法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2020-08-07
授权
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2019-03-22
实质审查的生效 IPC(主分类):C02F1/00 申请日:20181030
实质审查的生效
2019-02-12
公开
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技术领域
本发明涉及一种通过调节支流上游来流量控制水华的生态调度方法，是一种水环境保护和生态调控方法，是一种从水动力角度控制水华暴发的方法。
背景技术
经济发达地区的河道型水库流域污染负荷较大，水体营养盐浓度较高，水库蓄水后干流流速相对较大，而支流回水区（库湾）流速显著减小，导致水华频发。例如三峡水库自2003年蓄水以来，在香溪河、大宁河、神农溪等主要一级支流库湾全年均有规模不一的水华发生。支流水华已成为三峡库区最主要的水环境问题，严重威胁库区供水安全和人类健康。因此，有效开展水华防治工作，保障用水安全，是当前三峡等河道型水库运行管理中迫切需要解决的关键问题之一。
水华防控方法主要有三大类，一是开展流域污染物削减工作，将水体营养盐浓度降低至中、低水平，从根本上解决水体富营养化及水华问题。但河道型水库水体富营养化主要与上游流域整体的面源污染及库区内源污染有关，短期内难以实现。第二大类是通过物理打捞、化学沉淀以及生物操纵等方法减少水体中藻类生物量，这类方法能在一定程度上暂时缓解水华暴发强度；但应用范围小，对生态环境的负面效应尚不确定，有一定的生态风险。第三类方法是从水力学的角度改变水华暴发的生境条件从而抑制藻类增长或阻止藻类聚集在表层水体，从而防控水华。这种方法短期内见效快，对环境的负面影响小，有利于防止水质的进一步恶化。同时水力学条件的改变通常是河道型水库支流水华暴发的主要诱因，因而从水力学角度寻求库区水华防治方法备受学者关注。
目前主要是通过短期内大幅度抬高或降低库区水位破坏支流水体分层，防止水华暴发。但事实证明，当汛期或泄水期支流上游来流量较大时，快速抬升库区水位会产生强烈的表层倒流，并导致水华暴发。此外，针对三峡、向家坝等大型水库，短期内大幅度抬升或降低库区水位的影响范围较广，且有一定的安全隐患；此外水库同时承担防洪、发电、通航、补水等多种功能，其水库调度需要综合考虑以上各种因素，频繁大幅度变动库区水位实现起来也较为困难。本发明在深入研究河道型水库支流水华暴发机理及水华频发区流态变化规律的基础上，提出了根据库区水位变动，调节支流上游来流量，在水华频发区形成不利于水华暴发的流态，从而防控水华的生态调度方法。相对于改变库区水位，调控支流上游来流量的方法更切实可行，同时能更科学合理地防控水华。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种调节支流上游来流量控制水华的生态调度方法。所述方法根据库区水位变动，调节支流上游来流量，在水华频发区形成不利于水华暴发的流态，从而防控水华。
本发明的目的是这样实现的：一种通过调节支流上游来流量控制水华的生态调度方法，所述的方法为：根据库区水位变动、支流库湾及支流上游来流水温的状态调整支流上游来流量，在水华频发区形成中层倒流或不分层流态，或减小表层倒流强度，以抑制水华暴发；
具体包括如下调节方式：
1）初始泄水期和泄前稳定期：
库区初始泄水期和泄前稳定期的支流上游来流温度高于库湾水体，在这一时期增加支流上游来流量，以在水华频发区形成不分层流态，或降低表层倒流强度；
2）水位下降过程：
库区水位下降过程中支流上游来流水温低于库湾水体，在这一过程中将支流上游来流量维持在中低水平，以在水华频发区形成不分层流态，或降低表层倒流强度；
3）水位上升过程：
库区水位上升过程中支流上游来流温度低于库湾水体，在这一过程中减小支流上游来流量至较低水平，以减小表层倒流强度；
4）水位平稳过程：
库区水位平稳过程中支流上游来流温度低于库湾水体，在这一过程中增加支流上游来流量至较高水平，以降低表层倒流强度。
