三峽工程對庫區(qū)水流水質影響預測

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摘要：利用開發(fā)的三峽水庫整體一維水流水質數(shù)學模型，對三峽水庫建成前后的水流水質變化趨勢進行預測分析。重點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化特性和水質分布的影響。預測結果表明，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，平均有機污染物自凈降解速率和大氣復氧速率比天然河道狀況減小1倍。由于污染物在庫區(qū)滯留時間成倍延長，有機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)內斷面平均有機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，建庫前后水質變化不大。因此，三峽工程對庫區(qū)水質影響有利也有弊。

　　關鍵詞：三峽工程 水庫 水流

　　三峽工程作為人類治理和開發(fā)長江的關鍵性骨干工程，水庫蓄水以后，庫區(qū)水質如何變化一直成為國內外廣泛關注的問題。盡管在三峽工程項目環(huán)境影響評價論證階段，國內外專家已對三峽工程本身帶來的環(huán)境問題進行了詳細的調查、分析與研究，取得了豐富的研究成果，但是，由于受多種復雜因素的影響，迄今為止，有關三峽工程對未來庫區(qū)水質狀況的影響程度，尚沒有一個十分明確及定量化的結論[1].隨著計算機技術的飛速發(fā)展，數(shù)學模型已成為河流水文水質預測預報的重要工具。本文利用作者開發(fā)研制的三峽水庫整體一維水流水質數(shù)學模型，定量預測水庫建成前后，庫區(qū)斷面平均水流水質變化趨勢，重點分析研究三峽工程對庫區(qū)水流水質的影響程度，為三峽水庫水污染控制對策的制定提供科學依據(jù)。

　　1 研究概述

　　1.1 研究重點

　　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)和水流結構將發(fā)生很大變化，由此將改變庫區(qū)污染物質輸移轉化過程，進而必將引起庫區(qū)水質變化。因此，要了解三峽水庫建成前后水質變化趨勢，關鍵是了解水流條件的巨大變化對庫區(qū)水質的影響程度。

　　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)內水流水質總體運動特性基本遵循一維運動規(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進行預測，一維水流水質數(shù)學模型將是實用有效的技術手段。為此，作者將三峽整個庫區(qū)作為對象體，進行了一維水流水質數(shù)學模型的開發(fā)研究[2].模型針對三峽水庫的特點，充分考慮了水庫建成前后水流條件巨大變化對水流水質輸移轉化特性的影響，并建立了一系列預測水流水質模型參數(shù)變化趨勢的經(jīng)驗公式，開發(fā)的水流水質模型具有較高的模擬預測精度，能夠模擬預測三峽庫區(qū)水流水質的變化。

　　1.4 水流水質預測工況

　　利用開發(fā)的模型系統(tǒng)，對三峽水庫建成前后水流水質狀況進行了幾十種代表性組合工況的預測研究，水質模擬指標包括三氧、三氮、總磷、總氮和重金屬等反映三峽水庫水質狀況的12項水質指標。受篇幅限制，本文將枯水期7Q10入庫流量（相應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)值模擬預測，基本上能反映三峽水庫建成前后總體水流水質的變化特點。其中“總體”水流水質的概念，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，斷面突擴突縮現(xiàn)象十分顯著，復雜的河道形態(tài)直接影響著水流運動結構以及污染物沿程輸移轉化規(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。水流運動特性的巨大變化，對庫區(qū)污染物輸移轉化特性將產(chǎn)生巨大影響。

　　3 三峽水庫建成后庫區(qū)污染物質輸移轉化特性變化趨勢預測

　　分析三峽水庫常規(guī)水質監(jiān)測指標，可以將其歸成三類：具有自凈降解能力的有機耗氧類污染物質，代表性水質指標為BOD5、CODMn、MH3-N等；守恒類污染物質，也即自凈降解能力比較弱的污染物質；另一類水質指標為溶解氧，在水體中既為有機污染物耗氧反應過程提供必要的溶解氧而降低濃度，同時，又可以通過大氣復氧增加水體中的溶解氧濃度。

　　對于不同污染物質，由于其在水體中輸移轉化特性不同，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、實測資料統(tǒng)計回歸、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)和大氣復氧系數(shù)等影響的預測公式[2～4]，模擬預測三峽水庫建成前后污染物輸移轉化特性的變化趨勢。三峽水庫建成前后代表性水質指標BOD5自凈降解速率系數(shù)和DO復氧系數(shù)的預測結果。

　　研究表明，水庫建成后，由于水流速度減緩，水流紊動強度減弱，BOD5衰減速率系數(shù)和DO復氧系數(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變化趨勢的預測

　　三峽水庫蓄水以后，隨著流速減小，污染物輸移轉化特性將發(fā)生很大變化，庫區(qū)水質也必然隨之發(fā)生較大的變化。以BOD5、DO為例，在同樣污染負荷和入庫水文條件下，只改變三斗坪水位，利用數(shù)學模型模擬預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污染物質而言，盡管單位時間內污染物質自凈降解速率隨著水流紊動強度的減弱而減弱（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，意味著污染物質在庫區(qū)滯留時間將延長4倍左右，尤其是在壩前深水區(qū)污染物在庫區(qū)滯留時間較建庫前平均延長5倍左右，污染物質在庫區(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)，斷面平均有機污染物濃度下降趨勢比較明顯。同時，隨著有機污染物自凈降解量的增大，有機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。對于守恒類物質而言，建庫前后水質濃度基本不變。

　　5 三峽工程對庫區(qū)水質影響的分析

　　5.1 對庫區(qū)水流運動特性的影響

　　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)總體水質的影響

　　三峽工程對庫區(qū)總體水質影響有利有弊。對于有機污染物質而言，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，這是對水質不利的影響；對于守恒類物質，水庫建成前后的水質濃度變化不大。

　　5.3 對庫區(qū)局部水質影響的分析

　　隨著三峽水庫蓄水位抬高，水流運動速度明顯減小，水體紊動摻混能力減弱，水流水質橫斷面分布的不均勻性必將更加明顯。從三峽庫區(qū)斷面平均水流水質變化特點分析，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。有關詳細的三峽庫區(qū)排污口附近混合區(qū)范圍的變化趨勢預測，請見參考文獻[5].

　　6 結 論

　　利用開發(fā)的一維水流水質數(shù)學模型，對三峽水庫建成前后水流水質變化趨勢進行模擬預測。預測結果表明，對于不同類型的污染物質而言，由于自身輸移轉化特性不同，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)有機污染物單位時間內的自凈降解速率和大氣復氧速率均比建庫前明顯減弱，但是，由于污染物在庫區(qū)滯留時間成倍延長，有機污染物在庫區(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污染物濃度與建庫前相比呈下降趨勢。同時，由于有機污染物自凈降解過程中耗氧量的增加，以及大氣復氧能力的減弱，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濃度變化不大，因此，三峽工程對庫區(qū)總體水質的影響有利也有弊。

　　參 考 文 獻

　　[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：湖北科學技術出版社，1997.

　　[2]李錦秀，廖文根，黃真理。三峽水庫整體一維水質數(shù)學模擬研究[J].水利學報，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].水利學報，2000，（8）。

　　[4]李錦秀，廖文根。水流條件巨大變化對有機污染物降解速率影響研究[J].環(huán)境科學研究，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)計算報告[R].清華大學水利水電工程系，2001.