（市政工程专业论文）南湖周边排污口调查及排污口附近水域水质模型研究.pdf

摘要 随着我国社会与经济的不断发展，城市污水排放量迅速增加，大量未经处 理的城市污水直接排入湖泊水体，使其受到严重污染。南湖是一个较大的封闭 性内陆湖泊，由于污水的长期排入，水体水质已属劣v 类，湖泊的水体功能已 基本丧失。为了改善南湖水体的水质状况，有必要对南湖周边排污口现状及水 体中水质变化规律进行深入研究，为南湖的综合治理奠定基础。 南湖周边排污口的调查结果表明，目前南湖共有4 3 个排污口，每天向南湖 中排放的污水量约有2 1 2 万吨，其中排入小南湖中的污水约有1 1 6 万吨天，排 入大南湖中的污水约有9 6 万吨天。南湖周边的大多数排污口排放污水的水质 特性与武汉市城市污水的水质特性相似，有机物浓度偏低。其中污染物浓度较 高的几个排污口是奶牛场、熊家嘴、华农新区等，其c o d c ，、b o d s 、n j 、，i p 浓度均较高，对南湖的水体造成严重污染。南湖周边排污口排放的污水南湖污 染的个主要来源。 幸福村排污口是南湖一个较大的排污口，每日排放污水约2 4 万吨。对该排 污口的水质水量监测结果表明，幸福村排污口流量的时变化系数为1 2 5 左右； c o d c ，排放总量的时变化系数为1 5 8 ；t n 、t p 的排放总量的时变化系数都是 1 6 5 ；c o d c ，浓度的时变化系数为1 9 6 ；t n 、t p 浓度时变化系数为1 4 2 、1 4 0 ， t n 、t p 具有相似的排放规律。 将污水中的污染物分为可沉降污染物与不可沉降污染物两部分，其中可沉 降污染物在水体中的自净主要依靠沉淀，不可沉降污染物在水体中的自净主要 依靠平流扩散稀释和紊流扩散稀释，可沉降污染物与不可沉降污染物进入湖泊 水体中，最后与湖泊水体完全混合，在此基础上建立了幸福村排污口附近水体 的水质模型。由排污口附近水域的水质监测数据可推求得到c o d c ，、t n 、t p 综 合自净系数分别为：5 4 6 7 d 、4 5 ，3 9 d i 、6 3 4 2 d 1 。 关键词：南湖排污口时变化系数水质模型流场 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m yi no u rc o u n t r y , t h ew a t e r c o n s u m p t i o na n ds e w a g ee m i s s i o no ft h ec i t yi n c r e a s er a p i d l y , al a r g ea m o u n to f u n t r e a t e dm u n i c i p a ls e w a g ei sd i s c h a r g e di n t ot h ew a t e rb o d yd i r e c t l y , w h i c hp o l l u t e s t h el a k ew a t e rb o d yg r e a t l y t h es o u t hl a k ei sab i g g e rs e a l e dc i t yl a n d l o c k e dl a k e b e c a u s et h es e w a g ei sd i s c h a r g e di n t ot h el a k el o n g - t e r m ，i ti ss e r i o u s l yp o l l u t e da n d b e l o n g st ob a dvk i n dw a t e rb o d y ，a n di th a sa l r e a d yl o s tt h eb a s i cf u n c t i o no fw a t e r b o d y i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h eo u t l e t sa c t u a l i t ya n dt h ew a t e rq u a l i t y t r a n s f o r m a t i o nr e g u a l i t yo ft h es o u t hl a k e i no r d e rt oe s t a b l i s hf o u n d a t i o n so ft h e s o u t hl a k e c o m p r e h e n s i v ec o n t r 0 1 t h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t so fo m l e t si n d i c a t et h a tt h e r ef o r t y - t h r e es e w a g eo u t l e t s a r o u n dt h es o u t hl a k e a b o u t2 1 2 ，0 0 0t o n ss e w a g ea r ed i s c h a r g e di n t ot h es o u t h l a k e a m o n gt h e mn