本发明产生的有益效果是：本发明在深入研究河道型水库支流水华暴发机理及水华频发区流态变化规律的基础上，提出了根据库区水位变动，调节支流上游来流量，在水华频发区形成不利于水华暴发的流态，从而防控水华的生态调度方法。相对于调控库区水位，改变支流上游来流量的方法更切实可行，同时能更科学合理地防控水华。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例一所述方法的调节过程示意图；
图2是本发明的实施例一所述方法的实例中的2010年水华频发期三峡水库坝前水位日变化过程；
图3是本发明的实施例一所述方法的实例中的2010年水华频发期三峡支流香溪河上游来流与库湾水体温度；
图4是本发明的实施例一所述方法的实例中的2010年水华频发期三峡支流香溪河上游来流量。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是一种通过调节支流上游来流量控制水华的生态调度方法。
本实施例解决问题的基本思路：
首先，明确水华发生机制及主要影响因素是有效开展水华防控工作的基础。通常水库蓄水前后，氮磷营养盐浓度、自然光照及水温条件并未发生较大变化。其中营养盐浓度一般均超过水体富营养化阈值，因此水库中氮磷等营养盐对藻类生长的限制作用十分有限。水库蓄水后通常在支流形成倒灌，加上支流上游来流水温较低，形成复杂的分层反向流。目前研究认为蓄水后水动力条件的改变是库区支流水华暴发的主要诱因。支流水华频发区的主要流态包括表层倒流、中层倒流，和不分层流态。其中一定强度的表层倒流能将藻细胞聚集在表层水体，使之接受充足的光照，促进藻类生长，诱导水华暴发；中层倒流能将藻细胞聚集在中下层水体，藻类由于缺少光照生长速率降低，并且难以上浮聚集在水面，能抑制水华暴发；不分层流态中藻类在垂向上均匀分布，不利于水华暴发。因此通过水库调度在水华频发区形成中层倒流或不分层流态，或减小表层倒流强度均能在一定程度上抑制水华暴发。
支流水华频发区流态主要受库区水位变动、库湾水温、支流上游来流温度及来流量的影响。支流上游来流与库湾水体之间的温度差决定了上游来流进入库湾的垂向位置：当上游来流温度低于库湾水体时，来流从底层潜入，更容易形成表层倒流。库区水位变动更主要的是影响支流库湾表层水体的流动：库区水位上升会加剧支流库湾表层水体的倒流；库区水位下降则促使支流库湾表层水体向下游流动，减弱其倒流趋势。支流库湾及上游来流水温主要与季节变化有关，人为控制比较困难。库区水位与支流上游来流量对支流水华频发区流态的影响规律如下：库区水位稳定时，增大支流上游来流量能减弱水华频发区表层倒流强度；2）库区水位上升过程中，减小支流上游来流量能减弱表层倒流强度，甚至转变为不分层流态；3）库区水位下降的过程中，当支流上游来流水温较低，增加上游来流量会引起或增强表层倒流强度；4）库区水位下降的过程中，当支流上游来流水温较高，增加上游来流量会削弱表层倒流，甚至转变为全断面顺流。由此可见，根据库区水位变动，通过调节支流上游来流量在水华频发区形成不利于水华暴发的流态能在一定程度上抑制水华发生。
本实施例所述的方法综合描述为：根据库区水位变动、库湾水温及支流上游来流水温的状态调整支流上游来流量，在水华频发区形成中层倒流或不分层流态，或减小表层倒流强度，以抑制水华暴发。
具体调节方式如下（过程如图1所示）：
1）初始泄水期和泄前稳定期：
库区初始泄水期和泄前稳定期的支流上游来流温度高于库湾水体，在这一时期增加支流上游来流量，以在水华频发区形成不分层流态，或降低表层倒流强度。
初始泄水期和泄前稳定期通常在3月至4月份，支流上游来流温度高于库湾水体，库区水位处于下降或平稳过程。可以通过增加支流上游来流量，尽量在水华频发区形成不分层流态，或降低表层倒流强度，以减小水华风险。
2）水位下降过程：
库区水位下降过程中支流上游来流水温低于库湾水体，在这一过程中将支流上游来流量维持在中低水平，以在水华频发区形成不分层流态，或降低表层倒流强度。
水位下降过程主要包括快速泄水期和汛期中的泄水过程，库区水位迅速下降。该过程中支流上游来流水温低于库湾水体，来流从库湾底层潜入形成顺坡流。可以通过将支流上游来流量维持在中低水平，尽量在水华频发区形成不分层流态，或降低表层倒流强度，抑制水华暴发。
3）水位上升过程：
库区水位上升过程中支流上游来流温度低于库湾水体，在这一过程中减小支流上游来流量至较低水平，以减小表层倒流强度。
