摘要：利用開(kāi)發(fā)的三峽水庫整體一維水流水質(zhì)數學(xué)模型，對三峽水庫建成前后的水流水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行預測分析。重點(diǎn)介紹三峽工程建成后，庫區水流條件巨大變化對污染物輸移轉化特性和水質(zhì)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，回水區斷面平均流速比建庫前減小4倍左右，平均有機污染物自?xún)艚到馑俾屎痛髿鈴脱跛俾时忍烊缓拥罓顩r減小1倍。由于污染物在庫區滯留時(shí)間成倍延長(cháng)，有機污染物排入水庫后的自?xún)艚到饪偭枯^天然河道狀況增大，因而，建庫后回水區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(lèi)污染物，建庫前后水質(zhì)變化不大。因此，三峽工程對庫區水質(zhì)影響有利也有弊。

　　關(guān)鍵詞：三峽工程 水庫 水流

　　三峽工程作為人類(lèi)治理和開(kāi)發(fā)長(cháng)江的關(guān)鍵性骨干工程，水庫蓄水以后，庫區水質(zhì)如何變化一直成為國內外廣泛關(guān)注的問(wèn)題。盡管在三峽工程項目環(huán)境影響評價(jià)論證階段，國內外專(zhuān)家已對三峽工程本身帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)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(guān)三峽工程對未來(lái)庫區水質(zhì)狀況的影響程度，尚沒(méi)有一個(gè)十分明確及定量化的結論[1].隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數學(xué)模型已成為河流水文水質(zhì)預測預報的重要工具。本文利用作者開(kāi)發(fā)研制的三峽水庫整體一維水流水質(zhì)數學(xué)模型，定量預測水庫建成前后，庫區斷面平均水流水質(zhì)變化趨勢，重點(diǎn)分析研究三峽工程對庫區水流水質(zhì)的影響程度，為三峽水庫水污染控制對策的制定提供科學(xué)依據。

　　1 研究概述

　　1.1 研究重點(diǎn)

　　三峽水庫建成以后對庫區江段影響最直接、最顯著(zhù)的是庫區河道形態(tài)和水流結構將發(fā)生很大變化，由此將改變庫區污染物質(zhì)輸移轉化過(guò)程，進(jìn)而必將引起庫區水質(zhì)變化。因此，要了解三峽水庫建成前后水質(zhì)變化趨勢，關(guān)鍵是了解水流條件的巨大變化對庫區水質(zhì)的影響程度。

　　1.2 研究范圍

　　三峽水庫庫容隨上游來(lái)水條件、水庫蓄水位的變化而變化，將三峽整個(gè)庫區江段及其延伸段作為對象體，研究范圍包括長(cháng)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(cháng)約730km；嘉陵江從北碚至入庫匯流口，全長(cháng)約60km；烏江從武隆至入庫匯流口，全長(cháng)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，庫區內水流水質(zhì)總體運動(dòng)特性基本遵循一維運動(dòng)規律。為了對大范圍長(cháng)距離的三峽河道型水庫總體水流水質(zhì)進(jìn)行預測，一維水流水質(zhì)數學(xué)模型將是實(shí)用有效的技術(shù)手段。為此，作者將三峽整個(gè)庫區作為對象體，進(jìn)行了一維水流水質(zhì)數學(xué)模型的開(kāi)發(fā)研究[2].模型針對三峽水庫的特點(diǎn)，充分考慮了水庫建成前后水流條件巨大變化對水流水質(zhì)輸移轉化特性的影響，并建立了一系列預測水流水質(zhì)模型參數變化趨勢的經(jīng)驗公式，開(kāi)發(fā)的水流水質(zhì)模型具有較高的模擬預測精度，能夠模擬預測三峽庫區水流水質(zhì)的變化。

　　1.4 水流水質(zhì)預測工況

　　利用開(kāi)發(fā)的模型系統，對三峽水庫建成前后水流水質(zhì)狀況進(jìn)行了幾十種代表性組合工況的預測研究，水質(zhì)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(zhì)狀況的12項水質(zhì)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(lái)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(guò)兩組對比工況的數值模擬預測，基本上能反映三峽水庫建成前后總體水流水質(zhì)的變化特點(diǎn)。其中“總體”水流水質(zhì)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

　　以枯水季節三峽水庫7Q10來(lái)流量為例，水庫蓄水后回水長(cháng)655km，回水末端到達重慶市主城區。由于三峽水庫處于丘陵與峽谷地區，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(cháng)寬比約為650∶1左右，屬于典型的河道型水庫。三峽庫區江段河道形態(tài)極不規則，沿水流方向河道寬谷與峽谷相間，斷面突擴突縮現象十分顯著(zhù)，復雜的河道形態(tài)直接影響著(zhù)水流運動(dòng)結構以及污染物沿程輸移轉化規律。

