水庫運行對下游河道最小生態(tài)徑流影響的定量評價分析

全面分析了小浪底水庫蓄水攔沙期2000-2006年庫區(qū)及下游河道泥沙沖淤調(diào)整;在分析泥沙輸移規(guī)律的基礎(chǔ)上量化了連續(xù)沖刷狀態(tài)下河道輸沙能力變化與累計沖刷量間的關(guān)系,揭示了沖刷條件下河道輸沙能力降低是因為床沙有效交換層內(nèi)小于0.05mm的細沙及中沙補給不足造成的;結(jié)合三門峽水庫攔沙期的觀測資料,對比研究了異重流洪水期間小浪底水庫的排沙效果及其下游河道對高含沙異重流水沙過程的響應(yīng),指出了小浪底水庫對洪水具有較大的"攔粗排細"潛力,且高含沙異重流洪水不會造成河道嚴重淤積。因此,在洪水調(diào)度中,要充分利用水庫塑造異重流洪水,多排少攔,以達到下游河道長期減淤的目的。

南水北調(diào)西線一期工程從雅礱江支流鮮水河的達曲、泥曲和大渡河支流的色曲、杜柯河、瑪柯河和阿柯河等6條河流通過“六壩七洞一渠”,將40億m3/a水調(diào)到黃河的支流賈曲。這一水量約占引水壩址河川徑流的65%~70%,剩余30%~35%的水量能否滿足河道內(nèi)的生態(tài)需水,需要進一步研究。本文通過分析該調(diào)水區(qū)河道內(nèi)的生態(tài)需水主要是滿足水生生物棲息地的需水要求,討論了水生生物產(chǎn)量與水體水量之間的關(guān)系,利用河道內(nèi)徑流50%保證率的河道徑流的30%作為最小生態(tài)徑流量的方法,估算了達曲、泥曲、綽斯甲河、足木足河的水文站斷面的最小生態(tài)徑流量,并利用tennant方法對估算結(jié)果進行了評價。結(jié)果表明:4~9月采用最小生態(tài)徑流量可以使河道的流量狀態(tài)處于中等水平,10~3月若河道內(nèi)流淌著最小生態(tài)徑流,可以使河道內(nèi)水生生物及河道的正常功能處于非常好的狀態(tài),只要工程建成后采用計算的最小生態(tài)徑流為河道內(nèi)下泄流量,就可以保證同時滿足調(diào)水河流的資源水和生態(tài)水。

月潭水庫地處新安江主源率水上,是以城市防洪為主,結(jié)合城鎮(zhèn)供水,兼顧發(fā)電與灌溉等具有綜合開發(fā)利用功能水利樞紐工程,并屬于國家172項重大水利工程之一?；谠绿端畮旃こ陶{(diào)度運用方式、水庫多年平均生態(tài)基流及水庫城鄉(xiāng)供水及灌溉等用水需求,以水庫下游月潭水文站和屯溪水文站1959~2012年實測流量資料為研究對象,采用典型年法分析月潭水庫建設(shè)對新安江流域水資源總量及下游水資源年內(nèi)分配的影響。分析表明,月潭水庫的建設(shè)對率水及新安江干流河道水文情勢有一定的影響,并具有一定的削峰補枯作用。

本文基于仁化、長壩兩個研究站點1958~2009年之間的日平均徑流資料,采用iha法分析錦江水庫修建后對下游河道徑流過程變化的影響;基于扶溪、城口、五渡村、厚坑、仁化、石塘等站點1958~2009年的降水資料,采用滑動平均法及m-k檢驗法分析錦江流域降水年際變化,以印證錦江水庫對下游徑流的影響.結(jié)果表明,錦江水庫建庫后下游年平均徑流總量有所減少,其調(diào)蓄水對下游徑流有削峰遲滯作用,汛期徑流年內(nèi)分配減少的但其年際變化較建庫前小,并使得年內(nèi)徑流分配較建庫前均勻,但其調(diào)蓄水也促成建庫后錦江下游段的多年平均斷流天數(shù)長達52.06d,給下游生態(tài)造成一定破壞,有必要采用更為合理的調(diào)度制度以使下游和諧發(fā)展.

