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三峡水库香溪河库湾异重流背景下水华暴发影响因子研究

作　者: 杨霞
导　师: 刘德富
学　校: 三峡大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 香溪河库湾异重流水温水下光强营养盐水华
分类号: X52
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

三峡水库蓄水后,库区水位提高、水流减缓、水体扩散能力减弱,受水库回水顶托,水域环境发生巨大变化。位于湖北境内靠近三峡大坝的最大支流-香溪河,从2003年水库开始蓄水后,库湾每年都暴发了不同程度的水华。然而水华暴发的时间、位置和强度却不尽相同,库湾各区域对水华暴发的敏感性表现出一定的差异。水体作为藻类活动和营养物质迁移转化的载体,水流运动状态的改变对水体中藻类生长繁殖起着至关重要的作用。本文基于2009年12月-2010年11月对香溪河库湾水动力、水环境条件的持续监测数据资料,分析了库湾水动力特性,并对库湾水动力背景进行了分区;在分区的基础上,进一步研究库湾水环境因子变化特性,探讨库湾各区域水华暴发的主要影响因子,为库湾水华的防控提供一定的理论依据。通过监测和统计分析,得到如下初步认识:(1)基于2009年12月-2010年11月库湾现场监测数据,发现库湾下游存在倒灌异重流,上游来水以底部异重流形式流出库湾,性质相对保守的电导率能够佐证库湾这一水动力特性。2010年库湾倒灌异重流表现为从底部-中层-表层转化,枯水期主要以底部异重流形式进入库湾,泄水期、汛期以中层异重流形式进入库湾,蓄水期以中层或表层异重流形式倒灌进入库湾。倒灌异重流层厚度较大,变化范围为20.31-58.74 m,相对厚度在0.28-0.67间变化,层平均流速变化范围为1.94-5.53 cm/s。(2)香溪河库湾异重流形成的根本原因是水库干流与支流库湾水体温差和含沙量差,其中温差是主导因素。影响倒灌异重流层厚度的主要因素为水库干流与库湾表层水体密度差及库水位,密度差越小,异重流层厚度越大,而库水位越高,异重流层厚度相应越大;影响倒灌异重流潜入距离的主要因素有水位及水位日变幅。(3)通过库湾水动力概率特征值(缓流率、稳定率、倒灌率、累积率)聚类分析,可将库湾分为以下4个区域:XX00-XX02,XX03-XX05,XX05-XX08,XX09-XX10,依次记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区。(4)基于水环境因子的现场监测数据,得出香溪河库湾水体TN浓度较高,变化范围为0.05-2.54 mg/l,年均值为1.11 mg/l,水体NO3-N在总氮中所占的比例为63.06%。库湾N营养盐浓度按季度从高至低,依次为冬季、夏季、春季、秋季,从Ⅰ区至Ⅳ区N营养盐浓度逐渐减小。库湾水体TP浓度高,变化范围为0.03-0.78 mg/l,年均值为0.15 mg/l,P营养盐浓度按季度从高至低,依次为春季、冬季、夏季、秋季,从Ⅰ区至Ⅳ区P营养盐浓度逐渐增大。库湾各区域D-Si浓度相差不大,但季节性差异较为明显。(5)香溪河库湾水温垂向分布时空差异显著,下游受干流倒灌异重流影响,水体垂向分层不明显;上游受底部异重流影响水体垂向分层程度较大,表底温差最高可达11.48℃。库湾水体夏季最为稳定,易分层,冬季水体混合相对均匀。水体表层混合层深度夏季最低,在0.56-2.76 m间变化;冬季最高,下游可达98 m。各区域水体垂向稳定系数及表层混合层深度差异性均显著。(6)库湾水体光衰减系数全年呈先增大后减小的抛物线型,其与叶绿素a浓度呈显著的正相关关系,r2=0.74,表明浮游植物生物量是影响香溪河库湾光衰减系数的主要因子。同时,水体透明度倒数与光衰减系数也呈显著的正相关关系,r2=0.75,说明透明度能够一定程度上反映水体光衰减程度。库湾水体真光层深度与透明度呈显著的正相关关系,r2=0.76。真光层和透明度冬季较大,春、夏季较小,各区域水体真光层和透明度差异性显著。另外,表征光照在垂向的分布和水体在垂向上的掺混对藻类生长的影响的指标Zeu /Zmix全年呈先增大后减小的趋势,秋冬季Zeu /Zmix值较小,春、夏季Zeu /Zmix值较大,表明春夏季浮游植物的生长不易受光照的限制。库湾各区域Zeu /Zmix值差异性不显著。(7)监测时段内,香溪河库湾除秋季蓄水过程水华暴发不严重外,其他时段均暴发严重的水华,叶绿素a浓度最高可达227.84 mg/m3。对整个库湾而言,上游水体水华暴发较中下游严重,结合水动力分区来看,从Ⅰ区至Ⅳ区,水华暴发情势逐渐加重。相关性分析发现,藻类生长对NO3-N、PO4-P、D-Si等无机营养盐的摄取利用过程明显。XX00-XX02水域藻类生长受库水位、水体垂向稳定系数、水温、混合层深度(Zmix)、真光层深度(Zeu)及Zeu/Zmix比影响;XX03-XX05水域受库水位、水位日升变幅、水体垂向稳定系数、混合层深度(Zmix)、真光层深度(Zeu)影响;XX06-XX08水域受库水位、水体垂向稳定系数、混合层深度(Zmix)、真光层深度(Zeu)及Zeu/Zmix比影响;XX09-XX10水域受上游来流量、混合层深度(Zmix)、Zeu/Zmix比影响。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-23
  1.1 研究背景  11
  1.2 研究目的及意义  11-12
  1.3 藻类水华研究现状  12-21
  1.4 本文主要研究内容及技术路线  21-23
2 香溪河库湾概况及现场监测方案  23-27
  2.1 香溪河库湾概况  23-24
  2.2 现场监测方案  24-27
3 三峡水库香溪河库湾水动力特性分析  27-46
  3.1 前言  27
  3.2 研究方法  27-28
  3.3 香溪河库湾水位、入库流量变化过程  28-30
  3.4 香溪河库湾水流时空变化特性  30-35
  3.5 香溪河库湾异重流成因分析  35-40
  3.6 香溪河库湾倒灌异重流潜入厚度与潜入距离分析  40
  3.7 香溪河库湾水动力背景分区  40-45
  3.8 本章小结  45-46
4 香溪河库湾水环境因子时空分布特征  46-69
  4.1 前言  46
  4.2 香溪河库湾营养盐变化特性  46-53
  4.3 香溪河库湾水温特性  53-59
  4.4 香溪河库湾光学特性  59-67
  4.5 本章小结  67-69
5 香溪河库湾水华暴发主要影响因子分析  69-80
  5.1 前言  69
  5.2 香溪河库湾水华暴发时空变化特性  69-71
  5.3 库湾各区域叶绿素A 与环境因子相关性分析  71-79
  5.4 各区域主要影响因子差异性分析  79
  5.5 本章小结  79-80
6 结论与展望  80-83
  6.1 主要研究成果  80-81
  6.2 研究展望  81-83
参考文献  83-90
致谢  90-92
附录  92
  A 攻读硕士学位期间发表的学术论著  92
  B 攻读硕士学位期间参与的项目研究  92

三峡水库香溪河库湾异重流背景下水华暴发影响因子研究

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