干支流水库调度对三峡库区香溪河库湾垂线平均流速影响研究

辛小康，李 恩，杨 霞，王攀菲

（1.长江水资源保护科学研究所 武汉 430051；2.云南省水文水资源局保山分局 云南保山 678000；3.中国长江三峡集团公司三峡枢纽建设运行管理局，湖北宜昌 443133）

三峡工程是世界上规模最大的水利水电工程，也是治理和开发长江的关键性骨干工程。三峡工程运行以来，在防洪、发电、航运、水资源利用等方面发挥了巨大的社会效益和经济效益。但自2003年6月三峡水库蓄水以后，水库支流回水区的水动力条件发生了变化，由“流水区”转化为“滞水区”。三峡水库支流的氮（N）、磷（P）营养盐水平高，成为易出现水华的敏感水域，共有29条支流先后发生过不同程度的水华。

支流库湾N，P 等营养物浓度较高，是发生水华的根本原因。但在短时间内很难控制和降低支流流域N，P污染，支流库湾富营养化状态较难改变。是否可通过改变支流库湾的水动力条件，适度控制甚至消除三峡支流库湾水华，成为当前研究的热点问题。周建军[1]认为可以通过改善调度、加大电厂日调节幅度来改善库区支流“水华”状况。高月香等[2]通过室内模拟实验发现，当流速大于0.3 m/s 时，铜绿微囊藻的增殖速率随流速增大而减少，当流速小于0.3 m/s 时，增殖速率随流速的增大而增加。王利利[3]分析了小型河道中不同流速下藻类生长规律，发现流速小于0.08 m/s时叶绿素a 的含量随着流速的增大而减小，因此推测在0.08～0.14 m/s区间存在一个临界流速V0。当流速小于V0时，叶绿素a随着流速的增大而增大；当流速大于V0时，叶绿素a随着流速的增大而减小。王丽平等[4]对三峡水库支流大宁河调查分析发现，水华暴发期间叶绿素 a 浓度与流速呈显著负相关关系，流速对藻类细胞的增殖或聚集产生直接或间接的影响。Mitrovic[5]等人研究发现水库中的项圈藻爆发的临界流速为0.05 m/s，绿藻受流速变化的影响较小。Escartín[6]等的室内实验证明，要破坏藻种群结构，水流速度必须达到0.1 m/s。焦世珺[7]研究了人工受控条件下不同流速对藻类群落的影响，发现低流速有利于藻类的生长并保持叶绿素a 较高的浓度和藻类多样性。随着流速的增强，藻类的生长受到抑制，叶绿素a 含量和生物量下降，说明通过增强水动力条件控制藻类水华具有可行性。流速能改变藻类群落结构进而影响藻类演替的方向。随着流速的增大，水体中的优势藻类逐渐由蓝藻演替为硅藻。上述研究表明，对是否存在抑制藻类生长的临界流速，以及这个流速值应该为多少还存在争论，但是水流对藻类生物量和群落结构会产生显著影响这个结论十分明确[8]。刘德富等[9]采用立面二维水动力数学模型，研究了三峡水库不同调度方式下流速垂向分布情况。本研究以三峡库区香溪河为例，采用平面二维水动力数学模型，研究三峡水库不同起调水位、不同调度水位变幅、不同调度持续时间，以及不同支流水库联合调度条件下，支流回水区垂线平均流速的平面分布情况，以期为开展水华生态调度提供科学技术依据。

1 研究方法

1.1 研究范围

香溪河地处鄂西巫山山脉与荆山山脉之间，位于东经110°15′～111°05′、北纬30°57′～31°36′。香溪河流域多年平均降雨量为1 015.7 mm，汛期4—9月降水量占全年降水量的78.4%。多年平均流量为65.5 m3/s，最大流量为2 270 m3/s（1935年），最小流量为7.17 m3/s（1963年）。其属于山溪性河流，河水暴涨暴落，洪峰一般历时2～3 d。三峡水库蓄水至175 m时，回水到达古夫镇附近，河段长达40 km，见图1。考虑到模型计算效率及水华发生的重点区域，本次模型模拟范围为古夫镇至香溪镇（河口），总计40 km的河段。

