面向运行约束的三峡水库生态调度研究

三峡水库多年运行期生态调度监测结果表明,实施促进四大家鱼产卵的生态调度效果显著,后期运行需长期坚持。为确保生态调度方案具有可操作性和持续性,方案编制需综合考虑水库自身运行约束和四大家鱼繁殖所需的水文、水力学条件。通过量化三峡-葛洲坝梯级水库运行约束,构建模型评估不同时间开展生态调度的可行性。结果表明:5月上中旬水温满足情况下适宜开展生态调度,5月下旬至6月上旬开展生态调度将增加葛洲坝弃水风险同时影响水库消落,6月中下旬至7月上旬可结合防洪调度开展生态调度。研究结果可为实时调度过程中三峡水库生态调度方案的编制和启动提供参考。     

长江中下游水电开发对河流水文情势的影响研究

为深入分析水电开发对河流水文情势的影响,以长江中下游江段为研究区域,选取宜昌站1956-2016年生态水文实测资料,以三峡、葛洲坝水利枢纽工程所控制的宜昌江段为研究对象,开展水电开发对河流水文情势影响研究,同时分析了下游水文情势变化对重要鱼类——中华鲟生境的影响,从而为保护中华鲟种群资源提供修复措施。结果表明:宜昌站1956-2016年的年均流量序列呈不显著下降趋势,年均水温序列呈显著上升趋势,年均含沙量序列呈极显著下降趋势;葛洲坝运行后三峡工程运行前和三峡工程运行后两个时间段内,筑坝对河段流量、水温、含沙量的改变方向均是一致的,且三峡工程的影响更为显著;流量的下降将直接导致中华鲟产卵场实际面积的缩小,水温的上升将会影响中华鲟的产卵信号,含沙量的减少一定程度上是有利于中华鲟产卵的。同时,从工程措施、非工程措施、管理措施3个方面提出来保护中华鲟栖息环境的具体修复方案。研究结果可为分析水电开发对河流水文情势的影响以及恢复或改善被破坏的河流生态系统提供具体指导和建议。     

水库调度影响下中华鲟产卵场的水动力特征

三峡工程试验性蓄水于2010年成功蓄至175 m,开始逐渐进入正常运行期.在此背景下,分析近年来三峡-葛洲坝实际联合调度运行对坝下中华鲟产卵场水动力时空特征的影响,对加深理解中华鲟产卵适应性对水利工程调控的动态响应有重要意义.针对葛洲坝至宜昌江段的中华鲟产卵场建立了三维水动力模型,以出现2次鲟鱼产卵繁殖的2011年产卵日为代表性工况,开展了水利工程调度运行影响下的产卵场短期水动力特征模拟研究.研究表明:对鲟鱼自然繁殖起直接作用的河段底层流场较规则稳定,但在水流交汇处和地形突变处会出现局部紊乱变化;上、下产卵区的流速为0.8~1.4 m/s,在大江电厂与二江电厂下游均有流速较大的分布区,流速最大值出现在二江电厂泄水处下游;适宜中华鲟繁殖的流速范围出现在大江下游导流墙尾段至江心隔流堤前段1/3处与江心隔流堤尾端至下游约700 m内.     

基于洪水脉冲历时的三峡水库生态调度研究

三峡工程为我国带来了巨大的经济效益,但同时水库也改变了下游天然的水文情势,造成如四大家鱼等鱼类资源急剧下降。为探究水库运行对四大家鱼产卵的影响,根据洪水脉冲理论,提出与洪水脉冲特征相关的若干个水文指标,并根据这些指标对水库下游宜昌站每年5-7月实际径流过程进行统计,经Mann-Whitney U非参数检验后找出产生显著性变化的洪水平均涨、落历时等指标。基于此建立水库多目标生态调度模型,根据历史洪水规律在模型中加入洪水脉冲历时控制方法,计算不同权重分配下的水库最优发电效益及洪水最优涨落历时,模型结果显著增加了洪水涨落历时且对发电效益影响甚微。延长洪水涨落历时为现阶段的水库生态调度提供了一种新的思路,但对四大家鱼产卵的实际促进作用仍需实践检验。     