e a r l y1 1 6 ，0 0 0t o n ss e w a g ee n t e ri n t ot h es m a l ls o u t hl a k ea n d n e a r l y9 6 ，0 0 0t o n ss e w a g ee n t e ri n t ot h eb i gs o u t hl a k ee v e r y d a y , t h es e w a g e q u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fm o s to u t l e t si ss m i m i a rt om u n i c i p a ls e w a g eo fw u h a n ，t h e d e n s i t yo fo r g a n i cm a t t e ri so nt h el o ws i d e t h eh i 曲d e n s i t ys e w a g e so u t l e t sa r e d i a r y f a r m ，x i o n hj i a - z u ia n dh u a n o n ga r e a ，e t c ，t h ed e n s i t yo fc o d c r ，t n ，t pi s r e l a t i v e l yh i g h ，w h i c hc a u s et h es o u t hl a k ep o l l u t e ds e r i o u s l y t h eo u t l e t ss e w a g ei s am a i np o i n tp o l l u t i o ns o u r c e t h eh a p p yv i l l a g eo u t l e ti sab i g g e rs e w a g eo u t l e to ft h es o u t hl a k e ，t h e a m o u n to fs e w a g ei sm o r et h a n2 4 ，0 0 0t o n se v e r y d a y t h em o n i t o rr e s u l t so fo u t l e t s i n d i c a t et h a tt h eh o u rc h a n g i n gc o e f f i c i e n to f h a p p yv i l l a g eo u t l e tf l o wa b o u ti s1 2 5 ： t h e d i s c h a r g i n ga m o u n th o u rc h a n g i n gc o e f f i c i e n to fc o d c ri s1 5 8 ；a n dt h e c o e f f i c i e n to f i na n dt pi s1 6 5 ；t h ec o d c rd e n s i t yh o u rc o e f f i c i e n ti s1 9 6 ；a n dt h e c o e f f i c i e n to f t na n dt pi s1 4 0a n d1 4 2e a c h s ot na n dt ph a v es i m i l a rd i s c h a r g i n g r e g u l i t y t h ew a t e rq u a l i t ym o d e lo fw a t e rb o d yn e a rt h eh a p p yv i l l a g ei sb a s e do nt h e s e w a g ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s t h es e w a g ep o l l u t a n ti sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：s e a l e d i i m a t t e ra n du n s e t t l e dm a t t e r t h es e l f - p u r i f i c a t i o no fs e r l e dm a t t e ri nt h ew a t e rb o d yi s s e d i m e n t a t i o na n dt h eu n s e t t l e d si sd i f l u s i o nb y1 a n a i n a rf l o wa n dd i l u t i o nb y t u r b u l e n c ef l o w t h et w op a r t se n t e ri n t ol a k ea n dm i xw i t ht h ew a t e ri o1 a k e a l t o g e t h e r t h ec o m p r e h e n s i v es e l f - p u r i f i c a t i o nc o e f f i c i e n to fc