水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游河道最小生態(tài)徑流影響的定量評(píng)價(jià)分析

全面分析了小浪底水庫(kù)蓄水?dāng)r沙期2000-2006年庫(kù)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(jì)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?yàn)榇采秤行Ы粨Q層內(nèi)小于0.05mm的細(xì)沙及中沙補(bǔ)給不足造成的;結(jié)合三門峽水庫(kù)攔沙期的觀測(cè)資料,對(duì)比研究了異重流洪水期間小浪底水庫(kù)的排沙效果及其下游河道對(duì)高含沙異重流水沙過程的響應(yīng),指出了小浪底水庫(kù)對(duì)洪水具有較大的"攔粗排細(xì)"潛力,且高含沙異重流洪水不會(huì)造成河道嚴(yán)重淤積。因此,在洪水調(diào)度中,要充分利用水庫(kù)塑造異重流洪水,多排少攔,以達(dá)到下游河道長(zhǎng)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(dá)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(jìn)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(dá)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(duì)估算結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。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(jì)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(shí)滿足調(diào)水河流的資源水和生態(tài)水。

月潭水庫(kù)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(guó)家172項(xiàng)重大水利工程之一?；谠绿端畮?kù)工程調(diào)度運(yùn)用方式、水庫(kù)多年平均生態(tài)基流及水庫(kù)城鄉(xiāng)供水及灌溉等用水需求,以水庫(kù)下游月潭水文站和屯溪水文站1959~2012年實(shí)測(cè)流量資料為研究對(duì)象,采用典型年法分析月潭水庫(kù)建設(shè)對(duì)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(kù)的建設(shè)對(duì)率水及新安江干流河道水文情勢(shì)有一定的影響,并具有一定的削峰補(bǔ)枯作用。

本文基于仁化、長(zhǎng)壩兩個(gè)研究站點(diǎn)1958~2009年之間的日平均徑流資料,采用iha法分析錦江水庫(kù)修建后對(duì)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(diǎn)1958~2009年的降水資料,采用滑動(dòng)平均法及m-k檢驗(yàn)法分析錦江流域降水年際變化,以印證錦江水庫(kù)對(duì)下游徑流的影響.結(jié)果表明,錦江水庫(kù)建庫(kù)后下游年平均徑流總量有所減少,其調(diào)蓄水對(duì)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(kù)前小,并使得年內(nèi)徑流分配較建庫(kù)前均勻,但其調(diào)蓄水也促成建庫(kù)后錦江下游段的多年平均斷流天數(shù)長(zhǎng)達(dá)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(kù)每年實(shí)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(kù)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(shì),為此,恰當(dāng)?shù)卦u(píng)價(jià)當(dāng)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(shì)是河槽萎縮,平灘流量下降,中小洪水增多,河勢(shì)難以完全控制?？偨Y(jié)了護(hù)岸丁壩或控導(dǎo)工程的防護(hù)效果。已有整治措施對(duì)保護(hù)灘岸起到了積極作用,縮小了主流擺動(dòng)的范圍,但在平面布置上需適當(dāng)加密丁壩工程,河勢(shì)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(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)流量3000m3/s,主槽寬度為400～650m不等。這樣既能發(fā)揮現(xiàn)有護(hù)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(xiàng)組分評(píng)價(jià)法和綜合評(píng)價(jià)法對(duì)清河干流傍河地下水進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià),綜合分析了清河水庫(kù)供水對(duì)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(kù)供水,合理開發(fā)利用水庫(kù)水資源,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kù)蓄水運(yùn)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(jì)時(shí)段,分析比較了三峽水庫(kù)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(gè)流量區(qū)間的出現(xiàn)頻率變化分析表明,建庫(kù)后距壩距離愈遠(yuǎn)其洪水流量區(qū)間出現(xiàn)頻率的減小愈顯著。統(tǒng)計(jì)分析了不同流量級(jí)下含沙量的沿程恢復(fù)程度,發(fā)現(xiàn)高、低水流量級(jí)下其沿程恢復(fù)程度較中水流量級(jí)高。分析了各站懸移質(zhì)中值粒徑和床沙級(jí)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(xì)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(kù)蓄水?dāng)r沙影響,壩下游河道將發(fā)生長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)期的調(diào)整,并引起河勢(shì)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(duì)措施.介紹了國(guó)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(gè)因子的循環(huán)激勵(lì)與制約關(guān)系,闡述了河流演變系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整與再平衡過程.為應(yīng)對(duì)河道反應(yīng),提出了河道整治與崩岸治理、水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度、河道監(jiān)測(cè)與分析研究等對(duì)策,探討了河道治理原則和典型河段治理思路,建議采用護(hù)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(hù)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(kù)下游河道的再造床。黃河小浪底水庫(kù)自1999年10月下旬下閘蓄水以來,已運(yùn)行十年有余。本文通過實(shí)測(cè)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(kù)攔沙運(yùn)用十年來水庫(kù)淤積及下游河道的再造床過程及其特點(diǎn),為小浪底水庫(kù)進(jìn)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(kù)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(kù)、大黑汀水庫(kù)和支流上的桃林口水庫(kù)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(kù)建庫(kù)后渭河下游河道演變及洪水過程實(shí)測(cè)資料,采用實(shí)測(cè)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(duì)洪水特性的影響。結(jié)果表明:自水庫(kù)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(shí)延長(zhǎng)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(shí)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(kù)某一河段作為試驗(yàn)場(chǎng)地,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(yàn)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(cè)時(shí)間段內(nèi)單位長(zhǎng)度上的潛流交換量可達(dá)2.49m2;河岸帶側(cè)向潛流區(qū)同一剖面不同觀測(cè)井處的潛流流量呈線性相關(guān),且離河道越遠(yuǎn),潛流區(qū)水位波動(dòng)振幅消減越多,響應(yīng)越滯后,潛流交換流量越小;受水庫(kù)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(shí)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(yuǎn),受河道入滲水影響越小,溫度越高。揭示了水庫(kù)運(yùn)行對(duì)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(píng)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(duì)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(duì)象,以輸沙動(dòng)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(jì)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(shí)際算例,本文還說明了所提出的計(jì)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(hù)提供科學(xué)依據(jù).

