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工程硕士论文:淮河中上游闸坝建设的水量水质变化效应研究

时间:2017-10-26 16:53来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是水利工程论文,本文在分析国内外水文序列变异研究及闸坝建设的环境效应研究进展的基础上,选取闸坝建设众多的淮河中上游流域为研究区,针对闸坝建设对水量水质变化效应
1   绪论 
 
1.1  研究背景及意义
水资源自身属性及自然特性决定了其对于人类、生物、环境系统的重要性,作为维持生物生存的基础性资源和促进社会发展及进步的战略性资源,其开发利用涉及到经济、环境、社会等各个领域,对人类社会的进步和发展发挥着不可替代的作用。最近几十年,由人口增长、人们用水水平不断提高引起的水短缺、水污染等问题导致水资源管理保护工作的形势更加严峻。现阶段,我国面临着复杂的水资源短缺、生态环境问题突出等问题,决定了我国在水资源管理方面的工作具有长期性和艰巨性,同时也决定了开展水环境综合治理与保护工作的重要性、必要性以及持续性。 河流具有社会功能、自然功能以及生态功能[1],为生活、灌溉、饮用、发电等提供各项用水,是人类开发利用水资源以及实施水资源管理的主要渠道,被人类不断开发、利用、调整和治理,受人类活动的影响显著。河流调控已经是一个全球性的现象[2-3]。据国际大坝委员会(ICOLD)统计,在全球范围内 140多个国家,1998 年已经建筑完成的大坝超过 49248 座,水闸至少有 80 万座[3]。而且,一半的闸坝在中国。 根据《全国水利发展统计公报(2014 年)》,我国已经建成流量 5m3/s 及以上的水闸约有 98686  座,其中大型的水闸大约为 875 座,已经建成的发挥不同功能的水库大约为 97735 座,其中大型的水库主要有 697 座。与 2007 年相比,水利建设投资由 1026.5 亿元增加到 4345.1 亿元,水闸数量是 2007 年的 2.4 倍,各类水库增加 12323 座。在近十年里,我国闸坝建设无论是投资还是建设规模均在不断扩大。闸坝工程在发挥着巨大社会经济效益的同时也带来一系列的负面影响。据统计,截止到 2011 年,全球百分之六十以上的河流均已被水利工程截断[3],闸坝的建设导致人为的截断了河流,改变河流天然径流过程,对水量、水质及生态环境等产生一定影响[4],威胁河流水环境。 
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1.2   国内外研究进展
水文序列一直是分析水文资料变化规律最主要、最基础的数据来源和信息来源。但是由于受到人类活动以及降水等气候变化的影响,径流序列可能发生一定的改变,进而导致水文序列发生一定程度的变异。为了探讨水文序列的变化以及人类活动对其变化的影响,国内外专家学者对水文序列变异做了大量的研究工作。目前比较常见的水文序列变异检验方法多是由国外专家学者提出,主要包括 Hurst 系数法、Brown-Forsythe 检验法、Lee-Heghinian 法、Pettitt 检验法、Mann-Kendall 检验法、Yamamoto 法等等。后经过各种研究与探讨,我国专家学者在其基础上,结合我国基本水情及气象条件等,对这些检验方法进行改进,以更好地适用于我国各流域的具体情况。1965 年英国学者 Hurst 提出一种处理时间序列的方法,即 R/S 分析方法(Rescaled Range Analysis );Brown-Forsythe  检验法是 Brown  和 Forsythe[10-11]于 1974 年提出的,主要是对单因子方差分析法的改进,克服单因子方差分析法对样本要求比较高等问题;基于贝叶斯理论,Lee和 Heghinian[12]在 1977 年提出了 Lee-Heghinian 法,适合于均值发生变化的情况;Pettitt 检验法是一种非参数检验法,首先由 Pettitt[13]提出,多用于检验时间序列发生突变的时间;Mann-Kendall 法是 Mann[14]首先于 1945 年提出的,其后,Kendall[15]在 1975 年对该方法进行改进,进而形成了 Mann-Kendall 检验法,该方法是一种非参数检验方法,不受样本及分布类型的限制,因此在水文分析中被广泛应用;Yamamoto 检验法最先应用于气温、日照等序列的突变检验中[16]。 
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2   研究区概况 
 
本研究以淮河流域中上游为研究区。淮河古称淮水,发源于河南省南阳市桐柏县西部的桐柏山主峰太白顶西北侧河谷,是中国七大河之一,流域地跨河南、安徽、湖北、山东、江苏五省是中国东部地区的主要河流,南北分别与中国两大河流长江和黄河相邻。淮河流域河道纵横水系发育良好从西到东地势由山丘向平原过渡,该流域也是我国主要的粮食主产区之一。自新中国成立以来,淮河流域中上游流域上修建大量的水库及闸坝等水利工程,以起到调节径流的作用,为淮河流域的生活及工业用水、农业灌溉等提供重要支撑。因此,本文以闸坝及水库建设比较集中的淮河中上游流域为研究区,研究闸坝建设对河流水动力条件及水质变化的影响。 
 