水位上升过程主要包括蓄水期和汛期洪峰过程，库区水位迅速上升。同时支流上游来流温度低于库湾水体，非常容易形成强烈的表层倒流，暴发大规模水华。该阶段可以通过减小支流上游来流量至较低水平，减小表层倒流强度，避免水华暴发。
4）水位平稳过程：
库区水位平稳过程中支流上游来流温度低于库湾水体，在这一过程中增加支流上游来流量至较高水平，以降低表层倒流强度。
水位平稳过程主要包括快速泄水前和蓄水后的水位相对稳定的过程。支流上游来流温度低于库湾水体，该阶段可以通过增加支流上游来流量至较高水平，降低表层倒流强度，避免水华暴发。
应用实例：
三峡水库自2003年蓄水以来，在香溪河、大宁河、神农溪等主要一级支流库湾全年均有规模不一的水华发生。支流水华已成为三峡库区最主要的水环境问题，严重威胁库区供水安全和人类健康。
每年三峡库区的调度方案较为一致，主要包括泄水期、低水位运行期、蓄水期和高水位运行期。结合每年实际情况，各阶段的具体时间稍有不同。以2010年数据为例，图2给出了水华频发期（3~9月）三峡库区水位变动过程，根据三峡水位变动特点可分为3个时期：
1）泄水期。三峡库区水位通常在3月至5月初逐步降低至145m。其中3月份为初始泄水期，水位下降速率相对较小；4月份为泄前稳定期，水位缓慢上升；5月份为快速泄水期，水位快速下降至145m。
2）低水位运行期。三峡库区水位通常在6~9月份维持低水位运行。期间受汛期洪峰的影响，会出现水位迅速上升和下降的过程。
3）蓄水期。三峡库区通常在8月末开始蓄水，使水位逐步抬升至175m。其中8月底为快速蓄水期，水位迅速抬升；9月初为蓄后稳定期，水位缓慢下降；然后水位逐步抬升至175m。
可见三峡库区水位共有3种变化过程：水位下降过程、水位平稳过程及水位上升过程。其中水位平稳过程主要包括快速泄水之前和迅速蓄水之后的稳定期。根据实测数据分析，通常水位平稳过程的日水位变幅小于0.3m/d。
图3为2010年三峡水库典型支流香溪河在水华频发期上游来流水温以及库湾表层和底层水温的变化过程。按照上游来流水温与库湾水温的相对关系，可分为两个阶段：
1）3~4月份上游来流水温高于库湾水体，上游来流从表层进入库湾水体，不利于形成表层倒流。
2）5~9月份上游来流水温低于库湾水体，上游来流从底层进入库湾水体，有利于形成表层倒流。
如图4所示，根据2010年香溪河库湾上游兴山水文站实测流量数据，上游来流量的变化范围为12.18~366.86m3/s，平均值为37.92>3/s，其四分之一和四分之三分位数分别约为17>3/s和42>3/s，为中等流量的上下边界。香溪河库湾上游有小当阳、红花坪等8个小型水电站以及古洞口一级和二级两个梯级水库。可见香溪河上游有一定的来流量，并具有一定的调度空间及可操作性。
根据三峡水位变动和支流上游来流水温在不同时期的特点以及对支流水华的影响，同时考虑支流上游来流量及调节能力，提出不同时期上游来流量的调节方案：
（1）初始泄水期和泄前稳定期：
在3月至4月份，应通过支流上游水库调节增大支流上游来流量至中、高水平，即使香溪河上游来流量大于17m3/s，能有效抑制香溪河库湾水华暴发。
（2）水位下降过程：
在5月至9月水位下降过程，将香溪河上游来流量维持在中、低水平，即使上游来流量小于42m3/s。也就是说当三峡水库在快速泄水时，支流上游应尽量错峰泄洪，才能在水华频发区形成不分层流态，有效抑制支流水华暴发。
（3）水位上升过程：
在5月至9月水位上升过程，将香溪河上游来流量维持在低流量水平，即使上游来流量小于17m3/s。也就是说当三峡水库在快速蓄水时，支流上游应同时蓄水，减小下泄流量，避免形成强烈的表层倒流，有利于控制支流水华。
（4）水位平稳过程
在5月至9月水位平稳过程，应增大香溪河上游来流量至大于42>3/s以减弱表层倒流强度，避免水华暴发。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如水库的外部条件、水库的调度变化特点、各个过程的顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
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