劉 東，郭 輝，聶艷華

（長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

三峽水庫不同應(yīng)急調(diào)度方式對庫區(qū)水華抑制作用初步研究

劉 東，郭 輝，聶艷華

（長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

河道筑壩蓄水后易爆發(fā)水華現(xiàn)象，在短期內(nèi)要減輕對生態(tài)環(huán)境的影響，可以通過改變水庫調(diào)度方式，使其對河流突發(fā)性生態(tài)環(huán)境的惡化影響降到最小程度。文章以三峽庫區(qū)水華暴發(fā)為背景，以樞紐實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)為依據(jù)，通過9種可行性應(yīng)急方案的數(shù)值模擬計(jì)算，分析三峽水庫水位消落階段壩前水流特性，闡述樞紐調(diào)度對水華的影響，研究三峽水庫抑制水華暴發(fā)的最優(yōu)調(diào)度方法。研究表明：方案5在運(yùn)行初期水體交換率較大，效果明顯。

三峽水利樞紐；水華暴發(fā)；調(diào)度方法

1 研究背景

河道上筑壩等改變自然規(guī)律的現(xiàn)象是河流及平原生態(tài)系統(tǒng)惡化的一個重要因素，突出表現(xiàn)在對生態(tài)環(huán)境的影響和破壞。由于河道筑壩蓄水后庫區(qū)水位抬升，水流減緩，紊動擴(kuò)散能力降低，導(dǎo)致水體自凈能力減弱和污染物在支流庫灣滯留，這種變化極易暴發(fā)水華現(xiàn)象，將直接影響水庫生態(tài)系統(tǒng)的完整性和健康狀態(tài)，并對工程綜合效益的發(fā)揮產(chǎn)生重大影響。水華是水體富營養(yǎng)化的典型特征之一，是藻類迅速大量生長、繁殖、聚集，最終達(dá)到一定濃度的現(xiàn)象。藻類水華暴發(fā)涉及到生理需求、營養(yǎng)競爭、食物鏈、外部入侵以及物理和化學(xué)因素的驅(qū)動作用等，機(jī)理十分復(fù)雜。目前普遍取得的共識是水華暴發(fā)必須具備3個條件：充足的營養(yǎng)鹽（氮、磷、硅等）；緩慢的水流流態(tài)；適宜的氣候條件（水溫、光照等）［1－3］。

三峽庫區(qū)為典型的河道型水庫，在水位消落階段的枯水季節(jié)，壩前水流、氣溫、水溫及光照為藻類的大面積生長創(chuàng)造了條件［4］。三峽水庫建成后，在175 m水位下，庫區(qū)干流平均寬度由建庫前的385 m提高到986 m，庫區(qū)平均水深由建庫前的13．4 m提高到48．6 m，在90%保證率連續(xù)7 d最枯流量條件下，庫區(qū)平均流速由建庫前的0．85 m／s降為0．17 m／s。尤其是支流庫灣受到干流回水頂托的影響，水流流速顯著降低。例如香溪河水位平均升高了40 m，流速則從建壩前的0．43～0．92 m／s下降到蓄水后的0．002～0．004 m／s。自2003年以來三峽庫區(qū)支流庫灣水華呈現(xiàn)加重、擴(kuò)大的趨勢，2009年3月，三峽水庫壩前隔流堤內(nèi)上引航道水域、銀杏沱至大壩水域各庫灣港區(qū)等水域暴發(fā)水華現(xiàn)象。

國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，增加庫區(qū)水流流速及提高水體的交換率改善水質(zhì)，是減少水華爆發(fā)的關(guān)鍵因素，在短期內(nèi)要減輕大壩對生態(tài)的影響，可努力集中于改變水庫調(diào)度方式，使其對河流突發(fā)性生態(tài)環(huán)境的惡化影響降到最小程度。此次研究以三峽樞紐工程廟河至壩前近壩區(qū)河段為研究對象，通過水力學(xué)數(shù)值模型計(jì)算研究進(jìn)行樞紐調(diào)度，結(jié)合三峽水庫壩前水域水華暴發(fā)的水流條件觀測分析，改變庫區(qū)應(yīng)急調(diào)度方式，提出抑制水華暴發(fā)的對策。

