（水工结构工程专业论文）三峡水库非汛期水动力及水质模拟研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着大型水利水电工程的建设，人类能够对水资源进行更加有效的管理和充 分的利用，取得了巨大的防洪、发电、航运等效益。但是工程建成后，不可避免 的带来了一些生态环境问题。随着时间的发展，在水库的调度过程中将生态因子 作为水库调度的重要目标之一。同时由于流体运动的复杂性，传统的物理模型试 验已很难满足研究的需要，数值模拟成为研究流体力学方便和强有力的手段。 三峡水库建成后，非汛期，三峡水库蓄水至17 5 m ，电站采取调峰运行模式。 由于库水位提高和调峰运行，改变了天然河道的流态，引起水库生态环境问题。 能否通过非汛期日调节调度达到改善水库及主要支流水动力学特性和水质状况 成为本文的切入点和重点。本文对三峡工程如何实施“生态调度进行了初步的 探索。 本文应用丹麦水力研究所( d h i ) 研发的m i k e l l 软件，对三峡水库( 至奉 节全长约1 7 0 公里) 及五条主要支流进行数值模拟，建立了水动力学模型和水质 模型。并通过对模型参数的计算和调整，使模型能准确地模拟该段地形水文情况。 同时，通过日调节调度的模拟与分析，对库区及主要支流的水动力学特性和污染 物扩散情况加以分析研究，对通过加大水库日调节调度对水库水动力学特性的影 响和水质条件的改善作了探讨。 本文建立了三峡水库( 至奉节) 的水动力和水质模型，并通过现有实测资料 对模型进行了验证和率定，证明了模型的正确性。对建立此段水动力模型和水质 模型的河网概化、断面选择、糙率、水质参数的取值情况等进行了分析，并建立 了相关公式。对三峡水库非汛期几种日调节调度方案的模拟分析，对进行日调节 后水库及主要支流的水动力特性和水质变化情况进行了分析比较，指出了非讯期 通过加大水库日调节调度，使库区及支流的水环境状况得到改善。对改善库区及 支流水质是一个有效的途径。 关键词：三峡水库；生态调度；数值模拟；水动力；水质 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hl a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o no fw a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o p o w e rp r o j e c t ，t h e w a t e rr e s o u r c e sc a nb em a n a g e da n dm a d ef u l lu s em o r ee f f e c t i v e l y t h eg r e a tf l o o d c o n t r o l ，p o w e rg e n e r a t i o n , s k i p p i n ga n do t h e rb e n e f i t sw a sa c h i e v e d b u ta f t e rt h e p r o j e c tw a sf i n i s h e d s o m ee c o l o g i c a lp r o b l e m sw e r eb r o u g h ti n e v i t a b l y w j t l lt i m e g o i n go n ，t h ee c o l o g i c a lf a c t o r sw o u l db eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tg o a l si nt h e r e s e r v o i rc o n t r o lo p e r a t i o n a tt h es a m et i m ed u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h ef l u i d m o v e m e n t ，t h et r a d i t i o n a lp h y s i c a lm o d e lt e s th a sb e e nd i f f i c u l tt om e e tt h en e e d so f r e s e a r c h ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb e c o m ec o n v e n i e n ta n dp o w e r f u lt o o l i nt h ef l u i d d y n a m i c ss t u d y a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r , t h ew a t e rl e v e ro ft h et h r e e g o r g e sr e s e r v o i rw o u l db e17 5 ma tn o n - f l o o ds e a s o n t h ep o w e rp l a n tt o o