2.1流域概况
淮河中上游流域主要处于第三级阶梯,整体地势西北高东南低,由西北向东南倾斜,其中,淮南山区向北倾斜。淮河流域内平原是主要的地貌类型,平原地区面积约为 14.77 万 km2,占淮河整体流域面积的 56%;山区及丘陵区所占面积较小,总面积约为 8.6 万 km2,占流域面积的 31%;主要要分布于流域的西部、南部和东北部;其余地区分布有零星的湖泊、洼地等地形,面积为 3.6 万km2,占流域总面积的 13%。 淮河水系发源于桐柏山,上游伏牛山、桐柏山区的高程在 200~500m 之间,位于沙颍河上游的石人山是流域内最高点,海拔高度为 2153m;淮河流域东北部为沂蒙山区,区内最高海拔 1156m,平均高程在 200~500m 之间;淮河流域南部为大别山区,最高海拔点位于淠河上游为 1774m,该区高程多在 300~500m之间。山区延伸的部分多为丘陵,流域西部丘陵的高程多在 100~200m 之间,东北部丘陵的高程多在 100m 左右,而南部丘陵的高程则多在 50~100m 之间。淮河流域平原的高程多处为 2~50m 之间。  
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2   研究区概况 本研究以淮河流域中上游为研究区。淮河古称淮水,发源于河南省南阳市桐柏县西部的桐柏山主峰太白顶西北侧河谷,是中国七大河之一,流域地跨河南、安徽、湖北、山东、江苏五省是中国东部地区的主要河流,南北分别与中国两大河流长江和黄河相邻。淮河流域河道纵横水系发育良好从西到东地势由山丘向平原过渡,该流域也是我国主要的粮食主产区之一。自新中国成立以来,淮河流域中上游流域上修建大量的水库及闸坝等水利工程,以起到调节径流的作用,为淮河流域的生活及工业用水、农业灌溉等提供重要支撑。因此,本文以闸坝及水库建设比较集中的淮河中上游流域为研究区,研究闸坝建设对河流水动力条件及水质变化的影响。 2.1 流域概况 (1)地理地貌 淮河中上游流域主要处于第三级阶梯,整体地势西北高东南低,由西北向东南倾斜,其中,淮南山区向北倾斜。淮河流域内平原是主要的地貌类型,平原地区面积约为 14.77 万 km2,占淮河整体流域面积的 56%;山区及丘陵区所占面积较小,总面积约为 8.6 万 km2,占流域面积的 31%;主要要分布于流域的西部、南部和东北部;其余地区分布有零星的湖泊、洼地等地形,面积为 3.6 万km2,占流域总面积的 13%。 淮河水系发源于桐柏山,上游伏牛山、桐柏山区的高程在 200~500m 之间,位于沙颍河上游的石人山是流域内最高点,海拔高度为 2153m;淮河流域东北部为沂蒙山区,区内最高海拔 1156m,平均高程在 200~500m 之间;淮河流域南部为大别山区,最高海拔点位于淠河上游为 1774m,该区高程多在 300~500m之间。山区延伸的部分多为丘陵,流域西部丘陵的高程多在 100~200m 之间,东北部丘陵的高程多在 100m 左右,而南部丘陵的高程则多在 50~100m 之间。淮河流域平原的高程多处为 2~50m 之间。  
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2.2研究区基本情况
研究区的南部以及西部地区多是山区,其高程多介于 500~2000m 之间,研究区的北部界限是黄河南堤,涡河是其东北部的边界。在研究区内,除山区以外,大部分的地区地势比较平坦。从降雨量来看,研究区内的降雨量由南向北呈现逐渐递减的趋势,对于南部的山区,其降雨量约为 1400mm,而北部沿黄河的地区只有 600mm 左右。从径流来看,研究区内的年平均径流深由南向北也呈现明显的递减趋势,径流深从南部的 900mm 降低到北部的 50mm。研究区内的多年平均蒸散发量大约在 500~600mm 之间。 研究区内的下垫面类型主要以旱田为主,多分布在淮河以北地区,占下垫面的 60%左右;水田约占 18%,多分布在淮河以南地区,在北部也有少量的分布区域;草地约占 4%,城镇用地约占 13%,水域约占 3%左右,等等。在研究区内,小城镇及村庄遍布。研究区具体下垫面情况如图 2.1 所示。
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3   闸坝建设与径流变化关系识别 ....... 18 
3.1   总体研究思路与方法 ........ 18 
3.1.1   总体研究思路 .......... 18
3.1.2   研究方法 .......... 19 
3.2   数据选择 .... 22 
3.3   径流序列趋势及突变分析 ........ 24 
3.4   径流序列变异的主要影响因素 ........ 39 
3.4.1   降水变化对径流序列变异的影响 .......... 39 
3.4.2   下垫面变化对径流序列变异的影响 ...... 43 
3.4.3   闸坝建设对径流序列变异的影响 .......... 45 
4   考虑闸坝建设的水量水质过程模拟 ....... 48
4.1   MIKE11 理论方法 ..... 48 
4.1.1   MIKE11 水动力模块 ....... 48 
4.1.2   MIKE11  水质模块基本方程 .......... 50 
4.2   研究区水动力模型构建 .... 50
5   闸控河段水量水质变化过程研究 ........... 70 
5.1   情景设计 .... 70 
5.2   不同来水条件下水量水质变化过程模拟与分析 .... 70 
5.3   不同闸门开度下水量水质变化过程模拟与分析 .... 74
5.4   相同来水条件下水量水质变化过程模拟 ........ 81 
 