三峡水库蓄水后大宁河水体富营养化调查及评价

大宁河是三峡库区一条重要的支流,是著名的小三峡旅游胜地,2003年6月三峡水库蓄水后,大宁河水质出现了异常现象。2003年9月课题组对三峡135m蓄水后的大宁河回水段进行了富营养化监测。通过监测结果评价,发现大宁河双龙银窝滩段水体处于中营养中富营养状态。针对这种情况分析了水质变化原因,提出了5项防治对策。     

鱼类坝下集群效应对水力学条件的响应规律研究

拦河筑坝阻隔了鱼类洄游通道,鱼类具有天然的溯流习性,会感应到主流上溯,为进行产卵、索饵和洄游在过鱼季节聚集在坝下,产生鱼类坝下集群效应。鱼类的集群行为是鱼类行为学研究的重要内容。影响鱼类集群的三个重要水力学条件有流速、水深、紊动能,为研究鱼类坝下集群效应对水力学条件的响应规律,亟须建立集群分布规律与上述三个水力学因子的相关性。采用三维湍流模型对观测时所处运行工况的坝下流域进行了数值模拟,并用试验验证了数值模拟的合理性,使用观测仪器探测坝下四大家鱼分布规律,分析集群行为特点及其相关性。研究表明:当流速处于0.7～0.24 m/s之间时,鱼体数量与流速呈正线性相关,且四大家鱼集群最佳流速范围为0.060～0.12 m/s;当水深值处于2.4～3.9 m之间时,鱼群数量与水深呈正线性相关关系,鱼类集群适宜水深下限值为2.8 m;当紊动能值处于0～0.001 2kg·m~2/s~2之间时,鱼体数量与紊动能有明显的正线性相关关系,当紊动能值处于0.001 5～0.004 0 kg·m~2/s~2之间时,二者成负线性相关,且鱼类集群的平均紊动能适宜范围是0.000 50～0.001 2 kg·m~2/s~2。     

三峡水库上游流域径流变化规律研究

以三峡水库上游六大干支流的九个控制断面为研究对象,针对不同长度径流系列,分析了径流统计参数、年内分配及丰枯变化规律;针对全年、消落期、汛期、蓄水期及枯水期五种分期,应用线性趋势线法和Kendall秩次检验法对径流进行了趋势分析,应用有序聚类法、滑动T及Mann-Kendall法对径流序列进行了突变分析。成果表明,宜昌断面消落期径流平稳、汛期径流有减少突变、蓄水期径流减少趋势显著、枯水期径流增加趋势明显,而汛期和蓄水期径流减小导致全流域总径流出现突变减小可能、且伴随逐渐减小趋势。经初步分析,造成这些变化的主要原因依次是流域气象要素变化、水利水电工程投入运行时充蓄死库容和水面蒸发等损耗增加、上游流域工农业用水量增加及水土保持和退耕还林等。研究成果可以为金沙江下游梯级、三峡梯级的水库综合优化调度提供参考。     

三峡调蓄前后径流变化的多尺度分析

径流时间序列复杂多变,既存在着非周期成分(趋势、突变等)变化特征,又存在着多尺度的周期变化特征,水文径流的多尺度分析研究具有重要价值。主要利用极点对称模态分解(ESMD)方法,对宜昌水文站多年实测径流量进行模态分解及时频分析,得出不同的时间尺度下,该站径流的趋势、突变及周期变化,进而分析三峡水库调蓄前后的径流变化规律;同时分别利用传统径流分析方法中的Mann-Kendall(M-K)法、小波变换法及希尔伯特-黄变换法三种方法对ESMD法所得结论进行验证。研究结果表明:三峡调蓄前后,不同时间尺度下的径流均存在2003年6月左右的突变点,趋势项上均表现为不显著的递减变化趋势,这表明三峡工程的正式蓄水对径流量产生了较为明显的影响;年、月、日的周期则表现出了一致性,证实了径流研究具有不同尺度上的嵌套性,同时ESMD法在径流多尺度分析上具有较好的应用效果。     