kt h ep e a l 【 m o d u l a t i o nm o d e a st h ew a t e rl e v e li n c r e a s e da n dp e a km o d u l a t i o no p e r a t i o n ，t h e n a t u r a lr i v e rf l o wp a t t e mw a sc h a n g e da n dt h ew a t e re c o l o g i c a le n v i r o n m e n tp r o b l e m w a sc a u s e d w a y sf i o mt h ep o w e rp l a n to p e r a t i o na tn o n f l o o db e c a m et h es t a r t i n g p o i n ta n df o c u s f li tc o u l db ea p p r o v e d ，at w o w i nc o u n t e r m e a s u r ef o rb o t hp o w e rn e t a n dt h ew a t e rq u a l i t yo ft h er e s e r v o i rm i g h tb ef o u n d t h i sp a p e rc o n d u c t e da p r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o no nh o w t oi m p l e m e n tt h ep r o j e c t ”b i o l o g i c a lr e g u l a t i o n ” i nt h i s p a p e r , t h ei n t e r n a t i o n a l l y w e l l k n o w ns o f t w a r e s o f t w a r em i k e11 d e v e l o p e db yt h ed a n i s hh y d r a u l i ci n s t i t u t e ( d h i ) w a sa p p l i e d t h eh y d r o d y n a m i c m o d e la n dw a t e rq u a l i t ym o d e lw e r ee s t a b l i s h e dt om a k et h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r ( t of e n g j i ea p p r o x i m a t e l y17 0k m ) a n df i v em a j o rt r i b u t a r i e sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ea d o p t i o no ft h em o d e lp a r a m e t e r sc a l c u l a t e da n da d j u s t e ds ot h a tt h em o d e lc a l l a c c u r a t e l ys i m u l a t et h eh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n s a tt h es a m et i m e ，h y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n ds p r e a do fp o l l u t a n t so ft h er e s e r i v o ra n dt h em a i nt r i b u t a r i e sw e r e s t u d i e dt h r o u g ht h et h es i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h es c h e d u l i n g t h er e s e r v o i rw a t e r c o n d i t i o n i n gs c h e d u l i n gd y n a m i c so f t h ei m p a c ta n dt h ei m p r o v e m e n to fw a t e r q u a l i t y c o n d i t i o n sw e r ed i s c u s s e d 山东大学硕士学位论文 i nt h i sp a p e r , t h eh y d r o d y n a m i ca n dw a t e rq u a l i t ym o d e lo ft h et h r e eg o r e s r e s e r v o i rw a sm a d ea n dw a sv e r i f i e d 、析t l lt h et h ee x