基于flushing time的春季水库优化调度可行性研究

针对三峡水库支流库湾春季水华问题,通过建立三维水动力模型,探讨了利用调峰调度和潮汐式调度促进干支流水体交换的可行性。研究表明,当4月水库实施调峰调度时,整个库湾水体的flushing time较常规调度有所缩短,尤其是库湾上游至中上游区域;当5月水库开始实施潮汐式调度时,水体体积较大的库湾下游区域的flushing time较常规调度方案有所缩短。可见,两种水库优化调度方案对增大干支流水体交换均具有可行性。当水库实施调峰调度和潮汐式调度联合调度时,整个库湾水体的平均flushing time较常规调度方案有不同程度的缩短,表明该联合调度方案更能促进干支流水体的交换。研究成果可为支流库湾水环境问题的防治提供借鉴。     

三峡水库支流水华机理及其调控技术研究进展

三峡水库自2003年蓄水以来,水库干支流水环境状况及支流水华问题已成为广泛关注的问题,国内外不少科研单位及学者对此进行了大量的研究。本文在介绍三峡水库蓄水以来水库水质状态及支流水华情势的基础上,系统总结了关于三峡水库干支流水动力特征及其环境效应、水华机理及其调控措施的研究发现,并提出了有待进一步研究的内容。主要研究发现包括:(1)三峡水库蓄水后支流库湾普遍存在分层异重流现象,产生的原因是干支流温度差及泥沙浓度差引起的水体密度差,其中水体温度差是主要因素;(2)在分层异重流的驱动下,支流库湾水体呈现"双混斜"及"半U"型特殊水体分层模式,支流库湾营养盐也主要来自于水库干流倒灌;(3)流速变缓只是支流暴发水华的表观原因,分层异重流驱动下的混合层(Zm)与临界层(ZCr)的关系变化才是决定水华生消的关键;(4)水库水位升降可通过影响分层异重流的形态、改变支流水体分层状态进而调控支流水华的生消过程,基于此提出了防控支流水华的"潮汐式"生态调度方法。如何将上述新发现上升为具有三峡水库特色的系统理论与方法,实现支流水华的精准预测预报,开展能够协调水库传统效益和防控支流水华等生态效益的三峡及上游梯级水库群联合多目标优化调度实践,应是今后进一步努力的方向。     

三峡库区水位变化下小江流域富营养化的时空变化特征

自三峡水库运行以来,小江流域水华污染现象越发严重,对三峡库区水位变化、小江流域水质指标总氮、总磷和浮游植物体内总磷含量进行监测、分析。实验表明:①水华现象在三峡库区水位较低(163 m)且持续下降时发生频繁,在库区水位较高(173 m)且持续上升时发生频率明显减少;②小江流域春季较易爆发水华现象;③三峡库区水位调节对小江流域中游水华现象的发生影响最大,上、下游次之。因此,三峡库区水位的变化与小江流域水华的发生规律有很高的相关性,研究在三峡水库水位变化的条件下水库主要支流水华现象的时空分布特征,为三峡库区支流水体的水华特征识别及防治提供基础。     

小浪底水库运用初期支流泥沙淤积特征分析

小浪底库区支流倒灌形成泥沙淤积,而其淤积形态和淤积物组成与干流河床形态、水库运用方式、来水来沙条件等因素密切相关。水库水位抬升,干流浑水倒灌支流并沿程落淤,支流沟口淤积与干流同步抬升,沟口以上淤积厚度沿程减小。随着淤积的发展,支流的纵剖面形态不断发生变化,总的趋势是由正坡至水平而后出现倒坡。支流内淤积物组成与对应的主槽位置差别不大,随着运用时间的增加及淤积形态的变化,入库水流携带泥沙进入变动回水区后沿程分选,支流内淤积物组成随之产生一定变化。拦沙初期阶段,近坝支流淤积物自下而上发生粗化,远坝支流淤积物则比较复杂,靠沟口位置变化幅度不大,再向上游则呈现逐年细化态势。     