三峡梯级水库对长江中下游水文情势影响研究

以梯级水库下游宜昌水文站1882-2006年流量资料为研究对象，采用Mann-Kendall法对宜昌站流量变化进行了趋势性分析，并采用复Morlet小波周期性分析，在此分析基础上采用变动范围法（RVA）分析葛洲坝水库蓄水前后宜昌站水文情势变化，定量评价了水文情势改变程度，随后对三峡水库蓄水前后宜昌站水文情势变化进行了分析。结果表明，葛洲坝水库对水文情势改变程度为29%，影响程度相对较小，而三峡水库蓄水后，在较大程度上改变了河流水文情势，水文情势改变必将影响到长江中下游河流水生生物生态安全。     

河道型水库立面二维水温结构数值模拟

针对河道型水库运行后库区水温结构的改变,及其对库区和下泄水温过程造成的影响,在充分考虑入库流量及水温、气温、太阳辐射、水库调度等影响因素的基础上,建立了河道型水库立面二维水温数学模型,并对模型主要参数进行了率定.以典型的河道型水库——三峡水库为例,预测了水库在平水年和特枯年份下库区立面二维及下泄水流水温分布规律.结果表明:三峡水库水温在春、夏季纵向上差异显著,传统的垂向一维模型难以准确反映库区水温纵向分布特征;不同典型年春季在部分区域水温易出现弱分层现象,平水年垂向最大温差约为8.14 ℃,而特枯年份最大温差可达8.82 ℃,但持续时间短,难以形成稳定的分层结构;不同典型年春季温差较大的区域基本上出现在100.0 m以下水体,而春季三峡水库主要经由机组过流,电站取水口中心高程为130.0 m,可以认为在三峡水库对下泄水流水温不会产生明显的影响,研究结果可为三峡水库生态环境管理提供科学依据.     

Impact of upstream changes in rain-fed agriculture on downstream flow in a semi-arid basin

The downstream impacts of increasing water consumption in the upstream rain-fed areas of the Karkheh Basin, Iran are simulated using the semi-distributed SWAT model. Three scenarios are tested at subbasin and basin levels: converting rain-fed areas to irrigation agriculture (S1), improving soil water availability through rainwater harvesting (S2), and a combination of both (S3). The results of these scenarios were compared against the baseline period 1988-2000. The S1 scenario shows a 10% reduction in mean annual flow at the basin level, varying from 8-15% across the subbasins. The reductions in mean monthly flows are in the range of 1-56% at the basin level, with June witnessing the highest flow reduction. Flow reductions are comparatively higher in the upstream parts of the basin, as a result of a relatively higher potential of developing rain-fed areas coupled with comparatively lower amount of available runoff. The impacts of S2 are generally small with reductions of 2-5% and 1-9% in mean annual and mean monthly flows, respectively. The results of S3 are in general similar to those of S1. Although the estimated annual flow reductions remain well within the available water resources development potential, measures needs to be taken to avoid excessive flow reductions in May, June and July. It is recommended that only a limited agricultural area should be converted from rain-fed to irrigated agriculture (about 0.1 million ha), and should practice supplementary irrigation. The supplies should also be augmented through developing additional water storage. Adopting such measures is extremely important for the upper subbasins Gamasiab and Qarasou where comparatively higher flow reductions were estimated.     