i s t i n gm e a s u r e dd a t a i nt h em o d e l t h er i v e rn e t w o r k ，s e c t i o n sc h o i c e s ，r o u g h n e s s ，t h ev a l u eo fw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r s w a sa n a l y z e d t h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dw a t e rq u a l i t yc h a n g e sw a s a n a l y z e da n dc o m p a r e da f t e rt h ed a i l yr e g u l a t i o no ft h er e s e r v o i r t h ew a t e rc o n d i t i o n o ft h er e s e r v o i ra n dt r i b u t a r i e sw a si m p r o v e dw i t ht h eg r e a td a i l yr e g u l a t i o n lo f t h e s ep r o v e di tw a sa ne f f e c t i v ew a y k e yw o r d s ：t h r e eg o r g e sp r o j e c t ；b i o l o g i c a lr e g u l a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； h y d r o d y n a m i c ；w a t e rq u a l i t y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：游杯日期：潞r 彤 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：衙糟，新签名奔考彳日期：酤工彬 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 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，还可以用于发电灌溉、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 上游从急流转化为静水，改变了河流的流态，导致坝址上游河道泥沙淤积；对水 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，造成自然 水流的非连续性，进而造成河流形态多样性的降低，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，具有并已经开 始发挥巨大的防洪、发电、航运等效益。但是大坝建设改变了长江的自然径流， 不可避免的带来许多生态环境的问题。如移民、水库水质富营养化、水库泥沙淤 积、水库下泻水流水温变化、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。 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，下泻流 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，不利于污染物大的 扩散，水库水环境生态问题较汛期突出。非汛期来流量少，三峡水电站可以较多 的承担调峰运行，通过电站的调峰运行来加大电站的下泻流量，增强水库和下游 的水位波动、水流振荡，在一定程度上提高水体中污染物的扩散能力，缓解水库 和下游的污染。电站调峰运行是三峡水库非汛期生态调度的重要措施。 在非汛期，三峡水库蓄水至1 7 5 m ，电站采取调峰运行模式。由于库水位提 高和调峰运行，改变了天然河道的流态，引起水生态环境问题，主要体现如下： 第一，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，导 致水质恶化问题： 山东大学硕士学位论文 第二，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； 第三，库水位提高，库尾流速降低，泥沙淤积库尾并向上游壅水。 三峡水库的建设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。进行生态调度，必然要考虑到对三峡库区及下游的水 流特性及污染物扩散特性的研究，以保证在发电调峰目标的条件下，改善三峡库 区和下游河道的水环境和航运条件。因此三峡库区段非汛期水流特性和污染物扩 散特性的研究对三峡生态调度的多目标运行( 发电、生态、航运等) 起着至关重 要的作用。 三峡工程是备受世界瞩目的重大水利工程。库区建成后水环境保护意义重 大。