（农业水土工程专业论文）城市河流水质模拟优化与生态恢复研究.pdf

张景秀城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 摘要 在城市的形成和发展中，河流作为最关键的资源和环境载体，关系到城市的 生存并制约着城市的发展，是影响城市风格和美化城市环境的重要因素；同时它 又是城市的生命之源、活力之源，常常决定着城市的繁荣与衰落；此外还是城市 生态系统的绿色生命线，对城市维持生态平衡发挥着无可替代的作用。 但是随着城市化进程的加快以及人口的不断增加，人类在尽享河流带来之便 利的同时，也在不断地改造着城市河流，使得城市河流的功能不断退化，生态平 衡被严重破坏，水环境污染和水资源短缺问题日益严重，已引起人们的广泛关注。 因此，城市河流水环境污染的整治成为国内外关注的焦点，变得刻不容缓。 本文在总结国内外学者对城市河流水环境污染整治研究的基础上，通过建立 河流一维水质模型，实现对城市河流水质的模拟计算；针对目前城市河流的污染 现状以及存在的问题，通过与水污染控制相结合，利用水体的自净能力，对排污 口的污水进行处理，使河流的水质满足控制目标；构建了考虑污水处理费用及引 水费用相结合的优化模型，在确定各河道总需水量与各河道年平均降雨补给总流 量后，利用模型对各河道的流量及排污口的污水处理率进行优化计算，为水污染 控制模拟优化提供了一定的依据。 本文以v i s 砌b 商c6 0 为平台，开发了“城市河流水质模拟优化”计算机辅助 系统。该系统具有良好的人机对话机制，操作简单、方便，可协助用户实现对各 河道计算断面的水质模拟计算及各河道上排污口污水处理率的优化计算。由于建 立的水质优化模型是一个非线性的，所以采用加速遗传法计算，由f o n r a n 编写计 算程序，通过v b 调用，使程序具有了很好的通用性。 关键词：城市河流水污染排污口水质模型模拟优化加速遗传法计 算机辅助系统 张景秀城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 a b s t r a c t i nt h ef o 砷a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ec i t y ， t h er i v e ra st h em o s ti m p o r t a n t r e s o u r c e sa j l de n v i r o m e n tc a m e r ，i tr e l a t et h ee x i s t e n c eo ft h ec i 哆a n dr e s t r i c ti t s d e v e l o p m e m ，i ti sa m o s te l e m e n tt oe n 、e c t sc i t ) ，s t ) ，l ea i l dg l o r i 匆c i 够e n v i r o m n e n t ；a t m es a m et i m e ，i ti sl i f e ss o u r c eo ft h ec i 吼i tu s u a l l yd e c i d e sb l o o ma n dd o 1 ：f a uo f t 1 1 ec i t ) r ；、v ：h a ti sm o r e ，i ti sg r e e nl i f e b l o o do ft h ec i t y ，i tp l a y sam o s ti m p o i r t a n tp a r ti n k e e p i n ge c o - b a l a n c e b u ti nt l l e s p e e d i n gu po ft h eu 1 b 疵z a t i o na n di n c r e a s eo fm ep o p u l a t i o n ，w h e n t h eh u m 锄e n j o yc o n v e l l i e n to ft h er i v e r ，t l l e ya l s ot r a n s f o n nt l l ec i t yr i v e r 伊a d u a l l y ，嬲 a r e s u l t ，i t sm n c t i o ni sd e g r a d i n gd a ya i l dd a y ，e c o - b a l a j l c ei sd e s 缸o y e ds e r i o u s l y ，t h e p r o b l e mo fw a t e re n v i r o 衄e n tp o l l u t i o na 1 1 dw a t e rr e s o u r c es h o r t a g eb e c o m e sm o r e a n dm o r es e o u s ，i t a l r e a d yb r i n g sa b o u tp e o p l e s v i s i o n o n s e q u e n t l y ，w a t e r e l w i r o m e mp o l l u t i o nc o n 仃o l i n go fc i t yr i v e ri sp a i da n e m i o nb yt h ep e o p l eo ft 1 1 e i n t e m a la n do v e r s e a s ，1 tb e c o m e sm o r ea 1 1 dm o r eu r g e n t o nm eb a s i so ft l l ec i 够r i v e rw a t e re n v i r o n n l e n tp o l l u t i o n c o n t r o l l i n go ft h e r e s e a r c h e sd o n eb ys c h o l a r sb o t hh o m ea n da b r o a d ，t h et l l e s i sr e a l i z es i m u l a t i o n c a l c u l a t i o no fc i t yr i v e rw a t e rq u a l i t ) ，b ye s t a b l i s h i n gw a t e rq u a l i t ) ，m o d e l a i m sa t p r e s e n tp o l l u t i o ns i t u a t i o na n de x i s t e n t i a lp r o b l e m so ft h ec i t ) ，r i v e r s ，b yc o m b i i u l i n g w i t ht l l ew a t e rp o l l u t i o nc o n t r o l ，u s i n gs e l f p 嘶f i c a t i o nc 印a c i t ) ，o ft h ew a t e r s ，t h e s e 、a g ea t t h ed r a i ni sd i s p o s e di no r d e rt om a k et h ew a t e rq u a l i t ym e e tt h ec o n t r o l t a r g e tr e q u i s i t i o n t h eo p t i m i z a t i o nm o d e lw m c ht a k e si n t 0c o n s i d e r a t i o no ft l ec o s t s o fb o t l lt l l es e w a g ed i s p o s a la r l dt l l ew a t e rr e s o l l r c e si sc o n s 衄j c t e dp r e l i m i n a r i l y ，a r e r c o n f i n n i n gt h ew a t e rr e q u i r e m e n to ft 1 1 er i v e r sa n da v e r a g er a i n f a l lr e p l e n i s l l r n e n tt o t a l f l u x0 fm ey e a r ，u t i l i z et l l em o d e lt op r o c e s so p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o no ft h en o w 新n g v o l u m eo fe v e r yr i v e ra 1 1 dt l l es e 、a g ed i s p o s a lr a t eo f e a c hd r a i n ，i tp r o v i d e sac e r t a i n r e f e r e n c et ot h ew a t e rp o l l u t i o nc o n t r o ls i m u l a t i o na n dt l l eo p t i m i z a t i o n 砌d n gv i s u a lb a s i c6 o a u sp l a t f o 肌，t 1 1 et h e s i se x p l o i t st l l ec o m p u t e ra s s i s t a l l t s y s t e m t h es y s t e ma d o p t sm a n - m a c l l i n ei n t e r a c t i o nm o d ea i l dh a st l l ea d v a l l t a g eo f 扬州人学硕士论文 e a s ya n ds i m p l et oo p e r a t e i tc a na s s i s tu s e r se m c i e m l yt or e a l i z et h es i m u l a t i o n c a l c u l a t i o no f e a c hr i v e ra j l do p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o no fs e w a g ed i s p o s a lr a t eo fl i m b e r h o l e so ne a c hr i v e r b e c a u s et l l ee s t a b l i s h e do p t i m i z a t i o nm o d e li sac a l c u l a t i o n p i o g r ：l l n t h a ti s n o n l i n e a r ，s oa d o p t i n ga c c e l e r a t e dg e n e t i ca l g o r i t ，a n dc o m p i l e d w i t hf o m a nl a n g u a g e t h ep r o 伊a mc a u lb ei n v o k e db yv b ，、沛i c hm a k e si th a v eg o o d v e r s a t i l i t v k e yw o r d ：c i t ) ，r i v e r ；w a t e rp o l l u t i o n ；l i r i l b e rh o l e s ；w a t e rq u a l i t ) rm o d e ；s i m u l a t i o n i v a n d o p t i m i z a t i o n ； c c e l e r a t e d g e n e t i ca l g o r i t h m ；c o m p u t e r a s s i s t a n t s y s t e m 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的 研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经 发表的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：认导、务 签字日期：- 2 研年6 月f a 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和 借阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 勺年( 月i 。