汛期水库调度对小江水华的影响

为研究三峡水库汛期调度对支流水华的抑制效果,于2022年6月24日—7月3日,跟踪监测三峡水库调度前期、调度期、调度后期代表性支流小江的藻类群落结构与水体理化因子,采用Kruskal-Wallis秩检验分析调度前后的水环境变化,采用Pearson相关分析和逐步回归分析探究藻类与环境因子的关系,采用RDA分析探究不同环境因子对藻类群落结构变化的贡献度,构建结构方程模型解析水库调度对水华的影响。结果显示,调度前期小江常年回水区发生蓝藻水华,以叶绿素a浓度表征的藻类生物量最高达到58.33μg/L;通过调度水位抬升后,藻类生物量降至6.41μg/L。回水区水温、pH值、总氮(TN)浓度降低,总磷(TP)浓度、硝酸盐(NO^-₃-N)浓度升高(p<0.01);逐步回归分析结果表明藻类生物量受水位变化过程中的TN、NO^-₃-N、磷酸盐(PO■-P)、水温、电导率(Cond)和化学需氧量(COD)的影响,共解释了79%的生物量变化。结构方程模型表明,水位抬升能降低COD浓度,显著降低支流水体的叶绿素a含量。...     

三峡库区支流富营养化状况普查

三峡水库135 m水位运行期间,于2005年在三峡库区10条支流的富营养化现状和水华发生情况进行了监测,并结合以往的监测资料,得出以下结论:库区支流水体年度评价以中营养状态为主,春、夏两季营养水平较高,距大坝较近的河流营养水平相对较高;库区水华频发区域主要集中在香溪河等受干流回水顶托影响的河流的滞水河段,春、夏季为水华高发期,水华优势种表现出由河流型硅藻类向湖泊型蓝、绿藻类的演变趋势.     

水动力调控：抑制三峡库区支流水华的路径

三峡水利枢纽工程是治理开发长江的关键性骨干工程，在防洪、发电、航运等方面有着巨大的综合效益。但与此同时，三峡工程也为长江生态环境带来深远影响。其中，三峡水库建成后库区支流水华问题成为社会关注的一个焦点。自2003年三峡水库蓄水以来，由于库区水位抬升，库区水流减缓、紊动扩散能力降低,导致水体自净能力减弱和污染物在支流库湾的滞留。尽管目前三峡库区干流水质保持良好，但是库湾水质呈现不同程度下降，许多支流甚至频繁发生水华。     

三峡电站日调度驱动的支流振荡对支流水温垂向结构的影响

三峡电站日调度驱动的重力波对其支流动力过程造成显著影响,其中的高频水流波动会显著影响支流库湾的物质、能量等垂向扩散和输运过程,进而影响水华暴发等环境问题。基于三峡水库香溪河支流2021年蓄水期末的水动力及水温垂向结构监测数据,分析了三峡电站日调度驱动的支流库湾高频振荡对水温结构的影响。研究发现,三峡出库流量日波动驱动支流水位也呈日波动和高频波动特征,其中水位日波动振幅约0.3~0.5 m,高频水位波幅约0.04 m。库湾底层水温高频波动比中上层更加明显,与香溪河库湾水深从河口向上游逐渐变浅有关系。支流近底水温波动功率谱分析显示,香溪河湍流耗散速率(6.5×10^-7 W/kg)明显高出一般水库的近底耗散率,表明水库调度驱动的水体高频波动导致较强的湍流发育和耗散。     

三峡水库不同水位运行下大宁河水动力过程模拟

三峡大坝的建成运行对库区支流水动力过程具有重要影响。以三峡库区支流大宁河为例,基于Delft3D模型,建立了大宁河大昌到长江口段平面二维水动力模型,并对三峡水库高水位和低水位运行条件下大宁河的水动力特征进行模拟计算,得到大宁河模拟区段水流流场的沿河分布。模拟结果表明:不管是三峡水库低水位或高水位运行,大宁河整体流速缓慢,均低于0.04 m/s;河流库湾区低水位时流速低于0.01 m/s,高水位时低于0.001 m/s,呈现明显的"湖相"特征,水体自净能力极大地削弱,易发"水华",影响大宁河水质安全。研究结果可为三峡库区支流的区域化管理提供决策参考。     

三峡水库支流库湾低流速条件下测流方法探讨及应用

三峡蓄水成库后,库区部分支流受长江干流回水顶托,形成了支流库湾,水体流态由典型的河流形态变为类湖泊形态,受上游来流和水库调度等因素综合影响,库湾水动力条件变得极其复杂.在野外长期现场观测的基础上,针对支流库湾水体复杂的水动力条件,提出了一种独特的流速监测方法.运用该方法在香溪河库湾测流,获得了较好的测流结果,能较好地表...     