通过非汛期较大幅度的日调节调度来改善水库及支流的水流条件，加大水库 水流震荡和波动以改善库区水环境状况不但有利于早日提高三峡水库蓄水位，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 河流生态调度理论研究现状 生态调度目前在国内是一个新概念，而且它的确切内涵还有待进一步探讨。对 其概念内涵的理解，在不同论述中并不一致，归纳起来是指在制定水库调度操作规 程时，将生态因子作为水库调度的目标之一，具体来说就是要考虑到水流受到调 控后河流生态系统变化，以及因此造成的不利生态影响，在此基础上采取相应的 调度措施来弥补或是缓解。它的核心内容是在水利水电工程运行与管理过程中更 多地考虑生态因素。 1 2 1 国外对生态调度的认识和实践 在国外，生态调度的研究作为一种理念融合在水库调度的章程中。其发展经 历了一个逐步认识的过程【1 羽。 ( 1 ) 1 9 9 1 1 9 9 6 年，美国田纳西河流域管理局( t 、，a ) 在其管理的2 0 个水库通 过提高水库泄流水量，对水库调度运行方式进行了优化调整。具体内容包括：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 2 山东大学硕士学位论文 曼曼鼍曼i i 皇曼曼曼置曼曼皇曼! 曼! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼皇曼量詈量曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼量曼 小流量，通过涡轮机通风、涡轮机掺气、表面水泵、掺氧装置、复氧堰等设施， 提高了水库下泄水流的溶解氧浓度，对改善下游水域生态环境起了重要作用。 2 0 0 4 年5 月，t v a 董事会批准了一项新的河流与水库系统调度政策。这项政策将 t 、，a 的水库调度的视点从简单的水库水位的升降调节转移到运用其所管理的水 库，来管理整个河流系统的生态需水量。 ( 2 ) 美国加利福尼亚州的中央河谷工程( c v p ) 始建于2 0 世纪2 0 年代，包括 大约2 0 座水库。首先，应用于调节河流、改善航运和防洪；其次，用于灌溉和生活 用水；第三用于发电。最近，c v p 修改了1 9 3 7 年法规并专门指出，c v p 的大坝与 水库现在应当：首先用于调节河流、改善航运与防洪；其次用于灌溉与生活用水， 及满足鱼类与野生动物需要，用于保护与恢复的目的；第三用于发电和增加鱼类 与野生动物。 ( 3 ) 大古力水坝( g c d ) 是哥伦比亚流域水工程( c b p ) 的主要项目，1 9 4 2 - - - 1 9 4 8 年间，g c d 的运行首先是为了满足发电，而没有防洪任务。1 9 4 8 - - 一1 9 7 2 年，g c d 更多地是为了控制洪水哥伦比亚河流域的能源管理从单个工程起决定作用过渡 到以工程系统为主。1 9 7 3 年以后，发电和洪水控制行动被提高到流域尺度。1 9 8 3 年提出的鱼类和野生动物项目，认为考虑溯河产卵鱼类问题是流域管理的主要问 题。从1 9 8 0 年开始，g c d 和哥伦比亚流域其它水利工程的调度主要集中在充分 满足维持或增强溯河产卵的鱼类种群的寻址需求。1 9 9 5 年，美国海洋渔业局提出 的生物学意见成为了决定工程调度的主要因素。 ( 4 ) 巴西t u c u r u i 水电站在其水库调度规程中明确提出：“为了在允许大坝下 游航运条件的情况下避免给堤岸生态群落造成伤害，保护堤岸斜坡和水库四周 的稳定性，并且避免溢流远高于以前的纪录，水电站运行规定了水位不能超过 7 2 0 0 m ”。在非洲南部的津巴布韦，研究人员在o d z i 河的o s b o m e 水库观测站开 展研究，运用d e s k t o p 模型，估算河流的生态环境需水流量，为水库调度提供了切实 可行的指导。 ( 5 ) 在澳大利亚，要求每个州和地区都要对”水依赖的生态系统”做出评价，并 且提出水的永续利用和恢复生态系统的分配方案。水的分配方案必须要考虑到 5 - - 1 0 年之后可能出现的情况，通过一些数据来指导重新调整径流的季节变化特 征以达到最佳的生态状态 3 山东大学硕士学位论文 美国田纳西河流域管理局、中央河谷工程、科罗拉多河流域、大古力水坝等 工程的生态调度状况给与我们以下启示：生态调度在国外也有一个逐步被认识和 接纳的过程，最初的水库调度都是追求经济利益的最大化，随着时间的发展，生 态调度的重要性日益凸现，它已经不再是从前所认为的、简单的水库水位的升降 问题。西方发达国家在制定水库调度规程中将生态因子放在了十分重要的地位并 把它作为关系到全流域、尤其是坝下区域生态的重大事件。 1 2 2 国内对生态调度的认识和实践 目前国内大型水利工程的水库调度基本上是以防洪、发电和改善航运为主， “适当兼顾其它如水产、旅游、以及改善中下游水质等要求 【6 】。水库调度的优 化决策系统也仅是以上述目标作为决策变量，一般不考虑专门的调度要求。“生态 调度”在国内目前仍停留在理论探讨以及初步的尝试阶段。 原水利部部长汪恕诚在论大坝建设与生态环保的关系【7 】阐述了我国水 电发展的4 个阶段：技术制约阶段、投资制约阶段、市场制约阶段、生态制约阶 段。阐述了大坝导致的生态环境问题，提出了大坝与生态问题的认识。指出我国 的社会经济发展水平决定了建坝的必要性，并在赞成修大坝的同时提出要十分注 意生态问题。 