水库泥沙絮凝现场观测及分析

3.3.2.1 三峡水库水体背景资料解析

三峡水库主要离子浓度见表3.3-1。由表可见，阴离子浓度最大为硫酸根，变化范围为19.19～23.52mg/L之间，变异系数为5.5%；其次为氯离子，变化范围为6.51～0.02mg/L之间，变异系数为13.5%；最小为氟离子，其在三峡库区水体中含量最稳定，浓度基本无变化。阳离子浓度最大为钙离子，变化范围为38.51～47.35mg/L之间，变异系数为6.7%；其次为钠离子，变化范围为13.58～20.54mg/L，变异系数为1314%；再次为镁离子，变化范围为11.58～14.98mg/L，变异系数为812%；最小为钾离子，变化范围在2.80～4.36mg/L，变异系数为13.2%。

表3.3-1　三峡水库主要离子浓度　单位：mg/L

根据三峡水库入库流量与过流面积可以大致估算出库区的平均流速，非汛期蓄水发电时，坝前平均流速在0.1m左右；汛期水位降低，加之入库流量加大，平均流速增大，可达0.7m以上。从流速的空间分布来看，由于过水面积沿程增加，相应的断面平均流速沿程减小。

三峡水库蓄水运用后库区干流泥沙含量仍存在季节性变化特征，但差异程度已较蓄水运用前大为降低。从寸滩断面来看，蓄水运用后，库尾水域泥沙含量的季节性变化特征仍然非常明显，但泥沙含量较蓄水运用前已有明显下降。从万州沱口断面和坝上太平溪断面来看，库中和库首水域泥沙含量的季节性差异在蓄水运用后显著减小。库中的万州沱口断面泥沙含量在2011年汛期最高值约为120mg/L，而在蓄水运用前的2001年汛期最高值约为1200mg/L。坝上太平溪断面在2011年汛期最高值仅为49mg/L，而在蓄水运用前的2001年汛期最高值为1629mg/L，可见蓄水运用后库区干流泥沙含量的下降主要发生在汛期。

三峡水库在蓄水运用初期，2003年6月至2004年6月的监测结果显示，最高水温约为25℃，出现在7月末8月初；最低水温约为10℃，出现在2月。蓄水运用初期水库水体没有出现明显的水温分层现象。

根据目前已经收集的三峡水库水体环境因素，包括水体主要阳离子种类和含量、水流流速、含沙量、泥沙级配及水温变化等，结合前面的泥沙絮凝基本原理及影响因素的范围，可以初步分析得出三峡水库水体环境具备了泥沙絮凝的环境要素，可能存在泥沙絮凝。

3.3.2.2 三峡水库絮凝程度现场取样资料分析

为了进一步证实三峡水库存在泥沙絮团，在库区选取有可能产生絮凝的位置取样，采用级配对比方法分析是否存在絮团及絮团的基本特征。具体的研究方式为：采用LISST现场观测水体中的泥沙粒径级配，并将取出的水样带回实验室，用双氧水除去水中的有机物，用偏磷酸钠中和水中阳离子，基本将有助于泥沙絮凝的因素消除；然后采用超声波振荡的方式破坏水体中可能存在的泥沙絮团，将泥沙分解成单颗粒，之后采用马尔文激光粒度仪测得室内级配，最后与现场观测级配进行对比，分析出水库中是否存在泥沙絮团。现场观测和室内试验测量仪器在正式测量之前进行了对比校正，确保数据不会出现系统性偏差。

在三峡库区布置了两个河段进行现场观测，分别是奉节河段和庙河—坝前河段，其具体位置如图3.3-3所示。奉节河段布设有S113、S114、S116、S118共4个断面，44条垂线，308个测点；庙河—坝前河段布设有8个监测断面，除坝前DX01断面布置3条垂线外，其余7个监测断面上各布置10条垂线，每条垂线从水面至河床依据相对水深布置7个测点，总计73条垂线，511个测点。现场测量时间为2013年汛期7月15—18日连续4天，测量数据包括各个监测点的水温、流速、含沙量和颗粒级配，并从中选取代表性测点，在其位置上进行悬移质泥沙取样，并带回实验室进行单颗粒粒径级配的分析。此外，除了进行上述水体测点的取样分析之外，本研究还对坝区淤积的表层底泥进行了取样分析，取样时间为2013年12月9日，取样距离坝前约10km，取样点共3处。

