三峽水庫蓄水后重慶段水流狀態(tài)分析

三峽水庫蓄水后重慶段水流狀態(tài)分析

三峽在防洪、蓄水和交通運輸?shù)确矫姘l(fā)揮著顯著的綜合作用，對水庫的生態(tài)和環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。水庫水位將同時建成至最終水平，并根據(jù)各階段的蓄水要求逐步增加。2003年，水庫水位將逐漸增加至135m。該項目開始充分發(fā)揮蓄水和通風的作用。2006年10月，水庫開始運營初期的156m蓄水位。經(jīng)過幾年的早期蓄水，水庫水位下降到最終正常蓄水位的175m。國內(nèi)外專家對峽谷自身水流問題進行了詳細的分析研究，并取得了豐富的研究成果。然而，由于多種復雜因素的影響，人們對水庫儲存175m后的水流狀態(tài)研究較多，而對水庫儲存的平均距離水流預測不足?；谑ゾS南方程建立的三維水流模型，作者計算了庫夏河段及其自然狀態(tài)（水庫前65.8m水位）的整體水流特征。然后，應(yīng)用模型預測了庫夏河段（水庫前156m水位）和正式運營（水庫前175m水位）后重慶段整體水流的特征。例如，整個河流速度的變化是整個過程的結(jié)果，橫截面的變化規(guī)律是控制排放點和排放方法的重要參考。為了分析不同蓄水位在重慶段水流狀態(tài)和生態(tài)環(huán)境中的影響，分析了不同蓄水位的影響。1數(shù)學模型1.1市域出口河流一維流場(計算區(qū)域為重慶境內(nèi),長江干流寸灘斷面開始到重慶市域出口約500余km長江干流江段.計算范圍包括了長壽、涪陵、豐都、忠縣、萬州、云陽、奉節(jié)、巫山等城區(qū)江段.并且在計算范圍內(nèi)有烏江、大寧河、御臨河等31條一級支流匯入.1.2水庫公民水位公民n分別計算了平水期常水位(壩前65.8m),水庫二期蓄水水位(壩前156m)以及正常蓄水后11、12月高水位(壩前175m)3個水位的水流參數(shù).1.3起點流量和正常蓄積水一維計算的起點為寸灘斷面.常水位(壩前65.8m)起點流量采用寸灘斷面平水期多年90%保證率流量,二期蓄水高水位(壩前156m)和正常蓄水高水位(壩前175m)起點流量采用寸灘斷面多年11～12月平均流量.1.4斷面寬度的計算一維水流計算模型以長江干流沿流向長度為空間坐標,在一定距離和支流匯入口處分段.段內(nèi)流量、流速、水力坡降等參數(shù)保持一致.根據(jù)河床數(shù)字地形圖提供的斷面劃分精度,計算江段長度1.0～2.0km,計算范圍共劃分計算江段363段.計算江段起點斷面和終點斷面的水面寬度確定后,計算江段內(nèi)各點的水面寬度在起點斷面和終點斷面的水面寬度之間線性變化(如圖1).1.51層速度計算方法1.5.1u3000過水面積及國家應(yīng)力q的計算模型基本方程采用一維圣維南方程組的基本方程:連續(xù)方程:?A?t+?Q?x=q.(1)?A?t+?Q?x=q.(1)動量方程:?Q?t+??t(α?Q2A)+gA?Ζ?x+gASf=?Q?t+??t(α?Q2A)+gA?Z?x+gASf=q·V分,(2)Κ=CA√R,(3)Sf=Q2Κ2=Q2C2A2R=Q2LC2A3.(4)式(1)-(4)中A為過水斷面的過水面積;q為旁側(cè)入流,若為出流,q<0;B為水面寬;Q為流量;Z水位;g為重力加速度;Α為動量校正系數(shù);L為濕周;Sf為摩阻比降;Sf用流量模數(shù)K和曼寧公式(或謝才系數(shù)C)計算.在旁側(cè)入流q的動量沿干流流向的分量相對較小,常忽略不計.1.5.2數(shù)值化河道斷面結(jié)果式(1)和式(2)全面考慮了計算江段的旁側(cè)入流流量(包括集中入流量和單位長度入流量)和支流流量在沿干流流向方向上的動量分量.但這給方程組的求解造成了困難.因此,適當簡化方程組以降低下一步計算的難度.文中采用如下基本假設(shè):計算江段在一定距離處和支流匯合處分段,計算江段內(nèi)無支流匯入,為恒定流;支流流量沿干流流向方向動量可忽略不計,動量校正系數(shù)α取為1.0.則方程組簡化為:連續(xù)方程:Q=A·V,(5)動量方程:Q2=??x(1A)+gA?Ζ?x+gASf=0.(6)式(5)中V為斷面平均流速,其余符號意義同上.將連續(xù)方程帶入動量方程,且把式(3)、式(4)代入得(1-gQgV3B)?V?x-gQgV3B?B?x+gV(V3LC2Q+Ι)=0,(7)采用隱式差分格式求解式(7).采用Bi=√BiBi+1帶入式得:Vi=Vi-1+[gQ1Vi=1BiBi+1(Bi+1-Bi)Δxi-gn2V73i=1L43iQ43i-gΙiVi-1]Δxi?(1-gQiV3i-1√BiBi+1)?