o d c r 、t na n dt pa r e d e d u c e db yt h ew a t e rq u a l i t ym o n i t o rd a t an e a rt h eo u t l e ta n dt h ec o e f f i c i e n to f c o d c r 、t na n dt pi s5 4 6 7 d 、4 5 3 9d 、6 3 4 2d e a c h k e y w o r d s ：s o u t hl a k e ；s w e a g eo u t l e t s ；h o u rc h a n g ec o e f f i c i e n t w a t e rq u a l 蚵m o d e l ；f i e l df l o w s i i i 武汉理1 大学硕士学位论文 1 1 武汉市湖泊概况 第1 章引言 武汉地处江汉平原东部，长江中游与汉水交汇处，是湖北省省会，全省政治、 经济、文化、商业、交通中心，也是我国华中重镇和中国内地的一座多功能综 合性特大城市。武汉市区由隔江鼎立的汉口、武昌、汉阳三镇组成，素有“江 城”之称。武汉市现辖7 个中心城区、4 个远城区、2 个郊区，全市土地面积有 8 4 6 7 1 l k m 2 。截止2 0 0 2 年底，武汉市建成区面积2 1 4 2 2 k m 2 ，人口达7 6 8 1 万人， 其中农业人口3 0 8 7 6 万人，非农业人口4 5 9 3 4 万人。 武汉市属暖湿的北亚热带气候，降水丰沛，多年平均降水量达1 1 5 0 m m 1 4 5 0 m m 。长江与汉水是流经市区的两条最大河流，也是主要的工业供水水源和 城市饮用水水源及地区排水的主要受纳水体。以长江和汉江为干流，构成庞大的 水网【1 l 。 武汉市素有“百湖之市”的美誉，截止2 0 0 2 年底，全市湖泊1 9 2 个( 见表卜1 ) ( 中心城区湖泊加上远城区面积大于o 1 k m 2 以上的湖泊) ，较大的城内湖泊有1 3 个，其中最具有影响力和最大的东湖水域面积约3 3 k m 2 。列入武汉市湖泊保护 条例的中心城区湖泊有3 8 个，其湖泊水域总面积1 7 5 3 5 2 7 公顷，其中水域面 积大于1 0 0 公顷的1 6 个湖泊为墨水湖、龙阳湖、三角湖、南太子湖、东湖、南湖、 外沙湖、野芷湖、严东湖、严西湖、野湖、北湖、青菱湖、汤逊湖、黄家湖、 车墩湖，共计1 6 9 9 7 2 7 公顷，占3 8 个湖泊水域总面积的9 6 9 。 表卜l 武汉市湖泊分布数量表 注：资料来源武汉市湖泊保护条例统计 武汉市湖泊原来大多与江、河相通，兼具供水、调蓄、养殖、景观、灌溉等 武汉理工大学硕士学位论文 多种功能。随着城市化进程加剧和湖泊污染状况日益恶化，湖泊的自然属性不断 削弱，由天然湖泊、通江湖泊逐渐演化成为封闭型或者半封闭型湖泊。湖泊原有 的城市饮用水水源地功能基本丧失，多数城内湖泊连最起码的景观娱乐功能都 不能具备，仅仅具有调蓄、工农业用水和水产养殖功能。由于多数城内湖泊营养 负荷很高，湖泊原来具备的纳污消污功能变得只能纳而不能消，系统功能被严重 破坏，多数湖泊水体已经富营养化。 2 0 0 3 年度武汉环境质量状况显示，全市5 1 个主要湖泊处境堪忧：3 1 个 湖泊水质降至劣v 类，其中l o 个已达到重度富营养。 这3 1 个“告急”的湖泊是东湖、龙阳湖、黄家湖、严西湖、东西湖、三角 湖、金银湖、竹子湖、木鹅湖、江汉北湖、青潭湖、西湖、野芷湖、张毕湖、 竹叶海、北太子湖、鲩子湖、菱角湖、南湖、晒湖、四美塘、小南湖、后襄河、 莲花湖、塔子湖、机器荡子、沙湖、紫阳湖、墨水湖、南太子湖、月湖。 近年来，由于经济利益驱动等诸多因素的影响，湖泊填占与湖泊水质污染 现象时有发生，特别是主城区，湖泊数目迅速减少，湖泊水面加速萎缩1 2 】，湖泊 水质继续恶化，湖泊水体富营养化加重等一系列问题不断出现，给武汉城市发 展带来了较为严重的负面影响。 尽管武汉市地表水水质已略有改善，但大部分湖泊污染依然严重，在5 1 个 主要湖泊中1 3 l ，水质符合i i 类标准的仅有梁子湖；符合i 类标准的有斧头湖、鲁 湖、木兰湖、汤逊湖、道观河水库；符合类标准的有青菱湖、严东湖、后官 湖、涨渡湖、柴泊潮、后湖、野湖、五加湖、车墩湖、马子湖等1 0 个；符合v 类的有青山北湖、静湖、杨春湖、严家湖。 1 2 南湖概况及水污染现状h 1 1 2 1 南湖概况 南湖位于武汉市武昌西南部，北临东湖、沙湖，南临汤逊湖、黄家湖( 见 附图1 ) ，权属洪山区水产养殖公司及东湖开发区，汇水面积4 4 7 0 公顷，岸线长 2 1 2 4 公里，水体面积7 6 3 9 6 公顷，绿化用地面积4 7 3 5 5 公顷，外围控制面积 1 4 5 1 3 1 公顷。南湖属于汤逊湖水系，总汇水面积4 7 0 平方公里，南湖所有汇水 均经过巡司河由陈家门闸、解放闸和汤逊湖泵站排入长江。南湖通过南湖连通 渠与巡司河相连，起到调蓄的作用，因此南湖的污染直接影响到巡司河和长江 2 武汉理工大学硕十学位论文 武汉段的水质，对整个武昌地区排水和水环境起着至关重要的作用。 目前，南湖的主要功能为调蓄、养殖。按照武汉市湖泊保护规划的界 定，其远期功能为调蓄、景观娱乐和生态，南湖将会建设成为以绿化及调蓄水 面为主，供市民休闲游玩、娱乐欣赏的活动场所，形成环境优美、贴近市民、 与周边环境协调统一的风景带。 