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三峽工程對(duì)庫(kù)區(qū)水流水質(zhì)影響預(yù)測(cè)

摘要：利用開(kāi)發(fā)的三峽水庫(kù)整體一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，對(duì)三峽水庫(kù)建成前后的水流水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。重點(diǎn)介紹三峽工程建成后，庫(kù)區(qū)水流條件巨大變化對(duì)污染物輸移轉(zhuǎn)化特性和水質(zhì)分布的影響。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，三峽工程建成后，三斗坪水位175m條件下，回水區(qū)斷面平均流速比建庫(kù)前減小4倍左右，平均有機(jī)污染物自?xún)艚到馑俾屎痛髿鈴?fù)氧速率比天然河道狀況減小1倍。由于污染物在庫(kù)區(qū)滯留時(shí)間成倍延長(zhǎng)，有機(jī)污染物排入水庫(kù)后的自?xún)艚到饪偭枯^天然河道狀況增大，因而，建庫(kù)后回水區(qū)內(nèi)斷面平均有機(jī)污染物濃度較天然河道狀況明顯下降，但是，斷面平均溶解氧濃度與天然河道狀況相比也明顯降低，對(duì)于守恒類(lèi)污染物，建庫(kù)前后水質(zhì)變化不大。因此，三峽工程對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)影響有利也有弊。

關(guān)鍵詞：三峽工程 水庫(kù) 水流

三峽工程作為人類(lèi)治理和開(kāi)發(fā)長(zhǎng)江的關(guān)鍵性骨干工程，水庫(kù)蓄水以后，庫(kù)區(qū)水質(zhì)如何變化一直成為國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的問(wèn)題。盡管在三峽工程項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)論證階段，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家已對(duì)三峽工程本身帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查、分析與研究，取得了豐富的研究成果，但是，由于受多種復(fù)雜因素的影響，迄今為止，有關(guān)三峽工程對(duì)未來(lái)庫(kù)區(qū)水質(zhì)狀況的影響程度，尚沒(méi)有一個(gè)十分明確及定量化的結(jié)論[1].隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)學(xué)模型已成為河流水文水質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要工具。本文利用作者開(kāi)發(fā)研制的三峽水庫(kù)整體一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，定量預(yù)測(cè)水庫(kù)建成前后，庫(kù)區(qū)斷面平均水流水質(zhì)變化趨勢(shì)，重點(diǎn)分析研究三峽工程對(duì)庫(kù)區(qū)水流水質(zhì)的影響程度，為三峽水庫(kù)水污染控制對(duì)策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究概述

1.1 研究重點(diǎn)

三峽水庫(kù)建成以后對(duì)庫(kù)區(qū)江段影響最直接、最顯著的是庫(kù)區(qū)河道形態(tài)和水流結(jié)構(gòu)將發(fā)生很大變化，由此將改變庫(kù)區(qū)污染物質(zhì)輸移轉(zhuǎn)化過(guò)程，進(jìn)而必將引起庫(kù)區(qū)水質(zhì)變化。因此，要了解三峽水庫(kù)建成前后水質(zhì)變化趨勢(shì)，關(guān)鍵是了解水流條件的巨大變化對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)的影響程度。

1.2 研究范圍

三峽水庫(kù)庫(kù)容隨上游來(lái)水條件、水庫(kù)蓄水位的變化而變化，將三峽整個(gè)庫(kù)區(qū)江段及其延伸段作為對(duì)象體，研究范圍包括長(zhǎng)江干流和匯入流量占支流總流量90％的兩條重要支流嘉陵江和烏江。其中干流研究范圍從重慶上游的朱沱至三斗坪，全長(zhǎng)約730km；嘉陵江從北碚至入庫(kù)匯流口，全長(zhǎng)約60km；烏江從武隆至入庫(kù)匯流口，全長(zhǎng)約68km.

1.3 研究手段

三峽水庫(kù)建成后，盡管水位抬高、河面加寬，但水庫(kù)在正常蓄水位175m條件下，河道平均寬度在1000m左右，仍屬于典型的河道型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)內(nèi)水流水質(zhì)總體運(yùn)動(dòng)特性基本遵循一維運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為了對(duì)大范圍長(zhǎng)距離的三峽河道型水庫(kù)總體水流水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型將是實(shí)用有效的技術(shù)手段。為此，作者將三峽整個(gè)庫(kù)區(qū)作為對(duì)象體，進(jìn)行了一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的開(kāi)發(fā)研究[2].模型針對(duì)三峽水庫(kù)的特點(diǎn)，充分考慮了水庫(kù)建成前后水流條件巨大變化對(duì)水流水質(zhì)輸移轉(zhuǎn)化特性的影響，并建立了一系列預(yù)測(cè)水流水質(zhì)模型參數(shù)變化趨勢(shì)的經(jīng)驗(yàn)公式，開(kāi)發(fā)的水流水質(zhì)模型具有較高的模擬預(yù)測(cè)精度，能夠模擬預(yù)測(cè)三峽庫(kù)區(qū)水流水質(zhì)的變化。

