三峽工程中環境水力學問題論文

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摘要：對三峽工程環評階段的幾個環境水力學問題，如擴散能力和污染帶影響、庫區BOD5負荷的影響、泥沙對水質的影響、水溫預測、河口徑流的變化和鹽水入侵等進行了述評，指出了存在的問題和進一步研究的方向和意義。

關鍵詞：三峽工程環境水力學水質泥沙鹽水入侵水溫

1三峽工程概況

二峽工程壩址位于湖北宜昌縣三斗坪鎮，距下游葛洲壩水利樞紐約40km，控制流域面積100萬kmz，是治理和開發長江的一項關鍵性骨干工程。其規模空前，技術復雜，投資多，周期長，在中國水利工程史上是前所未有的。三峽工程1994年12月正式開工，預計2009年完工。

根據審查通過的三峽水利樞紐初步設計報告，三峽水利樞紐的主要建筑物由攔江大壩、水電站和通航建筑物三大部份組成。大壩為重力壩，壩頂全長2335m，壩頂高程185m(吳松高程，下同)。正常蓄水位75m，相應的防洪限制水位145m，枯季消落低水位155m。泄洪壩段位于原主河槽部位，其兩側為左右廠房壩段和非溢流壩段。正常蓄水位175m時，20年一遇洪水回水末端至四川巴縣木洞鎮，距壩址565.7km。水庫水面面積1084km2，水面平均寬度約1100m，與天然情況相比增加約一倍。水庫平均庫容393億m3，其中防洪庫容有221.5億m3，興利調節庫容有16；億m3，約占壩址徑流量的3.7%，系一徑流調節能力不大的季調節水庫。

水電站為壩后廠房，共安裝26臺(左14臺，右12臺)單機容量為70萬kW的混流式水輪發電機組，總裝機容量1820萬kW，年平均發電量約847萬ktW·h。另外，為減少棄水增加發電，右岸預留6臺70萬kW機組的地下廠房位置。

通航建筑物全部布置在左岸，設雙線連續五級船閘和垂直升船機。

建成后的三峽工程具有防洪、發電、航運等巨大綜合效益。水庫運行中，將兼顧防洪、發電、航運、排沙的要求，協調好除害與興利、興利各要素之間的關系，以發揮工程最大綜合效益。通過選取豐、平、枯各種來水典型年進行分析計算可以發現，經水庫調節后，徑流年內變化與天然情況差別不大，且年內人海徑流總量不變。

2三峽工程中的幾個環境水力學問題及研究現狀

環境水力學是環境科學和水力學相結合的一門學科，研究水體中的污染物在水體中的遷移轉化，特別

是隨著水體力學特性的變化而變化[1]

三峽工程對水質的影響是生態與環境評價中一個有爭議的問題。庫區工業和生活廢水年排放量10億t，絕大部分未經處理直接入江，造成局部污染。根據監測結果，三峽庫區段總體水質良好，但城市江段岸邊污染嚴重。其中重慶市區的岸邊污染最嚴重，其次是萬縣市、涪陵市和長壽縣城關鎮江段。主要污染物為發揮性酚、總磷、總氮、石油類、BOD、COD、懸浮物、總汞、硫化物、氧化物、六價格和砷等。從總體上看，三峽工程對庫區水質不利，對中下游水質有利。建庫后，庫區水體流速減緩，復氧和紊動擴散能力下降，將加重局部水域污染。另一方面，枯水期下泄流量增加，提高了壩下游河道污染稀釋能力，有利于改善水質、減輕污染。可削弱長江枯水期咸潮入侵，增強沖淡氯度，有利于提高上海市供水的水質。

如前所述，三峽工程對枯水期中下游的水質改善是有利的。因此，對擴散能力和污染帶的研究重點是庫區，即不利影響區，特別是重慶江段的水質問題。水文水力學條件一般控制在枯水期，采用多年最枯平均保證率P＝90%的枯季流量為水文水力學的計算、設計條件。對庫區水質的研究，分整體水質和局部水質。整體水質主要是針對庫區隊BOD5負荷，局部水質主要針對岸邊污染帶。一般認為，建壩后水流流速減緩，擴散能力降低，從而使水環境容量降低，加重污染帶和庫灣靜水局部污染。

2.1對庫區整體水質(BOD5負荷)的影響研究

建壩后，庫區流速下降，復氧能力減弱，從而降低對BOD5的接納能力.