1 2 2 南湖的污染现状 随着改革开放的深入，近十年来，武汉市洪山区的社会经济快速发展，城 区面积迅速扩展，城市水污染加剧，长期以来大量未经处理的生活垃圾和城市 污水入湖，致使南湖水体污染非常严重，水体生态功能严重退化，呈重度富营 养化状态。目前，南湖水呈黄绿色，局部水域在夏季高温时节具有腐臭味，严 重影响了周边居民的生活环境和经济的快速发展。 南湖现状水质为劣v 类，主要超标污染物为总氮、总磷、五日生化需氧量、 氨氨、溶解氧。按湖北省明文规定的水环境功能区划要求，南湖在整治后的水 质不劣于类水体。 1 2 3 南湖污染形态分析 湖泊水体的污染源主要有内源污染源与外源污染源，外源污染源有点源污 染和非点源污染，其中点源包括生活污水和工业废水，非点源则包括地表径流、 降雨、降雪、地下水及养殖和动物排泄粪便等；内源污染主要来自于底泥的释 放。 南湖的污染同样受到外源污染和内源污染两大类型，外源污染中的点源污 染主要来源为城市生活污水和工业废水的排入；面源污染主要有地表径流污染、 地下径流污染、大气降水和降尘污染；内源污染主要有湖底淤泥和水体中的营 养物质。 1 3 水体水质模型研究现状 1 3 1 水质模型的发展 水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学 描述，它既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研究的重要工具。它的研 武汉理工大学硕士学位论文 究涉及到水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实际问题，它的 发展在很大程度上取决于污染物在水环境中的迁移、转化和归宿研究的不断深 入，以及数学手段在水环境研究中应用程度的不断提高。水质模型在理论上从最 初的质量平衡原理发展到现在的随机理论、灰色理论和模糊理论；在实际应用 上，水质模型从最初的城市排水工程设计发展到现在的污染物水环境过程模拟、 水环境质量评价，污染物水环境行为预测，水生物污染暴露程度分析和水资源科 学管理规划等水环境保护的各个方面；在研究方法上，从最初的解析解发展到现 在的以人工神经网络模拟辅助解析及与地理信息系统( g i s ) 相结合的数值解，这 些成果都极大地推动了水环境管理技术的现代化5 l 。 水质模型自1 9 2 5 年斯特里特一费尔普斯( s t r e e t e r p h e l p s ) 第一次建立以 来，国际上对水质模型的开发与研究可分为下列四个发展阶段。 第一阶段( 1 9 2 5 1 9 6 5 年) 开发了比较简单的生物化学需氧量和溶解氧 ( b o d - d o ) 的双线性系统模型，对河流和河口问题采用了一维计算方法。 第二阶段( 1 9 6 5 1 9 7 0 年) 随着计算机的应用以及对生物化学耗氧过程认识 的深入，除继续研究发展b o d d o 模型的多维多参数估值问题外，水质模型发展 为六个线性系统，计算方法从一维发展到二维，除河流、河口闯题外，开始研究湖 泊及海湾问题。 第三阶段( 1 9 7 0 1 9 7 5 年) 研究发展了相互作用的非线性系统模型涉及到营 养物质磷、氮的循环，浮游植物和浮游动物系统，以及生物生长率同这些营养 物质、阳光、温度的关系，浮游植物与浮游动物生长率之间的关系。其相互关 系都是非线性的，一般只能用数值法求解，空间上用一维和二维模型进行计算。 第四阶段( 1 9 7 5 年以后) 除继续研究第三阶段的食物链问题外，还发展了 多种相互作用系统，涉及与有毒物质的相互作用，空间尺度已发展到三维i 6 1 。 水质模型研究的发展趋势是研究范围日益扩大、研究状态变量不断增多、 时空网格几何增长、g i s 成为水质模型的平台、实时监测被纳入模型系统。水质 模型已成为各方理解、沟通的工具，虽然随着发展，水质模型已变成越来越复 杂庞大的系统，但它的本质特性却并不在于此，而在于能正确反映现实，一个 模型再复杂，但计算出来的结果却不可信，那也是徒劳的，甚至是有害的；相 反，一个模型虽简单，但却能得出符合实际的结果，所以正确性是一切模型发 展的前提。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 水质模型建立的理论基础 水体水质的基本模型是表述水体中的污染物，在物理净化、化学净化与生 物化学净化的作用下，迁移与转化的过程。这种迁移与转化受水体本身的复杂 运动( 如水体变迁、形状、流速与流量、河岸性质、自然条件等) 的影响，所 以常用的水体水质基本模型主要考虑污染物在水体中的物理净化过程，而对化 学净化过程和生物化学净化过程，则采用综合分析方法处理，然后再与物理净 化过程相叠加，以便使模型简化。 水体水质基本模型有五种分类方法：按水体运动空间分为零维、一维、 二维和三维型；按水质组成分为单变量和多变量型；按时间相关性分为稳 态( 与时间无关) 和动态( 与时间有关) 型；按数学特征分为线型与非线型， 确定型与随机型等：按水体类型可分为河流、湖泊水库、河口、海湾与地下 水等的水质模型。 