 3 】针对水电站调峰对河流生态影响进 行了五年的研究，总结出了调峰时水流对幼鲑鱼和鳟鱼的搁浅，鱼和水底生物 的自然生境和水生生物的影响，发现流量波动一般不能影响鱼的移动，而对鱼 群中某些最小的鱼会有一定的影响，而且调峰会导致水生植物的减少和局部多 样性的下降。由于三峡水库非汛期尚未实行过调峰运行，因此没有电站调峰对 水质影响的相关实测资料，电站调峰对水质的影响研究只能采用由现状不调峰 运行的水流水质实测资料所率定的生态动力学模型来进行预测。 建立三峡水库非汛期生态调度模型，一方面要建立准确的生态动力学模型 对调峰时不同下泄流量过程对应的水质状况进行预测；一方面又要考虑不同下 泄流量在满足电站非汛期运行的约束条件下，对发电目标的满足情况。因此生 态调度模型的建立和求解是针对发电目标和水质目标，在满足各种约束条件的 情况下，采用优化算法寻求最满意解的过程。目前水库优化调度常采用的算法 主要有：遗传算法，动态规划，蚁群算法，微粒群算法，混沌优化算法等【2 4 1 。 将这些优化算法应用到求解建立的生态调度模型上，即可获得对发电和水质改 善综合最优的满意解。 1 4 本文所做的研究工作和创新点 本文主要针对三峡水库蓄水后非汛期支流水体的富营养化问题，探索采用 电站调峰时所引起的水位波动、干支流水体的交换、支流的流速增加，来改善 水质。运用生态水力学的流场控制技术，首先分析了不同水位、不同流量、不 同调峰幅度，对支流水流流场的改善程度，寻找能够对水体富营养化现象起到 抑制作用的流场和相应运行水位、流量和调峰幅度。然后，建立生态动力学模 型分别计算不同的调度方式下水体中营养盐、p ) 的浓度，将生态水力学模型 和常规的发电调度模型相结合，构造出三峡水库非汛期生态调度模型。最后， 再将水库优化调度的优化理论应用到生态调度模型的求解上，根据典型年的来 流量和库区污染物负荷的情况，优化得出最优调峰调度运行方式，给未来三峡 电站非汛期的调峰运行提出一些建议。 第一章绪论 本论文最大的难点和创新点在于以下两个方面： ( 1 ) 能够准确模拟电站调峰运行时水流水质状况的生态动力学模型的建立。 在分析三峡电站非汛期调峰容量和最小生态需水量的基础上，给出电站运行可 行的非汛期调峰时每日下泄流量过程，作为生态动力学模型的边界条件。生态 动力学模型主要分为水流模拟和水质模拟两个方面，所建立的水流水质模型要 能够模拟蓄水前后水动力的巨大变化对水质的不同影响，进而提高模型模拟调 峰运行时水流的日变动对水质影响的模拟精度，使得模型能够很好地反映未来 电站调峰运行时库区的实际流场和水质。 ( 2 ) 三峡电站非汛期生态调度模型的建立。由于以往没有建立生态调度模型 的先例，作者探索建立了能够反映水流因素和营养盐因素对水体富营养化影响 的生态调度模型。生态调度模型的基本建模思路是：在常规发电调度模型上， 建立了考虑调度方式对生态环境影响的目标函数( 本文选择营养盐t p 浓度最小 化) ，并使其满足生态环境基本需求的最小生态需水量和抑制藻类生长的临界流 速的约束条件，采用基于遗传算法的多目标模糊规划对本文所建立的生态调度 模型进行了求解。 第二章调度对三峡水库非汛期水流水质影响的定性分析 第二章调度对三峡水库非汛期水流水质影响的定性分析 2 1 非汛期三峡水库水质特点 2 1 1 蓄水前非汛期三峡水库水质 三峡水库蓄水前，各河段为天然河道状况，水位低，流速快。干流和支流 水质多属于或类，主要支流( 龙河、小江、大宁河等) 水质优于干流水质。 三峡库区河段t n 含量约在2 m g l 左右，t p 含量为0 1 m g l 左右l l 。