大型水庫污染物輸移擴散特性及水力調控機理研究

《大型水庫污染物輸移擴散特性及水力調控機理研究》是依託清華大學，由陳永燦擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：大型水庫污染物輸移擴散特性及水力調控機理研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：陳永燦
• 項目類別：重點項目

項目摘要

水電開發將大規模改變江河系統的水環境，打破原有的生態平衡，對水流、水質、水溫以及水生生物等均會產生顯著的影響。大型水庫的建成會造成庫區溫度及水質分層，水生生物群落特徵的改變，三維分布特徵明顯。本課題針對流域水電開發的水生態環境問題，運用先進的理論方法、原型觀測、模型試驗及數值模擬技術，對水電開發的水環境影響及水生態效應進行研究，探討河流彎道橫向擺動的水沙動力學機理, 確定二次流流動結構、紊動特性及其與河道主槽變形過程的相互影響，構建水庫的水流、水溫及污染物輸移擴散-降解耦合的數學模型，模擬預測泥沙與營養鹽的吸附－解吸規律與污染物輸移特性，解析泥沙沖淤狀態對營養鹽的截留效應，分析水電開發對水沙情勢、水溫水質的影響，提出水庫有效的水力調控運用方式。在系統研究的基礎上，揭示水電開發對水生態環境的影響機制及規律，為建立合理的流域水環境管理體系和保障流域經濟社會的可持續發展提供科學依據。

結題摘要

水電開發將大規模改變江河系統的水環境，打破原有的生態平衡，對水流、水溫、水質、以及水生生物均會產生顯著的影響。項目組針對大型水庫水動力特徵、水庫水溫分層結構、水庫污染物輸移擴散規律、水體富營養化問題、水庫生態調度等問題，開展了大量的現場觀測和室內實驗，利用理論分析和數值模擬，從不同角度和尺度分析了水電開發的水環境影響和水生態效應，對水庫水體中物質輸移的關鍵機制和環境相應的內在機理進行了深入的研究。 針對水庫分層所導致的物質垂向輸移問題，項目組建立了大型水庫水溫模擬的三維模型和考慮冰雪過程和冰封影響的垂向一維熱氧模型。研究了三峽水庫和 密雲水庫的水溫結構，並分析了密雲水庫水位巨幅波動所導致的對水溫和DO的時空變化。 針對水庫泥沙淤積導致的水質變化機制，項目組分別研究了生物膜對總磷的吸附規律以及懸浮顆粒對糞大腸菌群的吸附規律。在生物膜吸附磷實驗中，發現生物膜對總磷的吸附能力遠大於泥沙顆粒的吸附能力，是水庫沉積物對磷吸附的主要貢獻者。在糞大腸菌群吸附實驗中，揭示了水庫中泥沙顆粒對糞大腸菌群的吸附規律，建立了線性吸附模型，並分析水溫、pH值、泥沙粒徑等因素對吸附特徵的影響。 針對水庫富營養化問題，項目組研究了水動力條件對藻類演替的影響；通過現場觀測發現，水體從富營養化湖泊流出，進入河流後，藻類生物量逐漸減少；在藻類組分方面，藍藻數量沿程減少，硅藻數量沿程增加。考慮水體紊動對微囊藻和小球藻對光源競爭力的作用，建立了藻類演替數學模型，揭示了水流變化對藻類的作用。 針對電站運行調度的環境影響，項目組建立了一二維耦合的河湖系統模型，分析了三峽水庫枯水期對洞庭湖補水的運行方案，預測了枯水期補水對目平湖水質的影響。在日調度方面，發現牡丹江幹流的石岩電站日內最大流量是最小流量的3.5倍，引起下遊河道水位、流量、水深、水力半徑的波動，底棲生物的物種豐度和生物多樣性指標和流量的波動幅度成負相關關係。 項目組圓滿完成了預設的研究任務，達到各項考核指標的要求；研究成果有助於加深認識水電開發和運行對水環境影響規律，為水電工程的合理開發和科學調度，流域環境的可持續發展提供支撐。