窦明 等：闸控河流水环境模拟与调控理论研究

随着人类社会的快速发展，为了满足人类社会对水资源日益增长的需要，人类加大了对河流的开发力度，在河道内修建了大量的闸坝工程。闸坝作为人类开发管理水资源的重要工具，在防洪排涝、拒咸蓄淡、灌溉供水、通航养殖、景观娱乐等方面起着积极作用，而闸坝建设却截断了天然河流的连续性，导致水流流速趋缓，河道径流减少，水体自净能力降低，水污染加剧。闸坝建设的负面效应给河流水资源开发管理带来了新的挑战，并给下游地区造成了很大的水污染防治压力。因此，如何正确处理流域开发与水环境保护之间的关系，客观评价闸坝建设对流域水文水环境的影响，消除闸坝建设对河流水环境的不利影响，是我国流域开发中面临的亟待解决的科学问题之一。

作者对闸控河流水环境模拟与调控理论进行深入研究，综合作者近年来的主要研究成果，撰写出《闸控河流水环境模拟与调控理论研究》一书，以期对该研究方向的学生、学者有所借鉴。

全书主要内容

第1章绪论。首先对闸控河流水环境模拟与调控理论研究的背景进行概述，然后分别从闸坝建设的环境影响评价、水质转化机理、河流水质数学模型和水文序列变异分析四个方面总结国内外研究现进展，最后分析目前存在的问题，并提出研究思路。

第2章解析闸控河流水质多相转化基本原理。受到闸坝等水利工程建设的影响，流域下垫面条件发生了较大变化，同时闸坝的修建阻断了河流天然的连续性，带来了河流生态环境不断恶化、生物多样性锐减等问题。流域水利工程建设对河流径流的演变和生态环境系统的影响研究不仅是国际上生态水文学领域研究中的前沿问题之一，也是流域综合管理中面临的一项具有普遍性、复杂性和紧迫性的任务。本章在分析闸坝建设对河流原有特性的影响及河流天然属性变化的基础上，剖析水闸调度作用下水质的多相转化过程，并探讨水闸调度对水质多相转化的驱动作用，为厘清污染物在闸控河流水体不同相态间的转化提供理论基础。

▲关闸时水质多相转化概念图

▲开闸时水质多相转化概念图

第3章介绍闸控河流水质多相转化数学模型研制。水质多相转化问题极为复杂，涉及多个学科的研究领域，主要包括水文、水动力、泥沙、水质等。淮河流域闸坝众多，在研究水质多相转化时，必须考虑水闸调度的影响，本章以MIKE11模型中的HD模块和ECO Lab模块为基础，HD模块考虑了河道内水工建筑物对河流水动力条件的影响，为验证过闸流量计算的精度高低，结合槐店闸2005~2012年实测数据，根据五种过闸流量方法进行计算并对结果进行比较分析；同时将水质迁移转化基本方程、吸附-解吸过程描述方程、沉降-再悬浮过程描述方程和水生生物生长-死亡过程描述方程耦合到ECO Lab模块中，建立考虑水闸调度作用的水质多相转化模型，为分析闸控河流水质多相转化过程及水闸调度所起的作用提供有效工具。

第4章运用构建的考虑水闸调度的水质多相转化模型，对闸控河段水质多相转化规律进行分析。首先，根据实验所设置的闸门调度方式，对实验期水质浓度变化进行模拟分析，并验证实验监测结果的准确性，为模拟分析提供参考；其次，设置相同开度不同开启个数和相同开启个数不同开度两种情景，模拟分析闸门调度方式对水质多相转化的影响；再次，在对水质多相转化模拟的基础上，计算水闸调度在水质多相转化过程中的贡献率大小；最后，设置无闸情景及一系列的闸门开启高度，通过对模拟结果的对比分析，指出不同开启高度下的主导反应机制。

第5章聚焦到闸控河段这一微观角度，在评估水闸调度和入河污染负荷对闸控河流水质影响的基础上，探索水质浓度与闸门调度方式、污染负荷之间的复杂非线性关系。为此，首先对闸控河段主要水质浓度影响因子进行识别，并采用情景模拟及对比分析的方法评估其对水质浓度的影响，进而提出水闸调度-水质浓度量化关系和来水污染负荷-水质浓度量化关系，其研究结果为水闸调度改善河流水质的可调性提供必要的依据。