温度荷载对大坝运行期位移及应力

根据隔河岩大坝的水温和气温等监测资料，采用有限元数值计算方法，分析了大坝运行期的月平均、日平均变化温度场，阐述了温度荷载对大坝运行所产生的影响,研究了大坝在温度场影响下的位移、应力变化规律。计算结果表明温度荷载对大坝运行有较大影响，在冬季持续低温时应避免大坝在低水位下运行，夏季持续高温时则应避免在高水位下运行。     

三峡工程围堰挡水发电期梯级调度

根据三峡水利枢纽工程进度要求，就三峡(围堰发电期)~葛洲坝水利枢纽联合调度运行中有关泄洪设施的运行调度方式、三期围堰安全度汛方案、梯级发电调度方式、梯级航运调度方式和船闸运行方式等方面的问题进行较全面的分析研究，给出了相应的调度运营方案，对2003年运行结果进行了初步的分析，提出蓄水后应进一步研究的问题，以确保围堰发电期及三峡水利枢纽正常运用后，可全面发挥其防洪、发电、航运等综合效益。     

内蒙古河套灌区不同灌溉模式对土壤温度及盐分的影响

针对内蒙古河套灌区井渠结合膜下滴灌这一灌排发展趋势,分别选取了黄灌(H)、井灌(J)、滴灌(D)3种灌溉模式,研究了土壤温度时空变化规律和生育期盐分平衡状况。结果表明:玉米生育期内不同灌溉模式膜内膜外土壤温度月季下降明显,且膜内外土壤温度差异随着时间的推移越来越小;玉米需水旺季(6、7月)膜内5cm土壤日温度受灌水影响程度依次是滴灌井灌黄灌,平均温度黄灌较井灌高0.47℃,较滴灌高1.18℃;自6月下旬开始膜内5cm 10日平均土壤温度黄灌始终高于井灌0.35~1.53℃,滴灌基本小于井灌;30日平均温度黄灌较井灌温度始终高0.34~1.02℃,较滴灌高1.12~1.98℃。生育期黄灌、井灌、滴灌0~100、0~60cm土壤均积盐,膜外积盐率0~60cm远大于0~100cm。若地面灌溉一年一洗盐,滴灌0~100cm盐分累积至井灌土壤盐分水平需2年一次秋浇洗盐。     

滴灌水温对土壤入渗和土壤温度的影响

为了解水温对滴灌土壤入渗特征和土壤温度的影响,研制一套恒温试验装置,可使水温变化控制在±0.5 ℃范围内,选择5,20,35 ℃作为试验水温,进行不同水温室内滴灌入渗试验,分析各水温下土壤水分入渗和土壤温度变化特征.结果表明:在相同时段内,随滴灌水温升高,水平和垂直湿润锋运移距离增大,垂直湿润锋运移速率增大.分别建立水平、垂直湿润锋运移距离与入渗时间和滴灌水温的关系模型,决定系数R²均大于0.99.湿润土体平均含水量与入渗时间关系不大,但随入渗水温的升高而减小.土壤水分扩散率与水温成正比;水温升高,饱和导水率随之增大,二者呈指数函数关系;土壤吸持水分的能力随温度的升高而降低.不同灌溉水温改变了土体中的温度分布,随着距滴头距离的增加,由水温引起的土壤温度的变化量逐渐减小.结论可为指导大田和温室滴灌技术提供理论依据.     

闸坝工程建设对北运河水量水质影响研究

北运河流域闸坝工程修建,在一定程度上改变了河流的水文情势和水环境状况。以北运河重要水文站通县站1931—1990年流量资料为研究对象,对于闸坝修建前后水文情势变化进行了对比分析,同时对北运河干流关键控制性闸坝断面2004—2009年实测监测资料进行了水质评价,并对水质时空变化进行了分析。结果表明,北运河闸坝工程拦蓄导致流量减少,其中4月份流量减少最明显,非汛期较汛期下降明显;北运河水体环境质量整体上较差,基本上均为超V类水体,上游和下游水质相对优于中游水质情况,其中水质指标氨态氮、高锰酸盐指数影响较大。