三峡工程中的几个环境水力学问题

三峡工程中的几个环境水力学问题摘要：对三峡工程环评阶段的几个环境水力学问题，如扩散能力和污染带影响、库区BOD5负荷的影响、泥沙对水质的影响、水温预测、河口径流的变化和盐水入侵等进行了述评，指出了存在的问题和进一步研究的方向和意义。关键词：三峡工程环境水力学水质泥沙盐水入侵水温1三峡工程概况二峡工程坝址位于湖北宜昌县三斗坪镇，距下游葛洲坝水利枢纽约40km，控制流域面积100万kmz，是治理和开发长江的一项关键性骨干工程。其规模空前，技术复杂，投资多，周期长，在中国水利工程史上是前所未有的。三峡工程1994年12月正式开工，预计2009年完工。根据审查通过的三峡水利枢纽初步设计报告，三峡水利枢纽的主要建筑物由拦江大坝、水电站和通航建筑物三大部份组成。大坝为重力坝，坝顶全长2335m，坝顶高程185m(吴松高程，下同)。正常蓄水位75m，相应的防洪限制水位145m，枯季消落低水位155m。泄洪坝段位于原主河槽部位，其两侧为左右厂房坝段和非溢流坝段。正常蓄水位175m时，20年一遇洪水回水末端至四川巴县木洞镇，距坝址565.7km。水库水面面积1084km2，水面平均宽度约1100m，与天然情况相比增加约一倍。水库平均库容393亿m3，其中防洪库容有221.5亿m3，兴利调节库容有16；亿m3，约占坝址径流量的3.7%，系一径流调节能力不大的季调节水库。水电站为坝后厂房，共安装26台(左14台，右12台)单机容量为70万kW的混流式水轮发电机组，总装机容量1820万kW，年平均发电量约847万ktW·h。另外，为减少弃水增加发电，右岸预留6台70万kW机组的地下厂房位置。通航建筑物全部布置在左岸，设双线连续五级船闸和垂直升船机。建成后的三峡工程具有防洪、发电、航运等巨大综合效益。水库运行中，将兼顾防洪、发电、航运、排沙的要求，协调好除害与兴利、兴利各要素之间的关系，以发挥工程最大综合效益。通过选取丰、平、枯各种来水典型年进行分析计算可以发现，经水库调节后，径流年内变化与天然情况差别不大，且年内人海径流总量不变。2三峡工程中的几个环境水力学问题及研究现状环境水力学是环境科学和水力学相结合的一门学科，研究水体中的污染物在水体中的迁移转化，特别是随着水体力学特性的变化而变化[1]7\n三峡工程对水质的影响是生态与环境评价中一个有争议的问题。库区工业和生活废水年排放量10亿t，绝大部分未经处理直接入江，造成局部污染。根据监测结果，三峡库区段总体水质良好，但城市江段岸边污染严重。其中重庆市区的岸边污染最严重，其次是万县市、涪陵市和长寿县城关镇江段。主要污染物为发挥性酚、总磷、总氮、石油类、BOD、COD、悬浮物、总汞、硫化物、氧化物、六价格和砷等。从总体上看，三峡工程对库区水质不利，对中下游水质有利。建库后，库区水体流速减缓，复氧和紊动扩散能力下降，将加重局部水域污染。另一方面，枯水期下泄流量增加，提高了坝下游河道污染稀释能力，有利于改善水质、减轻污染。可削弱长江枯水期咸潮入侵，增强冲淡氯度，有利于提高上海市供水的水质。如前所述，三峡工程对枯水期中下游的水质改善是有利的。因此，对扩散能力和污染带的研究重点是库区，即不利影响区，特别是重庆江段的水质问题。水文水力学条件一般控制在枯水期，采用多年最枯平均保证率P＝90%的枯季流量为水文水力学的计算、设计条件。对库区水质的研究，分整体水质和局部水质。整体水质主要是针对库区队BOD5负荷，局部水质主要针对岸边污染带。一般认为，建坝后水流流速减缓，扩散能力降低，从而使水环境容量降低，加重污染带和库湾静水局部污染。