第6章开展水闸调度对河流水质改善的可调性识别方法的研究。随着水闸的数量及规模的不断发展，水闸对河流水环境的影响越来越明显。然而不合理的水闸调度方式会使下游河道受到严重污染，合理的水闸调度方式可以最大限度地利用水体纳污能力，进一步地改善河流水质。厘清水闸调度有效改善河流水质的可能性是进行水闸科学调度的基础，因此在闸控河段水质转化机理、水闸调度影响模型及量化关系研究的基础上，开展水闸调度对河流水质改善的可调性识别方法的研究，其结果对实现水闸科学调度、改善河流水环境状况具有一定的指导意义。

第7章分析闸坝建设对径流变化影响。首先，主要提出闸坝建设对径流变化影响的研究思路与研究方法，并通过径流序列筛选，利用Hurst系数法对径流序列进行检验，采用Mann-Kendall非参数检验法和Spearman秩次相关检验法分析径流序列的变化趋势，同时总结径流序列的突变情况；最后分析降水变化下垫面变化和闸坝建设对径流序列变异的影响。

▲闸坝建设对径流变化影响研究思路

第8章介绍闸坝群作用下的水环境数学模型研制。对研究区概化的基础上，构建闸坝群调度下的水动力学模型，并对模型的参数进行率定和验证，同时构建闸坝群水环境学模型并对模型的参数进行率定和验证，结果表明构建的闸坝群调度下的水动力学模型和水环境学模型具有较高的精度。

第9章介绍闸坝群联合调控下的水量水质影响。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。本章将主要对淮河中上游干流，以及淮河主要的支流沙颍河、涡河等闸控河段的水量、水质变化过程进行研究。

作者简介

窦明，1975年11月生，郑州大学教授、博士生导师，国际水资源协会会员，中国自然资源学会水资源专业委员会委员。获宝钢优秀教师奖、全国水利工程专业学位研究生优秀指导教师、河南省高校科技创新人才等称号。主要从事水资源管理政策与理论、水环境演变机理、水环境数学模型研究。发表学术论文170余篇，其中SCI、EI检索45篇。主编国家级、行业规划教材5部，出版学术专著6部。主持国家自然科学基金、国家社科基金重大项目子课题、水利部项目等纵向课题17项。