(8)求解式(8)所需基本數(shù)據(jù).Bi、Bi+1為由數(shù)值化河道斷面地形圖計算得到,精度1m;Qi為干、支流流量;Ii為坡度,(蓄水前水面坡降為0.00037,蓄水后水面坡降取值0.000002);Ci為謝才系數(shù)(采用曼寧公式C=1nR16=1n(AL)16,為河底糙度,取值0.037);Li為濕周;Bi為斷面形狀系數(shù);Δxi根據(jù)河道地形圖精度取值,計算步長100m.2模型驗證65.8m水位的計算結(jié)果2.165.8m水位計算2.1.1平均流速沿程變化幅度模型對65.8m水位斷面平均流速的計算結(jié)果表明,在三峽庫區(qū)重慶段長江干流斷面平均流速沿程變化幅度大,大多數(shù)斷面平均流速范圍在0.5～1.5m/s之間,個別計算斷面平均流速在0.4～0.5m/s,同時有少數(shù)計算斷面平均流速大于1.5m/s,甚至達到了2.0m/s.計算結(jié)果見圖2.2.1.2高水面流速的變化模型驗證計算需要的資料為三峽庫區(qū)重慶段長江干流江段實測斷面平均流速.筆者用主城區(qū)江段、涪陵城區(qū)江段、萬州城區(qū)江段的平水期多年平均斷面平均流速值(見表1)進行驗證.驗證計算結(jié)果表明,在驗證計算江段內(nèi)計算流速與實測流速相差不大,最大相對誤差在7%以內(nèi),其它斷面相對誤差均在5%以內(nèi).模型的計算結(jié)果較好的反映了計算區(qū)域內(nèi)65.8m水位的斷面平均流速沿程分布規(guī)律.3該模型適用于156m和175m的水位計算3.1計算結(jié)果和分析3.1.1斷面流速的變化三峽大壩在二期蓄水156m水位運行時,計算江段內(nèi)大部分斷面平均流速與65.8m水位相比大大減小,在0.15～1.00m/s范圍內(nèi)波動,如圖2所示.在計算區(qū)域的起始段,從寸灘到洛磧鎮(zhèn),由于未受水庫回水的影響,斷面平均流速與65.8m水位時相差不大,只是該水位下正值冬季,流量較65.8m水位時小,故斷面平均流速與之相比略小.洛磧鎮(zhèn)下游斷面斷面平均流速逐漸減小.從洛磧鎮(zhèn)至豐都江段斷面平均流速在0.25～0.50m/s之間,從豐都至市域出口流速進一步減小,只有0.15～0.20m/s.三峽大壩在175m水位運行時,計算江段內(nèi)斷面平均流速較156m水位進一步減小.計算區(qū)域內(nèi)河道斷面平均流速在0.08～0.45m/s之間,個別斷面平均流速只有0.05m/s.從寸灘斷面到豐都附近江段,175m水位時的斷面平均流速不超過0.5m/s,大部分斷面流速在0.2～0.3m/s之間,只有65.8m水位該江段的斷面平均流速的1/4～1/3,且流速沿程變化幅度也低于65.8m水位:從豐都到計算區(qū)域的終點,斷面平均流速進一步減小,基本上保持在0.1m/s左右,沿程變化幅度也很小.156m和175m水位斷面平均流速詳細計算結(jié)果見圖2.三峽大壩在高水位運行時,三峽庫區(qū)重慶段江段的斷面平均流速大大減小,使庫區(qū)江段,特別是從豐都到市域出口處成為緩流水體.這將顯著影響庫區(qū)江段的污染物質(zhì)的擴散和降解過程,同時流速的降低,也促使泥沙沉降,進而增大了水體的透明度,為富營養(yǎng)化藻類的光合作用提供了有利的條件[5,6,7,8,9,10,11,12,13].因此從水流流態(tài)的角度來看,庫區(qū)蓄水將增加庫區(qū)水體的富營養(yǎng)化發(fā)生可能性.3.1.2斷面水面寬度156m水位時斷面水面寬度與65.8m水位相比顯著加寬.計算區(qū)域的起始段,從寸灘到洛磧鎮(zhèn),水面寬度與65.8m水位相差不大.從洛磧鎮(zhèn)下游開始水面寬度加寬,156m水位下大部分斷面的水面寬度在700m以上,少數(shù)斷面水面寬度超過了1500m,比65.8m水位時拓寬了1.5～2.5倍.在洛磧鎮(zhèn)到云陽附近江段,水面寬度基本保持在700～1500m,比65.8m水位加寬2～4倍;從云陽附近江段到市域出口江段,水面寬度相對較小,但仍基本保持在400～800m左右.見圖3.175m水位時斷面水面寬度與156m水位相比進一步加寬.計算區(qū)域內(nèi)175m水位下大部分斷面的水面寬度在800m以上,少數(shù)斷面水面寬度超過了2000m,比65.8m水位時拓寬了2～3倍.在寸灘斷面到云陽附近江段,水面寬度保持在800-2000m,比65.8m水位加寬2～4倍;從云陽附近江段到市域出口江段,水面寬度相對較小,但仍保持在500～1000m左右.見圖4.4水文特征變化基于圣維南方程組建立的數(shù)學模型能夠較好地反映三峽庫區(qū)重慶段天然河流的特點,斷面平均流速的數(shù)值模擬結(jié)果與實測資料吻合良好,說明模型計算較符合實際,能較為準確地模擬成庫前后水文條件的變化過程.預測結(jié)果表明,三峽水庫建