2.1对库区整体水质(BOD5负荷)的影响研究建坝后，库区流速下降，复氧能力减弱，从而降低对BOD5的接纳能力.采用Streeter-Phelps模型分析，结论认为，按GB3838-88地面Ⅲ类水标准溶解氧不小于6mg/L计算，建坝后BOD5接纳能力将减少59%。但由于径流量大，其接纳能力仍有156万t/a，比现有污染排放量大得多，因此建坝后三峡水库的整体水质不会恶化。另外，由于水库蓄水，污水在水库中的停留时间长，BOD的降解量将增加。当然，这里仅仅谈“整体水质”是不够的，实际上“岸边水质”对工业和人民生活更为有用，因为目前大多数取水口都在岸边。Streerer-Phelps模型是1925年由Streercrt和Phelps研究OhioRiver污染问题时所建立的最早的河流溶解氧模型，条件比较简化，如污染负荷不随时间而变，河流流量沿程不变，水流为均匀流，生化耗氧为一级动力反应且反应速率为常数，复氧只有水气交界面上的吸氧而且复氧系数为常数等等。在研究天然河流BOD5和DO的变化时，对三峡水库，根据实际需要，还应考虑这样几个方面的因素：(1)由于泥沙吸附而引起的BOD的减少；(2)由于底沙冲刷或底沙中有机物的分解而引起水中的BOD的增加；(3)由于沿程径流加入引起的BOD的增加；(4)由于纵向离散而引起BOD和DO的不断重新分布；(5)Kd随着时间的变化，特别是硝化阶段开始以后Kd不可能为常数；(6)河渠特性的改变将改变表面紊动特性，从而改变从大气中的吸氧率。泥沙的淤积增加水库的透明度，增加光合作用的产氧率；(7)含氧量、BOD、温度、污流量的日变化等等。2.2对扩散能力和污染带的影晌研究在环评阶段，对扩散能力和污染带的研究，是基于迁移扩散方程。假定水流为二维均匀流，断面水深和流速变化不大，污水排放为时间连续源，采用岸边排放，在水深方向均匀混合得到二维扩散方式：C(x,z)=2m/uhAπEzx/uExp[-uz2/4EzxKx/u]式中：C(x,z)为坐标x,z处的污物浓度；m=c0q0/h，单位水深污水排放率。其中C0为污水浓度，q0为污水量，h为污染带平均水深；Ez为横向扩散系数；u为平均流速；K为污染物降解率；x为离排污口的纵向距离；z为离排污口的横向距离。这项研究分别是四川省环境保护科学监测所“七五”攻关和长江水资源保护科学研究所等单位的成果，其中后者未考虑污染物降解这一项[2]。7\n由于研究单位所站角度不同，两家单位的结论有差异。四川省环科所的结论认为：水库蓄水后，随着流速降低。岸边污染带加宽，污染物浓度相应增加，该水域可资利用的水环境容量相应降低。若维持建坝前控制点的污染物浓度水平，约需削减20%，以补偿损失的水环境容量。长江水资源保护科研所的结论认为：主要排污口只要按国家规定达标排放，建库后尽管扩散能力下降，但控制点不会因此而发生水质超标。研究中存在的共同问题有：(1)数学模型过于简化，特别是忽略了断面上水深和流速的不均匀性。对天然河流至少应采用无量纲累积流量坐标来反映断面上水深和流速的不规则变化。(2)扩散能力不仅反映在流速上，也反映在扩散系数上。因此，应进行试验研究确定扩散系数。根据《长江三峡水利枢纽环境影响报告》中四川省环科所(P5-29)提供的建坝前后寸滩、长寿、涪陵清溪、万县沦口等处的平均流速、平均水深、水面坡降和横向扩散系数，反算出相应的无量纲横向扩散系数az(=E0/hu*，u*为摩阻流速):建坝前，az=0.3～0.5；建坝后az＝0.15。这些值特别是建坝后的az似嫌所取偏小，只有在顺直均匀明渠中，az＝0.1～0.2(中值0.15)。天然河流中的az很少小于0.4。实际应用中，H．B．Fischer建议取az=0.6(1+-0.5)[3]。