基于Delft3D的三峡水库不同工况下香溪河水动力水质模拟

三峡大坝高水位运行对库区支流水环境的影响一直是备受关注的问题。以三峡库区支流香溪河上游河段为例,基于Delft3D模型,进行水动力水质模拟研究。首先,采用模型中的Flow模块对研究水域构建了水动力模型,对研究河段2013年汛期和蓄水期的水动力时空特征进行模拟;然后利用Waq模块构建了水质模型,模拟了NH+4在大量排放之后的流动分布规律。模拟结果表明:香溪河在汛期呈现"河相",流速较大;在蓄水期香溪河的"湖相"化趋势明显,流速低,形成涡旋;在蓄水期,由于三峡库区水位抬升,造成香溪河流速缓慢,其水动力特征对污染物分布中起了决定性的作用,使污染物表现出明显的回水污染特征,威胁香溪河水质安全。研究结果可为三峡库区支流的区域化管理提供决策参考。     

三峡水库典型支流水华机理研究进展及防控措施浅议

支流水华问题已成为三峡水库生态环境目前较为主要的环境问题。通过收集、整理当前三峡水库水华研究成果,系统分析、总结了支流水华暴发机理及主要影响因子,提出了相应对策及措施。结果表明:支流分层异重的产生是三峡大坝建设对水文的最大改变,以此动力背景为基础的支流营养盐补给模式及水体特殊分层是支流水华暴发的重要影响因素。针对这一特点,只有持续开展三峡及上游流域污染综合治理工作,才能从根本上降低三峡水库营养盐、控制水华;而且,通过水库调度改变支流异重流特性来控制支流水华具有可行性。建议深入开展相关研究及示范。     

小浪底水库支流倒灌与淤积形态模型试验

利用小浪底水库实体模型开展水库拦沙后期运用方式长系列年试验,对争议较大的库区支流倒灌及其淤积形态问题进行重点分析。结果表明:库区最大支流畛水河口门狭窄且库容较大,拦门沙问题最为突出,其纵坡面形态与设计有一定的差别;支流年淤积量与当年大于2600 m3/s流量时段的总水量有较好的相关性;通过优化水库运用方式可较长时期保持动态三角洲淤积形态,有利于支流库容的有效利用;水库干流河床处于动平衡状态时,支流河床仍然会逐渐淤积抬升而使得干支流淤积面高差趋于减少。     

三峡水库调峰运行下的香溪河水动力二维数值模拟

为研究三峡水库调峰运行方式对库区支流香溪河水动力特性的影响,建立了非恒定流二维水动力模型.利用该模型计算了三峡水库在双峰调节运行方式下,香溪河的水位、流速、流量变化过程,分析了三峡水库调峰运行时导致的波动性对香溪河流场的影响程度.结果表明:水库调峰运行可以显著增强库区和支流的水位波动,促进水体交换.     

针对小江回水区水华现象的生态调度方案评估

水库生态调度是一种有效的生态补偿手段,通过合理的水库调度方式,可以弥补或减缓水利工程对生态环境造成的影响。综合考虑开县消落带的生态需求和现行三峡水库的调度运行特点,应用验证后的生态动力学模型,模拟出小江调节坝调度方案。提出适用于小江调度方案优化的评估指标体系,根据不同调度方案下调节坝上下游水位、流速和水质情况,利用层次分析法对调度方案进行评估分析,确定调节坝的最优调度方案。研究证明,通过对调节坝的合理调度来改变下游河流水动力条件,可以抑制藻类大量繁殖生长以及改变河流营养盐分布。为以生态调度控藻为目的制定合理的小江生态调度方案提供了可靠的依据。     