蔡其华在从维护健康长江谈生态调度【8 】中提到“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，恢复已 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，努力提高防洪、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。 索丽生在关于水利工程建设新思路的思考【9 】中建议“水利工程的运行方 式要与保护生态环境、改善水质以及高效利用雨洪资源相适应 。 禹雪中等在生态与环境调度为水利工程打开“绿色通道o o 提到“水 利水电工程生态与环境调度可以分为生态调度和环境调度，环境调度以改善水质 为主要目标，生态调度以水利水电工程建设的生态补偿为主要目标一 综上所述，生态调度在国内还是一个新概念，已经得到越来越多的研究和重 4 山东大学硕士学位论文 视【1 1 1 4 1 ，但还缺乏科学、系统的理论和实践。总体上强调在水利工程经济效益和 社会效益的同时，将生态效益重要性凸显，其具体形式和实现途径成为研究和探 索的重点。 1 2 3 三峡水库生态调度理论研究现状 三峡水库，是目前世界上最大的水利工程。三峡库区的生态环境问题备受瞩 目。从三峡工程论证阶段n - 期工程完工，水利部、中国水科院、高等院校以及 国内外相关科研单位，针对三峡工程的生态环境问题，进行了大量的科学研究， 取得了丰硕的成果。 胡征宇等在三峡水库蓄水前后水生态系统动态的初步研究 1 5 】中建议以流 域生态学思想为指导，对三峡库区蓄水后水生态问题提出对策。 王儒述在三峡工程是一项生态环境工程【1 6 】中对三峡水库存在的生态环境 现状进行了介绍，指出三峡工程是一项生态环境工程。 i 李锦绣等提出：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【17 】；以三峡库区江段主要有机扮染水质指标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备件巨大变化对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【1 8 】；对水 动力条件对富营养化影响规律作了初步的探讨【1 9 】 周建军在关于三峡电厂日调节调度改善库区支流水质的探讨【2 0 j 一文中提 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。 综上可以看出针对三峡工程生态环境问题，众多单位、学者进行了大量的科 学研究，其认识和研究逐步深入，并加强了对相关理论和技术的研究，在满足三 峡工程经济效益和防洪效益的同时，研究减少其对生态环境的影响的途径成为三 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 想当规模，通过严格控制水库上游及周边地区污染源的方法有很大难度，所以通 过改善水库调度来改善库区水质是一个值得探讨的途径。 山东大学硕士学位论文 1 3 河流数值模拟研究现状 河流水质模拟是分析水质要素在水环境中所发生的各种物理、化学和生物的 变化情况，它与水环境中的动力学因素如水的流量、流速和水深密切相关。因此， 水动力学计算是河流数值模拟的基础【2 1 j a 。 由于实际工程问题边界几何形状的不规则和流动的非线性性质，理论分析解 很难求得，因而，多通过实验手段和数值计算来解决。对于复杂地区河网水流运 动规律、水质问题，物理模型和实验手段似乎显得无能为力，尽管问题已经简化 成一维情形，但由于河道纵横交错，水流在河道中流向不定，试验中无论是人工 或是自动调节都极为困难。理论分析求解析解更不可能，目前还未出现求解一般 的复杂初边界条件下的非线性偏微分方程组的解析方法。因此除了现在对原型的 观测外，较实用的方法就是数值模拟。 1 3 1 河网水流和污染物扩散的数学描述 天然河道的河道形状极为复杂。严格讲，天然河道是不存在一维水流运动的， 但如果从宏观角度进行分析，研究问题的着眼点集中在断面平均水力要素上，一 维水流运动的假定( 即各水流运动要素在全断面上呈均匀分布) 是可以接受的。河 道过水面积可以是任意形状，并沿程变化，其变化程度应满足一维条件假设。虽 然这一限制在物理意义上讲很难做到，从数值计算角度讲是可以近似做到的。全 断面视为连续体。物理量诸如流量q 、过水断面a 或水位z 、水深也沿流程均看 成是连续的，它们都是时间t 和流程x 的连续函数。基本方程包括连续方程和运 动方程，分别描述了质量和动量守恒。质量守恒和动量守恒定律对连续和不连续 物理量都是适用的。 1 3 2 河网水动力学模型及其研究进展 描述河网地区河道水流运动的基本方程组是一维圣维南( s a i n t - v e n a n t ) 方 程组，包括连续方程和动力学方程，它属于非线性双曲型偏微分方程组。这类方 程没有可普遍适用的解析解。随着计算机的出现和计算机技术的飞速发展，近三 四十年来，在水流运动的数值计算方面也获得蓬勃发展，并形成了水力学的新分 6 山东大学硕士学位论文 支计算水力学。对河网水力的数值模拟是计算水力学中一个重要的内容。 