1.4 水流水質(zhì)預(yù)測(cè)工況

利用開(kāi)發(fā)的模型系統(tǒng)，對(duì)三峽水庫(kù)建成前后水流水質(zhì)狀況進(jìn)行了幾十種代表性組合工況的預(yù)測(cè)研究，水質(zhì)模擬指標(biāo)包括三氧、三氮、總磷、總氮和重金屬等反映三峽水庫(kù)水質(zhì)狀況的12項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。受篇幅限制，本文將枯水期7Q10入庫(kù)流量（相應(yīng)的朱沱站入庫(kù)流量為2125m3/s）、三斗坪正常蓄水位175m條件，作為水庫(kù)建成以后的典型狀況，用同樣上游來(lái)流量（朱沱站入庫(kù)流量也為2125m3/s），三斗坪水位取為天然河道水位65.8m代表天然河道狀況。通過(guò)兩組對(duì)比工況的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，基本上能反映三峽水庫(kù)建成前后總體水流水質(zhì)的變化特點(diǎn)。其中“總體”水流水質(zhì)的概念，意旨斷面混合均勻的平均概念。

2 三峽水庫(kù)建成以后河道形態(tài)和水流條件變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

2.1 河道形態(tài)特征變化趨勢(shì)

以枯水季節(jié)三峽水庫(kù)7Q10來(lái)流量為例，水庫(kù)蓄水后回水長(zhǎng)655km，回水末端到達(dá)重慶市主城區(qū)。由于三峽水庫(kù)處于丘陵與峽谷地區(qū)，盡管水庫(kù)壩前水位較天然河道狀況抬高100多m，但是河道的總體形態(tài)特征變化不是很大，建庫(kù)后河道平均水面寬在1000m左右，較天然河道拓寬2.5倍（天然河道平均水面寬385m），水庫(kù)形成以后的長(zhǎng)寬比約為650∶1左右，屬于典型的河道型水庫(kù)。三峽庫(kù)區(qū)江段河道形態(tài)極不規(guī)則，沿水流方向河道寬谷與峽谷相間，斷面突擴(kuò)突縮現(xiàn)象十分顯著，復(fù)雜的河道形態(tài)直接影響著水流運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及污染物沿程輸移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

2.2 水流流態(tài)變化趨勢(shì)

水庫(kù)建成以后，隨著水位抬高，過(guò)水面積增大，庫(kù)區(qū)流速迅速減小?？菟谔烊缓拥廊纹骄鶖嗝媪魉贋?.85m/s，水庫(kù)建成以后，庫(kù)區(qū)全江段斷面平均流速下降為0.17m/s，比天然河道狀況減小了4倍，尤其是在壩前深水區(qū)，水庫(kù)建成以后斷面平均流速下降為0.04m/s左右，比天然河道的斷面平均流速減小了近5倍。水流運(yùn)動(dòng)特性的巨大變化，對(duì)庫(kù)區(qū)污染物輸移轉(zhuǎn)化特性將產(chǎn)生巨大影響。

3 三峽水庫(kù)建成后庫(kù)區(qū)污染物質(zhì)輸移轉(zhuǎn)化特性變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

分析三峽水庫(kù)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，可以將其歸成三類(lèi)：具有自?xún)艚到饽芰Φ挠袡C(jī)耗氧類(lèi)污染物質(zhì)，代表性水質(zhì)指標(biāo)為BOD5、CODMn、MH3-N等；守恒類(lèi)污染物質(zhì)，也即自?xún)艚到饽芰Ρ容^弱的污染物質(zhì)；另一類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)為溶解氧，在水體中既為有機(jī)污染物耗氧反應(yīng)過(guò)程提供必要的溶解氧而降低濃度，同時(shí)，又可以通過(guò)大氣復(fù)氧增加水體中的溶解氧濃度。

對(duì)于不同污染物質(zhì)，由于其在水體中輸移轉(zhuǎn)化特性不同，三峽工程建成前后的變化趨勢(shì)也是不一樣的。作者通過(guò)較為深入的理論分析、實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)回歸、模型率定等多種方法，建立了反映三峽水庫(kù)水流條件巨大變化對(duì)污染物縱向離散系數(shù)、生化降解速率系數(shù)和大氣復(fù)氧系數(shù)等影響的預(yù)測(cè)公式[2～4]，模擬預(yù)測(cè)三峽水庫(kù)建成前后污染物輸移轉(zhuǎn)化特性的變化趨勢(shì)。三峽水庫(kù)建成前后代表性水質(zhì)指標(biāo)BOD5自?xún)艚到馑俾氏禂?shù)和DO復(fù)氧系數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果。

研究表明，水庫(kù)建成后，由于水流速度減緩，水流紊動(dòng)強(qiáng)度減弱，BOD5衰減速率系數(shù)和DO復(fù)氧系數(shù)將比天然河道狀況下分別下降1倍左右。水體平均縱向離散系數(shù)也比天然河道狀況減小1倍左右。來(lái)源：中大網(wǎng)校