图3.3-3　三峡库区奉节河段和庙河至坝前河段现场取样测点分布示意图

室内分析三峡水库中单颗粒泥沙，其中值粒径的平均值为0.009mm，说明三峡水库水体中大部分泥沙处在絮凝临界粒径以下，具备了产生絮凝的基本条件。现场测量泥沙级配数据中，中值粒径最小为0.008mm，最大为0.140mm，现场测量粒径值明显大于室内单颗粒粒径值。

为了反映水库泥沙絮凝程度，把泥沙中值粒径放大倍数Z定义为絮凝度：

式中：d F为现场实测絮团中值粒径值；d P为实验室内测得的单颗粒中值粒径值。

图3.3-4为三峡水库819个测点絮凝度的分布图，絮凝度Z大于1，表明水库现场测点是存在絮凝的，由图可见，99.4%的测点存在不同程度的絮凝，絮凝度主要在2～8之间，约占83.6%。

图3.3-4　三峡水库现场测点絮凝度分布图

图3.3-5　三峡库区奉节河段断面平均特征粒径分布图

图3.3-5和图3.3-6为三峡水库奉节河段和庙河至坝前河段观测断面的断面平均特征粒径分布图，特征粒径分别取d 25、d 50和d 75三种。由图可见，奉节河段三种特征粒径沿程均呈现增大的趋势，而庙河至坝前河段只有特征粒径d 50以上的部分呈增大的趋势，并且增加幅度趋于减缓，在特征粒径d 50以下部分的粒径却呈减小的趋势；两个河段共同的变化趋势是特征粒径越粗，粒径增加的幅度越大。在水库没有絮凝发生的情况下，泥沙级配中粗颗粒泥沙应该最先沉降到床面上，水体中的泥沙粒径沿程呈减小的趋势，粒径越粗，减小趋势越明显；而三峡水库现场测量的泥沙粒径沿程分布规律正好相反，表明库区水体中的泥沙发生了絮凝。

图3.3-6　三峡库区庙河至坝前河段断面平均特征粒径分布图

图3.3-7为三峡水库坝前淤积表层底泥离散前后的级配图，由图可见，离散后的床沙级配明显小于离散前的床沙级配，离散后床沙中细颗粒泥沙的比重明显增加，粗颗粒泥沙的比重明显减小，中值粒径由0.016mm减小至0.011mm，表明三峡水库淤积底泥中存在一定程度的絮凝现象，从而间接证明了库区水体中存在泥沙絮凝现象。需要说明的是，此次取样位于淤积底泥的表层，泥沙沙样的絮凝度基本在2～3之间，应该也是水体中泥沙絮凝度最小的一部分泥沙。

图3.3-7　三峡水库坝前淤积表层底泥离散前后的级配对比

图3.3-8为三峡水库坝前淤积底泥离散前后分组粒径所占百分数，由图可见，离散后的床沙粒径分布相对于离散前的粒径分布向左偏移，表明离散后细颗粒泥沙所占比例明显增加，这与淤积底泥中存在絮凝的认识是一致的。此外，由图3.3-8还可看出，离散前后分组粒径所占百分数在某一粒径处变化不大，这一粒径即为泥沙絮凝的临界粒径，图中约为20μm，即0.02mm，表明三峡水库水体中的泥沙絮凝主要发生在小于0.02mm的泥沙颗粒中，大于0.02mm泥沙颗粒基本不发生泥沙絮凝，这一结论与后面的理论分析结果基本接近。(www.xing528.com)

图3.3-8　三峡水库坝前底泥离散前后分组粒径所占百分数

3.3.2.3 三峡水库泥沙絮凝的基本特征

为了便于分析三峡库区的泥沙絮凝分布特征，将絮凝度Z进行分级：小于3的为轻度，在3～7之间的为中度，大于7的为重度。

图3.3-9　三峡库区奉节河段不同相对水深下的泥沙絮凝度

采用断面相对水深可以比较两个河段泥沙絮凝度的沿垂线分布情况，图3.3-9和图3.3-10分别为奉节河段和庙河至坝前河段不同相对水深位置各絮凝度所占比率。由图可见，两个河段不同相对水深下的絮凝程度基本接近，表明不同水域在垂直分层上的絮凝程度是基本接近的；但从沿程分布来看，奉节河段不同垂层的絮度主要为中重度以上，而庙河河段主要为轻中度以下，说明三峡库区的泥沙絮凝度沿程是衰减的。