图1 香溪河流域水系图Fig.1 Map of Xiangxi River basin

1.2 研究工具

采用Delft3D 水力学模型模拟香溪河回水区流速分布。Delft3D模型是由荷兰代尔夫特大学开发，主要用于对地表水水动力、水环境研究。其中，水动力模块是模型核心。模型采用非恒定流理论，结合正交曲线网格划分技术和有限体积法，对水流连续性方程、水流动量方程和物质输运方程进行离散和求解计算[10-11]。该模型在国际上应用十分广泛，如荷兰、波兰、德国、澳大利亚、美国等国家都有运用。20世纪80年代中期开始，在中国大陆也有越来越多的应用，如长江口模型、杭州湾模型和太湖模型。本研究采用Delft3D 的二维Flow 模块，将计算区域内40 km 的河道划分为100 m×20 m的网格，共计2 550个网格。将模型计算值与2016年9月12日香溪河长沙坝、车站坪断面现场实测流速数据对比，对香溪河平面二维模型进行参数验证。模型计算值与实测值的对比见图2。当模型糙率值为0.024 时，模型计算值与实测值吻合程度较高。

图2 长沙坝与车站坪断面流速验证结果Fig.2 Verification results of average velocities of Changshaba and Chezhanping

1.3 研究工况

主要考虑三峡水库水位不变、水位抬升、水位下降，以及香溪河上游古洞口水库加大下泄流量等不同工况条件下，香溪河回水区上段（代表点：利方岩）、中段（代表点：长沙坝）和河口区（代表点：车站坪）流速的变化情况。不同工况情景的设置以改变水动力模型上、下游边界条件来实现。

三峡水库的调度方式有水位抬升、水位下降两种。调度参数主要有起调水位、水位变幅、调度持续时间。其中水位抬升、下降等不同调度方式可在一个计算工况内实现。香溪河古洞口水库的调度方式主要是增加下泄流量。综合考虑不同的调度参数，分析三峡水库多年平均入库水量情况，参考三峡水库运行调度规则，共设计了24 个计算工况，见表1。其中，工况1～21反映三峡水库单库调度的情形，工况22～24反映三峡水库与古洞口水库联合调度的情形。

2 结果

2.1 水库水位“抬升”“下降”对流速的影响

三峡水库运行调度期间, 库湾垂线平均流速值很小，香溪河库湾垂线平均流速值低于0.1 m/s。不同起调水位下，利方岩流速为0.012～0.029 m/s，长沙坝流速为0.012～0.021 m/s，车站坪流速为0.003～0.005 m/s。三峡水库水位变化会引起支流库湾流速发生变化。以起调水位160.0 m 和165.0 m工况组为例，三峡水库不同调度期，利方岩、长沙坝、车站坪3 个点位的流速变化见图3。可以看出，调度前期三峡水库水位不变，流速保持恒定；三峡水库水位抬升持续3 d 期间，流速发生变化，流速比调度前期的有所减小；三峡水库水位下降持续3 d期间，流速比调度前期的有所增加；调度后期，三峡水库水位回归至调度前期水位不变时，流速也逐渐趋于稳定。

表1 三峡库区干支流水库调度模拟计算工况表Tab.1 Simulation cases of reservoir dispatching in the mainstream and its tributaries of the Three Gorges Reservoir

图3 三峡水库利方岩、长沙坝、车站坪点位在不同调度期流速变化图Fig.3 Flow velocities of different dispatching cases at Lifangyan, Changshaba and Chezhanping in Three Gorges Reservoir

2.2 水库水位升降变幅对流速的影响

分析不同工况计算结果，发现三峡水库调度期间，水库水位变幅越大，支流香溪河回水区流速的扰动越大。水位抬升期表现为流速减小，幅度随调度水位变幅的增加而增加，水位下降期表现为流速增加，幅度随调度水位变幅的增加而增加，初始水位为150.0 m，水位变幅为0.5～2.0 m/d，水位抬升期和下降期分别持续3 d，其变化结果如图4所示。

图4 同一起调水位不同水位变幅流速变化统计图Fig.4 Velocity variation of different water level amplitudes at the same initial regulating water level

2.3 水库水位升降持续时间对流速的影响

调度持续时间的长短对香溪河流速值扰动的区别不明显。在同一起调水位下，以150.0 m起调水为例，水位变幅为0.5 m/d，调度3～5 d水位抬升期平均流速值略有差别，调度3～5 d水位下降期平均流速值基本相同，见图5。

图5 同一起调水位不同调度持续天数流速变化统计图Fig. 5 Velocity variation of different dispatching days at the same initial regulating water level

