三峡水库蓄水初期大宁河回水区流速与藻类生长关系的初步研究.docx

1、农业环境科学学报2006,25:453-457JournalofAgro-EnvironmentScience三峡水库蓄水初期大宁河回水区流速与藻类生长关系的初步研究黄程钟成华邓春光2,幸治国2,李永建2,王德蕊3,蒙万伦4(1.西南大学化学化学院.雨庆400715;2.重庆市环境科学研究院.重庆400020：3.西南大学生命科学学院，雨庆400715;4.重庆大学，重庆400045)摘宴:根据河流水动力学原理，用圣维南(Saint-Venanf)方程组模拟大宁河回水区的水动力条件，并利用现场监测结果进行曲线估计，建立了流速与藻类生长关系模型,初步研究了三峡水库蓄水初期大宁河回水区流速与藻类生

2、长的相关关系。结论如下:利用大宁河回水区现场监测结果对流速与藻类生长关系进行曲线估计，可以得到三次曲线拟合方程为:y=34.O42-293.725u十821.265u-603.45uJo在气候条件和营养枕条件适宜的情况下，流速与藻类浓度之间的Peareon相关系数为-0.723,双尾检飨的概率值为0.043,大宁河回水区流速与藻类呈显著的负相关关系，流速成为主要的限制因子，大宁河回水区河段的藻类浓度有随流速减小而增高的趋势，反之亦然。关键词:回水区；流速；藻类；数学模型中图分类号：X143文献标识码:A文童编1672-2043(2006)02-0453-05PreliminaryStudyon

3、CorrelationBetweenFlowVelocityandAlgaeAlongDaningRiver*sBackwaterRegionatSluiceInitialStagesintheThreeGorgesReservoirHIANCCheng口ZHONGCheng-huau,DENCChun-guang2,XINCZhi-guo2,UYong-jianWangDe-ruP,MENCWan-lun4(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SouthwestCnivereity,Chongqing400715,China;2.Chongqi

4、ngInstituteofEnvironmentalScience,Chongqing400020,China;3.SchoolofLifeScience.SouthwestI'nivereily,Chongqing400715,China;4.ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)Abstract:ThestudyoncorrelationbetweenflowvelocityandalgaewascarriedoutalongDaningriver'sbackwaterregion,oneofwpresenta-tivetrib

5、utaryofThreeGorgesreservoir.NinelocalmonitoringsectionswerelocatedfromconfluxtoDachangNanmcn.Simultaneously,flowvelocityvaluesweremeasuredthreetimesateachsectionfromlefttorightandchlorophyllawasextractedandmeasuredaccordingtotheproceduresofUNESCO'Sspectrometermethods.BaAcdonthetheoryfluvialhydro

6、dynamic,thehydrodynamicconditionatthebackwaterreachofDaningriverwassimulatedbySaint-Venanfequationandalsoestimatedwithcurvebyusinglocalobservedresults.AcubiccurvemodelaboutflowvelocityandalgaewasestablishedTheresultMshowedthatflowvelocityatDachangNainnenwas0.87m'S"1,sloweddownto0.098atMaduh

7、ekouand0.025nrs"'atdownstreamLongmenbridge,butwentupto0.55mLatconfluxsection.Onthecontrary,theconcentrationofchl(>n)phyllawas2.75mgL"1,11.70mgL_,29.80mg«L-1and20.50mg-L"'atDachangNanmen,Maduhekou,downstreamJjongmenbridgeandconfluxsection,respectively.Thecubiccurvemodel

8、aboutflowvelocityandalgaewasasfollow:y=34.042-293.725u+821.265u2-603.45u3.Thereexistedasignificantlynegativecorrelationbetweenflowvelocityandtheconcentrationofalaeundersuitableclimaticandnutritiouscoriditioris.withthePearsoncorrelationcoefficientbeing-0.723(p=0.()43).Howvelocitywasthemostlimitingfac

9、tor,andtheconcentrationufalgaeincreasedwiththedecreaseofflowvelocityalongbackwaterreachofDauingriver.Keywords：backwaterregion;flowvelocity：algae;mathematicsmodel收稿日W：2005-07-21捻金项目:国家科技部:“十五”科技攻关课敏项目编号：2001BA604A01f2)作者简介:黄程(1975)，男,祯庆奉样人，硕士研究生，主要研究方向为水环境学。E-mail:huanh<»ng8908yahoo.C通讯作者:钟成华

10、454黄程等:三峡水库蓄水初期大宁河回水区流速与藻类生长关系的初步研究2006年4月三峡工程是一项规展宏大的多目标水资源开发利用工程,建成后在防洪、发电、航运等方面有着巨大的综合效益，也必然对三峡库区的生态环境产生广泛而深远的影响"气三峡工.程对牛态与环境的影响直是国内外广泛关注的热点问题之一叫重庆市环境科学研究院叫等结合三峡库区生态系统的特点,对藻类生长过程影响显著的水质指标和生物学指标进行了研究，并提出了三峡库区典型支流河口回水区生态动力学模型。三峡蓄水成库后，典型支流河口回水区的流速明显减小，透明度增加，在气候条件和营养盐条件适宜的情况下,存在着发生富营养化的潜在危险叫因此，选