　　2.2 水流流態(tài)變化趨勢

　　水庫建成以后，隨著(zhù)水位抬高，過(guò)水面積增大，庫區流速迅速減小�？菟�期天然河道全江段平均斷面流速為0.85m/s，水庫建成以后，庫區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，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(dòng)特性的巨大變化，對庫區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污染物質(zhì)輸移轉化特性變化趨勢預測

　　分析三峽水庫常規水質(zhì)監測指標，可以將其歸成三類(lèi)：具有自?xún)艚到饽芰Φ挠袡C耗氧類(lèi)污染物質(zhì)，代表性水質(zhì)指標為BOD5、CODMn、MH3-N等；守恒類(lèi)污染物質(zhì)，也即自?xún)艚到饽芰Ρ容^弱的污染物質(zhì)；另一類(lèi)水質(zhì)指標為溶解氧，在水體中既為有機污染物耗氧反應過(guò)程提供必要的溶解氧而降低濃度，同時(shí)，又可以通過(guò)大氣復氧增加水體中的溶解氧濃度。

　　對于不同污染物質(zhì)，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(guò)較為深入的理論分析、實(shí)測資料統計回歸、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、生化降解速率系數和大氣復氧系數等影響的預測公式[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(zhì)指標BOD5自?xún)艚到馑俾氏禂岛虳O復氧系數的預測結果。

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

　　三峽水庫蓄水以后，隨著(zhù)流速減小，污染物輸移轉化特性將發(fā)生很大變化，庫區水質(zhì)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，利用數學(xué)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?xún)艚到饽芰Φ挠袡C污染物質(zhì)而言，盡管單位時(shí)間內污染物質(zhì)自?xún)艚到馑俾孰S著(zhù)水流紊動(dòng)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(zhù)污染物質(zhì)在庫區滯留時(shí)間將延長(cháng)4倍左右，尤其是在壩前深水區污染物在庫區滯留時(shí)間較建庫前平均延長(cháng)5倍左右，污染物質(zhì)在庫區的自?xún)艚到饪偭繉⒈冉◣烨霸龃�，因而，庫區斷面平均有機污染物濃度隨庫區蓄水位的抬高而呈下降的趨勢，壩前深水區，斷面平均有機污染物濃度下降趨勢比較明顯。同時(shí)，隨著(zhù)有機污染物自?xún)艚到饬康脑龃�，有機污染物自?xún)艚到膺^(guò)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(lèi)物質(zhì)而言，建庫前后水質(zhì)濃度基本不變。

　　5 三峽工程對庫區水質(zhì)影響的分析

　　5.1 對庫區水流運動(dòng)特性的影響

　　三峽水庫建成以后，在正常蓄水位175m條件下，庫區江段平均流速比建庫前減小4倍，尤其是在壩前深水區，斷面平均流速比建庫前減小5倍。

　　5.2 對庫區總體水質(zhì)的影響

　　三峽工程對庫區總體水質(zhì)影響有利有弊。對于有機污染物質(zhì)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(zhì)不利的影響；對于守恒類(lèi)物質(zhì)，水庫建成前后的水質(zhì)濃度變化不大。

　　5.3 對庫區局部水質(zhì)影響的分析

　　隨著(zhù)三峽水庫蓄水位抬高，水流運動(dòng)速度明顯減小，水體紊動(dòng)摻混能力減弱，水流水質(zhì)橫斷面分布的不均勻性必將更加明顯。從三峽庫區斷面平均水流水質(zhì)變化特點(diǎn)分析，庫區排污口附近的污染混合區將會(huì )由天然河道的狹長(cháng)型向著(zhù)扁寬型發(fā)展。有關(guān)詳細的三峽庫區排污口附近混合區范圍的變化趨勢預測，請見(jiàn)參考文獻[5].

　　6 結 論

　　利用開(kāi)發(fā)的一維水流水質(zhì)數學(xué)模型，對三峽水庫建成前后水流水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行模擬預測。預測結果表明，對于不同類(lèi)型的污染物質(zhì)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(zhù)水流速度迅速減緩，庫區有機污染物單位時(shí)間內的自?xún)艚到馑俾屎痛髿鈴脱跛俾示�比建庫前明顯減弱，但是，由于污染物在庫區滯留時(shí)間成倍延長(cháng)，有機污染物在庫區自?xún)艚到饪偭繉⒈冉◣烨霸龃�，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(shí)，由于有機污染物自?xún)艚到膺^(guò)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(lèi)物質(zhì)濃度變化不大，因此，三峽工程對庫區總體水質(zhì)的影響有利也有弊。

　　參 考 文 獻

　　[1]長(cháng)江水利委員會(huì )編，三峽工程生態(tài)環(huán)境影響研究[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

　　[2]李錦秀，廖文根，黃真理。三峽水庫整體一維水質(zhì)數學(xué)模擬研究[J].水利學(xué)報，2002，（12）。

　　[3]李錦秀，黃真理，呂平毓。三峽庫區江段縱向離散系數研究[J].水利學(xué)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(xué)研究，2002，（3）。

　　[5]庫區主要城市排污口及重要支流口附近混合區計算報告[R].清華大學(xué)水利水電工程系，2001.