4 三峽水庫(kù)建成后斷面平均水質(zhì)變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)

三峽水庫(kù)蓄水以后，隨著流速減小，污染物輸移轉(zhuǎn)化特性將發(fā)生很大變化，庫(kù)區(qū)水質(zhì)也必然隨之發(fā)生較大的變化。以BOD5、DO為例，在同樣污染負(fù)荷和入庫(kù)水文條件下，只改變?nèi)菲核?，利用?shù)學(xué)模型模擬預(yù)測(cè)水庫(kù)建成前后斷面平均BOD5、DO濃度的變化趨勢(shì)。

水庫(kù)建成以后，對(duì)于具有自?xún)艚到饽芰Φ挠袡C(jī)污染物質(zhì)而言，盡管單位時(shí)間內(nèi)污染物質(zhì)自?xún)艚到馑俾孰S著水流紊動(dòng)強(qiáng)度的減弱而減弱（平均比建庫(kù)前減小1倍），但是，由于水庫(kù)建成以后全庫(kù)平均流速比建庫(kù)前減小4倍，意味著污染物質(zhì)在庫(kù)區(qū)滯留時(shí)間將延長(zhǎng)4倍左右，尤其是在壩前深水區(qū)污染物在庫(kù)區(qū)滯留時(shí)間較建庫(kù)前平均延長(zhǎng)5倍左右，污染物質(zhì)在庫(kù)區(qū)的自?xún)艚到饪偭繉⒈冉◣?kù)前增大，因而，庫(kù)區(qū)斷面平均有機(jī)污染物濃度隨庫(kù)區(qū)蓄水位的抬高而呈下降的趨勢(shì)，壩前深水區(qū)，斷面平均有機(jī)污染物濃度下降趨勢(shì)比較明顯。同時(shí)，隨著有機(jī)污染物自?xún)艚到饬康脑龃螅袡C(jī)污染物自?xún)艚到膺^(guò)程中溶解氧的消耗量也將增大，又由于水庫(kù)蓄水以后，大氣復(fù)氧能力隨水位抬高而減弱，兩方面因素綜合作用，水庫(kù)蓄水后斷面平均溶解氧濃度將較建庫(kù)前下降，壩前深水區(qū)斷面平均溶解氧濃度比天然河道狀況減小30％左右。對(duì)于守恒類(lèi)物質(zhì)而言，建庫(kù)前后水質(zhì)濃度基本不變。

5 三峽工程對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)影響的分析

5.1 對(duì)庫(kù)區(qū)水流運(yùn)動(dòng)特性的影響

三峽水庫(kù)建成以后，在正常蓄水位175m條件下，庫(kù)區(qū)江段平均流速比建庫(kù)前減小4倍，尤其是在壩前深水區(qū)，斷面平均流速比建庫(kù)前減小5倍。

5.2 對(duì)庫(kù)區(qū)總體水質(zhì)的影響

三峽工程對(duì)庫(kù)區(qū)總體水質(zhì)影響有利有弊。對(duì)于有機(jī)污染物質(zhì)而言，水庫(kù)建成以后，斷面平均濃度隨蓄水位抬高而呈減小的趨勢(shì)；但是水體中平均溶解氧濃度在水庫(kù)蓄水以后也呈下降的趨勢(shì)，這是對(duì)水質(zhì)不利的影響；對(duì)于守恒類(lèi)物質(zhì)，水庫(kù)建成前后的水質(zhì)濃度變化不大。

5.3 對(duì)庫(kù)區(qū)局部水質(zhì)影響的分析

隨著三峽水庫(kù)蓄水位抬高，水流運(yùn)動(dòng)速度明顯減小，水體紊動(dòng)摻混能力減弱，水流水質(zhì)橫斷面分布的不均勻性必將更加明顯。從三峽庫(kù)區(qū)斷面平均水流水質(zhì)變化特點(diǎn)分析，庫(kù)區(qū)排污口附近的污染混合區(qū)將會(huì)由天然河道的狹長(zhǎng)型向著扁寬型發(fā)展。有關(guān)詳細(xì)的三峽庫(kù)區(qū)排污口附近混合區(qū)范圍的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5].

6 結(jié) 論

利用開(kāi)發(fā)的一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，對(duì)三峽水庫(kù)建成前后水流水質(zhì)變化趨勢(shì)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，對(duì)于不同類(lèi)型的污染物質(zhì)而言，由于自身輸移轉(zhuǎn)化特性不同，水庫(kù)建成以后的變化趨勢(shì)也不盡相同。三峽工程建成后，隨著水流速度迅速減緩，庫(kù)區(qū)有機(jī)污染物單位時(shí)間內(nèi)的自?xún)艚到馑俾屎痛髿鈴?fù)氧速率均比建庫(kù)前明顯減弱，但是，由于污染物在庫(kù)區(qū)滯留

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