分析了自2002年起小浪底水庫每年實施調(diào)水調(diào)沙在黃河下游河道沖刷中的作用,指出小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙有利于下游河道沖刷,但通過資料分析,沖刷的幅度有逐年變小的趨勢,為此,恰當?shù)卦u價當前調(diào)水調(diào)沙的作用十分必要。

通過灤河下游河段水沙條件及平面形態(tài)的分析,灤河下游河床演變的趨勢是河槽萎縮,平灘流量下降,中小洪水增多,河勢難以完全控制?？偨Y(jié)了護岸丁壩或控導(dǎo)工程的防護效果。已有整治措施對保護灘岸起到了積極作用,縮小了主流擺動的范圍,但在平面布置上需適當加密丁壩工程,河勢才能得到完全的控制。新建丁壩要求滿足治導(dǎo)線的總體規(guī)劃,建議按微彎型河道方案進行設(shè)計,設(shè)計流量3000m3/s,主槽寬度為400～650m不等。這樣既能發(fā)揮現(xiàn)有護岸工程的作用,又是一種投資少、見效快的整治方案。

應(yīng)用單項組分評價法和綜合評價法對清河干流傍河地下水進行了水質(zhì)評價,綜合分析了清河水庫供水對清河干流傍河地下水水質(zhì)的影響,為科學(xué)優(yōu)化調(diào)度水庫供水,合理開發(fā)利用水庫水資源,實現(xiàn)對清河、開原區(qū)域水資源的有效利用和管理提供依據(jù)。

三峽水庫蓄水運用改變了下泄的水沙條件,引起壩下游水沙過程及輸移特性的變化。采用以旬為單位的統(tǒng)計時段,分析比較了三峽水庫蓄水前后旬平均流量、輸沙量及含沙量的變化。蓄水前后壩下游各站洪水、中水、枯水3個流量區(qū)間的出現(xiàn)頻率變化分析表明,建庫后距壩距離愈遠其洪水流量區(qū)間出現(xiàn)頻率的減小愈顯著。統(tǒng)計分析了不同流量級下含沙量的沿程恢復(fù)程度,發(fā)現(xiàn)高、低水流量級下其沿程恢復(fù)程度較中水流量級高。分析了各站懸移質(zhì)中值粒徑和床沙級配的變化,發(fā)現(xiàn)床面粗化主要位于距壩較近的荊江河段,由于粗細粒徑的交換作用,懸移質(zhì)中值粒徑在下荊江顯著變粗。

受三峽水庫蓄水攔沙影響,壩下游河道將發(fā)生長距離、長時期的調(diào)整,并引起河勢調(diào)整、崩岸增加、枯水位下降、荊江三口分流減少等河道反應(yīng),需采取科學(xué)的應(yīng)對措施.介紹了國外關(guān)于均衡河流與優(yōu)良河道形態(tài)的描述,引入傳統(tǒng)五行系統(tǒng)觀,分析了比降、流速、床沙、懸沙、水深5個因子的循環(huán)激勵與制約關(guān)系,闡述了河流演變系統(tǒng)自動調(diào)整與再平衡過程.為應(yīng)對河道反應(yīng),提出了河道整治與崩岸治理、水庫優(yōu)化調(diào)度、河道監(jiān)測與分析研究等對策,探討了河道治理原則和典型河段治理思路,建議采用護底加糙、口門改道、潛壩限流等整治措施,以期為壩下游河道保護與治理提供參考.

