（水利水电工程专业论文）耦合水质目标的三峡水库非汛期优化调度研究.pdf

中文摘要 传统的水库调度，主要考虑协调除害与兴利的矛盾，注重发挥水库在防洪、 发电、供水( 灌溉) 、航运等方面的作用，对其下游河流水环境及生态安全、库区 水生态环境保护考虑较少。随着社会进步和治水思路的转变，人们越来越认识到 生态环境保护的重要性，积极开展水库生态调度，以此减少筑坝带来的不利影响， 维护河流健康，促进人水和谐，维持水资源的可持续发展。 本文主要针对三峡水库蓄水运行后干支流水文情势发生巨大变化，库区支流 水体水质恶化，非汛期易发生“水华”的现象，探索通过电站调峰运行所引起的 干支流水体交换，促进支流中污染物的输移扩散，达到稀释污染物浓度的目的， 从而改善支流水环境状况。通过建立耦合水质目标的三峡水库非汛期优化调度模 型寻求发电目标和水质目标达到综合效益最优的三峡水库非汛期调度运行方式。 主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 通过稀释能够快速降低污染物在河流中的相对浓度，从而降低污染物 对河流水环境的危害程度，电站调峰运行能够使支流变成“感潮河段”能够促进 这种有利的稀释作用。在保守污染物质量守恒的基础上，本文提出以支流污染物 浓度稀释比为指标评价支流水质，建立三峡库区一维水流模型研究不同库水位、 谷荷流量、调峰幅度组合不同干支流污染物负荷对支流污染物浓度的影响，得出 结论：降低库水位，加大电站调峰运行幅度能够增大干支流水体交换，加强支流 水体紊动，促进支流污染物稀释扩散。 ( 2 ) 非汛期期间三峡电站调峰运行，通过分析，确定调峰运行影响支流污 染物浓度稀释作用的主要因子为库水位、谷荷流量、调峰幅度、支流上游来流污 染物浓度与支流初始污染物浓度之比a 、长江干流污染物浓度与支流初始污染物 浓度之比b ，以此作为输入因子，应用b p 神经网络模型原理，建立以库区支流 污染物浓度稀释比口为目标的水质预测模型，经检验和误差分析，预测精度较高。 ( 3 ) 在常规发电调度模型基础上，应用前述建立的水质预测模型，增加库 区支流污染物浓度最小的水质目标，建立耦合水质目标的三峡水库非汛期优化调 度模型，采用基于模糊决策的遗传算法进行求解。根据典型年来流量和库区干支 流污染物负荷，得到既能满足发电量要求，又能改善库区支流水质的三峡水库非 汛期调度运行方式。 关键词：水库优化调度，三峡水库，电站调峰，b p 神经网络，水体交换 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a l o p e r a t i o no fr e s e r v o i r sm a i n l y c o n s i d e r sa s s o r t i n gw i t ht h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e np r o m o t i n gb e n e f i c i a la n da b o l i s h i n gh a r m f u l ，p a i dm o r e a t t e n t i o nt oe x e r tt h ef u n c t i o n so nf l o o dc o n t r o l ，p o w e rg e n e r a t i o n ，w a t e r s u p p l y ( i r r i g a t i o n ) ，s h i p p i n ge t c ，a n dl e s sa t t e n t i o nt ot h ew a t e re n v i r o n m e n ta n d e c o l o g i c a le n v i r o n m e n ts e c u r i t yi nd o w n s t r e a ma n d c o - e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni n u p s t r e a m a st h ed e v e l o p m e n to f t h es o c i e t ya n dt h eg u i d a n c eo fn e ww a t e rc o n t r o l i d e a ，p e o p l eh a sr e a l i z e dt h a tt h ep r o t e c t i o no ft h er i v e re c o l o g i c a le n v i r o n m e n t b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，d e v e l o pt h er e s e a r c ho nt h ee c o l o g i c a lo p e r m i o n o fr e s e r v o i ra c t i v e l yf o rp r o t e c t i n gh e a l t h yr i v e r , p r o m o t i n gt h eh a r m o n yo fh u m a n i t y a n dn a t u r e ，a n dm a i n t a i n i n gt h em a i n t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fw a t e rr e s o u r c e s 。 