11、择三峡水库典型支流之-的大宁河河口回水区进行流速与藻类生长关系进行研究，当属重要的研究课题。本文根据河流水动力学原理，用圣维南(Saint-Vcnanf)方程组模拟大宁河回水区的水动力条件，并利用现场监测结果进行曲线估计，建立了流速与藻类生长关系模型，初步探讨大宁河回水区流速与藻类生长的相关关系C1大宁河区域环境概况大宁河是三峡库区长江北岸的一级支流,发源于巫溪县西北隅光头山，全长165km,流域面积4199km，蓄水前，天然状态下，河道比降大，水浅流急，藻类无法生长繁殖。蓄水后，上游来水的流量和流速基本没变，由于受到干流高水位的回水顶托影响(影响距离约34km)，河道变宽,流速迅速减缓,处于

12、准静止状态(小于0.1mL),有利于水中浮游藻类的生长。2研究方法2.1样品采集与现场监测方法现场监测时间是2004年4月，监测期间上游来流量基本上保持在45n?L,沿大宁河从巫山码头至大昌南门布设9个采样断面，依次为：龙门大桥、银窝滩、双龙、马渡河口、大昌南门等，现场监测断面设置见图1。在每个采样断面处，分别在各断面设左、中、右三点，现场测定各点流速值,并采集水面下0.5m和2.0m水样，各取1/3装入5L白色塑料桶里，贴N一一,七呐幡A图例自然村。m昼城监测断佥公里.火料预5-可渡河断面紫阳侨断1®5点.、矿龙职山其城_对?»业由更图I大宁河回水区现场监测断面设置Fig

13、ure1IxtcalmonitoringsectionssitesofthebackwaterreachatDuningRiver上标签,作好记录,并在现场加鲁哥氏液固定,带回实验室内分析。Chia(叶绿素a)在实验室抽滤后，再按水环境样品标准测试方法进行测定。监测方法为:流速采用流速计法,Chia采用内,酮提取分光光度计法。2.2模型研究2.2.1三峡水库蓄水初期大宁河何水区一维水动力学模型根据河流水动力学原理，考虑到三峡初期蓄水后，大宁河尽管受到干流回水顶托，河道变宽,流速变缓,但总体水流运动特牲仍遇循一维单-流向的运动特点，可以用圣维南(S&int-Venanf)方程组来描述其总

14、体水动力特性。即：水量平衡连续方程:+藉胡(1)动鱼方程:£+”#瑚蓊-瑚%=°式中：8为水面宽,m；Z为水位,m；/l为河口的断面面积(A=/?7),m2；，为时间,s；。为流量,m3s5为流速(u=QM为水力半径,为糙率系数为沿河距离,m；g为重力加速度,ms-2；g为单位河长侧向入流量,1«2广。水动力学模型假定某一水团沿水流方向移动,同时存在于孩水团中的物质亦随之移动,旦只能用于横向和垂直混合相当快的情况。(1)式中的连续性方程是根据质母平衡原理，并忽略了降雨最、蒸发量和侧向流出的流址而得到的，利用该方程可以求出水流量条件。采用(1)式求得的水流量条件。，

15、代入(2)式中的动量方程可推求出水流速条件临第25卷第2期第25卷第2期农业环境科学学报4552.2.1.1模型的数值求解方法采用有限差分中稳定性比较好的四点加权隐格式对方程式中的各个变化项进行离散。对于如图2所示的正交网格，河段纵向距离步长%,时间步长保为纵向断面序列g为时间序列。用/代表流虽。和水位Z,则/在河段与时段内的加权平均址及相应偏导数诃分别离散化为：如W：昂宇如,)告=*(欢：J；')+(1-«)(/，!-/)告脸n式中：a为权重系数,一般情况卜取0.5<a<i.0o对于河道沿程面积的变化率容，可由偏心插值得到：加*(仲场了另了)将上述各离散方程代人

16、基本方程和(2)并整理后得到典型的代数方程如卜：J*!»h.|ji«I岫"f妒/ff式中a、c、e为网格计算常数。上述方程联立，在给定的边界条件下采用托马斯追赶法求出方程的数值解(上游给出流量:过程，卜.游给出水位过程)，可得出计算水域沿程各断面的流速,为流速与藻类生长关系模型提供流速条件。002计算网格Figure2Calculatinggrid2.2.1.2模型参数率定在水流数学模型中惟一的可调参数为河道糙率,大宁河处于丘陵峡谷地段，河道存在明显的河床和边壁，尤其是在峡谷段，边壁糙率在综合糙率中占的比重较大。在一定来流量条件R大宇河断面形态沿程变化非常大，使水

17、流流态非常复杂,局部水域旋涡、回流等水流大尺度紊动现象普遍发育，造成大51额外能量损失,表现为河道局部阻力明显增加。因此，在大宁河水流模型中的糙率考虑了河道沿程阻力和局部阻力,其中由断面形态变化引起的局部阻力近似认为可以直接叠加在沿程阻力上，最后得到大宁河河道综合糙率值博为：n=nn+n,""fPm4/uni式中：为床面与河岸沿程综合糙率系数；p、p.、Pb为断面总湿周、床面和边壁湿周，上、外分别为床面和边壁糙率;q为河道局部糙率系数;/?为水力半径；4为局部水头损失;£为断面间距;”为流速。通过实测水流资料率定，床面槌率和边壁糙率直接取一常数，分别为:上=0.0