天然河流上游修建大型水利樞紐后,必將引起水庫下游河道的再造床。黃河小浪底水庫自1999年10月下旬下閘蓄水以來,已運行十年有余。本文通過實測資料的分析,從河道的沖刷和河道的平面形態(tài)變化兩方面來闡明小浪底水庫攔沙運用十年來水庫淤積及下游河道的再造床過程及其特點,為小浪底水庫進一步水沙調(diào)控提供借鑒,也豐富了多泥沙河流興建大型水庫以后下游河道河床演變學(xué)科的內(nèi)涵。

灤河徑流年內(nèi)分配極不均勻,有73%的輸水量和96%的輸沙量集中在汛期,大水挾大沙的特征明顯。修建于干流上的潘家口水庫、大黑汀水庫和支流上的桃林口水庫控制了流域89.9%的匯水面積,削減了灤河63%的徑流量、99.3%的輸沙量和汛期30%的徑流峰值,引起了下游河道的快速響應(yīng),導(dǎo)致河床展寬變淺,出現(xiàn)衰亡跡象。

基于三門峽水庫建庫后渭河下游河道演變及洪水過程實測資料,采用實測資料分析,理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了渭河下游河道發(fā)生沖淤變化對洪水特性的影響。結(jié)果表明:自水庫建成至2003年間,渭河下游河道發(fā)生淤積萎縮引起渭河洪水演變特性發(fā)生了顯著地改變,渭河下游洪水位抬升、洪水傳播歷時延長以及洪峰削峰率增大,而這些洪水特性也是造成渭河下游河道發(fā)生淤積萎縮的主要原因。2003年之后,因渭河下游河道水沙條件的變化,洪水洪峰流量大幅度減小,河道出現(xiàn)沖刷,漫灘流量相較于先前減小,使渭河下游洪水位下降、洪峰傳播歷時縮短、洪峰削峰率不斷減小。

選取浙江省新安江大壩下游尾水至富春江水庫某一河段作為試驗場地,實時監(jiān)測同一河流剖面的河道水位、溫度以及河岸水位與溫度分布。通過分析側(cè)向潛流交換流量,定量描述側(cè)向潛流交換的空間非均質(zhì)性和動態(tài)特征,刻畫河岸潛流帶與河道水體水位、溫度之間的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明:本次試驗剖面上的側(cè)向潛流交換流量變化范圍為-8.36~3.87m2/s,監(jiān)測時間段內(nèi)單位長度上的潛流交換量可達2.49m2;河岸帶側(cè)向潛流區(qū)同一剖面不同觀測井處的潛流流量呈線性相關(guān),且離河道越遠,潛流區(qū)水位波動振幅消減越多,響應(yīng)越滯后,潛流交換流量越小;受水庫下泄水流影響,河道水溫日波幅很小,河岸含水層具有顯著的垂向溫度分層。在垂直方向上,冬季淺層河岸溫度較低,深層河岸溫度較高,夏季則相反,同時淺層溫度梯度較大,尤以地面以下0.8~1.7m范圍內(nèi)溫度梯度最大,深層溫度梯度小;在水平方向上,離河道越遠,受河道入滲水影響越小,溫度越高。揭示了水庫運行對下游河岸潛流帶的影響規(guī)律,為河流潛流帶生態(tài)影響評估提供參考。

水土流失問題是生態(tài)系統(tǒng)面臨的重要問題.對于多沙河道來說,必須維持一定的生態(tài)環(huán)境需水量用于輸沙,以保證河道生態(tài)平衡.本文以多沙河流為研究對象,以輸沙動力學(xué)理論為基礎(chǔ),分析了河流輸沙能力和水流挾沙能力,在此基礎(chǔ)上提出了河道在不沖不淤的臨界狀態(tài)下河流最小流量的計算方法,此為防止河道泥沙淤積的最小生態(tài)環(huán)境需水量.通過實際算例,本文還說明了所提出的計算方法的應(yīng)用,以期為多沙河道水資源合理配置及生態(tài)平衡維護提供科學(xué)依據(jù).