t h eh y d r o l o g i cs i t u a t i o no fm a i nr i v e ra n dt h et r i b u t a r i e s b r o u g h tg r e a tc h a n g e s a f t e ri m p o u n d i n ga n do p e r a t i o no ft h r e eg o r g e sr e s e r v o i r , w a t e rq u a l i t yd e t e r i o r a t e d i nt h et r i b u t a r i e s ，t h ep r o b l e mo fw a t e rb l o o m so c c u r r e de a s i l yi nt h et r i b u t a r i e so f t h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e ad u r i n gn o n f l o o ds e a s o n t h i sr e s e a r c he x p l o r eo nt h e i n f l u e n c eo fw a t e rq u a l i t yi nt h et r i b u t a r i e so ft h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e au n d e r d i f f e r e n tp e a kl o a do p e r a t i o nm o d e ，i no r d e rt op r o m o t et h ed i l u t i o na n dd i f f u s i o no f p o l l u t a n ti nt h et r i b u t a r i e s t r yt o f i n do u tt h eb e s tp e a kl o a do p e r a t i o nm o d e c o n s i d e r i n gb o t hw a t e rq u a l i t ya n dp o w e rg e n e r a t i o nb ye s t a b l i s h i n gt h eo p t i m a l d i s p a t c h i n gm o d e lc o m b i n i n gw i t hw a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n to b j e c t i v e t h em a i n r 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 ( 1 ) t h er e l a t i v ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n ti nt h er i v e rw i l lb ed e c r e a s e dr a p i d l y b yd i l u t i n ge f f e c t ，r e d u c e dt h ee x t e n to fh a r m f u l n e s st ot h er i v e r m e a n w h i l e ，t h ep e a k l o a do p e r a t i o nm o d ew i l lt u r nt h et r i b u t a r i e si n t o t i d a lr i v e r a c c o r d i n gt ot h e s e p r i n c i p l e sa n dc o n s e r v a t i o no fm a s s ，p u tf o r w a r dt h ed i l u t i o nr a t i oo fp o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o ni nt h et r i b u t a r i e sf o re v a l u a t i o no fw a t e rq u a l i t y , t h ei n f l u e n c e so f p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni nt h et r i b u t a r i e su n d e rd 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 w a n dd i f f e r