(3)应考虑水深增加对扩散能力的影响。水深增加。有利于稀释扩散。(4)建坝后主流平均流速减小，污染源排放速度和主流速的比值可能增大，从而使建库后污染带向江心摆动。关于污染带，不同的学者从各自的研究角度出发提出过不同的定义，黄时达等在研究三峡库区污染带时提出的定义为[4]：在排污口附近及下游，水中污染物浓度高于该水体环境功能类别标准的区域。并且提出了污染带评价指数Pi和评价方法。Csi式中，Pi为控制点(排污口下游1000m)，离排污岸10m处的的i污染物浓度；Csi为水体环境功能类别的i污染物水质标准。根据Pi的大小，把排污口的水体污染分成四个等级。即Pi＜1允许；Pi＝1～3。污染；Pi＝3～5，重污染；Pi＞5严重污染。对于具有多种污染的污染带，采用综合评价指数，方法类似。在初步设计阶段，长江水资源保护科研所就三峡建库对水质的影响特别是岸边污染带问题进行了复核(采用排污口下游1000m岸边水质浓度为控制点)。在二维扩散公式基础上，为反映天然河道各横断面上h、u的变化，采用了无量纲累积流量坐标进行有限差分计算，深化了环评阶段的研究。但有关的模型参数特别是横向扩散系数没有通过试验确定，而是采用经验估算[5]。周晶莹等人(1985)在长江南京段1km微弯河段进行横向扩散试验，利用张书农(1983)提出的计算横向扩散系数的修正方法。得到az=05[6]。幸治国等人(1992)在嘉陵江2km长的顺直河段进行横向扩散试验，得到az＝0.63[7]。长江水资源保护科研所在长江武汉段(黄蒲路、汉阳纸厂、青山港)进行的扩散试验结果为：az＝0.5～1.05[7]。7\n横向扩散系数a2是由于简化计算而带来的。现数学模型的发展已不需要作这样的简化。国内外的成果表明：横向扩散系数az与河流地形、弯曲形态、糙率、流态、水深等有关，与河宽或宽深比是否有关尚有争议，与河宽或宽深比有关的结论主要得到室内模型试验成果的支持。横向扩散系数随着河流江段的变化，随水深变化。因此，采用简化的二维扩散公式计算不同江段、建库前后的污染带时az的取值就比较困难了。应该指出，象长江、嘉陵江这样的河流，污染带的发展十分有限，岸边排放不会越过中泓，更不会占据全河宽，只与局部范围内的流带有关。因此，横向扩散系数az应与河宽无关，这是长江这样的大江大河的特点。2.3泥沙对水质的影响研究这是一个污染物的迁移变化和泥沙运动力学相结合的问题，对研究库区水环境容量具有重要意义。在天然状态下，坝址处的平均年输沙量为5.3亿t(悬移质泥沙)，沙质推移质704万t，卵石推移质为75.7万t(葛洲坝建库前)。现有的研究表明，污染物质特别是象重金属等都吸附在泥沙上，随泥沙颗粒迁移转化。泥沙颗粒径的大小，对吸附式的解吸的影响差别很大。目前的研究主要是考虑泥沙沉积的影响，利用一元箱式模型计算稳态时的重金属总浓度和可溶态深度(受分配系数的影响)。计算分析表明[2]：三峡建坝后，按175m方案。泥沙淤积使水库重金属元素总浓度降低63%～70%；重金属的可溶态浓度不会产生很大的变化，水体保持以吸附为主的水环境条件，不致因解吸而造成二次污染。存在的问题：(1)需加强泥沙吸附污染物质机理研究，注意试验室条件与天然条件的差异，研究泥沙吸附作用对水环境容量的影响。(2)根据需要，模型中既要考虑污染物迁移扩散，即常见的迁移扩散方程所描述的，又要考虑泥沙运动对污染物迁移转化的作用。以上三部分(对库区BOD5负荷的影响研究、对扩散能力和污染带的影响研究、泥沙对水质的影响研究)其本质上是想回答三峡工程建库前后水环境容量的变化，确定建库后水环境容量的损失。估算水质补偿费。水环境容量一般是指水体在规定的环境目标下所能容纳污染物的量。