2 三峽水庫抑制水華應(yīng)急調(diào)度方案研究

2．1 水庫水華應(yīng)急調(diào)度研究方案

本文結(jié)合以往物理模型試驗(yàn)的成果，采取數(shù)值模擬計(jì)算對典型日實(shí)際運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，以流速小于0．01 m／s的水域作為滯水區(qū)，以近壩區(qū)20 km左右的河段（圖1）初始時刻滯水區(qū)作為水體交換能力的對象，以溶解態(tài)保守性物質(zhì)作為滯水區(qū)水體的示蹤物來研究水體的交換能力，研究三峽水庫抑制水華應(yīng)急調(diào)度方案［5］。

如圖2所示，沿庫區(qū)主流設(shè)置A—E 5個分析點(diǎn)。A點(diǎn)位于大壩附近，B點(diǎn)位于九嶺山附近水域，C點(diǎn)位于蛋子石附近水域，D點(diǎn)位于美人沱與偏巖子之間水域，E點(diǎn)位于杉木溪以上水域。

庫灣滯水區(qū)的流速都很小，水力條件較差，是分析的重點(diǎn)。假定滯水區(qū)以外的水體為新鮮水體，以5 d為調(diào)度周期，分析各種方案下庫灣滯水域與域外水體的交換能力。如圖3所示，選取的分析點(diǎn)F—K位于不同的庫灣滯水區(qū)，其中F—I位于左岸庫灣，J—K位于右岸庫灣。

圖1 近壩區(qū)地形圖Fig．1 Topographic map near the dam

圖2 主流區(qū)分析點(diǎn)示意圖Fig．2 Sketch m ap of analyzed points（mainstream area）

圖3 庫灣滯水區(qū)分析點(diǎn)示意圖Fig．3 Sketch map of analyzed points（backwater area）

圖4 所示為2009年1—4月三峽水庫實(shí)際調(diào)度運(yùn)行圖，水庫日調(diào)節(jié)的運(yùn)行規(guī)律可以概化為0∶00—08∶00為低泄流量時段，12∶00—20∶00為高泄流量時段。試驗(yàn)以期通過對現(xiàn)有調(diào)度模式條件下該段河道水流流態(tài)、水流特性以及流速分布進(jìn)行分析，選取具有代表性的工況進(jìn)行樞紐調(diào)度，在保證電站最低出力、樞紐控制下泄最低流量（本階段暫按5 200 m3／s）及水庫水位消落值允許范圍前提下，研究表孔開啟、電廠機(jī)組運(yùn)行臺數(shù)調(diào)度、加大樞紐下泄泄量等情況對上游近壩區(qū)河段的流速流態(tài)影響。本文以庫水位160 m、入庫流量5 000 m3／s為背景，設(shè)定如下9種情景，進(jìn)行5 d的水庫應(yīng)急調(diào)度過程分析。

如圖5和表1所示，方案1至方案7為24 h調(diào)度方式，試驗(yàn)調(diào)度時長為5 d。方案1為實(shí)際運(yùn)行方案，0∶00—08∶00流量為5 400 m3／s，12∶00—20∶00流量為5 600 m3／s；方案2主要通過加大流量變幅，即“降低低泄流量時刻的流量，增大高泄流量時刻的流量”，具體時段為02∶00—09∶00時運(yùn)行低泄流量，12∶00—16∶00時運(yùn)行高泄流量；方案3是提高調(diào)峰頻率，在實(shí)際運(yùn)行過程的基礎(chǔ)上，反復(fù)增大減小泄流量，希望造成水體的波動，即“人工潮汐”，以期能增大水的摻混度；方案4高泄流量時段為10∶00—18∶00，開啟左右電廠約16臺機(jī)組，達(dá)到機(jī)組的中等泄流能力，流量為14 900 m3／s；方案5高泄流量時段為2∶00—6∶00和11∶00—19∶00兩個時段，同方案4，流量為14 900 m3／s；方案6高泄流量時段為1∶00—17∶00，流量為14 900 m3／s；方案7高泄流量時段為10∶00—18∶00，考慮左右電廠全部26臺機(jī)組的最大泄流能力，高泄流量值選取為25 800 m3／s。