e n t p e a k l o a dr e g u l a t ea m p l i t u d e i ss i m u l a t e do nt h eb a s i so ft h e o n e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a f i n a l l yd r a wt h ec o n c l u s i o n , r e d u c i n gt h ew a t e rl e v e l ，i n c r e a s i n gp e a k l o a dr e g u l a t ea m p l i t u d ec o u l di n c r e a s e w a t e re x c h a n g eb e t w e e nm a i nr i v e ra n dt h et r i b u t a r i e s ，e n h a n c ew a t e rt u r b u l e n t m o t i o n , a n dp r o m o t et h ed i l u t i o na n dd i f f u s i o no fp o l l u t a n ti nt h et r i b u t a r i e s ( 2 ) t h r e eg o r g e sr e s e r v o i rt a k ep a r ti np e a kl o a do p e r m i o ni nn o n - f l o o ds e a s o n , t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，m a i n f a c t o r so fe f f e c t i n gt h ed i l u t i o nr a t i oo fp o l l u t a n t e o n c e n w m i o ni nt h et r i b u t a r i e si st h ew a t e rl e v e l ，v a l l e y l o a df l o w , p e a k l o a dr e g u l a t e a m p l i t u d e ，t h er a t i ob e t w e e nt h eu p p e r - i n f l o wa n dt h ei n i t i a lp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni n t h et r i b u t a r i e s ，t h er a t i ob e t w e e nm a i nr i v e ra n dt h et r i b u t a r i e so fp o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o n ，t h e nc o n s i d e rt h e s ef a c t o r sa st h ei n p u t s ，u s i n gt h ep r i n c i p l eo fb p n e u r a ln e t w o r km o d e l ，t a k e nt h ed i l u t i o nr a t i oo ft h et r i b u t a r i e s p o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o na so b j e c t i v e ，t h ef o r e c a s t i n gb pn e t w o r km o d e lo fw a t e rq u a l i t yi s c o n s t r u c t e d b yi n s p e c t i o na n de l t o ra n a l y s i s ，t h ep r e c i s i o ni sh i g h ( 3 ) b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lp 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 ， a d d e da n o t h e ro b j e c t i v ef u n c t i o nt h a ti st h em i n i m u m o f p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni nt h e t r i b u t a r i e sb yt h ef o r e c a s t i n gb pn e t w o r km o d e lo fw a t e rq u a l i t y , t h eo p t i m a l d i s p a t c h i n gm o d e lc o m b i n i n gw i t hw