容量的大小与水体特征、水质目标、污染物特性有关。也与污染物的排放方式及排放时的时空分布密切相关。对不同的环境目标、污染物性质、降解机理、容量再生性、可分配件，有不同的水环境容量概念[8]。水环境容量作为资源，其所有权属于国家，而不是排污企业。要进行慎重、适度的利用，主要应该是指耗氧有机物(或易降解有机物)，对于有毒有机物(难降解有机物)和重金属，应消除其污染源，避免排放水体。即可更新容量才有一定利用价值。在三峡水库的水质研究中，是以建坝前后控制点和浓度变化比值来估算因扩散能力降低而引起的水环境容量的损失，使用的模型较为简化。应深化对三峡水库水环境容量的研究和认识。统一对环境容量的损失补偿的计算依据，使用更为接近实际的、先进的水质数学模型，进行污染源调查和试验确定的模型参数，合理确定水环境容量的损失。并根据功能区划。确定水环境容量保护利用的界限，并把容量分配给沿江各城市、各江段。目前。在中国的国情条件下，库区污水要达到“零排放”还不太现实。应加强对污水排江技术的研究和应用，适当利用环境容量。对日前库区沿江城市排污口的排放位置、方式、强度和排放水质进行优质规划，实施污染物总量控制，制定出科学的污水“零排放”。另外，三峡水库约有26条支流。建库后，支流的库湾水面将占库区总水面的三分之一左右。这些地方容易产生局部污染和富营养化。对支流和库湾静水区密切研究还不够，要特别加强研究，防止局部污染加重或富营养化发生。7\n三峡水库对重庆江段水质影响，目前还存在认识上的差异。根据现有的模型研究成果，从时间上看，水库初期蓄水位156m对重庆江段的水质无影响。水库终期正常蓄水位175m，由于回水顶托对重庆江段有一定的影响。从空间上看，越靠近坝前，水库对水质的影响越大。重庆正好位于库尾，水库水位变化的影响较小，因此对水质的影响也较小。但由于重庆属特大城币，排入长江的污水总量大，对此影响应予重。2.4水温预测(1)水库分层预测水库是否分层，在三峡工程中采用过两种方法[2]：一是“替换次数指标”α和β法；二是密度佛汝德数(Fd)法。用α值预测：三峡水库正常蓄水位175m时库容约393亿m3，坝址多年平均径流量约4510亿m3，α＝11，略大于10。用α值判断，该水库不会形成稳定的温度分层结构，但不排除出现弱分层现象。用Fd法预测：有两种考虑，—是把全库作为一个整体。按水位175m，总库容393亿m3，最小流量3700m3/s计算，Fd＝0.46，说明水库有弱水分层倾向，但冬季枯期气温通常低于水温，限制了水库的分层发展。二是把三峡水库分段计算。水库全长600余km，库尾与库前的水深相差较大，因此把全库分成185个单元分别计算Fd。结果表明，枯水期Fd<0.1的区域较大。此时紊动动能小，具备水体层化的水力学条件。但由于此时水温高于气温，水体不存在层化倾向。仅在入库流量小于6000m3/s的4月份时，近坝段10km左右的库段Fd值才小于0.1。有短时水温分层现象。5月以后Fd>0.1，不会发生明显分层。对10条主要支流的Fd值计算表明，在磨刀溪、梅溪河和龙船河3条支流内的库水可能出现分层现象。且主要发生在支流河口附近。采用一维温度模型，对近坝段分层水体进行分析。根据典型年1965年(平水年)和1966年(枯水年)的资料进行预测。库内水温分层始于4月上句，至5月下旬逐渐消失，上、下层水温差为1.7～9.3°C。(2)水库出流水温预测如前所述，三峡水库在4～5月可能出现短时温度分居。因此，需进一步分析可能出现下泄水温低于天然情况的温差，预测“冷害”产生。根据以流速分布加权计算的预测，4～5月出流水温虽低于同期天然河道水温，但已高于家鱼产卵所需温度18°C。