采用Streeter-Phelps模型分析，結論認為，按GB3838-88地面Ⅲ類水標準溶解氧不小于6mg/L計算，建壩后BOD5接納能力將減少59%。但由于徑流量大，其接納能力仍有156萬t/a，比現有污染排放量大得多，因此建壩后三峽水庫的整體水質不會惡化。另外，由于水庫蓄水，污水在水庫中的停留時間長，BOD的降解量將增加。當然，這里僅僅談“整體水質”是不夠的，實際上“岸邊水質”對工業和人民生活更為有用，因為目前大多數取水口都在岸邊。

Streerer-Phelps模型是1925年由Streercrt和Phelps研究OhioRiver污染問題時所建立的最早的河流溶解氧模型，條件比較簡化，如污染負荷不隨時間而變，河流流量沿程不變，水流為均勻流，生化耗氧為一級動力反應且反應速率為常數，復氧只有水氣交界面上的吸氧而且復氧系數為常數等等。

在研究天然河流BOD5和DO的變化時，對三峽水庫，根據實際需要，還應考慮這樣幾個方面的因素：(1)由于泥沙吸附而引起的BOD的減少；(2)由于底沙沖刷或底沙中有機物的分解而引起水中的BOD的增加；(3)由于沿程徑流加入引起的BOD的增加；(4)由于縱向離散而引起BOD和DO的不斷重新分布；(5)Kd隨著時間的變化，特別是硝化階段開始以后Kd不可能為常數；(6)河渠特性的改變將改變表面紊動特性，從而改變從大氣中的吸氧率。泥沙的淤積增加水庫的透明度，增加光合作用的產氧率；(7)含氧量、BOD、溫度、污流量的日變化等等。

2.2對擴散能力和污染帶的影晌研究

在環評階段，對擴散能力和污染帶的研究，是基于遷移擴散方程。假定水流為二維均勻流，斷面水深

和流速變化不大，污水排放為時間連續源，采用岸邊排放，在水深方向均勻混合得到二維擴散方式：

C(x,z)=2m/uhAπEzx/uExp[-uz2/4EzxKx/u]

式中：C(x,z)為坐標x,z處的污物濃度；m=c0q0/h，單位水深污水排放率。其中C0為污水濃度，q0為污水

量，h為污染帶平均水深；Ez為橫向擴散系數；u為平均流速；K為污染物降解率；x為離排污口的縱向距

離；z為離排污口的橫向距離。

這項研究分別是四川省環境保護科學監測所“七五”攻關和長江水資源保護科學研究所等單位的成果，其中后者未考慮污染物降解這一項[2]。

由于研究單位所站角度不同，兩家單位的結論有差異。四川省環科所的結論認為：水庫蓄水后，隨著流速降低。岸邊污染帶加寬，污染物濃度相應增加，該水域可資利用的水環境容量相應降低。若維持建壩前控制點的污染物濃度水平，約需削減20%，以補償損失的水環境容量。長江水資源保護科研所的結論認為：主要排污口只要按國家規定達標排放，建庫后盡管擴散能力下降，但控制點不會因此而發生水質超標。

研究中存在的共同問題有：

(1)數學模型過于簡化，特別是忽略了斷面上水深和流速的不均勻性。對天然河流至少應采用無量綱累

積流量坐標來反映斷面上水深和流速的不規則變化。

(2)擴散能力不僅反映在流速上，也反映在擴散系數上。因此，應進行試驗研究確定擴散系數。根據《長江三峽水利樞紐環境影響報告》中四川省環科所(P5-29)提供的建壩前后寸灘、長壽、涪陵清溪、萬縣淪口等處的平均流速、平均水深、水面坡降和橫向擴散系數，反算出相應的無量綱橫向擴散系數az(=E0/hu*，u*為摩阻流速):建壩前，az=0.3～0.5；建壩后az＝0.15。這些值特別是建壩后的az似嫌所取偏小，只有在順直均勻明渠中，az＝0.1～0.2(中值0.15)。天然河流中的az很少小于0.4。實際應用中，H．B．Fischer建議取az=0.6(1+-0.5)[3]。