研究了修建水庫及河道整治對黃河下游白鶴鎮(zhèn)至高村游蕩性河道河勢演變的影響,探討了游蕩性河道向彎曲性河道轉(zhuǎn)化的可能性。認為經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)后,進入下游的來沙量減少,洪峰削平及中水持續(xù)時間加長,有利于游蕩性河道游蕩程度的降低及向彎曲方向的發(fā)展;河道整治工程對于減小河道的擺動強度,穩(wěn)定流路,促使河道由游蕩向彎曲方向發(fā)展的作用是顯著的。在小浪底水庫下泄有利水沙條件下,若能利用現(xiàn)有的河道整治工程,并補充必要的河道整治措施,黃河下游游蕩性河道有可能逐步轉(zhuǎn)化為象高村至陶城鋪河段那樣的限制性彎曲河道。

通過對飛云江下游河段河床演變規(guī)律和來水來沙情況的綜合分析,提出了飛云江下游河段適宜的采沙位置和規(guī)模,并計算分析了采沙對洪水位及堤防沖刷的影響,認為飛云江下游河段合理采沙不會對該河段構(gòu)成不利影響。

本文采用清華大學(xué)與黃河水利科學(xué)研究院共同研制的黃河小浪底水庫下游河道沖淤數(shù)學(xué)模型和三門峽水庫蓄水運用及滯洪運用初期實測資料,開展了系統(tǒng)的驗證計算,并以此為基礎(chǔ),對小浪底水庫運用初期下游河道的沖淤變形趨勢進行了預(yù)測計算,其計算結(jié)果對小浪底水庫初期運用方式的制訂具有指導(dǎo)意義。

以牡丹江一級支流海浪河上擬建的林海水庫為例,從水資源可持續(xù)利用與環(huán)境保護相協(xié)調(diào)的角度出發(fā),采用改進的tennant法對冰封期生態(tài)流量進行計算,確定北方寒區(qū)水利工程下游最小生態(tài)流量,為水利樞紐調(diào)度運行提供依據(jù)。

水庫排沙對減輕水庫淤積、延長水庫壽命和恢復(fù)河流泥沙連續(xù)性等方面有著重要意義,但是水庫進行水力排沙時水庫下游河流水體的物理和化學(xué)性質(zhì)的變化可能對魚類等水生生物產(chǎn)生不利影響,嚴重時出現(xiàn)死魚現(xiàn)象。國內(nèi)外水庫排沙時期下游河道含沙量及其顆粒級配、溶解氧濃度、污染物等水質(zhì)變化對魚類影響研究表明,微顆粒泥沙淤堵魚鰓影響其攝入氧氣功能和水體溶解氧下降是影響魚類的兩個主要因素,且含沙量及其持續(xù)時間、顆粒級配等對魚類影響機理不同。最后展望了我國今后水庫排沙對下游河流魚類研究內(nèi)容。

以丹江口水庫下游黃家港水文站1956—1997年徑流資料為研究對象,采用kendall秩次相關(guān)檢驗、有序聚類分析等方法對年徑流變化進行趨勢、跳躍分析,并對汛期、非汛期徑流變化情況進行分析。結(jié)論表明,丹江口水庫的運行使?jié)h江中下游年徑流量有一定的減少趨勢,同時對年內(nèi)汛期、非汛期徑流量產(chǎn)生較大影響。

通過不同的計算方法,分析了沁河下游現(xiàn)狀河道行洪能力,并根據(jù)1950年以來的資料分析了沁河下游沖淤變化和平均淤積速率,對未來50年河道行洪能力變化進行了預(yù)測,為沁河下游河道防洪提供了科學(xué)依據(jù).

確定脫水河段的最小生態(tài)流量是規(guī)劃工作中的關(guān)鍵和難點之一。如何提高水資源的綜合利用效益和保護生態(tài)、維護河流的健康生命，以魯基廠水電站為例，說明僅靠已有方法計算不行，必須通過合理性分析，結(jié)合實際、類比選定最小生態(tài)流量才是正確的途徑。