5   闸控河段水量水质变化过程研究 
 
水闸作为人类活动影响河流形态的主要水利工程之一,对河流流量、水质等具有一定的影响。淮河是受水利工程影响比较大的河流之一,其上修建了众多规模不一的水闸,且多集中分布在淮河中上游。本章主要是对淮河中上游干流,以及淮河主要的支流沙颍河及涡河等闸控河段的水量水质变化过程进行研究。 
 
5.1情景设计
情景分析技术是通过对预测对象未来可能出现的情景作出合理的拟定,描述未来可能出现的情况或引起的后果,可以动态评估事故风险,是一种半定量的间接评价方法。本章以淮河中上游流域 2000 年来水条件等资料作为背景资料,运用上一章建立的水动力模型和水质模型,进行多情景水量水质变化过程模拟。 考虑来水条件的变化,闸门开启高度的不同等条件,共设计 9 个情景。情景 1~情景 3 是在有闸坝情况下,模拟不同来水条件下水量、水质变化过程;来水条件主要考虑来水条件不变、75%来水条件以及左右岸不同来水条件相遭遇等三种情况。情景 6、情景 7 是在考虑无闸情况下,模拟不同来水条件下水量、水质的变化过程;情景 4、情景 5 是在考虑闸门开启高度降低 50%情况下,模拟不同来水条件下水量、水质的变化过程。情景 8 是考虑部分闸门开度降低 50%情况下,模拟来水条件不变情况下水量水质的变化过程。具体情景设计如表 5.1 所示。 
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结论
 
为开发利用水资源,在河流上修建了众多诸如水闸、大坝等水利工程,人为的截断天然河道,并对天然河道进行裁弯取直等处理,影响着河流的水量水质的改变。近年来,随着水资源的短缺、水污染及水生态问题的加剧,越来越多的专家学者研究及论证闸坝建设对河流的影响,并关注于如何通过闸坝调度在发挥经济、社会效益的同时,消除闸坝建设对水生态、水环境的影响。 本论文选取闸坝众多的淮河中上游流域为研究区域,以区域内 11 个监测站点为研究对象,在收集整理数据资料的基础上,对各监测站 1960~2010 年的径流序列变异进行分析,并对影响径流序列变异的主要影响因子进行分析,进一步分析了闸坝建设对径流序列变异的影响。流量的改变不仅对流速、河道形态、水生态等产生影响,同时也会改变水体中各种污染物迁移转化的速率,进而影响水质变化。为探究闸坝建设对水量水质具体产生怎样的影响,本文基于流量、水位等水文资料,构建了水动力模型和水质模型。应用构建的模型,开展了不同闸门开度、不同来水条件下的水量水质变化过程模拟,在大量情景设置的基础上,分别具体分析了闸坝建设、来水条件对水量水质变化过程的影响,为发挥闸坝建设经济效益、社会效益的同时消除闸坝对水量水质的不利影响提供参考和依据。通过研究,本文主要取的以下几点结论: 
(1)在不同时间尺度上,对研究区 11 个监测站 1960~2010 年的径流序列进行了变异检验,主要包括趋势检验和突变检验。在趋势检验的过程中,采用了 Mann-Kendall 非参数检验法和 Spearman 秩次相关检验法分别进行趋势检验,结果表明,两种方法的趋势检验结果相似,11 个监测站 1960~2010 年的径流序列趋势变化基本不显著;在突变检验的过程中,采用 Mann-Kendall 检验法和有序聚类检验法两种方法对径流序列进行检验,当两种检验方法的检验结果均是存在突变时则认为在该年份径流序列存在突变,结果表明,王家坝、周口、阜阳、固镇、蒋集站共计 5 个监测站的径流序列存在突变。并对可能影响径流序列变异的影响因素进行分析,从而进一步分析了闸坝建设对径流序列变异的影响。
(2)为进一步研究闸坝建设具体对水量水质的影响,在收集整理研究区流量、水位、水质等资料的基础上,本文基于 MIKE11 软件构建了考虑闸坝影响的淮河中上游水动力模型和水质模型,其中水质模型中主要选取 COD、NH3-N为主要指标。结合收集的监测水动力资料和水质资料,对构建的模型进行参数率定和模型验证。通过模型验证发现,构建的水动力模型和水质模型能够较好的模拟闸控河段水量水质的变化过程。 
(3)通过设置不同来水条件、有无闸坝建设等多情景,运用构建的水动力模型和水质模型,对淮河中上游流量和水质变化过程进行模拟,并选择典型断面的模拟结果,对流量和水质在不同来水条件、不同闸门开度等情景下的变化过程进行分析。  
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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