a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n to b j e c t i v eo ft h et h r e e g o r g e si sb u i l tc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fw a t e rq u a l i t yi nt h et r i b u t a r i e su n d e r p e a k - l o a do p e r a t i o nm o d e ，a n dr e s o l v eb yg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do nf u z z yd e c i s i o n a c c o r d i n gt ot h ei n f l o wa n dt h ep o l l u t a n tl o a d ，f i n do u tt h er e s e r v o i rr e g u l a t i o nm o d e t h a tc a l ln o to n l yf u l f i l st h er e q u i r e m e n to fg e n e r a t e de n e r g y , b u ta l s oi m p r o v ew a t e r q u a l i t y k e y w o r d s ：o p t i m a lo p e r a t i o no f r e s e r v o i r ，t h r e eg o r g e sr e s e r v o i r ，p e a k 1 0 a d r e g u l a t i o n ，b a c k - p r o p a g a t i o na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，w a t e re x c h a n g e 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，也不包含为获得丕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：至健 签字日期：出矿年多月2 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼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：二秽年占月e l 导师签名： 鳝己司墨 签字日期：，圹年么月z 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 大型水利水电工程的建设，使人类能够对水资源进行更加有效的管理和充分 的利用，为人类造福。大坝的建成，拦蓄了大量的上游来水，一方面能够满足防 洪要求，另一方面用于发电灌溉、改善河道航运条件等，发挥其巨大的经济效益。 但是大坝的建成改变了河流的自然径流，引起河流主要水力学要素的改变。大坝 上游从天然流转化为缓流，改变了河流的流态，导致坝址上游河道泥沙淤积。水 量和电力需求的日变化和季节性变化，造成泄洪量的长期和短期变化，自然水流 非连续，进而降低了河流形态多样性，使河流整个生态系统受损。 三峡工程是一项规模宏大、举世瞩目的治理长江的关键工程，发挥巨大的防 洪、发电、航运等效益。但是由于大坝建设提高了库水位，改变了天然河道的流 态，不可避免的带来许多生态环境的问题。例如库水位提高，加上入库流量和下 泄流量减少，水流速度减慢，库区支流和局部区域甚至出现水流停滞现象，水体 对污染物的稀释和扩散作用降低，库区部分支流已多次发生“水华”现象，导致 水质恶化问题【l 】；调峰运行使得下泄流量在一日内大幅度变化，导致三峡一葛洲 坝间河道水位波动频繁，流速变化剧烈，不利于船舶航运和停泊，引起航运问题； 库水位提高，库区流速降低，导致水库泥沙淤积问题；水库下泄水流水温变化、 溶解气体过饱和( 或不足) 、坝下河道冲刷、溯河产卵鱼类的繁殖、库区地质灾 害等问题。 针对三峡工程的生态环境问题，国内外相关科研单位进行了大量的科学研 究，取得了丰硕的成果。其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。 李锦秀、廖文根提出：水动力条件减缓将成为诱发库区支流发生富营养化的 最主要动力【2 】；以三峡库区江段主要有机污染水质指标b o d 为例。通过经验分析 与计算，深入研究三峡水库建成前后水流条件巨大变化对b o d 生化降解系数k l 的 影响，并建立了与水流条件相关的经验关系式。研究表明，三峡水库建成以后， 随着水位抬高，流速减缓，单位时间内b o d 降解速率k l 将明显减小【3 】；对水动力 条件对富营养化影响规律作了初步的探讨【4 】。曾辉，宋立荣等【5 】通过2 0 0 4 、2 0 0 5 年沿香溪河下游及河口区以及香溪河口到三峡大坝干流江段进行了两次藻类“水 华”调查，研究得出结论三峡库区蓄水后干流和支流发生“水华”的最主要原因 第一章绪论 是筑坝后库区内水动力条件的改变而非营养盐浓度较高。