研究了修建水庫(kù)及河道整治對(duì)黃河下游白鶴鎮(zhèn)至高村游蕩性河道河勢(shì)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(rèn)為經(jīng)過水庫(kù)調(diào)節(jié)后,進(jìn)入下游的來沙量減少,洪峰削平及中水持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng),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(duì)于減小河道的擺動(dòng)強(qiáng)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(kù)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(bǔ)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(duì)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(jì)算分析了采沙對(duì)洪水位及堤防沖刷的影響,認(rèn)為飛云江下游河段合理采沙不會(huì)對(duì)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(kù)下游河道沖淤數(shù)學(xué)模型和三門峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用及滯洪運(yùn)用初期實(shí)測(cè)資料,開展了系統(tǒng)的驗(yàn)證計(jì)算,并以此為基礎(chǔ),對(duì)小浪底水庫(kù)運(yùn)用初期下游河道的沖淤變形趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果對(duì)小浪底水庫(kù)初期運(yùn)用方式的制訂具有指導(dǎo)意義。

以牡丹江一級(jí)支流海浪河上擬建的林海水庫(kù)為例,從水資源可持續(xù)利用與環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的角度出發(fā),采用改進(jìn)的tennant法對(duì)冰封期生態(tài)流量進(jìn)行計(jì)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(yùn)行提供依據(jù)。

水庫(kù)排沙對(duì)減輕水庫(kù)淤積、延長(zhǎng)水庫(kù)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(kù)進(jìn)行水力排沙時(shí)水庫(kù)下游河流水體的物理和化學(xué)性質(zhì)的變化可能對(duì)魚類等水生生物產(chǎn)生不利影響,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)死魚現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外水庫(kù)排沙時(shí)期下游河道含沙量及其顆粒級(jí)配、溶解氧濃度、污染物等水質(zhì)變化對(duì)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(gè)主要因素,且含沙量及其持續(xù)時(shí)間、顆粒級(jí)配等對(duì)魚類影響機(jī)理不同。最后展望了我國(guó)今后水庫(kù)排沙對(duì)下游河流魚類研究?jī)?nèi)容。

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

傳統(tǒng)認(rèn)為,水庫(kù)擴(kuò)建后調(diào)節(jié)能力增強(qiáng),對(duì)徑流的蓄峰補(bǔ)枯作用明顯,從而提高下游梯級(jí)的電能數(shù)量和質(zhì)量。然而,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,水庫(kù)承擔(dān)的綜合利用要求越來越多,水庫(kù)擴(kuò)建后需綜合分析對(duì)下游梯級(jí)電能的影響:①水庫(kù)擴(kuò)建后,一般灌區(qū)規(guī)模將會(huì)擴(kuò)大,灌溉流量從庫(kù)中直接引走,使下游梯級(jí)入庫(kù)流量減少,從而使發(fā)電量減少;②水庫(kù)擴(kuò)建后,若承擔(dān)下游較重的防洪任務(wù),汛期必將預(yù)留較大的防洪庫(kù)容,從而大大削弱水庫(kù)的調(diào)蓄能力;③水庫(kù)擴(kuò)建后,本身電站隨之?dāng)U機(jī)增容,機(jī)組引用流量大大增加,從而導(dǎo)致上下游機(jī)組過流能力不匹配,當(dāng)上游梯級(jí)調(diào)峰時(shí),下游調(diào)節(jié)性能較弱的梯級(jí)將白白棄水,損失電能。

根據(jù)水利樞紐下游河道的實(shí)測(cè)資料，得到下游河道水位流量關(guān)系的調(diào)整變化，并對(duì)其變化原因進(jìn)行了分析。