由于水体的形态( 大、小内陆河流和大小湖库等) 的不同，水体自身的水 文特征不同；特定的排污方式与污染物的种类、研究目标以及技术上处理方法 不同，因而水质数学模型有不同的类型与形式。建立水质数学模型要明确模型 的背景和建模的目的，掌握好对象的各种信息，弄清排入水体的污染物在水环 境综合因素作用下，发生物理、化学和生化等方面的演化特征：再根据实际对 象特征和建模目的对问题进行必要的简化8 i i9 i 。 1 3 2 1 物理净化作用1 1 0 1 1 1 1 】| 1 2 j ( 1 ) 扩散现象 污染物进入到水流后，一方面在分子运动、水流运动和紊动作用下，会发 生从浓度高处向浓度低处迁移的现象，这是污染物在水体中的扩散现象。水体 中污染物的扩散包括分子扩散、对流扩散和紊动扩散，其中分子扩散在水体非 静止的情况下比其他两个扩散要小得多。 污染物在水体中的物理净化作用主要有随流、分子扩散、紊动扩散和离散 等几种运动形式，其中随流、分子扩散和紊动扩散是基本的运动形式。随流输 运物质的效率主要取决于流速的大小，分子扩散的作用一般只有在层流的情况 下才能体现出来，有一种方法是通过测量在层流中示踪物质的浓度场变化来测 量分子扩散系数。当水流进入了紊动状态，则紊动扩散作用会远大于分子扩散 作用，即使流速大小在1 0 之m s 左右，紊动扩散系数也要比分子扩散系数大3 个数 武汉l 里2 f 大学硕士学位论文 量级。 1 ) 分子扩散 1 8 5 5 年德国生物学家费克( f i c ka ) 提出分子扩散规律。静水中污染物由 于分子扩散作用，在单位时间内按一定方向通过一定面积扩散输送的污染物质 量与该方向的浓度梯度成正比即费克定律。 对于一维扩散，费克定律可以表示为： q ：一d 箜 ( 卜1 ) 血 式中：q 一单位时间通过单位面积的污染物质量，即质量通量m g s c m 2 ； d 一分子扩散系数，c m 2 s ： c 一水体中污染物浓度，m g l ： 工一扩散方向上的距离，m 。 根据质量守恒定律得到一维静水扩散方程：鲁= d 窘 ( 1 2 ) 2 ) 对流扩散 污染物进入到水流后，必然随水流运动而稀释扩散。由水体的平均流动所 产生的输送称为对流，对流产生的扩散为对流扩散 根据费克定律可得对流扩散方程： 百o c - f u 篆+ v 詈+ w 鼍= 。磐+ 等+ 笋 c 1 3 一， - + v + w = d 彳+ + 了) ( 一j 西缸 却 a z、苏2 却2 出 式中：、v 、w 一为水流在z 、y 、z 方向上的流速，m s 。 3 ) 紊动扩散 紊动引起的物质扩散是由于紊流中涡体的掺混作用所致。虽然这种扩散与 分子扩散机理不同，但仍可认为紊动扩散满足费克定律，可得紊动扩散方程： 百o c = e 害+ b 矿0 2 c 地害 ( 1 _ 。) 式中：e x 、ev 、e ：一为x 、y 、z 方向的紊动扩散系数，e m 2 s 。 ( 2 ) 沉降作用 6 武汉理工大学硕士学位论文 污染物中的可沉降物质，可通过沉淀去除，使水体中的污染物的浓度降低。 沉降方程为：d c ，：一，c ( 1 5 ) d t 式中：c 一水中可沉降污染物浓度，r a g l ； f 一沉降时间，d ； ，一沉降速率常数，d 。 ( 3 ) 混合作用 污水与水体混合后，污染物浓度降低，混合效果受污水排污口构造、排污 方式和排污量等因素的影响，完全混合断面污染物平均浓度为： c ：c w q + c r a q( 1 6 ) a q + q 式中：c 。一原污水中某污染物的浓度，m g l ； 口一污水流量，m 3 s ； c 。一河水中该污染物的原有浓度，m g l ； 口一混合系数 p 一河水流量，m 3 s 。 1 3 2 2 生物化学净化作用 ( 1 ) 化学挣化作用有氧化还原、酸碱反应、吸附与凝聚等。氧化还原是水 体化学净化的主要作用。水体中的溶解氧可与某些污染物产生氧化反应，如铁、 锰等重金属离子可被氧化成难溶性的氢氧化铁、氢氧化锰而沉淀。 ( 2 ) 生物作用指在微生物新陈代谢过程中所发生的污染物质的转化。 1 ) 有机物的转化：有机物质排入水体后，在有溶解氧的条件下，由于好氧 微生物的呼吸作用，被降解为c 0 2 、h 2 0 与n h 3 ，同时合成新细胞，消耗掉水 体的溶解氧，与此同时，水体水面与大气接触，大气中的氧不断溶入水体，使 溶解氧得到补充，这种作用称为水砸复氧；在厌氧条件下，微生物可将有机物 转化为c 0 2 、h 2 0 、c h 4 、h 2 s 等。 2 ) 磷的转化：溶解态无机磷可以被水体中的浮游植物吸收，在食物链中， 传递转变为溶解态有机磷、颗粒有机磷和颗粒无机磷；有机磷由生物作用转变 7 武汉理工大学硕士学位论文 为溶解态无机磷；在微生物合成过程中，会消耗水中一部分磷。 2 ) 含氮化合物的转化： 含氮化合物在水体中的转化可分为两个阶段：第一阶段为含氮有机物如蛋 白质、多肽、氨基酸和尿素转化为无机氨氮，称为氨化过程；第二阶段是氨氮 转化为亚硝酸盐与硝酸盐，称为硝化过程。 两阶段转化反应都是在微生物作用下完成，转化过程为： 氨( n i l ，) 在亚硝化菌的作用下，被氧化为亚硝酸： 2 n h1 + 3 0 ，一墅出坠斗2 1 - 1 7 7 0 ，+ 2 h ，0 + 6 1 9 6 1 03 t ， 接着在硝化菌的作用下，亚硝酸氧化为硝酸： 2 h n o ，+ 0 ，型马2 h n o ，+ 2 0 0 9 7 1 03 j 在缺氧环境下，脱氮菌可将i - 1 n 0 3 还原为n 2 回归大气，有机氮在水体中的 转化过程一般可持续若干天。 