尽管蓄水 前库区t p 、t n 的含量很高，但是由于干、支流的流速比较大，约为1 一2 r n s ， 不具备水体发生富营养化的条件之一缓滞的水流，所以水质状况良好，几 乎没有水体富营养化现象发生。 2 1 2 蓄水后非汛期三峡水库水质 自三峡水库蓄水后，水动力条件发生了很大的变化，随着库水位抬高，河 道变宽，流速变缓，泥沙沉降作用明显，库区有局部死水区( 特别是在干支流交 汇口处) 。重金属铜、铅、镉、高锰酸钾指数等含量随水体中泥沙含量变化明显， 蓄水后随着泥沙沿程沉积，水体中重金属含量也呈现沿程下降的趋势，t p 、t n 含量也较蓄水前有所好转，但是其浓度依然较高1 2 引。 干流主要水质指标实际监测数据整体上和蓄水前没有显著差异，水质级别 也没有显著变化，继续维持在蓄水前状态，除t p 、t n 浓度较高外，其它水质 指标良好。蓄水后干流流速比蓄水前降低很多，但是除坝前外基本都大于o 1 m s ，不利于水生植物的大量生长，所以干流的水质整体较好。 然而支流水质营养类指标局部在建坝前后却出现较大变化。主要是因为蓄 水后水位升高，过水断面面积急剧增大，而且三峡水库非汛期支流流量比较小， 流速也很小，约在o 0 1 - - 一0 0 0 1 m s 量级，水流近于静止，只能以湖泊水库标准 来评价支流水质，营养盐类因子：t p 、t n 浓度较大，t n 浓度一般为0 9 - - - 2 0 m g l ，t p 浓度为0 0 4 0 1 2 m g l ，远远超过国际公认的富营养化标准( t p 0 0 2 m g l ，t n0 2 m g l ) ，成为直接决定非汛期库区支流水质状况的控制性因子。 加之蓄水后流速减缓导致水中夹带的泥沙大量沉积，水色变清，利于阳光在水 第二章调度对三峡水库非汛期水流水质影响的定性分析 中传播，这些都为藻类生长和富营养化发生、发展提供了有利的环境条件。因 此，蓄水后库区常年回水区( 即涪陵以下江段) 的主要支流：抱龙河、大溪河、 朱衣河、神女溪、梅溪河、大宁河、香溪河等多条支流在非汛期3 - 5 月份，水 体富营养程度不断加重，相继出现藻类“疯长”的水华现象【2 6 l 。随着三峡水库非 汛期蓄水位进一步升高，水库这些支流的富营养化问题将进一步加剧，如何降 低营养盐t p 、 i n 浓度，加强支流水体的紊动，加快水流流速，从而改善库区 支流水质，成为亟待解决的问题。 2 1 3 调度改善三峡水库水质的基本构想 对比三峡水库蓄水前后的水质可以发现，决定三峡水库是否发生水质问题 的主导因素是水库的营养盐t p 、t n 含量和水库水动力。就三峡水库而言，由 于来流的营养盐t p 、t n 的含量较高，农田径流、生活污水和工业废水的汇入 以及库周围对磷矿的开采，在短时间不可能大幅度改变三峡水库t p 、t n 的负 荷，因此，拟考虑通过改变库区的水动力来改善库区水质。三峡库区的水动力 有来流量和其调度方式决定，当水库来流量一定时，调度方式决定水库水动力 状况。三峡水库非汛期拟采用调峰运行方式，电站调峰会引起库区水位的日变 动、加强水体干流和支流的水体交换，库区水动力条件的日变动肯定会带来水 质的变化。电站调峰对水质改善的示意图如图2 1 所示。根据三峡水库下泄流 量过程的不同，水库水位变动过程也随之发生变化，某一时段的泄水量相对来 水量大，水位下降的快，污染物扩散的也快。但是，水库在非汛期的总蓄水量 一定，如何利用有限的水达到最好的改善水质的目的，就需要对不同水位、不 同流量对水流水质的影响规律进行研究。即为了改善水库水质，有必要对不同 的水库运行方式( 调峰和不调峰) 和不同的泄水过程对水流和水质的影响先做定 性的比较分析，进而得出调度过程中对水质影响起主要作用的关键因子，以便 于更加明确地有目的地制定对水质改善较优的调度方案。 