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摘 要： 利用開發(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
摘要：利用開發(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)污染物自凈降解速率和大氣復(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)后的自凈降解總量較天然河道狀況增大，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
三峽工程作為人類治理和開發(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)外專家已對(duì)三峽工程本身帶來的環(huán)境問題進(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)未來庫(kù)區(qū)水質(zhì)狀況的影響程度，尚沒有一個(gè)十分明確及定量化的結(jié)論。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.
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來流量為例，圖1為數(shù)值模擬三峽水庫(kù)建成前后水面線(圖中65.8m代表天然河道狀況，175m代表水庫(kù)正常蓄水位175m條件下的狀況，下文相同)，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，見圖2)，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，過水面積增大，庫(kù)區(qū)流速迅速減小.枯水期天然河道全江段平均斷面流速為0.85m/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，見圖3.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：具有自凈降解能力的有機(jī)耗氧類污染物質(zhì)，代表性水質(zhì)指標(biāo)為BOD5、CODMn、MH3-N等;守恒類污染物質(zhì)，也即自凈降解能力比較弱的污染物質(zhì);另一類水質(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)過程提供必要的溶解氧而降低濃度，同時(shí)，又可以通過大氣復(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).圖4和圖5為三峽水庫(kù)建成前后代表性水質(zhì)指標(biāo)BOD5自凈降解速率系數(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.
圖4 三峽水庫(kù)建成前后斷面平均BOD5衰減系數(shù)的變化趨勢(shì)
圖5 三峽水庫(kù)建成前后斷面平均DO復(fù)氧系數(shù)的變化趨勢(shì)
圖6 三峽水庫(kù)建成前后斷面平均BOD5濃度的變化趨勢(shì)
圖7 三峽水庫(kù)建成前后斷面平均DO濃度的變化趨勢(shì)
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)分別見圖6和圖7.
水庫(kù)建成以后，對(duì)于具有自凈降解能力的有機(jī)污染物質(zhì)而言，盡管單位時(shí)間內(nèi)污染物質(zhì)自凈降解速率隨著水流紊動(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)的自凈降解總量將比建庫(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)污染物自凈降解量的增大，有機(jī)污染物自凈降解過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)見參考文獻(xiàn)[5].
6 結(jié) 論
利用開發(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)的自凈降解速率和大氣復(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)滯留時(shí)間成倍延長(zhǎng)，有機(jī)污染物在庫(kù)區(qū)自凈降解總量將比建庫(kù)前增大，因而建庫(kù)后斷面平均有機(jī)污染物濃度與建庫(kù)前相比呈下降趨勢(shì).同時(shí)，由于有機(jī)污染物自凈降解過程中耗氧量的增加，以及大氣復(fù)氧能力的減弱，水庫(kù)建成后斷面平均溶解氧濃度將呈下降趨勢(shì)，建庫(kù)前后守恒類物質(zhì)濃度變化不大，因此，三峽工程對(duì)庫(kù)區(qū)總體水質(zhì)的影響有利也有弊.