河网水力计算可归结为一维s a i n t v e n a n t 方程组的求解问题。在早期计算机 运算速度相对较慢、存贮量较小的时候，人们只能求解简化形式的s a i n t v e n a n t 方程组。先后出现了纯经验方法，如通过对某一河段的入流和出流大量充足的观 测资料来率定基本的经验关系及参数；线性化方法，如略去重要的非线性项或是 将非线性项线性化得到可进行积分求解的简化方程组；基于质量守恒方程的水文 学方法以及简化形式的水力学方法。但是这些简化计算方法不仅精度低，且其适 用范围受到简化假定的限制，不是普遍适用的方法。自从s t o k e 2 3 】将完整的s a i n t v e n a n t 方程组用于河流洪水计算以来，出现了大量的针对完整s a i n t v e n a n t 方程 组的数学模型，根据其离散方法的不同，分为显式和隐式。显式方法的先驱是 s t o k e r 其后k a m p h u i s 2 4 】将显式方法用于模拟河道及水库的洪水，c u n g e l 2 5 】给出了 数种显式差分格式的表达式及分析结果，对于每一计算时刻，关于计算断面的未 知量，显示方法可以直接从代数方程组中得出结果。由于显示方法在计算的稳定 性要求方面存在时间步长限制，于是出现了隐式方法。隐式方法要求解代数方程 组。代数方程组又分为线性和非线性两种，前者既可以用直接法又可用迭代法求 解，而后者要用迭代法求解。在迭代法中，n e w t o n r a p h s o n 方法以其收敛速度 快的特点而较为普遍地用于求解非线性代数方程组中。对于各种隐式差分格式地 数值稳定性和精度问题，很多学者作了研究。从线性化稳定性分析角度，各种隐 式差分格式都是无条件线性稳定的。即线性化的s a i n t v e n a n t 方程组的隐式差分 稳定性是与时间步长和空间步长无关的，然而c u n g e 等发现，对于随时间变化迅 速的水流的模拟，若时间步长太大，则会出现数值不稳定，对于由截面在纵向及 垂向变化迅速而引起的非线性变化，也会出现数值不稳定。同时时间步长还受精 度、波形、c o u r a n t 条件、空间步长及隐式格式类型的限制。 对s a i n t v e n a n t 方程组的隐式差分格式的解法，其线性方程组的求解技术是 极为重要的。较为有效的是f r e a d 【2 6 】的关于五对角元的压缩存贮消元法及c u n g e 的双追赶方法。这两种方法在目前的河网水力数值模拟中使用较为普遍，但这两 种方法均存在着绝对值较小的数作除数而引起计算中断或数值不稳定的隐患。河 网水力计算中，由于各河的不规则纵横交叉连接，所形成的系数矩阵是一种排列 不规则的大型稀疏矩阵，具有大量的零元素，非零元素很少，降低了消元速度。 7 山东大学硕士学位论文 这样的矩阵系数如全部储存需要大量的储存单元，计算过程中零元素变为非零元 素参加运算使计算次数增加，计算次数越多，引入的舍入误差越大，计算精度难 于保证，因而降低了隐格式的使用价值。多年以来，人们一直在探求如何压缩系 数矩阵的储存信息，用较少的单位来储存河网矩阵，用什么方法能够较快地求解 河网方程组，一直是河网水力计算中的核心问题。 1 3 3 河网水质模型及其研究进展 从1 9 2 5 年s t r e e t e r - p h l e p s 算起，水质模型己被研究了8 0 多年，主要是以下 三个发展阶段f 2 7 】： ( 1 ) 第一阶段( 1 9 2 5 年至1 9 8 0 年) 。这一阶段模型研究对象仅是水体水质本 身，被称为“自由体”阶段。也就是说，在这一阶段模型的内部规律只包括水体 自身的各水质组分的相互作用，其他如污染源、底泥、边界等的作用和影响都是 外部输入。第一个河流b o d d o 藕合模型( s t r e e t e r - p h l e p s 模型，19 2 5 年) 提供了 水中有机物氧化作用与同时发生的复氧过程的关系式。这种模型框架维持了很长 时间，直到1 9 5 8 年，奥康纳( o c o n n e r ) 和多宾斯( d o b b i n s ) 对复氧系数进行了深入 的理论分析，取代了仅仅利用观测得到的复氧系数的方法为止。他们还将河流溶 解氧模型扩展到河口，并且开发t 时变的模型( o c o n n e r l 9 6 0 ，1 9 6 2 ，1 9 6 5 ，1 9 6 7 ； o c o n n e r a n dm u e l l e r1 9 8 4 ) 。第一阶段的模型发展开始于点源，但随着对面源控制 的要求和将以前外部过程如底泥作用内在化的要求增加，应用这类模型的时代便 告结束了。 ( 2 ) 第二阶段( 1 9 8 0 年至1 9 9 5 年) 。这一阶段模型迅速发展。主要表现如下： 在模型系统中引入水动力学模型；引入了更多的状态变量；将底泥作用纳入模型 内部( 如o c o n n e r 等19 8 3 ；th o m a n n 和d i t o r o19 8 3 ；d i t o r o 和f i t z p a t r i c k l9 9 3 ) ；将 面源污染纳入初始输入( 如d o n i g i a n 等1 9 9 1 ) 。此阶段加强了对流域面源的控制， 并将底泥的影响作为内部变量处理。 ( 3 ) 第三阶段( 1 9 9 5 年至今) 。随着发达国家对面源污染源控制的增强，面 源污染减少了。而大气中污染物质沉降的输入，如有机化合物、金属( 如汞) 和氮 化合物等对河流水质的影响日显重要。虽然营养物和有毒化学物由于沉降直接进 入水体表面己经被包含在模型框架内，但是，大气的沉降负荷，不仅直接落在水 8 山东大学硕士学位论文 曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼皇皇- 曹m mmm mmm 鼍曼曼曼曼 体表面，也落在流域内，在通过流域转移到水体，这己成为日益重要的污染负荷 要素。所以，在模型发展的第三阶段，增加了大气污染模型，能够像对沉降到水 体中的大气污染负荷直接进行评估一样，对来自流域的负荷进行评估。 水质模型的研究进展在很大程度上取决于污染物在水环境中的迁移、转化和 归宿研究的不断深入，以及数学手段在水环境研究中应用程度地不断提高，水质 模型在理论上从最初的质量平衡原理发展到现在的随机理论、灰色理论和模糊理 论：在实际应用上，从最初的城市排水工程设计发展到现在的污染物水环境过程 模拟、水环境质量评价，污染物水环境行为预测，水生物污染暴露程度分析和水 资源科学管理规划等水环境保护的各个方面；在研究方法上，从最初的解析解和 浓度表达发展到现在的以人工神经网络模拟辅助解析及与地理信息系统( g i s ) 相 结合的数值解和逸度表达法。 1 4 本文主要研究内容 本文在借鉴前人研究的基础上，借助丹麦水利研究所( d h i ) m i k e l l 软件 对三峡库区( 至奉节) 及其五条主要支流进行水动力和水质模拟分析，对各水质 参数和糙率进行了理论分析和验证，达到比较准确的模拟三峡库区( 至奉节) 的 地形、水文情况，并通过模拟调度方案的分析与模拟，对库区及主要支流的水动 力学特性和污染物扩散情况加以分析研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 建立水动力学模型，模拟三峡库区研究范围内水流特性； ( 2 ) 建立水质模型，模拟库区范围污染物扩散特征； ( 3 ) 判定水位波动和流速变化对水质的影响，确定出非汛期不同日调度方案下 对水库及支流水质改善情况及主要断面水质参数变化值； 数学模型的创建过程通常需要以下几个主要步骤：对所建模拟对象( 本文中 指三峡库区至奉节段) 数值概化、模型方程选取与参数选择、模型率定和验证。 本文具体思路为第一章进行现状分析，引出研究问题及生态调度理论，并进行分 析指出非汛期三峡水库调度过程中考虑生态因子的必要性；第二章进行理论分析 与原理介绍，对河流数值模拟理论从原理及求解方法进行了探讨，并对本文所用 软件m i k e l l 进行了简介和原理介绍；第三章为模型创建部分将上述几个步骤进 行了重点分析与论述，对三峡水库所研究河段进行了概述并阐述了建模部分各参 9 山东大学硕士学位论文 数的理论分析和模型验证，证明模型的有效性；第四章在第三章所建模型的基础 上进行了日调节调度分析，揭示通过水库的非汛期日调节调度，从而改变水库水 流运动特性和水质特性，第三章和第四章为本文的研究重点和主要部分；第五章 对全文做了总结和展望。 1 5 研究技术路线 根据本文研究对象的概况，研究问题的步骤及研究方法，确定出本文的技 术路线如图1 1 所示。 1 0 图1 1 论文研究技术路线图 山东大学硕士学位论文 第二章河流一维水动力学和水质模型 2 1 河流一维水动力学模型及其计算方法 2 1 1 基本原理 描述明渠一维渐变非恒定流的基本方程式嘲弓为： 8 aa o 署+ 丢卜等 + 鲥豢+ g 怨：。 q 。1 式( 2 1 ) 中： x ，卜距离和时间的坐标； a 一过水断面面积( m 2 ) ； q 一流量( m 3 s ) ； z - 一水位( m ) ； q 一旁侧人流流量( m 3 s ) ； c - 一谢才系数( m o 。5 s ) ； i 卜水力半径( m ) ； a 一动量校正系数： 旷重力加速度( m s 2 ) ； 此基本方程组称为圣维南方程组。圣维南方程组可以有多种形式，取决与变 量形式的不同，根据水力计算的不同要求和初始、边界条件来选用不同变量的方 程组，并用数值方程求解。圣维南方程组属于一阶拟线性双曲线型偏微分方程组， 一般情况下无法求得其解析解，目前只能采用数值解和简化方法求其近似解。随 着计算机技术的发展，数值解成为了求解该方程组的主要方法。 对圣维南方程组的离散按时间离散方法分为显格式和隐格式两种 3 1 - 3 4 o 由 于隐格式具有稳定性好、精度高的特点，在河网计算中得到了广泛的应用。隐格 式解法又分为直接求解法和分级求解法两类。 ( 1 ) 直接解法是直接求解由关于河道内断面处未知量的方程和边界条件所 山东大学硕士学位论文 对应的方程组成的河网方程组。常用的方法如下：用p r e i s s m a n n 格式对圣维南方 程组。