2.4 水库起调水位对流速的影响

水库起调水位越高，水库体积越大，支流库湾自然流速就越小。同时由于上游支流流量变化、河口水位波动分别占水库水体积、水深的比重较小，因此引起的流速变化就越小。起调水位由146.5 m 增加至165.0 m 时，在水位抬升期间，回水区上段利方岩流速值由低水位（146.5 m）0.027 m/s减小至高水位（165.0 m）0.010 m/s；回水区中下部长沙坝由0.016 m/s 减小至0.008 m/s；河口区车站坪由0.003 m/s减小至0.001m/s。在水位下降期间，回水区中上部利方岩流速值由低水位（146.5 m）0.030 m/s 减小至高水位（165.0 m）0.014 m/s；回水区中下部长沙坝由0.027 m/s 减小至0.014 m/s；河口区车站坪由0.007 m/s 减小至0.005 m/s。起调水位在146.5～165.0 m，水位增幅0.5 m/d，水位抬升期和下降期分别持续3 d，其变化结果见图6。

图6 不同起调水位同一调度持续天数流速变化统计图Fig.6 Velocity variation of different initial water levels

2.5 支流水库单独调度对库湾流速的影响

以三峡水库起调水位146.5 m工况组为例，香溪河上游流量为100 m3/s 时，利方岩初始流速为0.029 m/s；香溪河上游流量为200 m3/s时，利方岩初始流速为0.057 m/s；香溪河上游流量为300 m3/s时，利方岩初始流速为0.085 m/s。可以看出，通过古洞口水库的调度，香溪河上游不同入库流量，对香溪河回水区垂线平均流速的影响较明显。香溪河上游入库流量分别为100 m3/s，200 m3/s，300 m3/s 时，三峡水库水位恒定为146.5 m 起调水位，利方岩初始流速分别为0.029 m/s，0.057 m/s，0.085 m/s，长沙坝初始流速分别为0.012 m/s，0.024 m/s，0.035 m/s，车站坪初始流速分别为0.005 m/s，0.010 m/s，0.014m/s。支流库湾各区段垂线平均流速基本与上游入库流量成正比例关系，不同流量条件下利方岩流速随调度时间的变化见图7。

图7 香溪河上游不同来水流量条件下流速随调度时间的变化Fig.7 Flow velocity variations with dispatching time under different discharge from the upstream of Xiangxi River

2.6 干支流水库联合调度对库湾流速的影响

在三峡水库与香溪河和古洞口水库联合调度前期、三峡水库水位抬升期、三峡水库水位下降期以及调度后期，垂线平均流速的统计结果见图8。可以看出4个时期的流速变幅基本相同，而与支流入库流量明显相关。因此，支流入库流量对支流库湾流速的影响效果比三峡水库坝前水位变动引起的效果更明显，特别是支流回水区上游段。以香溪河利方岩为例，上游流量由100 m3/s 增加至300 m3/s时，流速由0.029 m/s增加至0.084 m/s，但0.5 m/d 先抬升3 d 后下降3 d 引起的流速变化范围只有-0.003 m/s～0.001m/s。

图8 香溪河上游不同来水流量各工况流速变化统计图Fig.8 Flow velocity variations with different discharge from the upstream of Xiangxi River

3 结论

（1）三峡库区各支流库湾流速较小，香溪河流速值为10-3～10-2m/s，具有明显的河道型水库特征，回水区上段垂线平均流速大于中下游及河口区。模拟三峡水库水位抬升-下降调度时，各支流库湾垂线平均流速值变化也很小，从垂线平均流速角度来看，香溪河回水区上段（利方岩）流速为0.012～0.029 m/s，回水区中段（长沙坝）流速为0.012～0.021 m/s，河口区（车站坪）流速为0.003～0.005 m/s，仍低于0.08～0.15 m/s的临界扰动流速。通过三峡水库调度改变支流库湾流速条件来控制水华的效果不显著。

（2）三峡水库不同调度参数对香溪河库湾流速的影响不同。水位抬升，库湾垂线平均流速减小；水位下降，流速增加。起调水位对支流库湾流速的影响最大，水位变幅的影响次之，调度（抬升-下降）持续时间的影响效果不明显。

（3）三峡水库水位变动引起的支流库湾流速变化幅度与增加支流流量引起的支流库湾流速变化幅度相比微不足道。因此利用支流水库加大下泄流量调控支流库湾流速的效果可能更好，代价也更小。

（4）由于水华影响因素复杂，需要结合光照、温度、营养盐分布特征开展进一步研究。结合三峡水库实际运行过程，加强三峡水库消落期、汛期水位变化期间的水华及相关环境因子的现场监测，可为开展水华生态调度积累更多的佐证资料。