圖4 三峽水庫實(shí)際調(diào)度運(yùn)行圖Fig．4 Discharge and reservoir water level during the operation of Three Gorges Reservoir

圖5 方案1至方案7水庫調(diào)度過程Fig．5 Flow discharge processes in reservoir operation case 1—case 7

方案8、方案9為5 d調(diào)度工況，具體調(diào)度過程如圖6和表2所示，方案8第1天高泄流量時段全部開啟地下電廠和右電站，第2天和第3天高泄流量時段全部開啟右電廠，第4天和第5天減少右電廠的高泄流量至10 000m3／s；方案9第1天高泄流量時段全部開啟右電廠和左電廠，第2天和第3天減少左右電廠的高泄流量至14 260 m3／s，第4天和第5天減少左右電廠的高泄流量至10 000 m3／s。

圖6 方案8、方案9水庫調(diào)度過程Fig．6 Flow discharge processes in reservoir operation case 8 and case 9

表1 方案1至方案7水庫調(diào)度過程Table 1 Flow discharges in reservoir operation case 1—case 7 m3／s

表2 方案8至方案9水庫調(diào)度過程Table 2 Flow discharges in reservoir operation case 8—case 9

表3 各方案水流特性對比表Table 3 Com parison of flow characteristics in different operation cases

2．2 水庫水華應(yīng)急調(diào)度效果

2．2．1 水流特性

各工況出現(xiàn)的高泄流量與低泄流量的交替變化，會形成不同的庫區(qū)水流特性，庫灣在一定時間段會產(chǎn)生回流。出現(xiàn)回流區(qū)的時段使得主流區(qū)水體與庫灣滯水區(qū)水體摻混度增大，更多的滯水區(qū)水體會交換至主流區(qū)；不產(chǎn)生回流區(qū)的時段，主流區(qū)流速較大且平順，有利于回流區(qū)交換至主流區(qū)的滯水區(qū)水體下泄，改善水質(zhì)。表3統(tǒng)計(jì)了各方案在低泄流量時段和高泄流量時段的最大流速值，以及各方案最大水位日變幅。從表中看出，各種方案低泄流量的最大流速值與實(shí)際運(yùn)行方案較一致，而高泄流量的流速值大幅提高，其中方案7、方案9高泄流量的最大流速值變化最明顯，尤其是方案4至方案9增大泄流量后，最大流速值增加0．19～0．46 m／s，同時各應(yīng)急方案高泄流量時段的最大水位日變幅也有顯著提高，方案9最大水位日變幅達(dá)到1．95 m。

2．2．2 主流區(qū)

主流區(qū)高泄流量時段各方案各分析點(diǎn)流速對比見表4。A—E測點(diǎn)各方案下最大流速值均出現(xiàn)在D，E點(diǎn)，方案1至方案3流速相對實(shí)際方案變化不大，而方案4至方案9由于在高泄流量時段大幅提高了泄流量，流速增幅較明顯，均增加0．15 m／s以上，方案9最大流速達(dá)到0．56 m／s；水庫近壩區(qū)A，B測點(diǎn)流速均在0．30 m／s以內(nèi)，流速變化相對較小。河道主流區(qū)域各分析點(diǎn)在方案4至方案9條件下流速增加，流速值也較高，基本不會形成產(chǎn)生水華的條件。

表4 高泄流量時段各方案各分析點(diǎn)流速對比表Table 4 Comparison of flow velocity at the analyzed points of different operation cases w ith big discharge m／s

2．2．3 庫灣滯水區(qū)