常用的方法如下：用p r e i s s m a n n 格式对圣维南方程组进行差分，并假设如 下两个线性方程式：aq j = f j a z j + c j 和乙= h a q i + l + i j a z j + l + j j ，循环系数f j 、 q 、h j 、i j 、j ! j 可递推得到，并能推出一般关系式f j _ f ( f j 1 ) ，q = g ( f j 1 ，g j 1 ) ， h j = h ( f j ) ，i f i ( f j ) ，j j = j ( f j ，q ) 。由此可知，有了f j 1 ，g ：j 1 ，就可以求出f j ， g j ，再进一步求出h j ，i j ，j i ，有了这些循环系数，结合边界条件根据线性关系 式就可求出各断面的q n + 1 和a z n + 1 。但由于直接解法是早期河网计算中的方法， 在求解方程组时存在存储量大，计算量大的问题，从而直接影响了计算速度的提 古 同o ( 2 ) 二级解法的基本思想是将所有的边界方程和河段方程一起构成一个封 闭的方程组，即是二级连接方程组，求解这样的方程组，便可以求得河网各河段 未知量，然后再利用微段方程，求出全部内部计算断面的未知量。 ( 3 ) 三级解法是在二级解法的基础之上提出来的，它的基本思想是在二级 解法的基础上，将各河段的圣维南方程组隐式差分得河段方程，然后依次消元求 出首尾断面的水位流量关系式，将上步求出的关系式代入汉点连接条件和边界方 程得到以各汊点水位为未知量的求解矩阵，求解此矩阵得各汊点的水位，将汊点 水位代入方程得汊点各断面的流量，回代河段方程得所有的断面水位流量。 ( 4 ) 四级解法是在三级解法的基础上，进一步从三级连接方程组中分离出 外边界方程和汊点能量衔接方程，得到以河网内部汊点水力要素为基本未知量的 四级连接方程组。四级连接方程组一经解出，将其乘上相应系数，便可以得到三 级解，再按三级解法相同的方法求各断面的水位和流量值。 ( 5 ) 汊点分组解法是在分级解法的基础上发展起来的。由于河网计算中，较 困难的是识别各河段与汊点之间的关系及形成汊点方程组。因此建立简捷的汊点 方程组是汊点分组解法的前提。一般根据实际工程需要，灵活地将河网中的汉点 分为任意多组。在计算中除了考虑连接本组汉点河段水力要素的变化对该组汉点 的水位影响外，该组汉点水位还受与本组相连的河段的水力要素影响1 3 5 阋。 ( 6 ) 矩阵标识法的基本思想是：根据节点水位方程系数矩阵的高稀疏性， 对矩阵非零元素进行代码标识。利用代码指示，把非零元素用一维数组存储，排 除零元素，节约内存，求解时，由代码指示，只对非零元素进行运算，从而提高 1 2 山东大学硕士学位论文 方程组求解计算的效率1 3 7 1 。 ( 7 ) 松弛迭代法是由d l f r e a d 于1 9 7 3 年提出的，其基本思想是将河网分 解为一条条河道，再对一条条河道分别进行求解，求解时对汇流点处的支流的流 量先给预估值，再用松弛迭代法逐步矫正，逼近其精确值。这样就将复杂的大型 河网水力数值模拟问题化为一系列简单的单一河道水力数值模拟问题，而对每一 单一河道都用了由a m e i n 和f a n g 首先使用的用n e w t o n r a p h s o n 方法求解圣维 南方程组经差分离散所得的非线性代数方程组【3 引。 2 1 2 河网水流计算方法 河网水流的计算方法有很多种，主要包括：圣维南方程组求解法、单元划分 求解法、混合模型求解法、人工神经网络模型求解法。 单元划分求解法【3 9 】是将河网中水力特性相近的一片水体( 可以是单一河段， 相互交叉河段或面积较大的水塘) 划分成一个整体，称为单元。每个单元都有相 应的形心、水面积水位关系与容积水位关系，相连单元间水量或水质的交换通过 连接河道进行。根据质量守恒，可建立每个单元以水位为自变量的微分形式的质 量守恒方程，再加上动力条件，经差分运算，可求出各单元水位、交界面流速和 单元间流量交换等水力要素。单元划分求解法的基本思想是：按水力水质特性相 近的原则，将河网划分成若干单元，取单元几何中心水位为单元代表水位，给出 水位与水面面积关系曲线。将计算河网分解成一定数量的单元，再进行分组，确 定各单元间的连接类型，对每个单元给出微分形式的质量平衡方程，经数学处理， 求出各单元代表水位及单元间的流量值。 混合模型求解法m 是将河网水域区分为骨干河道和成片水域两类，对骨干河 道采用圣维南方程组求解，对成片水域采用单元划分的方法将其划分为单元，再 引入当量河宽的概念，把成片水域的调蓄作用概化为骨干河道的滩地，结合圣维 南方程组求解法一并计算。 人工神经网纠4 1 l 与平原河网在结构上有许多相似之处，两者都是由各个内部 单元通过并联或串联形成一个相互制约的整体网络结构，通过调整系统内部各个 “神经元”之间的相互作用可以达到系统输入变量和输出变量之间的最优化或平 衡，因此，人工神经网络理论可用于复杂河网水动力模型的数值模拟。由于河网 1 3 山东大学硕士学位论文 比较复杂，很难直接用神经网络模拟，就需要对河网进行概化。 单元划分求解法能使河网水系得到明显概化，对于平原复杂河网可使其数值 计算大为简化，但它也存在技术上的难题，由于它忽略了圣维南方程的惯性项， 那么它仅适用于流速时空变化不很大的情况，对于汛期洪水涨落比较急剧和沿海 感潮河段这种惯性项较大的情况不适用；在划分单元时，用单元几何中心代表水 位，故要求单元内水位变幅不大。混合模型求解法虽然综合了圣维南方程组求解 和单元划分求解的一些优点，但不足之处是河网前期概化工作量大，成片水域和