电站调峰 水体紊动 水位变动 图2 1 电站调峰对水质改善示意图 污染物扩散 水质改善 第二章调度对三峡水库非汛期水流水质影响的定性分析 2 2 水库水流水质模拟的原理和方法 2 2 1 环境流体动力学模型的控制方程 环境流体动力学模型( e n v i r o n m e n t a lf l u i dd y n a m i c sc o m p u t e rc o d e ) 是由美 国v i r g i n i a 海洋研究所根据多个数学模型进行集成开发研制的综合模型，用于 模拟水系统一维、二维和三维流场、物质输运及生态过程。可模拟包括河e l 、 河流、湖泊、水库、湿地以及自近岸到陆架的海域，可同时考虑风、浪、潮、 径流以及同步布设水工建筑物，是一个多任务、高集成度的环境流体动力学模 块式大型模型。该模型到目前为止已经用于几十个海域的相关计算，得到广泛 的应用，被誉为二十一世纪最有发展前途的环境流体动力学模型【2 7 】。本文采用 该模型对三峡水库的清溪场测站至坝前的流场和浓度场进行计算，该模型的主 要控制方程描述如下： 水动力学方程组是基于水平方向上曲线正交坐标和垂直方向上的s i g m a 坐 标所得到的流体动力学方程组： 动量方程： 谚( m x m y h v ) + 8 x ( m y h u v ) + 8 y ( m x h v v ) + 8 ：( w v ) + z 朋，m ，协 = 一日o ( p + + 矽) + r e x ( 8 彳+ z d y h ) 4 p + 幺( m x m ya 仃 d ：vj ( 2 - 1 ) + 反l 茁m v 最v j + 亏 薏硎6 v j - q ( “2 + 伊) 2 v = 一日最( p + 儿m + 矽) + ? 岔z + z ? h ) 忍p + 谚( 鲁谚甜) 。2 2 ， + 反m y h a 砌卜唔和 - - m x m y c t , d t , ( v 2 ) m 甜 连续性方程： 口( 聊，聊，h ) + d x ( m ，协) + z ，m ，协) + 色( 研，w ) = 绋 ( 2 - 3 将连续性方程沿深度方向积分可得两维连续性方程为： 谚( 聊y 日) + 瞑( - 舰) + 忍，m ，历) = 磊 ( 2 - 4 ) 第二章调度对三峡水库非汛期水流水质影响的定性分析 式中：m ，聊y f e = m x m y f u o j ，m x + v 3 ， 瞑p = 一g l i b = - g h ( p p o ) p o 。1吱2 2 一 j p = p ( p ，t ，c ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 引谋m , 圮h k h 军b y 蔷( m ，h k 茸鼍蒜擎f _ ”)= 么反c ) + k 历y岛v + 馥( ，鲁z c ) + q 卜叫 4 表示每单位水平面积中植物在垂直于水流方向上投影所占的无量纲面积。 。( 1 + 矸1 吩) 伽f 南葫询 4 = 4 卜一针专 亿8 、 耳1 = 3 4( b 啦) ( - 一鲁 啦肥州) ( 1 - 3c - 一钏 巧1 = 9 a 。4 耳1 = 3 4 ( 6 a 。+ 岛) 第二章调度对三峡水库非汛期水流水质影响的定性分析 g q 一墨笋导 ( 2 9 ) ( 2 - l o ) 式中：q 为紊动强度；z 为紊动长度；r q 为r i c h a r d s o n 数；破，九是稳定函数以 分别确定稳定和非稳定垂向密度分层环境的垂直混合或输运的增减；a 1 ，b 1 ，c 1 ， 彳2 和b 2 为常数，分别为o 9 2 ，l6 6 ，0 0 8 ，0 7 4 ，1 0 1 。 