水质模型是天然水体水质变化规律的数学描述，需要水文学、水力学、水 化学、水生物学、湖沼学和沉积学等专门的学科知识，以及数学、计算机程序 设计等必要的手段。目前，水质模型已广泛应用于污染物水环境过程模拟、形 态分布计算、界面吸附、水生生物生长过程及生态效应模拟等1 1 4 】1 1 5 】。 1 3 3 水质模型参数的选择 水质模型是用于描述水体的水质要素在各种因素作用下随时间和空间的变 化关系的数学表达式1 1 ，水质模型的目标就是要确定各种水质要素与其它影响 因素之间的相互关系。受污染的水体含有各种污染物，对水体水质的描述可分 为无机物、有机物和微生物三大类。 常规水环境质量参数以国家标准g b 3 8 3 8 2 0 0 2 中提出的水质参数为基础，根 据水域类别、污染源状况和评价要求确定水环境质量参数。国家标准 g b 3 8 3 8 2 0 0 2 中提出的水质参数主要包括水温( 。c ) 、p h 值、硫酸盐( 以s 0 4 2 计) 、氯化物( 以c l 计) 、溶解性铁、总锰、总铜、总锌、硝酸盐( 以n 计) 、 亚硝酸盐( 以n 计) 、非离子氨、凯氏氮、总磷( 以p 计) 、高锰酸盐指数、溶 解氧、化学需氧量( c o d c ，) 、生化需氧量( b o d 5 ) 、氟化物( 以f 一计) 、硒、总 砷、总汞、总铺、铬( 六价) 、总铅、总氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面 活性剂、大肠菌群( 个l ) 等。在这些指标中，水温属于感观指标；p h 值、生 化需氧量、高锰酸盐指数和化学需氧量是保证水体自净的指标；磷和氮是防止 8 武汉理工大学硕士学位论文 封闭水域富营养化的指标；大肠菌群是细菌学指标；其他属于化学、毒理学指 标。般采用的河流水质指标主要有溶解氧、生化需氧量( b o d 5 ) 、有机氮、硝 酸盐、亚硝酸盐、大肠菌群与水温。 般情况下河流中涉及的水质要素主要有溶解氧、生化需氧量、有机氮、 氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、磷酸根、大肠杆菌、重金属、水温、放射性物 质”“。已建立的河流溶解氧一维s t r e e t e r 和p h e l p s 模型，是研究美国俄亥俄河 ( o h i or i v e r ) 污染问题时建立的；在1 9 4 8 年t h o m a s 提出t h o m a s 模型中提出 b o d 可能随泥沙的沉降和絮凝而较少并不消耗溶解氧，且较少速率正比于存留 的b o d 数量。由于湖泊水质模型中的水质参数还涉及到其它影响因素，如藻类、 阳光、底泥等，所以湖泊水质模型较河流模型复杂i l 。 1 3 4 水质模型的应用 水质模型在水环境的模拟与预测、水质管理规划与水质评价等方面有广泛 的应用。污染物进入水环境后，由于物理、化学和生物作用的综合效应，其行为 的变化是十分复杂的，很难直接认识它们，这就需要用水质模型( 水环境数学模 型) 对污染物水环境的行为进行模拟和预测，以便给出全面而清晰的变化规律及 发展趋势。 ( 1 ) 在水环境模拟和预钡0 中的应用 水质模型在水环境模拟和预测中既经济又省时，是水环境质量管理科学决 策的有效手段。目前对这一方面的报导很多，如a b a e z a e t a l 对塔霍河从西 班牙的c a c e r e s 河道到葡萄牙的a l e n t e j o 河道中氚( 3 h ) 浓度水平的时空演变进 行了分析研究。由于模型本身的局限性，以及对污染物水环境行为认识的不确定 性，计算结果与实际测量之间往往有较大的误差，所以模型的模拟和预测只是给 出了相对变化值及其趋势i ”i1 2 0 1 。 ( 2 ) 在水质管理规划中的应用 水质模型是环境工程与系统工程相结合的产物，近几年来开发了许多新的 水质管理模型，m u h a m m a ds h a f q a te j a z e t a l 用模拟优化方法来求河流的农业废 水和生活污水负荷的优化管理；s a s i k u m a r e t a l 用模糊优化方法来进行河流系统 的水质管理：d o n a l dh b u r n 用模拟优化方法来进行河流系统水质管理；通过 结合模拟优化方法来建立水质管理模型，s a l i r e z a e t a l 用非线性规划法进 9 武汉理工大学硕士学位论文 行地下水水质管理。水质管理模型己得到很成功的应用1 2 “”。 ( 3 ) 在水体水质评价中的应用 水质模型可以根据不同的目标对水体水质进行评价。水质评价是水质规划 的基本程序，可对河流、湖泊( 水库) 、河口、海洋和地下水等水环境的质量进 行评价。现在的水质评价不仅给出水体对各种不同使用功能的质量，而且还会 给出水环境对污染物的同化能力以及污染物在水环境浓度和总量的时空分布。 水污染评价已由传统的点源污染转向非点源污染，如利用贝叶斯概念( b a y e s i a n c o n c e p t s ) 和组合神经网络来预测集水流域的径流量；研究的对象也由过去的污 染物转化扩展到现在的有害物质在水环境的积累、迁移和归宿等【2 6 j 2 r lf 2 引。