李崇吲6 】建议尽快开展 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。周建军【7 】提出如 果三峡电厂按较大规模进行日调节调度，一些支流和区域出现“水华”的情况就 可得到缓解。对通过调度改善库区水环境进行了探讨。 蔡其华【8 】提到“中外科学家研究认为：通过改善水库调度可避免或挽回大坝 对自然环境和河滨社区的潜在危害，恢复己丧失的生态功能或保持自然径流模 式。改进的生态调度不会显著的减少原有的灌溉、防洪和发电效益，有时还可能 增加这些效益。”并提出把生态调度纳入水库调度统一考虑，努力寻求防洪、兴 利与生态协调统一的水库综合调度方式。给水库的调度方式及水库的生态调度研 究提供了一个好的思路。充分显示出生态调度己经受到越来越多的重视。 三峡水库的调度运行对生态环境的影响在我国尚处于初步探索阶段，将生态 因子纳入水库调度章程，还需进一步深入的研究，从可持续发展角度看，三峡工 程终究要向生态调度方向发展。研究在满足三峡工程经济效益和防洪效益的同 时，减少其对生态环境的影响的途径已成为三峡水库水环境研究的重要内容之 一。由于三峡库区人口稠密，工农业生产又具有相当规模，通过严格控制水库上 游及周边地区污染源的方法来改善生态环境短期之内很难达到，所以通过优化改 善水库调度运行方式来改善库区水质是一个值得探讨的途径。 三峡水库的总体调度方式可分为非汛期和汛期两种运行方式。汛期水位降至 1 4 5 m 运行，以满足防洪要求，汛期水库水位较低，流量和流速较大，下泄流量 与天然情况相同，库区和下游水污染相对较轻，非汛期( 1 1 月份至次年4 月底) 水库在1 7 5 m 的高水位运行，非汛期来流量少，水位高，不利于污染物的扩散， 水库水环境生态问题较汛期突出。 电站调峰运行是三峡水库非汛期调度的重要措施。非汛期来流量少，三峡水 电站可以较多的承担调峰运行，通过较大幅度的调峰调度来改善水库及支流的水 流条件，加大电站的下泄流量，增强库区水位波动，在一定程度上加强干支流水 体交换，提高水体中污染物的稀释扩散能力。不但有利于以改善库区水环境状况， 更重要的意义在于为大型工程环境控制提供一条现实可行的途径。 1 2 水质预测研究现状 水质预测是指在一定范围内，对一定时期的水质状况进行分析，对其未来发 展状况进行预测，确定水质的状况及其变化的趋势、速度以及达到某一变化限度 第一章绪论 的时间等。对水质进行预测可应用于防范各类突发事件，包括低概率和高风险的 化学物质、微生物及放射性物质污染事件，污染物的有意排放及人为投加等，为 政府部门提供决策支持，最大限度地降低突发事件的影响。由于河流水质受物理、 化学、水动力学、生物学以及气象学等诸多因素影响，具有较强的非线性特性， 用现有的基于数学表达式的水质预测模型很难将这些因素都考虑进去。因此，研 究一个能较准确地预测水质情况的预测模型尤为重要。水质预测的常见方法有线 性回归方法【9 】、时间序列方法【1 0 】、灰色系统方法【l l 】、神经网络方法等。 1 2 1 人工神经网络在水质预测中的应用 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，舢蝌) 是2 0 世纪5 0 6 0 年代发展 起来的适用性很强的交叉学科，人工神经网络利用模拟人脑的一些基本特征，由 于它具自组织、自适应能力和容错能力，被广泛应用于预测、模式分类、自动控 制、非线性映射及系统故障等领域，取得了很好的效果 1 到。 a n n 是一种非线性的不依靠数学模型的模拟预测方法，以大量的历史数据 为基础，以训练学习的方式找出事物的因果关系，可用于处理各种复杂的问题 ( s i m o nh a y k i n ，2 0 0 1 ) 。特别是b p 网络在预测非线性问题方面得到了广泛地应 用。而水质模拟预测涉及到许多方面的因素，是很复杂的非线性系统模拟预测。 近年来，国内外学者把a n n 引入到水质预测中【1 3 - 1 5 1 。魏文秋掣1 6 】( 1 9 9 6 ) 采用多层前馈神经网络，确定d o 、c b o d 、n b o d 等6 项指标为影响因子，对四 川沱江的d o 进行了预测，研究结果表明神经网络水质预测模型可全面考虑影响 水质指标的各种因素，且自学习能力较强，有利于预测精度的提高。李凤彬 r 7 】 ( 1 9 9 9 ) 以1 9 9 1 1 9 9 6 年洋河水库监测数据为样本，选择水温、库容水位变化和 输入负荷作为输入样本，总磷浓度为输出样本建立模型，并进行了总磷浓度的预 测。邵东国等【l8 】( 1 9 9 9 ) 采用b p 网络模型以甘肃省河西走廊西部疏勒河为例， 建立了包含6 个输入节点、5 个隐层节点和1 个输出节点的干旱内陆河流水质预 测的人工神经网络模型，研究表明神经网络的预测结果令人满意。郭宗楼等【1 9 1 ( 2 0 0 0 ) 在发现传统b p 网络模型缺陷的基础上，提出了输入输出节点由状态神 经元构成的因素状态b p 网络，将其应用于汉江丹江口水库的水质预测上，同复 杂的河网水质模型预测结果比较后发现因素状态b p 网络模型的预测精度较高。 此后邹红娟等【2 0 】( 2 0 0 1 ) 将入库水量与库容之比和磷酸盐作为输入，浮游植物 生物量和丰度作为输出，建立浮游植物群落消长的人工神经网络模型。