紊动强度和紊动长度由下列方程确定： ( m x m , h q 2 ) + 反( 胁9 2 ) + 岛( 聊，h v q 2 ) + 砬( 埘，w q 2 ) = 晓( 鲁忍9 2 ) 一2 可n q 3 c 2 ， 鸵聊y ( 鲁( ( 色“) 2 + ( 谚v ) 2 ) + 。q ( 甜2 + v 2 3 2 4 - g k ，谚6 + q 0 , ( m x m y h q 2 ，) + 最( 协9 2 1 ) + c ? y ( m x h v q 2 1 ) + o ：( m x m y w q 2 ，) 小铷砷) 鲁爿+ 弓( 南 2 ( 2 。1 2 ， + m x m y e l 惜( ( 2 也v ) 2 ) + 必缈+ 勺啡( v 2 ) 3 坨卜 式中：e _ f ，盟，彤为经验系数，分别为1 8 ，1 3 3 ，0 2 5 ：p 为小于1 的数，由于 植物拖曳而引起的紊动能量的效率因子；a q 为垂向扩散系数，依据m e l l o r 和 y a m a d a ( 19 8 2 ) ，a q - - o 2 q l 。 式( 2 1 ) 至( 2 7 ) 和m e l l o r 和1y a m a d a 的紊流模型式( 2 - 8 ) 至( 2 一1 2 ) 一起及适当的 初边值条件给出了一个求解变量u ，v ，w ，p ，f 和p 的封闭系统。 篙 = 一n ：一 4 k 沪 = 。 痧 k 第二章调度对三峡水库非汛期水流水质影响的定性分析 2 2 2 环境流体动力学模型的求解 环境流体动力学模型采用有限体积法和有限差分结合的方法来求解，水平 方向采用交错网格离散。数值解分为沿水深积分长被重力波的外模式和与垂直 流结构相联系的内模式求解。文中采用三维数学模型二维化的方法将三维环境 流体动力学数学模型转化成二维数学模型，即是将三维数学模型进行垂向积分 或真接采用外模式而不考虑内模式的方法求解】。 2 2 3 三峡水库环境流体动力学模型的建立和验证 本文将此环境流体动力学模型用 于对蓄水后的三峡水库流场和浓度场 的模拟。模型的计算区域为干流从清 溪场到坝前，支流包括梅溪河、大宁 河、青干河、沿渡河和香溪河，阿格 划分的间距为l o o m 至6 0 0 m 不等， 共分为8 6 6 4 个网格，部分坝前干流 和香溪河支流的网格，干流和香溪支 流交汇口位置和点源位置如图2 2 所 示。采用三维数学模型二维化的方法 得到的二维数学模型，用0 6 年1 0 月 4 日至2 4 同的流量和水位进行验 证模型水动力部分验证的边界条件 如表2 1 ，验证结果如图2 - 3 ，2 4 所 不。 同期( 天) 上游q f m 3 s 下游z ( m ) 1 9 1 3 0 0 5 43 4 图2 - 2 香溪支流与干流交汇口和点源位置 表2 - 】水流模型验证的边界条件 1 4 3 4 0 0 5 32 5 2 0 1 2 0 0 5 4 2 5 1 5 2 7 0 0 5 35 0 2 l l o o o 5 43 2 1 6 2 2 0 0 5 44 2 2 2 1 1 0 0 5 46 8 】7 】8 0 0 5 45 4 2 3 12 0 0 5 49 5 18 】6 0 0 5 45 l 2 4 】5 0 0 5 5 l3 第二章调度对三峡水库非汛期水流水质影响的定性分析 1 6 0 0 0 1 5 0 