18、35,几8=0.037。利用公式(6)可以计算大宁河回水段沿程综合糙率值脆将(6)、(7)计算结果代入公式可得到大宁河回水区的综合槌率值几。2.2.2三峡水库蓄水初期大宁河回水区流速与藻类生长关系模型研究当营养盐和气候条件等适宜时，可以利用大宁河回水区的现场监测结果进行曲线估计,建立一个简单而又比较合适的流速与藻类生长关系模型。大宁河回水区现场监测结果见表1,曲线估计过程如卜.:所有现场观测数据用SPSS12.0软件建立数据文件，定义变量:，用VELOCITY表示流速,CHla表示叶绿素a的浓度，输入数据;在数据文件管理窗M中进入Graphs,绘制散点图，然后进入Analyze选择合适的拟合曲

19、线。木研究采用调整判定系数来反映曲线的拟佥优度,从这个系数可以看出，所有曲线中三次曲线拟合最好,其调整展0.86633。然后通过方差分析表中的P值来进一步判断三次曲线是否能较好的拟合现场观测数据。通过P检验，发现丹0.004,远小于假设成立的显著水平0.05,拒绝原假设，认为三次曲线的拟合度好。接着进行自变量CHla的系数检验.本研究采用的是7检骏，用三次曲线进行拟合,其自变量系数依次为：-293.725、821.265、-603.450,P的取值依次为：0.032、0.025、0.020,均小于假设成立的显著水平0.05,拒绝原假设，认为曲线拟合系数显著°若用,表示CHla.u表示

20、VELOCITY,可以得到三次曲线拟合方程为：456黄程等:三峡水库蓄水初期大宁河回水区流速与藻类生长关系的初步研究2006年4月.二一_.一.''-'表1大宁河回水区监测结果Table1MonitoringresultsatDaningriver'sbackwaterreaches来样断血汇流口龙门大桥银窝滩瓦色洲巴寡峡下游出口双龙紫阳桥马渡河口大吕南门平均流速/S*0.550.0250.0460.0810.0850.0920.0950.0980.87Chia平均松/mgL-'20.5029.8017.5016.7016.5013.8012.5011.

21、702.75距河口距高/km0.03.08.512.013.521.723.626.034.0尸34.042-293.725“+821.265”2_603.45i?(8)采用'峡水库蓄水初期大宁河回水区维水动力学模型提供的流速条件，代入流速与藻类生长关系模型，可以方便地预测藻类的生长态势。3研究结果与分析3.1监测结果与分析2004年4月，对大宁河同水区河段(大昌至长江汇流口巫山码头之间34km)进行了现场监测。从表1可知，自大昌南门至马渡河口流速由0.87m.s-»迅速降至0.098nrs-1,仅为天然状况流速的1/10左右，水中Chia的浓度由2.75mgL/升至11.7

22、0mg-L'1,比天然状况增加到4.25倍。从马渡河口至龙门大桥断面流速由0.098mb降至0.025ms呈沿程递减的趋势,Chia的浓度由11.70mgI/升至29.80mg-L1,呈沿程递增的趋势C从龙门大桥至汇流口河段流速由0.025m-s-*增至0.55m-s-*,Chia的浓度由29.80mg-L-'降至20.50mgL。采用SPSS12.0软件对监测结果进行相关分析，流速与藻类之间的Pearson相关系数为-0.723,双尾检验的概率值为0.043,小于假设成立的显著性水平0.05,其负相关程度是显著的。3.2模型模拟结果与分析图3三峡水库蓄水初期大宁河回水区流速沿

23、程变化模拟结果Figure3SimulatedrrsuhsofflowvelocityalongDaningriver'sbackwaterreachesatinitialstoragestagesoftheThriveGorgrsreservoir图4三峡水库蓄水初期大宁河大昌南门至汇流口Chia模拟结果与实测值比较Figure4ComparisonofChiabetweenthesirnulutcdresultsandmonitoringresultsfromDachangNaninentoHuiliukoualongDaningriveratinitialstorageHlagesoftheThreeGorgesreservoir用水动力学模型计算得到的三峡水库蓄水初期大宁河回水区流速沿程变化模拟结果见图3。从图3可以看出,除大昌南门和汇流口外所有监测断面的流速沿程模拟值均小于0.1ms气这一结果与现场监测值比较一致,回水区水流流态处丁准静止状态。用流速与藻类生长关系模型计算得到的三峡水库蓄水初期大宁河大昌南门至汇流口Chia计算浓度与实测值比较见图4。从图4可以看出，Chia沿程模拟值与实测值吻合较好，说明该模型具有定的模拟精度，诃以用作模拟大宁河回水区流速与藻类生长关系C第25卷第2期农业环境科学学报45720043.2 钟成华.三峡水库对声庆段水环境影