同时将平 均水温、入出库水量之比、磷酸盐和总氮作为输入，蓝藻优势度作为输出，建立 浮游植物演替地人工神经网络模型预测，研究表明，该方法优于传统的统计学模 型，可进行水库浮游植物群落动态和预测预报，并具有较高的精度。同年杨建强 等【2 l 】( 2 0 0 1 ) 采用3 层前向式网络一径向基函数网络模型( i f ) 对某河段有 第一章绪论 机污染物进行预测，预测相对误差低于1 0 ，表明径向基函数网络模型预测的精 度较高，对水环境污染物浓度预测的适应性较强。高学引2 2 】( 2 0 0 1 ) 运用b p 网 络对长江水质进行模拟预测，对长江干流和主要支流( 含湖泊) 的水环境质量进行 分类研究。陈丽华【2 3 】( 2 0 0 3 ) 等人利用黄河兰州段水质指标浓度时间序列作为 学习样本，运用人工神经网络b p 模型中的l e v e n b e r g m a r g u a r d t 优化算法，将优化 好的网络的预测结果与实测结果进行了比较，表明b p 网络可以很好地用于黄河 水质指标值及水质类别的预n t 2 4 1 。黄廷林等将时间序列、灰色系统、人工神经 网络等水质预测方法进行了分析探讨，认为a n n 具有算法简便、可自动修正、 精度高和使用对象广等特点，但难以反映水质变化的内在原理。 1 3 生态调度研究现状 生态调度是水库调度发展的最新阶段，自始至终贯穿着生态与环境问题，以 满足流域水资源调度和河流生态健康为目标。水利工程的生态调度在强调水利工 程的经济效益与社会效益的同时，必须将生态效益提高到应有的位置。水库调度 要保护河流流域生态系统健康和安全，对筑坝给河流带来的生态环境影响进行补 偿；对河流水环境的变化进行有益地维护和保护。 1 3 1 生态调度概念及分类 除考虑防洪、发电、航运等效益外，还把保护河流生态系统健康作为调度目 标之一，水库生态调度将是以防洪、发电、航运、生态需水、灌溉、给水、养殖、 旅游文娱、冲污为约束，通过协调各兴利因子达到目标的一个均衡优化调度问题。 生态调度将通过合理统一的调度，使水库对河流生态系统的不利影响降到最小程 度，同时利用水库能有效调节水量的功能，促进河流复合生态系统朝着有利于生 物演替的方向的调度。 要开展水库的生态调度，必须要认识和了解目前的河流生态问题，掌握其规 律和发展的特点，这样才能有的放矢，才能使水库生态调度通过具体的操作，真 正地发挥效益。现行的水库调度对水库下游生态保护和库区水环境保护重视不 够，在进行防洪和兴利调度的同时，没有考虑其对下游生态和库区水环境的影响， 以至长期累积下来的生态和环境的反作用以各种方式显现出来。因此，针对流域 河流生态系统的生态危机可以开展专项生态调度： 生态需水量调度。以满足河流生态需水量为目的，保持河流适宜生态流量、 全年避免河流用水量出现小于最小生态流量和枯水季节大于最大生态流量的事 件。 生态洪水调度。繁殖季节适当的“人造洪峰”为重要生物的繁殖创造有利 第一章绪论 条件，同时包括维持河流水沙平衡，防止河道淤积或冲刷。 泥沙调度。“蓄清排浊”或适时降低汛限水位以防止水库淤积，控制河床 抬高或冲刷、保持一定的河势稳定，维持河流水沙平衡。泥沙调度一般与洪水调 度、紧密相关。 水质调度。为应对突发河流污染事故、防止水体富营养化与水华的发生、 控制河口咸潮入侵、而进行的水库调度。 生态因子调度。对单项的生态因子如水温、营养盐、溶解氧、p h 值、透 明度等进行的调节调度。 1 3 2 水质改善为目标的水库生态调度 良好的水质是河流生态健康的重要标志。河流的水质因子包括营养盐、溶解 氧、p h 值、透明度、水温等。筑坝破坏了河流原有水环境的物理、化学特性， 造成水质因子的失衡，影响了水生生物的生长、发育、繁殖、行为及分布，威胁 着人类的用水安全。n a i m a n 2 5 1 认为水库形成后，库区水流变缓，营养盐沉积， 水体富营养化，容易导致水华；而下游河道水量减少，会使水体污染加重。 以改善水质为重点的生态调度是指水库在保证工程和防洪安全的前提下，控 制水质因子变幅，使其落在天然状况的变化范围之内；通过湖库联合调度，为污 染物稀释、自净创造有利的水文、水力条件，从而改善区域水体环境。利用水库 调度来缓解水质恶化，防止水华现象频繁发生。 造成水库富营养化的主要原因是：总磷、总氮等营养物质超标、适宜的温度、 较长的滞留时间和缓慢的水流速度。其中滞留时间之长短对于水库富营养化的发 生具有重要作用，它决定了水库中浮游生物种群能否维持，滞留时间太短，水流 太急，容易破坏浮游植物的组织，且缺乏足够的时间以维持浮游植物种群。据研 究，比较水力滞留时间相似时的河流和水库的单位磷的藻类丰度，发现水库单位 磷的藻类丰度远远高于河流。国外有学者对a s a h i 水库的研究表明，虽然氮、磷 指标反映该水库1 9 8 0 年已达到富营养化的程度，但由于滞留时间短，很少发现 浮游植物“疯长”的现象，当水滞留时间超过2 周以上时，浮游植物却维持了较 高的种群数量。因此，水滞留时间的长短应是调控水库生态系统生物量水平的有 效工具。水流速度可改变水库营养盐的沉降速率，从而改变水体的营养盐浓度。 据原联邦德国对水库的调查分析证明：当水流大于0 3 m s 时，因水面紊动而发 生强烈的交换作用，水体具有很强的复氧能力，只有少量水生植物和藻类能生长。 