图3.3-10　三峡库区庙河至坝前河段不同相对水深下的泥沙絮凝度变化

库区细颗粒泥沙絮凝的影响因素十分复杂，主要包括含沙量、水流流速、水化学因素和水温4个方面。

1.含沙量的影响

图3.3-11　三峡库区奉节和庙河至坝前河段断面含沙量对Z的影响

图3.3-11为断面平均含沙量与平均絮凝度的关系，库区所有监测点含沙量在1.0kg/m3以下，奉节河段的泥沙絮凝度Z值在3～9之间，庙河至坝前河段的泥沙絮凝度Z值在3～5之间变化，两个河段的泥沙絮凝度随含沙量增加呈减小趋势，这与絮凝度和含沙量成正比的变化规律不同，也与下文的实验结果不同。这种差别可能主要与动水或静水有关，毕竟泥沙絮凝度随含沙量增加而增加的结论是在静水中得出的，静水中含沙量的增加将导致泥沙颗粒碰撞机会的增加，从而促进絮凝的产生；而在动水中，水流的剪切和紊动可能会破坏泥沙的絮凝，水体中含沙量越小，这种影响也会越趋明显，而本研究中两个测量河段的断面平均含沙量均在0.4kg/m3以下。

2.水流流速的影响

图3.3-12为奉节河段和庙河至坝前河段断面平均流速与絮凝度Z的关系，由图可见，两个河段的絮凝度随着断面平均流速的增加而减小，其中，奉节河段的断面平均流速从0.42m/s增加到1.08m/s，对应的泥沙絮凝度从8减小到3左右；庙河河段的断面平均流速从0.15m/s增加到0.55m/s，对应的泥沙絮凝度从4.5减小到3.2左右，无论是流速还是泥沙絮凝度，奉节河段的变化幅度都大于庙河至坝前河段。

图3.3-12　三峡库区奉节和庙河至坝前河段断面平均流速与絮凝度Z的关系

从现场测量的数据来看，奉节河段和庙河至坝前河段的测点流速变化范围基本在0.05～1.70m/s之间，变化范围相对较大，絮团破坏的临界流速应在本研究测量的流速范围内。为了便于比较分析，将本研究测量的所有数据，点绘成测点流速与絮凝度的关系图（图3.3-13），由图可见，当流速小于0.70m/s时，絮凝度随流速增加略有增加，但总体变化幅度不大；当流速大于0.70m/s时，絮凝度随流速的增加而减少，而且变化幅度比较明显。由此可见，三峡水库的絮凝临界流速约为0.70m/s，这与李炎等分析长江口泥沙絮凝沉降特征而确定的絮凝临界流速0.76m/s基本接近。

3.水化学因素的影响

化学因素包括水中电解质、p H值以及颗粒表面的有机物等。现场取水样于实验室内利用ICP-MS测定主要金属离子浓度，并用电位法测定p H值，结果见表3.3-2。

表3.3-2　三峡水库水样检测结果

图3.3-13　三峡库区絮凝度Z与流速的变化关系

由于现场测量集中在汛期7月15—18日连续4天内进行，测量的时间段内水体相对稳定，无外来泥沙、电解质、有机质等进入水体、影响水中浓度和改变水中化学环境，因此，化学因素对絮凝度变化作用的影响可以忽略。

4.水温的影响

由实测数据可知庙河至坝前河段监测断面和奉节断面温度变化幅度不大，分别在25.8～26.4℃和26.2～27.1℃范围内波动，随水深增加温度差较小。蒋国俊[36]试验证明形成絮凝的临界温度为25℃，温度大于25℃时会促进细颗粒泥沙聚集形成絮团。根据蒋国俊的研究结论，庙河至坝前河段温度会促进细颗粒泥沙形成絮凝，但不同水深温度变化不大，所以对泥沙絮凝度影响作用可以忽略。