三峽工程對庫區(qū)水流水質(zhì)影響預(yù)測

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摘要：利用開發(fā)的三峽水庫整體一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，對三峽水庫建成前后的水流水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行預(yù)測分析。重點(diǎn)介紹三峽工程建成后，庫區(qū)水流條件巨大變化對污染物輸移轉(zhuǎn)化特性和水質(zhì)分布的影響。預(yù)測結(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。由于污染物在庫區(qū)滯留時(shí)間成倍延長，有機(jī)污染物排入水庫后的自凈降解總量較天然河道狀況增大，因而，建庫后回水區(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，對于守恒類污染物，建庫前后水質(zhì)變化不大。因此，三峽工程對庫區(qū)水質(zhì)影響有利也有弊。

　　關(guān)鍵詞：三峽工程 水庫 水流

　　三峽工程作為人類治理和開發(fā)長江的關(guān)鍵性骨干工程，水庫蓄水以后，庫區(qū)水質(zhì)如何變化一直成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的問題。盡管在三峽工程項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)論證階段，國內(nèi)外專家已對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)三峽工程對未來庫區(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[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)研制的三峽水庫整體一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，定量預(yù)測水庫建成前后，庫區(qū)斷面平均水流水質(zhì)變化趨勢，重點(diǎn)分析研究三峽工程對庫區(qū)水流水質(zhì)的影響程度，為三峽水庫水污染控制對策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

　　1 研究概述

　　1.1 研究重點(diǎn)

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

　　1.2 研究范圍

　　三峽水庫庫容隨上游來水條件、水庫蓄水位的變化而變化，將三峽整個(gè)庫區(qū)江段及其延伸段作為對象體，研究范圍包括長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，全長約730km；嘉陵江從北碚至入庫匯流口，全長約60km；烏江從武隆至入庫匯流口，全長約68km.

　　1.3 研究手段

　　三峽水庫建成后，盡管水位抬高、河面加寬，但水庫在正常蓄水位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，庫區(qū)內(nèi)水流水質(zhì)總體運(yùn)動特性基本遵循一維運(yùn)動規(guī)律。為了對大范圍長距離的三峽河道型水庫總體水流水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測，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)庫區(qū)作為對象體，進(jìn)行了一維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的開發(fā)研究[2].模型針對三峽水庫的特點(diǎn)，充分考慮了水庫建成前后水流條件巨大變化對水流水質(zhì)輸移轉(zhuǎn)化特性的影響，并建立了一系列預(yù)測水流水質(zhì)模型參數(shù)變化趨勢的經(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)測精度，能夠模擬預(yù)測三峽庫區(qū)水流水質(zhì)的變化。

　　1.4 水流水質(zhì)預(yù)測工況

　　利用開發(fā)的模型系統(tǒng)，對三峽水庫建成前后水流水質(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入庫流量（相應(yīng)的朱沱站入庫流量為2125m3/s）、三斗坪正常蓄水位175m條件，作為水庫建成以后的典型狀況，用同樣上游來流量（朱沱站入庫流量也為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。通過兩組對比工況的數(shù)值模擬預(yù)測，基本上能反映三峽水庫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 三峽水庫建成以后河道形態(tài)和水流條件變化趨勢預(yù)測

　　2.1 河道形態(tài)特征變化趨勢

　　以枯水季節(jié)三峽水庫7Q10來流量為例，水庫蓄水后回水長655km，回水末端到達(dá)重慶市主城區(qū)。由于三峽水庫處于丘陵與峽谷地區(qū)，盡管水庫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），水庫形成以后的長寬比約為650∶1左右，屬于典型的河道型水庫。三峽庫區(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

　　水庫建成以后，隨著水位抬高，過水面積增大，庫區(qū)流速迅速減小?？菟谔烊缓拥廊纹骄鶖嗝媪魉贋?.85m/s，水庫建成以后，庫區(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)動特性的巨大變化，對庫區(qū)污染物輸移轉(zhuǎn)化特性將產(chǎn)生巨大影響。

