三峡工程对库区水流水质影响预测

中图分类号：TV13（263）文献标识码：B文章编号：1000-0860（2002）10-0022-114

　　三峡工程作为人类治理和开发长江的关键性骨干工程，水库蓄水以后，库区水质如何变化一直成为国内外广泛关注的问题.尽管在三峡工程项目环境影响评价论证阶段，国内外专家已对三峡工程本身带来的环境问题进行了详细的调查、分析与研究，取得了丰富的研究成果，但是，由于受多种复杂因素的影响，迄今为止，有关三峡工程对未来库区水质状况的影响程度，尚没有一个十分明确及定量化的结论〔1〕.随着计算机技术的飞速发展，数学模型已成为河流水文水质预测预报的重要工具.本文利用作者开发研制的三峡水库整体一维水流水质数学模型，定量预测水库建成前后，库区断面平均水流水质变化趋势，重点分析研究三峡工程对库区水流水质的影响程度，为三峡水库水污染控制对策的制定提供科学依据.

1 研究概述

1.1 研究重点

　　三峡水库建成以后对库区江段影响最直接、最显著的是库区河道形态和水流结构将发生很大变化，由此将改变库区污染物质输移转化过程，进而必将引起库区水质变化.因此，要了解三峡水库建成前后水质变化趋势，关键是了解水流条件的巨大变化对库区水质的影响程度.

1.2 研究范围

　　三峡水库库容随上游来水条件、水库蓄水位的变化而变化，将三峡整个库区江段及其延伸段作为对象体，研究范围包括长江干流和汇入流量占支流总流量90％的两条重要支流嘉陵江和乌江.其中干流研究范围从重庆上游的朱沱至三斗坪，全长约730km；嘉陵江从北碚至入库汇流口，全长约60km；乌江从武隆至入库汇流口，全长约68km.

1.3 研究手段

　　三峡水库建成后，尽管水位抬高、河面加宽，但水库在正常蓄水位175m条件下，河道平均宽度在1000m左右，仍属于典型的河道型水库，库区内水流水质总体运动特性基本遵循一维运动规律.为了对大范围长距离的三峡河道型水库总体水流水质进行预测，一维水流水质数学模型将是实用有效的技术手段.为此，作者将三峡整个库区作为对象体，进行了一维水流水质数学模型的开发研究〔2〕.模型针对三峡水库的特点，充分考虑了水库建成前后水流条件巨大变化对水流水质输移转化特性的影响，并建立了一系列预测水流水质模型参数变化趋势的经验公式，开发的水流水质模型具有较高的模拟预测精度，能够模拟预测三峡库区水流水质的变化.

1.4 水流水质预测工况

　　利用开发的模型系统，对三峡水库建成前后水流水质状况进行了几十种代表性组合工况的预测研究，水质模拟指标包括三氧、三氮、总磷、总氮和重金属等反映三峡水库水质状况的12项水质指标.受篇幅限制，本文将枯水期7Q10入库流量（相应的朱沱站入库流量为2125m3/s）、三斗坪正常蓄水位175m条件，作为水库建成以后的典型状况，用同样上游来流量（朱沱站入库流量也为2125m3/s），三斗坪水位取为天然河道水位65.8m代表天然河道状况.通过两组对比工况的数值模拟预测，基本上能反映三峡水库建成前后总体水流水质的变化特点.其中“总体”水流水质的概念，意旨断面混合均匀的平均概念.

图1 三峡水库建成前后的水面线

图2 三峡水库建成前后的水面宽

图3 三峡水库建成前后断面平均流速的变化趋势

2 三峡水库建成以后河道形态和水流条件变化趋势预测

2.1 河道形态特征变化趋势

　　以枯水季节三峡水库7Q10来流量为例，图1为数值模拟三峡水库建成前后水面线（图中65.8m代表天然河道状况，175m代表水库正常蓄水位175m条件下的状况，下文相同），水库蓄水后回水长655km，回水末端到达重庆市主城区.由于三峡水库处于丘陵与峡谷地区，尽管水库坝前水位较天然河道状况抬高100多m，但是河道的总体形态特征变化不是很大，建库后河道平均水面宽在1000m左右，较天然河道拓宽2.5倍（天然河道平均水面宽385m，见图2），水库形成以后的长宽比约为650∶1左右，属于典型的河道型水库.三峡库区江段河道形态极不规则，沿水流方向河道宽谷与峡谷相间，断面突扩突缩现象十分显著，复杂的河道形态直接影响着水流运动结构以及污染物沿程输移转化规律.

2.2 水流流态变化趋势

　　水库建成以后，随着水位抬高，过水面积增大，库区流速迅速减小.枯水期天然河道全江段平均断面流速为0.85m/s，水库建成以后，库区全江段断面平均流速下降为0.17m/s，比天然河道状况减小了4倍，见图3.尤其是在坝前深水区，水库建成以后断面平均流速下降为0.04m/s左右，比天然河道的断面平均流速减小了近5倍.水流运动特性的巨大变化，对库区污染物输移转化特性将产生巨大影响.

3 三峡水库建成后库区污染物质输移转化特性变化趋势预测

　　分析三峡水库常规水质监测指标，可以将其归成三类：具有自净降解能力的有机耗氧类污染物质，代表性水质指标为ＢＯＤ5、ＣＯＤMn、ＭＨ3-Ｎ等；守恒类污染物质，也即自净降解能力比较弱的污染物质；另一类水质指标为溶解氧，在水体中既为有机污染物耗氧反应过程提供必要的溶解氧而降低浓度，同时，又可以通过大气复氧增加水体中的溶解氧浓度.