水库中水的滞留时间和水流速度主要决定于水库调度。所以，生态调度里考 虑到了水库富营养化控制。利用水库灵活调控水位、流量的特点，实施以保护和 改善环境及生态的调度，消除或缓解兴建水库对生态与环境带来的不利影响f 2 6 1 。 在藻类大量繁殖季节的前期，密切监测水库各项指标数据，主要是以营养盐、水 第一章绪论 库动力学及藻类为主。一旦指标达到临界指标值有水库富营养化的风险，立即增 大水库下泄流量。而在藻类大量繁殖季节( 如夏秋两季) 要保证一定的下泄流量， 加快库区水循环，缓解水体污染，防止富营养化发生。 1 3 3 国内外研究现状 早在2 0 世纪7 0 年代国外学者就开展了关于水库对生态与环境不利影响的全 面的、系统的研究。水库对生态与环境影响的因子主要包括水流、地形、水质、 泥沙、营养物质、水生生物等。结合广泛开展的减轻大坝对生态与环境不利影响 的实践，例如在乌克兰，德涅斯特河【2 7 】针对河流无机氮化合物污染率高的情况， 于1 9 8 7 1 9 9 2 年间在德涅斯特罗夫水库进行了若干次生态性放水试验，确定4 月底到5 月初水库加大放水后，不仅适时地补充河口众多湖泊较常年多的水量， 还创造了鱼类产卵的有利条件，湿地生态环境得到较大的改善。1 9 9 1 1 9 9 6 年， 美国田纳西流域管理局( t 、，a ) 对2 0 个水库通过提高水库泄流的水量及水质， 以下游河道最小流量和溶解氧标准为指标，对水库调度运行方式进行了优化调 整。具体技术措施包括：通过适当的日调节、涡轮机脉动运行、设置小型机组、 再调节堰等提高下游河道最小流量，通过涡轮机通风、涡轮机掺气、水泵掺气、 掺氧装置、复氧堰等设施提高水库泄流的溶解氧浓度。提出在原有主要目标的基 础上，要求水库为水质、娱乐的目标进行调度。1 9 9 6 年，美国联邦能源委员会 ( f e r c ) 在水电站运行许可审查过程中，要求针对生态与环境影响制定新的水 库运行方案，包括提高最小泄流量、增加或改善鱼道、周期性大流量泄流和陆域 生态保护措施等。 我国水利工作者在发挥水利工程的生态功能，减轻水利工程对生态与环境的 不利影响方面也进行了一定的探索与实践。2 0 世纪8 0 年代以来，在中国环境水 利研究会的推动下，进行跨流域的科学调水，合理配置水资源，起到降低水体污 染，提高水质的作用。水库改善环境调度的研究与实践不断在长江流域和全国各 地付诸实施，取得了较大成就。太湖流域管理局自上世纪9 0 年代就开展以改善太 湖水质为目标的两次“引江济太”调度工程，初步缓解太湖水质型缺水的局面。 利用望虞河、太湖、太浦河开展大规模调水试验，为流域科学调度，合理配置水 资源，缓解太湖流域水资源短缺，改善太湖和流域水环境积累了有益的经验。 同样，利用渠道、闸门、泵站等设施的调度把多条河流联系起来，进行水质 统一调度，可以缓解突发性水体污染的状况和加快河流自净的速度。如2 0 0 4 年 2 月下旬，沱江上游突发水污染事件，四川省内沿江两岸群众的饮水及正常生活、 生产受到了严重影响。四川省水利厅科学调水、配水，错峰用水，联合调度都江 堰、三岔水库的清洁水源，向沱江调水冲污。经过连续2 3 天的跨流域调水冲污， 缓解了沱江上游突发水污染事件。 第一章绪论 2 0 0 4 , 一2 0 0 5 年，珠江三角洲地区遭遇近2 0 年来最为严重的咸潮上溯，严重 威胁澳门、珠海、中山、广州等地供水和生态安全。珠江水利委员会会同流域内 有关省( 区) 编制了压咸补淡应急调水方案，联合调度天生桥一级电站、岩滩水 库、飞来峡水库，共调水8 5 1 亿m 3 入珠江压咸补淡【2 引，这次调水是珠江流域第 一次大规模实施流域内的水库群联合调度，远距离调水至珠江下游区，缓解了珠 江流域受咸潮威胁的严重态势，及时解决了珠江三角洲地区及澳门1 5 0 0 万人的 饮水安全，为粤澳两地供水提供了安全保障；同时，控制了珠江口区域水环境的 进一步恶化，并使珠江沿途的水环境状况得到了明显的改善。 为了确保黄河水不断流，小浪底水库电力调度服从水资源调度，多次弃电供 水。黄河水利委员会在充分考虑黄河下游河道输沙能力前提下，对小浪底、三门 峡、万家寨水利枢纽进行联合调度，调整天然水沙过程，以利于下游河道的减淤。 海河流域通过小清河和白洋淀，把永定河与大清河联系起来，实施中，小洪水情 况下两条河流的联合调度，用永定河多余的洪水改善了大清河以及沿河地区的生 态状况。吉林丰满水库下游的松花江污染较严重，三岔河以上累计污水量约为 3 5 m 3 s ，在正常枯水年份，水库发电流量达3 5 0 m 3 s ，基本上可以适应稀释污水 的要求，但如遇调度不善或其它原因，使这段时间发电出力过小，则对防治河流 污染十分不利。因此，在满足容量平衡的前提下，通过调整枯水期的运行方式， 适当加大丰满电站1 2 月至次年3 月的平均出力，改善了下游的水质。上述实践 活动均取得了显著的成效。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要针对三峡水库蓄水运行后干支流水文情势发生巨大变化，引发库区 支流水体水质恶化，非汛期易发生“水华”的现象，探索通过电站调峰运行所引 起的干支流水体交换，促进支流中污染物的输移扩散，达到稀释污染物浓度的目 的，从而改善支流水环境状况，缓解支流水体富营养化程度。