　　3 三峽水庫建成后庫區(qū)污染物質(zhì)輸移轉(zhuǎn)化特性變化趨勢預(yù)測

　　分析三峽水庫常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測指標(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也是不一樣的。作者通過較為深入的理論分析、實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)回歸、模型率定等多種方法，建立了反映三峽水庫水流條件巨大變化對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)測公式[2～4]，模擬預(yù)測三峽水庫建成前后污染物輸移轉(zhuǎn)化特性的變化趨勢。三峽水庫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)測結(jié)果。

　　研究表明，水庫建成后，由于水流速度減緩，水流紊動強(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。

　　4 三峽水庫建成后斷面平均水質(zhì)變化趨勢的預(yù)測

　　三峽水庫蓄水以后，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)荷和入庫水文條件下，只改變?nèi)菲核?，利用?shù)學(xué)模型模擬預(yù)測水庫建成前后斷面平均BOD5、DO濃度的變化趨勢。

　　水庫建成以后，對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強(qiáng)度的減弱而減弱（平均比建庫前減小1倍），但是，由于水庫建成以后全庫平均流速比建庫前減小4倍，意味著污染物質(zhì)在庫區(qū)滯留時(shí)間將延長4倍左右，尤其是在壩前深水區(qū)污染物在庫區(qū)滯留時(shí)間較建庫前平均延長5倍左右，污染物質(zhì)在庫區(qū)的自凈降解總量將比建庫前增大，因而，庫區(qū)斷面平均有機(jī)污染物濃度隨庫區(qū)蓄水位的抬高而呈下降的趨勢，壩前深水區(qū)，斷面平均有機(jī)污染物濃度下降趨勢比較明顯。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，水庫蓄水后斷面平均溶解氧濃度將較建庫前下降，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。對于守恒類物質(zhì)而言，建庫前后水質(zhì)濃度基本不變。

　　5 三峽工程對庫區(qū)水質(zhì)影響的分析

　　5.1 對庫區(qū)水流運(yùn)動特性的影響

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

　　5.2 對庫區(qū)總體水質(zhì)的影響

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

　　5.3 對庫區(qū)局部水質(zhì)影響的分析

　　隨著三峽水庫蓄水位抬高，水流運(yùn)動速度明顯減小，水體紊動摻混能力減弱，水流水質(zhì)橫斷面分布的不均勻性必將更加明顯。從三峽庫區(qū)斷面平均水流水質(zhì)變化特點(diǎn)分析，庫區(qū)排污口附近的污染混合區(qū)將會由天然河道的狹長型向著扁寬型發(fā)展。有關(guān)詳細(xì)的三峽庫區(qū)排污口附近混合區(qū)范圍的變化趨勢預(yù)測，請見參考文獻(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，對三峽水庫建成前后水流水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行模擬預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明，對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，水庫建成以后的變化趨勢也不盡相同。三峽工程建成后，隨著水流速度迅速減緩，庫區(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)氧速率均比建庫前明顯減弱，但是，由于污染物在庫區(qū)滯留時(shí)間成倍延長，有機(jī)污染物在庫區(qū)自凈降解總量將比建庫前增大，因而建庫后斷面平均有機(jī)污染物濃度與建庫前相比呈下降趨勢。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，水庫建成后斷面平均溶解氧濃度將呈下降趨勢，建庫前后守恒類物質(zhì)濃度變化不大，因此，三峽工程對庫區(qū)總體水質(zhì)的影響有利也有弊。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　[1]長江水利委員會編，三峽工程生態(tài)環(huán)境影響研究[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

　　[2]李錦秀，廖文根，黃真理。三峽水庫整體一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬研究[J].水利學(xué)報(bào)，2002，（12）。

　　[3]李錦秀，黃真理，呂平毓。三峽庫區(qū)江段縱向離散系數(shù)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2000，（8）。

　　[4]李錦秀，廖文根。水流條件巨大變化對有機(jī)污染物降解速率影響研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，2002，（3）。

　　[5]庫區(qū)主要城市排污口及重要支流口附近混合區(qū)計(jì)算報(bào)告[R].清華大學(xué)水利水電工程系，2001.