本文摘自《闸控河流水环境模拟与调控理论研究》（窦明 张彦 米庆彬 赵培培 郑保强 著. 北京: 科学出版社， 2020.11）一书，有删减，标题为作者所加。

ISBN：978-7-03-066464-8

责任编辑：刘畅

电话：027-87199491

邮箱：liuchangwh@mail.sciencep.com

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第1章 绪论

1.1 概述

1.2 国内外研究进展及存在的问题

1.2.1 国外研究进展

1.2.2 国内研究进展

1.2.3 存在问题分析

1.3 本书研究思路

第2章 闸控河流水质多相转化基本原理解析

2.1 闸控河流水流特征分析

2.2 水质多相转化过程分析

2.3 水闸调度对水质多相转化的驱动作用分析

2.3.1 水闸关闭下的水质转化驱动机制

2.3.2 水闸开启下的水质转化驱动机制

第3章 闸控河流水质多相转化数学模型研制

3.1 整体设计思路

3.2 研究对象选取及闸控河段概化

3.2.1 研究对象选取

3.2.2 闸控河段概化

3.3 考虑水闸调度作用的水动力学模型构建

3.3.1 闸控河段水动力学模型构建

3.3.2 过闸流量计算公式改进

3.4 水质多相转化数学模型构建

3.4.1 水质指标及其相互作用

3.4.2 水质迁移转化基本方程

3.4.3 吸附-解吸过程描述方程

3.4.4 沉降-再悬浮过程描述方程

3.4.5 水生生物生长-死亡过程描述方程

3.4.6 模型求解方法

3.4.7 输入条件设置

3.5 模型参数率定和验证

3.5.1 水动力学模型参数率定与验证结果分析

3.5.2 水质多相转化模型参数率定与验证结果分析

3.6 参数敏感性分析

3.7 小结

第4章 闸控河流水质多相转化规律分析

4.1 基于现场调度实验模拟结果分析

4.1.1 不考虑水质多相转化机制的水质模拟结果

4.1.2 考虑水质多相转化机制的水质模拟结果

4.1.3 藻类模拟结果

4.2 基于调度情景下的水质多相转化过程模拟分析

4.2.1 情景设置

4.2.2 情景模拟

4.3 水闸调度对水质多相转化的贡献率计算

4.3.1 水闸调度情景设计

4.3.2 情景模拟结果分析

4.3.3 水闸调度贡献率分析

4.4 不同调度方式下的主导反应机制分析

4.4.1 主导反应机制识别方法

4.4.2 不同调度情景下的主导反应机制分析

4.5 小结

第5章 闸控河流水质影响评估及量化关系构建

5.1 水闸调度对闸控河流水质影响的评估

5.1.1 调度情景设计

5.1.2 情景模拟

5.1.3 水闸调控对河流水质变化的影响分析

5.2 入河污染负荷对闸控河流水质影响的评估

5.2.1 入河污染负荷情景设计

5.2.2 不同入河污染负荷情景下的模拟结果

5.2.3 入河污染负荷对水质变化的影响分析

5.3 闸控河流水质主要影响因子识别及量化关系构建

5.3.1 闸控河流水质浓度变化率主要影响因子识别

5.3.2 溶解相COD与主要影响因子量化关系构建

5.3.3 溶解相TP与主要影响因子量化关系构建

5.3.4 溶解相TN与主要影响因子量化关系构建

5.3.5 闸控河流水质浓度综合变化率量化关系构建

5.4 其他水闸水质浓度综合变化率的量化关系

5.4.1 周口闸的计算结果与量化关系

5.4.2 界首闸的计算结果与量化关系

5.4.3 阜阳闸的计算结果与量化关系

5.4.4 颍上闸的计算结果与量化关系

5.5 小结

第6章 水闸调度对水质改善的可调性

6.1 可调性的界定

6.2 可调性判别方法

6.2.1 总体思路

6.2.2 判别指标的选取及计算

6.2.3 判别标准

6.3 重点水闸的可调性判别

6.3.1 水闸调度情景设计

6.3.2 槐店闸可调性判别

6.3.3 周口闸可调性判别

6.3.4 阜阳闸可调性判别

6.3.5 颍上闸可调性判别

6.4 小结

第7章 闸坝建设对径流变化影响分析

7.1 研究思路与方法

7.1.1 研究思路

7.1.2 研究方法

7.2 径流序列筛选

7.3 径流序列趋势及突变分析

7.3.1 Hurst系数法

7.3.2 径流序列趋势分析

7.3.3 径流序列突变分析

7.4 径流序列变异的主要影响因素

7.4.1 降水变化对径流序列变异的影响

7.4.2 下垫面变化对径流序列变异的影响

7.4.3 闸坝建设对径流序列变异的影响

7.5 小结

第8章 闸坝群作用下的水环境数学模型研制

8.1 研究区基本情况

8.1.1 研究区水系

8.1.2 研究区概化

8.2 闸坝群调度下的水动力学模型

8.2.1 水动力学模型构建

8.2.2 水动力模型参数率定

8.2.3 水动力模型验证

8.3 闸坝群水环境数学模型构建

8.3.1 研究区水质模型结构构建

8.3.2 水质模型参数率定

8.3.3 水质模型验证

8.4 小结

第9章 闸坝群联合调控下的水量水质影响

9.1 情景设计

9.2 不同来水条件下水量水质变化模拟过程分析

9.3 不同闸门开度下水量水质变化模拟过程分析

9.3.1 所有闸门开度降低50%条件下水量水质变化模拟过程

9.3.2 部分闸门开度降低50%条件下水量水质变化模拟过程

9.3.3 无水闸建设情况下水量水质变化模拟过程

9.4 相同来水条件下水量水质变化模拟过程分析

9.5 小结

参考文献

本书针对目前闸坝建设引起河流生态与环境变化的问题，基于闸控河流水质多相转化基本原理解析建立水质多相转化数学模型，对不同情景下的水质多相转化规律进行分析，识别影响水质浓度变化的主要因子并构建水质浓度变化率与主要因子的量化关系，分析水闸调度对水质改善可调性及闸坝建设对径流变化的影响，在构建闸坝群作用下的水环境数学模型的基础上模拟不同情景闸坝群联合调控下水质水量的变化过程，为科学制订水闸运行调度方案提供重要依据。

本书可供水文学及水资源、环境科学、管理科学的科研人员和高校师生，以及从事水利工程、环境工程和市政工程的技术人员参考阅读。

（本文编辑：刘畅）

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