　　对于不同污染物质，由于其在水体中输移转化特性不同，三峡工程建成前后的变化趋势也是不一样的.作者通过较为深入的理论分析、实测资料统计回归、模型率定等多种方法，建立了反映三峡水库水流条件巨大变化对污染物纵向离散系数、生化降解速率系数和大气复氧系数等影响的预测公式〔2～4〕，模拟预测三峡水库建成前后污染物输移转化特性的变化趋势.图4和图5为三峡水库建成前后代表性水质指标ＢＯＤ5自净降解速率系数和DO复氧系数的预测结果.

　　研究表明，水库建成后，由于水流速度减缓，水流紊动强度减弱，ＢＯＤ5衰减速率系数和DO复氧系数将比天然河道状况下分别下降1倍左右.水体平均纵向离散系数也比天然河道状况减小1倍左右.

图4 三峡水库建成前后断面平均ＢＯＤ5衰减系数的变化趋势

图5 三峡水库建成前后断面平均DO复氧系数的变化趋势

图6 三峡水库建成前后断面平均ＢＯＤ5浓度的变化趋势

图7 三峡水库建成前后断面平均DO浓度的变化趋势

4 三峡水库建成后断面平均水质变化趋势的预测

　　三峡水库蓄水以后，随着流速减小，污染物输移转化特性将发生很大变化，库区水质也必然随之发生较大的变化.以ＢＯＤ5、DO为例，在同样污染负荷和入库水文条件下，只改变三斗坪水位，利用数学模型模拟预测水库建成前后断面平均ＢＯＤ5、DO浓度的变化趋势分别见图6和图7.

　　水库建成以后，对于具有自净降解能力的有机污染物质而言，尽管单位时间内污染物质自净降解速率随着水流紊动强度的减弱而减弱（平均比建库前减小1倍），但是，由于水库建成以后全库平均流速比建库前减小4倍，意味着污染物质在库区滞留时间将延长4倍左右，尤其是在坝前深水区污染物在库区滞留时间较建库前平均延长5倍左右，污染物质在库区的自净降解总量将比建库前增大，因而，库区断面平均有机污染物浓度随库区蓄水位的抬高而呈下降的趋势，坝前深水区，断面平均有机污染物浓度下降趋势比较明显.同时，随着有机污染物自净降解量的增大，有机污染物自净降解过程中溶解氧的消耗量也将增大，又由于水库蓄水以后，大气复氧能力随水位抬高而减弱，两方面因素综合作用，水库蓄水后断面平均溶解氧浓度将较建库前下降，坝前深水区断面平均溶解氧浓度比天然河道状况减小30％左右.对于守恒类物质而言，建库前后水质浓度基本不变.

5 三峡工程对库区水质影响的分析

5.1 对库区水流运动特性的影响

　　三峡水库建成以后，在正常蓄水位175m条件下，库区江段平均流速比建库前减小4倍，尤其是在坝前深水区，断面平均流速比建库前减小5倍.

5.2 对库区总体水质的影响

三峡工程对库区总体水质影响有利有弊.对于有机污染物质而言，水库建成以后，断面平均浓度随蓄水位抬高而呈减小的趋势；但是水体中平均溶解氧浓度在水库蓄水以后也呈下降的趋势，这是对水质不利的影响；对于守恒类物质，水库建成前后的水质浓度变化不大.

5.3 对库区局部水质影响的分析

　　随着三峡水库蓄水位抬高，水流运动速度明显减小，水体紊动掺混能力减弱，水流水质横断面分布的不均匀性必将更加明显.从三峡库区断面平均水流水质变化特点分析，库区排污口附近的污染混合区将会由天然河道的狭长型向着扁宽型发展.有关详细的三峡库区排污口附近混合区范围的变化趋势预测，请见参考文献〔5〕.

6 结 论

　　利用开发的一维水流水质数学模型，对三峡水库建成前后水流水质变化趋势进行模拟预测.预测结果表明，对于不同类型的污染物质而言，由于自身输移转化特性不同，水库建成以后的变化趋势也不尽相同.三峡工程建成后，随着水流速度迅速减缓，库区有机污染物单位时间内的自净降解速率和大气复氧速率均比建库前明显减弱，但是，由于污染物在库区滞留时间成倍延长，有机污染物在库区自净降解总量将比建库前增大，因而建库后断面平均有机污染物浓度与建库前相比呈下降趋势.同时，由于有机污染物自净降解过程中耗氧量的增加，以及大气复氧能力的减弱，水库建成后断面平均溶解氧浓度将呈下降趋势，建库前后守恒类物质浓度变化不大，因此，三峡工程对库区总体水质的影响有利也有弊.

参 考 文 献

〔1〕长江水利委员会编，三峡工程生态环境影响研究〔M〕.武汉：湖北科学技术出版社，1997.

〔2〕李锦秀，廖文根，黄真理.三峡水库整体一维水质数学模拟研究〔J〕.水利学报，2002，（12）.

〔3〕李锦秀，黄真理，吕平毓.三峡库区江段纵向离散系数研究〔J〕.水利学报，2000，（8）.

〔4〕李锦秀，廖文根.水流条件巨大变化对有机污染物降解速率影响研究〔J〕.环境科学研究，2002，（3）.

〔5〕库区主要城市排污口及重要支流口附近混合区计算报告〔R〕.清华大学水利水电工程系，2001.

作者简介：李锦秀（1965—），女，江苏启东人，高级工程师.

作者单位：1.中国水利水电科学研究院；2.国务院三峡工程建设委员会办公室