圖7反映了各方案不同時間及不同滯水區(qū)域的水體交換程度。

F點(diǎn)所在水域位于左岸庫灣，距大壩較遠(yuǎn)，此處滯水區(qū)面積相對較小。如圖7（a）所示，實(shí)際運(yùn)行方案（方案1）下，該水域的水體交換能力不強(qiáng)，5 d后該點(diǎn)附近水域約有41%的水體被交換。方案4至方案9水體交換能力均有較大提高，5 d后，方案4至方案6達(dá)到60%，方案7則達(dá)到80%以上。

G點(diǎn)所在水域位于左岸最大的庫灣內(nèi)靠近主流區(qū)的一側(cè)，此處滯水區(qū)面積較大，河寬較大。該水域?qū)嶋H運(yùn)行方案下的水體交換能力很弱，5 d后僅有15%的水體被交換。方案4至方案9在G點(diǎn)附近水域前2 d的水體交換能力比實(shí)際運(yùn)行方案稍有增長，其中方案6初期水體交換能力改善較快。5 d末水體交換能力比實(shí)際運(yùn)行方案提高20%，其中方案5效果較為明顯，交換率為58%。

H點(diǎn)與G點(diǎn)位于同一庫灣，但H點(diǎn)所在水域遠(yuǎn)離主流區(qū)，靠近河岸。各方案H分析點(diǎn)附近水域水體幾乎沒有交換能力，僅通過水庫調(diào)度的方式很難改善此分析點(diǎn)附近水域的水體交換能力（圖略）。

I點(diǎn)所在水域位于靠近大壩的左岸滯水區(qū)。方案1中I點(diǎn)附近水域的交換能力不弱，5 d后的水體交換率為51%。其他方案下，I點(diǎn)附近水域的水體交換能力比實(shí)際運(yùn)行方案有一定幅度的增長，5 d后的水體交換率可達(dá)90%左右。

J點(diǎn)所在水域位于靠近大壩的右岸滯水區(qū)。5 d后有27%的水體被交換。方案2和方案3對J點(diǎn)附近水域的水體交換能力稍有增強(qiáng)，其他方案下，J分析點(diǎn)附近水域的水體交換能力受泄流量影響較大，比實(shí)際運(yùn)行方案有明顯的提升，5 d后的水體交換率可達(dá)90%以上。

K點(diǎn)所在水域位于右岸滯水區(qū)，實(shí)際運(yùn)行方案的水體交換能力很弱，5 d后僅有19%的水體被交換，方案5的水體交換率略高，5 d后達(dá)到39%。在該庫水位條件下，各應(yīng)急方案的初期水體交換能力都較差，較難通過水庫調(diào)度的方式快速改善該水域的水體交換能力。

圖7 滯水區(qū)域分析點(diǎn)水域交換率（數(shù)據(jù)顯示為方案5）Fig．7 Exchange rate at analyzed points in the backwater area（the figures are for case 5）

結(jié)合上面各分析點(diǎn)附近水域的分析成果，綜合庫區(qū)流速及水位變幅等水流特性發(fā)現(xiàn)：壩前滯水區(qū)水體交換能力對泄流量較敏感，加大泄流量可以改變壩前部分區(qū)域的局部流態(tài)，使滯水區(qū)摻混度增大，較快提高該區(qū)域的水體交換能力；實(shí)際運(yùn)行方案庫灣滯水區(qū)的水體交換能力總體較弱，方案2至方案3對滯水區(qū)水體交換能力影響不明顯，方案4至方案9對除H點(diǎn)外的各分析點(diǎn)附近區(qū)域水體交換能力有不同程度的改善作用，但在左右?guī)鞛橙杂幸欢娣e水域的水體交換能力不易通過各應(yīng)急方案來改善。

總體來說，方案5在運(yùn)行初期時段保持高泄流量，水體交換率效果較好，水體交換率較大，且水位日變幅及最大流速均在可行性范圍之內(nèi)。提高各方案初期水體交換速率，對于庫灣滯水區(qū)水華防治具有重要的借鑒意義。