这里提出的水温预测是以典型年而得，有一定的代表性，但因不水量和水温的多变价，预测结果难以概括各种变化。为此，应进行水温监测和研究。另外，三峡水利枢纽为满足泄洪、发电和排沙等需要，自高程90m以上有多层泄水口，具有分居泄水的有利条件，以满足鱼类的产卵和灌溉的需要。由于三峡水库调度运行每年3～4月份为腾出库容迎接汛期到来，增大下泄流量。每年10份开始蓄水，保证水库水位达到175m，又要减小泄水流量。这两个下泄流量变动阶段正好与坝下四大家鱼和中华鲟等鱼类产卵时间一致。长江四大家鱼的产卵繁殖期在4～5月份。坝下中华鲟产卵繁殖期在10～11月份。这些鱼类的产卵水温、水位涨落等环境因素密切相关。如水温度要求18°C以上，水位要求在产卵时段有一个上涨过程。因此。要深入地了解在各种来水和水库调度情况下下泄水温、水位的变化，以便在产卵时间进行适当的水库调节。尽量满足鱼类的产卵繁殖要求。7\n2.5河口径流的变化和盐水入侵问题(1)河口径流的变化由于三峡水库属季调节，三峡工程建库后，全年入海总量不变，只是年内分配有所变化。根据计算，枯、平、丰三种典型与天然情况相比，大通站10月份流量分别减少32.4%、20.3%、16.9%。1～5月份水库增加下泄量为1000～2000m3/s，不同典型年份比天然情况分别提高24.5%、19.9%和5.1%。(2)盐水入侵问题盐水入侵是一种非常复杂的自然现象，它给河口地区工农业及生活用水带来很多困难和经济损失。盐水入侵属于异重流，是密度不同的流体的相对运动和相互运动，理论上有比较大的难度。长江河口的形态比较复杂，受潮流的影响大。三峡工程建库后，水库对河口盐水入侵长度、强度的影响主要是利用各监测站点的相关分析和多元回归分析而得的经验公式。研究表明，枯水期下泄流量增加有利于削减水体氯化物的峰值，连续取不到合格水的天数有所减少；但枯水年10月和11月下泄流量减少后，会使河口段入侵时间提前，历时加大，总的受咸天数有所增加。3结语目前，三峡工程环境中的水力学问题还属于评价阶段的成果，还有待于根据实际需要进行深入的研究，充分利用量测、数学/物理模型研究等方面最新、最好的科研成果，为三峡水库的污染控制和水质管理服务。(1)对库区污染源现状进行全面、准确的调查和预测，这是管理和科研工作的前提和基础。(2)利用各种先进成熟的数学模型(包括精细、复杂的模型)更好地回答库区水环境容量的变化，包括支流、库湾。(3)精细原型观测和物理模型试验，确定数学模型的各项参数，建立库区不同水位下的数学模型参数库。同时，用原型观测结果检验数学模型。(4)建立一套先进、实用的三峡水库水污染控制管理系统。包括各种数据库、模型库、动态图形显示、决策管理子系统，能够对水质进行预测、预报，为三峡水库污染控制和水质管理服务。参考文献1黄真理．我国环境水力学研究的现状和展望．科技导报，1992年第8期2中科院环境评价部，长江水资源保护研究所．长江三峡水利枢纽环境影响报告书．1991年12月3H.B．费希尔等著，清华大学水力学教研组译．内陆近海水域中的混合．水利水电出版社，19874黄时达、徐小清、鲁生业等编著．三峡工程与环境污染及人群健康．科学出版社，19945水利部长江水利委员会．长江三峡水利枢纽初步设计报告(枢纽工程)第十一篇：环境保护．1992年12月6张书农．环境水力学．河海大学出版社，19887\n7幸治国、蒋良维．长江、嘉陵江重庆城区段横向扩散系数(长江、嘉陵江重庆段水污染控制规划研究技术报告集)．重庆科学研究所重庆建筑工程学院，1992年12月8张永良、刘培哲主编．水环境容量综合手册．清华大学出版社，1991年12月第1版7