人工 神经网络法是一种有效和实用的环境质量评价方法，张昆实利用b p 网络模型对 荆州市长湖关咀段的水质富营养化状态进行分类评价，得到了较为合理的水体 水质评价结果1 2 9 1 。 目前，水质模型较多地应用在河流水质模型中1 3 0 i ，可对河流水体的水质变 化规律进行模拟预测，根据河流的水流特点及断面、水深情况确定水质模型的 维数。一般对于较长的中小河流，其横向和竖向的污染物浓度梯度可以忽略， 而采用只考虑纵向( 即水流方向) 浓度变化的维模型模拟河水水质，而湖泊 与水库由于水体面积大，所以一般考虑为二维水质模型或者三维水质模型。 1 3 5 存在的问题 水质数学有很多优点，与物理模型相比，水质模型具有耗时短，节约人力 和不需实验设备的优点。数学模型还具有理想的抗干扰性能，可重复模拟计算。 但在水质模型发展的过程中，仍存在很多问题： ( 1 ) 因为水质数学模型是建立在一系列的控制方程的基础上的，所以对于 一些运动特征或反应机理不清楚的问题，很难建立准确的控制方程，使得数学 模拟结果与实际问题有较大的误差f 3 1 j f 3 2 j f 3 3 l ： ( 2 ) 数学模拟结果受到数值计算方法的限制。另外，只有经过实测资料的 充分验证才能得到正确的计算结果，对于精度要求较高的水质模型应有充分的 实测资料，因此水质模型的精度还受到实测资料的限制1 34 | ： ( 3 ) 目前水质模型在河流和河口模型应用上较成熟，湖、海模型比较复杂， 可靠性小1 3 5 1 ； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 对于模型中微量的难降解的有机物，由于其迁移转化过程的特殊性， 目前对它的认识还不够充分，模拟预测还有一定的困难0 3 6 i ： ( 5 ) 在水质模型中多组分的水生生态模型，反映了各种组分相互作用的非 线性系统，模型详细和综合地描述了水体中存在的各种因素的关联，这种模拟 是很有用的，但需要更多的数据和计算时间，模型难以建立【3 7 j 1 3 8 1 。 1 4 课题的目的、意义及主要内容 1 4 1 课题的目的及意义 过去，武汉市南湖水质良好，湖区有丰富的天然饵料，水中孕育着各种水 生生物，为湖区综合发展水产品生产，提供了良好的生态环境。解放初期，在 湖区兴建的南湖渔场，不断发展壮大，成为武汉市渔业生产基地。然而，随着 南湖周边人口剧增及社会、经济的迅速发展，大量未经处理的生活污水和：e 业 废水排入南湖，导致湖水污染加剧，水质下降。南湖水质变差，主要原因是多 年来大量未经处理的污水直接排入，南湖周边及其湖内生态环境的破坏加剧了 其污染程度。 本课题研究的主要目的是对南湖目前水体水质的污染状况、南湖周边排污 口的排污状况、排污流量、排污的水质进行调查和监测。得到通过排污口向南 湖排放的污水量及污染物负荷，对南湖的点源污染进行定量分析，为南湖的截 污及截污后的综合治理提供前期研究。分析污染物在排污口的自净规律，建立 排污口附近水域的水质模型，模拟计算排污口附近水域污染物浓度场分布，为 分析整个南湖的污染物浓度变化规律提供理论基础。 1 4 2 课题的主要内容 本课题将对南湖周边的排污口进行现场调查，确定南湖周边排污口的数量、 排污状况和排污方式。并对较大的排污口进行水量、水质监测。 本论文将以幸福村排污口为例建立湖泊点源的水质模型，对排污口附近水 域进行水质模拟，计算污染物浓度场分布。 主要研究内容有： ( 1 ) 南湖周边排污口调查 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 排污口附近水体水质模型建立 1 ) 确定排污口处的污染带范围 根据排污口的水质水量监测资料，确定排污口的污水排放强度，结合射流 理论建立排污口处的污染带范围。 2 ) 建立排污口附近水域的c o d 。，、t n 、t p 水质模型 根据对排污口所排污水的水质特征分析，结合水体的自净规律建立排污口 附近水域c o d 。，、t n 、t p 的水质模型。 3 ) 模型的模拟与验证 对已经建立的水体水质模型用一组或若干组已经观测的数据进行水质模型 的参数的确定，同时对水质模型中的参数进行修正。 由于南湖的水文、水质资料有限，本文的水质模型将建立在排污口附近水 域水质监测数据的基础上，结合水质组成特征与水体自净规律进行分析得出排 污口附近水域水质的空间变化规律，并进行模拟计算。 1 2 武汉理上大学硕士学位论文 第2 章南湖周边排污口调查 排污口是湖泊污染物的主要来源之一，通过排污口每天有大量的生活污水、 工业废水排入湖泊中，对湖泊形成污染，同时地面径流的雨水也可通过排污口 流入湖泊中，因初期降雨水质较差，也会对湖泊造成污染。 目前，南湖水体的水质较差，已经丧失了基本的水体功能，整个湖泊水体 透明度较低，湖泊中氮、磷含量较高，水体水质已达到劣v 类地面水水体水质 标准，失去了水体的预定利用价值。南湖治理的首要任务是对排污口进行截流， 使排污1 3 不再向湖泊中排放污水。由于南湖已有资料有限，有关南湖周边排污 口的资料缺乏，课题组对排污口进行水量水质的相关调查分析，为南湖截污系 统的完善奠定基础。 2 1 南湖周边排污口的调查方案 进行水环境监测前，能否制定出符合实际的监测方案是决定监测工作成败 的关键。