根据整个非汛期的 来流量过程确定下泄流量过程和调峰过程，达到干支流水体交换所带来对干支流 的污染物浓度的稀释作用，及对水质改善的目的。 具体主要内容包括以下方面： ( 1 ) 利用电站日调节调峰运行所引起的干支流水体交换能够增加支流水体 替换量，缩短支流水体滞留时间，并对支流水体中污染物的有稀释作用，依据三 峡库区建立模型，分析了不同库水位、谷荷流量、调峰幅度下，电站调峰运行对 支流污染物浓度的稀释作用。以距离三峡坝前最近的库区支流一香溪河为例，分 析影响支流污染物浓度稀释作用的主要影响因子。为进一步建立水质预测模型提 7 第一章绪论 供依据。 ( 2 ) 利用b p 网络在预测非线性问题方面的优势，选取库水位、谷荷流量、 调峰幅度、支流上游入流污染物浓度与支流污染物浓度之比a 、长江干流污染物 浓度与支流污染物浓度之比b 五个对干支流水体交换引起的支流污染物浓度稀 释有主要影响的因子作为b p 网络的输入因子，以香溪河为例，利用模型计算设 计典型工况作为训练样本，建立预测香溪河污染物浓度日稀释比的3 层神经网络 模型。经检验，模型精度较高。 ( 3 ) 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，本 文将三峡水库非汛期调峰调度运行方式对库区支流污染物浓度的稀释作用联系 起来，在常规的发电调度模型基础上，建立耦合水质目标的三峡水库非汛期优化 调度模型，根据典型年的来流量和库区干、支流污染物负荷情况，通过优化算法 求解水库优化调度模型，获得既有较大改善支流水质作用，又能满足发电量需求 的综合效益最优的三峡水库非汛期调度运行方式。 第二章调峰运行方式对三峡库区支流水质的影响 第二章调峰运行方式对三峡库区支流水质的影响 2 1 通过调峰运行改善支流水质的基本原理 2 1 1 水体交换对河流富营养化的影响 已有的富营养化研究成果均指出【l 】，对于不同的水体，由于区域地理特点。 自然气候条件，水生生态系统结构和水污染特性等存在诸多差异，会出现不同的 富营养化症状，但富营养化所需的最必要的外力条件基本是一样的，即： 充足的n 、p 等营养物质 缓慢的水流流态 适宜的气候条件( 水温和光照) 只有当这三个必需条件都基本具备时，水体才会暴发富营养化。 一般来讲，接纳n 、p 等营养物质多的河流，富营养化发生的可能性及程度 就大，即富营养化与n 、p 等营养负荷正相关。当进入河流的污染物负荷相同时， 河水流量的大小对污染物的稀释影响是很重要的，河水流量大，河水稀释作用强， 水体中的营养盐浓度低，富营养化发生几率小，反之亦然，即富营养化与河水流 量负相关。 稀释是改善河流污染状况的有效技术之一，对于水质的变化具有决定性的影 响。通过稀释，能够快速降低污染物质在河流中的相对浓度，从而降低污染物质 在河流中的危害程度【2 9 1 。 河流中污染物的浓度主要经过物理、化学、生物作用得到降低。其中物理过 程的稀释扩散是河流最基本最重要的一种自净机制。对于污染负荷严重的河流， 物理稀释作用是水体污染浓度得到降低的主要方式。稀释作用不会引起污染物总 量的变化。河流的稀释能力和效果主要取决于河流的水力推力和扩散的能力。污 染物进入河流后，由于河水的输移作用而沿河流进行纵向迁移，由于扩散作用而 与河水混合。扩散作用包括分子扩散、对流扩散和紊流扩散，其中紊流扩散作用 最大。在稀释的过程中，输移和扩散相互影响，使进入河流的污染物得到稀释。 另外，水体停留时间的长短是水体发生富营养化的限制因子之一。在水量交 换频繁的水体，营养盐得不到有效的富集，富营养化是不可能出现的；相反，水 滞留时间增加，使流速变缓，有利于营养物质沉淀，不利于进入水库后的污染物 扩散稀释，为藻类疯长创造有利的条件。 在枯水期或枯水年，水流变缓，滞留时间过长，易发生水华。水滞留时间的 9 第二章调峰运行方式对三峡库区支流水质的影响 长短与水库水质密切相关。s t r a s k r a b am 等( 1 9 9 5 ) 分析世界各地的水库发现，年平 均滞留时间( 也称理论滞留时间) 对水库的水动力学、化学( 营养盐) 和生物过程 有直接的相关性。当入库水流化学物质浓度维持不变时，出库水流中该物质的输 出负荷量随滞留时间增加而呈指数函数减少【3 们。 增大水交换，缩短水滞留时间，能有效地防止水温分层，增加水体混合层， 破坏藻类等浮游植物繁殖和生存条件，进而减缓富营养化进程和水华发生频率。 水体在库区的滞留情况和水体交换情况直接影响营养物质的输入输出，水库的水 质状况和富营养化的程度。加大水库水量的交换，缩短水滞留时间，有利于抑制 富营养化的发展。 2 1 2 非汛期三峡日调节调峰能力 三峡水库每年l o 月至次年5 月为非汛期，水库无防洪任务，库水位在 1 5 5 m 1 7 5 m 运行。水库有调节库容1 6 5 亿m 3 。三峡电站非汛期运行水头较高， 预想出力均可达到满发装机容量l8 2 0 万k w ，电站保证出力4 9 9 万k w ，随着三 峡上游水库的建设和开发，远景2 0 1 5 年以后保证出力可达5 3 0 万k w 。三峡电站 在非汛期可较好地承担系统调峰任务。 三峡电站在非汛期的调峰能力主要受航运和机组检修制约。经电站日调节非 恒定流计算，三峡电站调峰运行期间，需每日平均下泄相应于1 3 0 万k w 出力的 航运基流，配合葛洲坝水库的