(3)應考慮水深增加對擴散能力的影響。水深增加。有利于稀釋擴散。

(4)建壩后主流平均流速減小，污染源排放速度和主流速的比值可能增大，從而使建庫后污染帶向江

心擺動。

關于污染帶，不同的學者從各自的研究角度出發提出過不同的定義，黃時達等在研究三峽庫區污染帶

時提出的定義為[4]：在排污口附近及下游，水中污染物濃度高于該水體環境功能類別標準的區域。并且提出了污染帶評價指數Pi和評價方法。

Csi式中，Pi為控制點(排污口下游1000m)，離排污岸10m處的的i污染物濃度；Csi為水體環境功能類別

的i污染物水質標準。

根據Pi的大小，把排污口的水體污染分成四個等級。即Pi＜1允許；Pi＝1～3。污染；Pi＝3～5，重污

染；Pi＞5嚴重污染。對于具有多種污染的污染帶，采用綜合評價指數，方法類似。

在初步設計階段，長江水資源保護科研所就三峽建庫對水質的影響特別是岸邊污染帶問題進行了復核(采用排污口下游1000m岸邊水質濃度為控制點)。在二維擴散公式基礎上，為反映天然河道各橫斷面上h、u的變化，采用了無量綱累積流量坐標進行有限差分計算，深化了環評階段的研究。但有關的模型參數特別是橫向擴散系數沒有通過試驗確定，而是采用經驗估算[5]。周晶瑩等人(1985)在長江南京段1km微彎河段進行橫向擴散試驗，利用張書農(1983)提出的計算橫向擴散系數的修正方法。得到az=05[6]。幸治國等人(1992)在嘉陵江2km長的順直河段進行橫向擴散試驗，得到az＝0.63[7]。長江水資源保護科研所在長江武漢段(黃蒲路、漢陽紙廠、青山港)進行的擴散試驗結果為：az＝0.5～1.05[7]。

橫向擴散系數a2是由于簡化計算而帶來的。現數學模型的發展已不需要作這樣的簡化。國內外的成果表明：橫向擴散系數az與河流地形、彎曲形態、糙率、流態、水深等有關，與河寬或寬深比是否有關尚有爭議，與河寬或寬深比有關的結論主要得到室內模型試驗成果的支持。橫向擴散系數隨著河流江段的變化，隨水深變化。因此，采用簡化的二維擴散公式計算不同江段、建庫前后的污染帶時az的取值就比較困難了。應該指出，象長江、嘉陵江這樣的河流，污染帶的發展十分有限，岸邊排放不會越過中泓，更不會占據全河寬，只與局部范圍內的流帶有關。因此，橫向擴散系數az應與河寬無關，這是長江這樣的大江大河的特點。

2.3泥沙對水質的影響研究

這是一個污染物的遷移變化和泥沙運動力學相結合的問題，對研究庫區水環境容量具有重要意義。

在天然狀態下，壩址處的平均年輸沙量為5.3億t(懸移質泥沙)，沙質推移質704萬t，卵石推移質為75.7萬t(葛洲壩建庫前)。

現有的研究表明，污染物質特別是象重金屬等都吸附在泥沙上，隨泥沙顆粒遷移轉化。泥沙顆粒徑的大小，對吸附式的解吸的影響差別很大。

目前的研究主要是考慮泥沙沉積的影響，利用一元箱式模型計算穩態時的重金屬總濃度和可溶態深度(受分配系數的影響)。計算分析表明[2]：三峽建壩后，按175m方案。泥沙淤積使水庫重金屬元素總濃度降低63%～70%；重金屬的可溶態濃度不會產生很大的變化，水體保持以吸附為主的水環境條件，不致因解吸而造成二次污染。