3 結(jié) 論

本文針對三峽水庫壩區(qū)水華暴發(fā)情況，分析水華暴發(fā)的環(huán)境因子，通過樞紐運(yùn)行調(diào)度改變壩前水域水動力學(xué)條件，初步研究探索抑制水華暴發(fā)的可能性及其可能的水華抑制作用。

壩前滯水區(qū)的水體交換能力受調(diào)度過程的影響較敏感，通過增加下泄流量變幅，可以增加壩前水體的流速及摻混度，盡快提升水體交換能力、改善水質(zhì)狀況，達(dá)到提高水華防治的效果。文中方案5效果明顯，根據(jù)壩區(qū)水文情勢適時進(jìn)行水庫應(yīng)急調(diào)度，充分利用水華易發(fā)生時期遇到的每一次洪峰流量，加強(qiáng)水體的交換，有利于水華的防治。

［1］ 徐 楊，常福宣，陳 進(jìn)，等．水庫生態(tài)調(diào)度研究綜述［J］．長江科學(xué)院院報，2008，25（6）∶33－37．（XU Yang，CHANG Fu xuan，CHEN Jin，et al．Review of Research on Ecological Operation of Reservoir［J］．Jour nal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（6）：33－37．（in Chinese））

［2］ 章國淵．三峽水庫典型支流水華機(jī)理研究進(jìn)展及防控措施淺議［J］．長江科學(xué)院院報，2012，29（10）：48－56．（ZHANG Guo yuan．Mechanism of Water Bloom in the Tributaries of Three Gorges Reservoir：Progress and Control Suggestions［J］．Journal of Yangtze River Scien tific Research Institute，2012，29（10）：48－56．（in Chi nese））

［3］ 許 可，周建中，顧 然，等．基于日調(diào)節(jié)過程的三峽水庫生態(tài)調(diào)度研究［J］．人民長江，2010，41（10）：56－58．（XU Ke，ZHOU Jian zhong，GU Ran，et al．Ecolog ical Operation of Three Gorges Reservoir Based on Daily Regulating Hydropower Station Running［J］．Yangtze River，2010，41（10）：56－58．（in Chinese））

［4］ 王海云，程勝高，黃 磊．三峽水庫“藻類水華”成因條件研究［J］．人民長江，2007，38（2）：16－18．（WANG Hai yun，CHENG Sheng gao，HUANG Lei．In vestigation on the Causes of Algal Bloom in Three Gorges Reservoir［J］．Yangtze River，2007，38（2）：16－18．（in Chinese））

［5］ 艾學(xué)山，范文濤．水庫生態(tài)調(diào)度模型及算法研究［J］．長江流域資源與環(huán)境，2008，17（3）：451－455．（AI Xue shan，F(xiàn)ANWen tao．On Reservoir Ecological Oper ation Model［J］．Resources and Environment in the Yan gtze Basin，2008，17（3）：451－455．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Prelim inary Research on the Prevention of W ater Bloom s by Emergency Scheduling in the Three Gorges Reservoir

LIU Dong，GUO Hui，NIE Yan hua
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Water blooms are prone to break out in reservoir when dams are built up．Adjusting the reservoir opera tion is a practical approach to alleviate its impact on eco environment in the short term．With the water blooms in the Three Gorges Reservoir as a background and in accordance with the actual operation of the reservoir，we de signed 9 feasible emergency scheduling cases through mathematical numerical simulation．For each case，we ana lyzed the characteristics of flow downstream of the dam during water level drawdown，and expounded the effects of reservoir operation on the water blooms in the purpose of seeking the optimum reservoir operation plan to curb water blooms in the Three Gorges Reservoir．Results suggest that the operation in case 5 has obvious effect by retaining a large discharge in the initial period of the operation and a consequent big exchange rate．

Three Gorges Reservoir；water bloom；operation mode

X524

A

1001－5485（2013）08－0117－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．025

2013，30（08）：117－121

2013－05－10；

2013－06－26

劉 東（1983－），男，湖北宜都人，工程師，碩士，主要從事水工水力學(xué)研究，（電話）15827342299（電子信箱）18593440＠qq．com。