因此，首先必须根据水质监测的目的与要求，对排污口进行实地调查， 在掌握污染源和水体污染资料的基础上，结合分析测定条件来确定监测项目和 选择适当的分析方法，再进行布点、采样和测定。 根据实际情况，拟定的排污口污染源调查方案为： ( 1 ) 对南湖周边的排污口进行现场调查，统计排污口的数量、排污口的排 污性质及排污口的断面形状和尺寸。 ( 2 ) 对南湖周边几个排污量较大排污1 ：3 进行水量水质的同步监测，水质监 测指标有化学耗氧量、生化需氧量、悬浮物、总氮、总磷及氨氮。 2 2 排污口数量及流量监测 排污1 3 数量及其流量对湖泊水量平衡具有十分熏要的意义，为此本课题组 亏：2 0 0 4 年初通过现场勘查的方式，对南湖排污口形式及排污口排水量进行勘测。 目前南湖周边的排水口共8 0 个，其中连通管9 个，引水渠l 条，雨水排放口 2 6 + ，污水及雨污合流排水n 4 4 个。在4 4 个排污口中，桂子山庄中8 0 0 排污口已 武汉理工大学硕士学位论文 废弃，现仅有4 3 个排污口向南湖排放污水。为了管理方便起见，将同单位且排 污口位置较为接近的数个排污1 3 按1 个排污点进行计算，则南湖周边共有2 5 个排 污点，排污点在南湖周边的地理位置见附图2 。 排污口测量流量、流速的方法有：流量计法、容积法、流速仪法、量水槽 法、溢流堰法和浮标法。课题组采用浮标法、流速仪法与容积法，对可通过测 量方式测算流量的1 4 个排污点进行了监测；对南湖阁边的6 个住宅区和华师体育 系，根据实地调查各区现入住人口及将来入住人口数，对各区现状排水量及将 来排水量分别进行了预测；奶牛场污水量根据现场调查的养牛规模进行预测； 部分流量特别小的排污点的排水量忽略不计。 南湖周边各排污点名称、各排污口尺寸、排污口的数量及排水流量统计数 据见表2 - 1 。 表2 一l南湖周边排污点统计表 排水流量 序号排污点排污口尺寸排污口数量测算方法 ( 吨天) 大南湖 l丽岛花园中4 0 0 x 222 1 5 ( 4 5 5 ) 估算 2 珞狮南路6 0 0 0 2 3 0 0 1 4 3 4 5 2测量 3 明泽半岛 中1 5 0 01 2 1 ( u 0 )估算 4南湖山庄0 6 0 0 x 222 5 2 ( 7 9 2 ) 估算 5 华农老住宅区 中3 0 015 8 0 测量 0 1 0 0 0很小 估算 6华农新区3 0 1 0 0 0 24 3 9 7测量 西1 5 0 0l1 4 0 估算 7华农黄土坡 8 0 0 3 5 0 矩形l 很小估算 巾5 0 0 8锦绣良缘 中3 0 0 x 2 4 5 5 0 ( 9 1 0 )估算 3 5 0 0 x1 3 0 0 9水蓝郡3 0 0 0 1 5 0 01 7 0 ( 2 8 0 )估算 1 0南波湾中1 2 0 01 1 0 5 ( 4 2 0 )估算 1 1 中南政法中1 3 0 0l9 9 测量 0 8 0 0 1 2 奶牛场41 2 0 估算 5 0 0 5 0 0 3 沟 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 排水流量 序号排污点排污口尺寸排污口数量测算方法 ( 吨天) 大南湖 1 3 刘家嘴 1 8 0 0 x1 5 0 0l1 0 6 7 9测量 1 4名都花园 4 0 0 0 2 0 0 0l8 0 4 1 测量 1 5 桂子山庄 2 3 0 0 x1 5 0 012 6 1 0 测量 0 5 0 0 1 6 华师体育系宿舍 33 0 0 估算 中3 0 0 2 1 7幸福村口3 1 0 0 2 3 0 012 4 8 4 7测量 9 6 3 4 9 小计3 0 ( 9 8 0 9 3 ) 小南湖 1 8清水源一茶山刘 中1 0 0 01 3 8 0 0测量 1 9 清水源 9 0 011 5 1 2 测量 2 0茶山刘4 1 0 0 x2 1 0 0l2 7 7 2 1 测量 3 5 0 0 0 3 0 0 011 2 1 0 0 测量 2 1中南民院中3 0 0 2 很小估算 0 3 5 0 中2 0 0 2 2 中南民院新校区 中3 0 0 24 很小估算 中3 5 0 2 3 熊家嘴 中1 3 0 011 9 9 9 测量 2 4省军区农场明渠11 5 6 0 测量 2 5龙王嘴污水处理厂中1 8 0 016 7 0 0 0调查 小计 1 3 1 1 5 6 9 2 2 1 2 0 4 l 总计4 3 ( 2 1 3 7 8 5 ) 注：表中括号内数据为住宅区满住时排水量。 2 3 主要排污口水质监测 旨在了解各排污1 3 的水质状况，课题组对南湖周边1 5 个排污点( 另有1 0 个 排污口较难取样，流量较小，故未取样监测) 的水质进行了监测。监测结果见 表2 - 2 。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 南湖周边部分排污点污水水质监测统计表 、枣质指标 c o d c ，b o d ts s 总氯氨氮总磷 排污口、 ( m g l )( r a g l )( m g l )( m g l )( m g l )( m g l ) 茶山刘6 91 6 15 3 51 2 71 0 61 4 华农新区