存在的問題：

(1)需加強泥沙吸附污染物質機理研究，注意試驗室條件與天然條件的差異，研究泥沙吸附作用對水環境容量的影響。

(2)根據需要，模型中既要考慮污染物遷移擴散，即常見的遷移擴散方程所描述的，又要考慮泥沙運動對污染物遷移轉化的作用。

以上三部分(對庫區BOD5負荷的影響研究、對擴散能力和污染帶的影響研究、泥沙對水質的影響研究)其本質上是想回答三峽工程建庫前后水環境容量的變化，確定建庫后水環境容量的損失。估算水質補償費。水環境容量一般是指水體在規定的環境目標下所能容納污染物的量。容量的大小與水體特征、水質目標、污染物特性有關。也與污染物的排放方式及排放時的時空分布密切相關。對不同的環境目標、污染物性質、降解機理、容量再生性、可分配件，有不同的水環境容量概念[8]。水環境容量作為資源，其所有權屬于國家，而不是排污企業。要進行慎重、適度的利用，主要應該是指耗氧有機物(或易降解有機物)，對于有毒有機物(難降解有機物)和重金屬，應消除其污染源，避免排放水體。即可更新容量才有一定利用價值。在三峽水庫的水質研究中，是以建壩前后控制點和濃度變化比值來估算因擴散能力降低而引起的水環境容量的損失，使用的模型較為簡化。應深化對三峽水庫水環境容量的研究和認識。統一對環境容量的損失補償的計算依據，使用更為接近實際的、先進的水質數學模型，進行污染源調查和試驗確定的模型參數，合理確定水環境容量的損失。并根據功能區劃。確定水環境容量保護利用的界限，并把容量分配給沿江各城市、各江段。

目前。在中國的國情條件下，庫區污水要達到“零排放”還不太現實。應加強對污水排江技術的研究

和應用，適當利用環境容量。對日前庫區沿江城市排污口的排放位置、方式、強度和排放水質進行優質規

劃，實施污染物總量控制，制定出科學的污水“零排放”。

另外，三峽水庫約有26條支流。建庫后，支流的庫灣水面將占庫區總水面的三分之一左右。這些地方

容易產生局部污染和富營養化。對支流和庫灣靜水區密切研究還不夠，要特別加強研究，防止局部污染加

重或富營養化發生。

三峽水庫對重慶江段水質影響，目前還存在認識上的差異。根據現有的模型研究成果，從時間上看，水庫初期蓄水位156m對重慶江段的水質無影響。水庫終期正常蓄水位175m，由于回水頂托對重慶江段有一定的影響。從空間上看，越靠近壩前，水庫對水質的影響越大。重慶正好位于庫尾，水庫水位變化的影響較小，因此對水質的影響也較小。但由于重慶屬特大城幣，排入長江的污水總量大，對此影響應予重。

2.4水溫預測

(1)水庫分層

預測水庫是否分層，在三峽工程中采用過兩種方法[2]：一是“替換次數指標”α和β法；二是密度佛

汝德數(Fd)法。

用α值預測：三峽水庫正常蓄水位175m時庫容約393億m3，壩址多年平均徑流量約4510億m3，α＝11，

略大于10。用α值判斷，該水庫不會形成穩定的溫度分層結構，但不排除出現弱分層現象。

用Fd法預測：有兩種考慮，—是把全庫作為一個整體。按水位175m，總庫容393億m3，最小流量3700m3/s計算，Fd＝0.46，說明水庫有弱水分層傾向，但冬季枯期氣溫通常低于水溫，限制了水庫的分層發展。二是把三峽水庫分段計算。水庫全長600余km，庫尾與庫前的水深相差較大，因此把全庫分成185個單元分別計算Fd。結果表明，枯水期Fd<0.1的區域較大。此時紊動動能小，具備水體層化的水力學條件。但由于此時水溫高于氣溫，水體不存在層化傾向。僅在入庫流量小于6000m3/s的4月份時，近壩段10km左右的