三峡蓄水过程对香溪河水文特性的影响

三峡蓄水后,库区支流水文条件发生了巨大变化,导致库区支流多次发生水华现象,为研究三峡蓄水后库区支流水文特性的变化,以香溪河为例,建立了香溪河及其长江段的水文模型,重点分析了三峡坝前水位及其变化与长江来流对香溪河水文特性的影响,结果表明:根据坝前水位的不同可以将香溪河分为河道区,过渡区以及回水影响区,回水影响区的流速较小,一般在0.01m/s左右;长江来流仅影响香溪河河口处的小部分区域,主要集中在距香溪河河口处约0.15km处,流速因受到长江来流的影响而有所偏转,流速增大。香溪河由原来的天然河道性质逐步转变为水库湖泊性质。     

水位调度对高原湖库水源地浮游藻类的影响模拟

高原湖库饮用水源地多面临严重的富营养化问题,探寻高效的生态调度控藻技术是解决此问题的关键,水位调度是其中最为经济和有效的调控方式之一。基于MIKE 3构建了湖库三维水动力-水质生态耦合模型,以红枫湖为例,开展了水位调度对高原湖库水源地浮游藻类的影响预测研究。结果表明：水位对湖区藻类生长聚集具有明显的调节作用,其中红枫湖区的流场在水位突降期间明显增加,在南湖与北湖连接段的流速普遍增加至0.3 m/s以上,而这种水动力引起的扰动对打破藻类结构、减少湖区的藻生物量具有明显的效果,红枫湖南湖的藻浓度大幅下降。另外,库区长时间稳定在低水位运行对于藻类防控具有十分不利的影响。     

基于EFDC模型的明湖水库水质数值模拟及预测

基于EFDC模型,以支鱼港补水闸和大尖退水闸实测流量、水质、水位为计算边界,模拟并探讨了明湖水库库区水体在静置期和交换期的水质情况。结果表明:库容较大时,库区水体水环境容量较高,水质浓度的增加幅度较小;COD浓度随水体静置时间增加的幅度较NH3-N低;在水体静置期,库区水体停留时间以27~30 d为宜;明湖水库运行期间,通过支鱼港补水闸、大尖闸与大冲闸联合调度运行,相机换水可有效保证库区水质安全。     

湘江下游河床下切对水动力条件影响的数值模拟

在研究分析相关水文数据的基础上,拟定多个不同的水动力条件情景,通过一维水动力数学模型模拟分析了湘江下游河床下切对湘江下游水动力条件的影响,探讨湘江下游河床下切引起模拟河段沿程水位、流速的变化,结果表明,湘江下游河床下切会引起模拟河段沿程水位不同程度的降低,其幅度从下游向上游逐渐增大;距离下游水位边界越远,河床下切引起的水位下降的幅度越大;下游水位越低,河床下切引起沿程水位降低的幅度越大;伴随着水位下降,河床下切使得模拟河段沿程断面的平均流速普遍减小。     

鄱阳湖水利调控对湖区典型丰枯水年水动力水质影响研究

鄱阳湖水利枢纽工程的修建会在一定程度上阻拦长江与鄱阳湖的江湖连通性,湖区水流情势将发生改变。本研究采用有限体积法求解非结构网格下的二维浅水水动力水质模型,根据初定的枢纽工程水位调度方案,研究典型丰枯水年湖区水动力与水质条件变化。结果表明,枢纽工程建成后,丰水年星子站年平均水位抬升1.49 m,枯水年星子站年平均水位抬升1.88 m,枯水年水利枢纽工程对湖泊水位抬升变幅值、流速变幅值和工程影响的持续时间均高于丰水年。工程后丰水年枯水期水面面积增加15.3%,水量增加29.2%,枯水年枯水期水面面积增加22.8%,水量增加54.1%。选用示踪剂模型研究工程后湖区物质输运条件的改变,发现湖区物质输运过程明显减慢。典型丰水年水力滞留时间增幅为1~2 d,典型枯水年水力滞留时间增幅2~9 d;典型丰水年示踪剂传输时间增加值1~9 d,典型枯水年示踪剂传输时间增加值1~20 d。