0 0 、1 4 0 0 0 圣1 3 0 0 0 1 2 0 0 0 咖嫣1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 9 0 0 0 8 0 0 0 1 图2 3 万县的流量验证图 图2 4 万县水位验证图 从以上模型中部距离坝前2 8 7 k m 的万县测站水位流量验证图可以看出，水 位除0 6 年1 0 月2 0 日以外，其余计算值和实测值的误差都在0 1 5 m 以内，流 量误差也在1 0 0 0 m 3 s 之内，说明本文利用环境流体动力学模型根据三峡水库地 形实测资料所建的数值模型具有较高的模拟精度，计算值与实测值基本一致， 能够较好地反映三峡库区河道的特点，可以用来对不同的泄流过程和运行方式 对水流的影响做定性分析。 关于点源和面源在不同水流作用下浓度场的模拟，本章对不同调度方式下 水流和水质的影响仅进行定性的分析，是站在通过改变水库水动力的角度，探 索不同的水位、流量，以及调峰与不调峰的水库运行方式对水体污染物迁移扩 散的影响，因此没有考虑污染物的生化反应和降解作用，只是以守恒物质的形 式简单模拟了示踪剂在不同的流场中的对流扩散情况，并进行了对比，得出非 汛期水库调度中对水流水质起重要影响的因子。 2 3 调度方式对水库水流水质的影响因子分析 2 3 1 不同的泄流过程对水库水流水质影响 ( 1 ) 三峡水库和电站非汛期运行基本情况 三峡水库非汛期是指从11 月份到来年的5 月份，水库非汛期初始水位即正 常蓄水位为1 7 5 m ，四月末之前的最低运行水位1 5 5 m ，非汛期末的水位即汛期 防洪限制水位1 4 5 m 。三峡水电站最大下泄流量为1 4 6 0 3 - 18 2 6 1 m 3 s 川j ，根据 葛洲坝电站的过机流量要求，本文取17 0 0 0 m 3 s ，非汛期每天平均最小下泄流 量为5 0 0 0 m 3 s 。三峡电站保证出力4 9 9 万千瓦，并且为保证发电量水库尽量保 第二章调度对三峡水库非汛期水流水质影响的定性分析 持高水位运行，不弃水。 坝前水位1 7 5 m 对应库容为3 9 3 亿m 3 ，1 4 5 m 相应的库容为1 7 1 5 亿m 3 ， 非汛期可调节库容为2 2 1 5 亿m 3 。水库日平均下泄流量为5 0 0 0 - - 1 7 0 0 0 m 3 s ， 相应水库干流平均流速为o 1 - - 0 3 m s 。由于水库支流流量在非汛期一般较小， 除了大宁河以外，一般均在1 0 0 m 3 s 以下，非汛期水库运行水位高，支流的过 水断面较天然状况大大增加，支流流速也大为降低，一般由蓄水前的l 2 m s 降为0 0 1 - - 一0 0 0 1 m s 的量级，水体几乎静止。 ( 2 ) 不同的运行水位对库区水流水质的影响 非汛期三峡水库运行水位为1 4 5 - - 1 7 5 m 。相同流量下，水库的运行水位不 同，对应的过水断面面积不同，水流流速不同，污染物扩散能力也不同。假定 香溪河支流中部有一个稳定的污染点源，如图2 2 所示。当干流流量1 0 0 0 0 m 3 s 和香溪支流流量5 0 m 3 s 时，在不同的运行水位( 1 7 5 m ，1 6 5 m ，1 5 5 m ) 下的支流 水流的流速如图2 5 所示： 图2 5 香溪支流在不同水位流速对比图2 - 6 香溪支流在不同水位浓度对比 假定库区初始浓度为0 ，在香溪河的中部有一个流量为0 1 m 3 s ，浓度为 1 0 0 m g l 的污染点源，则1 0 天后在不同的运行水位下，污染点源上下游( 0 处表 示污染点源位置，负值