庫段Fd值才小于0.1。有短時水溫分層現象。5月以后Fd>0.1，不會發生明顯分層。對10條主要支流的Fd值

計算表明，在磨刀溪、梅溪河和龍船河3條支流內的庫水可能出現分層現象。且主要發生在支流河口附近。

采用一維溫度模型，對近壩段分層水體進行分析。根據典型年1965年(平水年)和1966年(枯水年)的資

料進行預測。庫內水溫分層始于4月上句，至5月下旬逐漸消失，上、下層水溫差為1.7～9.3°C。

(2)水庫出流水溫預測如前所述，三峽水庫在4～5月可能出現短時溫度分居。因此，需進一步分析可能出現下泄水溫低于天然情況的溫差，預測“冷害”產生。根據以流速分布加權計算的預測，4～5月出流水溫雖低于同期天然河道水溫，但已高于家魚產卵所需溫度18°C。

這里提出的水溫預測是以典型年而得，有一定的代表性，但因不水量和水溫的多變價，預測結果難以概括各種變化。為此，應進行水溫監測和研究。另外，三峽水利樞紐為滿足泄洪、發電和排沙等需要，自高程90m以上有多層泄水口，具有分居泄水的有利條件，以滿足魚類的產卵和灌溉的需要。

由于三峽水庫調度運行每年3～4月份為騰出庫容迎接汛期到來，增大下泄流量。每年10份開始蓄水，保證水庫水位達到175m，又要減小泄水流量。這兩個下泄流量變動階段正好與壩下四大家魚和中華鱘等魚類產卵時間一致。長江四大家魚的

產卵繁殖期在4～5月份。壩下中華鱘產卵繁殖期在10～11月份。這些魚類的產卵水溫、水位漲落等環境因素密切相關。如水溫度要求18°C以上，水位要求在產卵時段有一個上漲過程。因此。要深入地了解在各種來水和水庫調度情況下下泄水溫、水位的變化，以便在產卵時間進行適當的水庫調節。盡量滿足魚類的產卵繁殖要求。

2.5河口徑流的變化和鹽水入侵問題

(1)河口徑流的變化由于三峽水庫屬季調節，三峽工程建庫后，全年入海總量不變，只是年內分配有所變化。根據計算，枯、平、豐三種典型與天然情況相比，大通站10月份流量分別減少32.4%、20.3%、16.9%。1～5月份水庫增加下泄量為1000～2000m3/s，不同典型年份比天然情況分別提高24.5%、19.9%和5.1%。

(2)鹽水入侵問題鹽水入侵是一種非常復雜的自然現象，它給河口地區工農業及生活用水帶來很多困難和經濟損失。鹽水入侵屬于異重流，是密度不同的流體的相對運動和相互運動，理論上有比較大的難度。長江河口的形態比較復雜，受潮流的影響大。三峽工程建庫后，水庫對河口鹽水入侵長度、強度的影響主要是利用各監測站點的相關分析和多元回歸分析而得的經驗公式。

研究表明，枯水期下泄流量增加有利于削減水體氯化物的峰值，連續取不到合格水的天數有所減少；但枯水年10月和11月下泄流量減少后，會使河口段入侵時間提前，歷時加大，總的受咸天數有所增加。

3結語

目前，三峽工程環境中的水力學問題還屬于評價階段的成果，還有待于根據實際需要進行深入的研究，充分利用量測、數學/物理模型研究等方面最新、最好的科研成果，為三峽水庫的污染控制和水質管理服務。

(1)對庫區污染源現狀進行全面、準確的調查和預測，這是管理和科研工作的前提和基礎。

(2)利用各種先進成熟的數學模型(包括精細、復雜的模型)更好地回答庫區水環境容量的變化，包括支

流、庫灣。

(3)精細原型觀測和物理模型試驗，確定數學模型的各項參數，建立庫區不同水位下的數學模型參數庫。同時，用原型觀測結果檢驗數學模型。

(4)建立一套先進、實用的三峽水庫水污染控制管理系統。包括各種數據庫、模型庫、動態圖形顯示、決策管理子系統，能夠對水質進行預測、預報，為三峽水庫污染控制和水質管理服務。

參考文獻

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