日 张景秀 城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 1 绪论 1 1 研究背景 水是人类生存、生活和生产不可缺少的宝贵资源，是农业的命脉、工业的动 力、城市的血液，是环境问题与发展问题的核心。水之宝贵，在于其储量有限， 更在于其具有不可替代性和可再生性。联合国粮农组织早在2 0 世纪7 0 年代就发 出过警剖l j ：“不要认为水是无穷无尽的天授之物，事实上世界上的水荒正在不断 加深地威胁着人类的生存”。但是随着经济的迅猛发展，水环境危机已成为一个 全球问题，不容乐观。水环境问题的关键是水的社会循环问题，水的社会循环的 实施主体是水工业，它是以城市及工业为对象，从事水的可持续开发利用和保护， 并以满足社会经济可持续发展所需求的水量、水质作为生产目标的特殊工业 2 1 ， 其核心部分是给水与排水。因此，水对城市及其经济发展具有很重要的作用。 长期以来，在粗放型模式的操作下，我国水资源没有得到有效的保护和再生， 缺乏对污水处理和排放的有效控制，致使水资源被消耗和污染。1 9 8 4 1 9 9 5 年这 l o 年间，7 0 0 余条近1 0 万公罩长的河流中污染河段长度从占2 1 8 增加到4 6 5 。 全国河流近1 2 河长的河段受到污染，9 0 以上城市水域污染严重【3 l 。有的水源既 不能灌溉，更不能用于生活饮用，一些河段严重污染使其难以利用，造成水资源 浪费，更加剧了水资源的短缺状况。 水资源短缺与水污染严重造成的水危机，不但破坏生态平衡，导致水资源供 需矛盾的进一步加剧，而且会造成巨大的经济损失。据统计，由于供水不足，城 市工业的年经济损失可达1 2 0 0 亿元；由水污染造成的经济损失大约相当于国家当 年财政收入的6 。可见，水危机不但严重困扰着国计民生，而且已经成为我国 社会经济发展的重要制约因素。为缓解水环境问题所造成的对我国经济社会发展 的制约，国家实施“以水资源可持续利用保障经济社会可持续发展”和“人口资源环 境协调发展”的战略，并作为新世纪的国家治水思路。从这样一个高度来审视，无 论是当代还是未来，水作为可持续发展的基础资源，作为维护生命赖以生存的自 然生态系统和良好生态环境的条件，防治水污染、保护水资源、改善水环境、修 扬州人学硕+ 论文 复水生态将成为人类生存与发展的永恒主题。 河流是城市的摇篮，我国很多城市都依河而建，这些河流不仅为城市提供了 便捷的交通、良好的水源，而且还为城市提供了甚至是“免费”的排水系统，它还 承担着城市旅游、市民休闲、美化城市等功能，与人类的生存发展密切相关。但 是由于受到城市化进程中剧烈的人类活动的干扰，城市河流成为人类活动与自然 过程共同作用最为强烈的地带之一【4 】。人们在尽享河流带来之便利的同时，也在 不断地改造着城市河流，如加固堤岸、裁弯取直、修筑水坝，以满足人们对于供 水、防洪、航运等多种要求。这些改造活动给人们带来了巨大效益，但同时也极 大地改变了城市河流的结构和功能，使得城市河流的功能逐步退化，进而造成一 些生态环境恶化等问题，已引起人们的广泛关注。 据有关资料显示【5 】：我国流经城市的河段普遍受到污染，1 4 1 个国控城市河段 中有6 3 8 的城市河段为类至劣v 类水质。城市河道的富营养情况和城市的经济 发展水平具有相关性，工业化、城市化发展越快，城市规模、人口增加压力越大， 环境负荷越大，城市河道的水质也就越差。因此，城市河流治理及生态恢复也变 得尤为重要，不容忽视，成为将来必须面临的一个突出问题。 1 2 国内外研究进展分析 1 2 1 国外研究进展 ( 1 ) 欧洲国家 由于对工业革命以来大肆破坏河流生态、污染河流水质的反省，欧洲各国十 分重视对河流系统的保护和生态恢复。从2 0 世纪6 0 年代起，随着实施有效污染控 制措施，欧洲河流的水质明显改善，但河流的栖息地质量、生物多样性状况依然 不容乐观。自2 0 世纪8 0 年代开始，面对河流治理中出现的水利工程对生态系统的 某些负面影响问题，欧洲的工程界对水利工程的规划设计理念进行了深刻的反思， 认识到河流治理不但需要符合工程设计原理也要符合自然学( 水文和地貌学) 原理。 随着现代生态学的发展，人类进一步认识到河流治理工程还要符合生态学原 理，也就是说把河流当作生态系统的一个重要组成部分来对待，不能把河流系统 2 张景秀城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 从自然系统中割裂出来进行人工化设计。在欧洲陆续有一些河流生态治理工程获 得成功，相应出现了一些相关的理论和技术，主要成功有效的措施有：恢复缓冲 带、重建植被、修建人工湿地、降低河道边坡、重塑浅滩和深渊、修复水边湿地、 沼泽地森林、修复池塘【6 】。 德国、瑞士等国家提出了“重新自然化”概念和“自然型护岸”技术，主要内容包 括： a 、除去河道硬化层，允许水流自然侵蚀；b 、保持优美的流态；c 、采用鱼类 能上溯的落差，设置鱼虾产卵场；d 、甚至还专门为老人和儿童修改河滩，以保证 他们能安全地接近水洪。 利用“重新自然化”概念和“自然型护岸”技术，阿尔卑斯山山脚的阿勒河、著名 的塞纳河、多瑙河、莱茵河已恢复到了接近自然的程度。 英国采用“近自然化”河道设计技术强调在恢复和保护河流生态系统时，必须优 先考虑河流的生态功能。英国国家河流管理局则正在制定一项旨在改善和恢复河 道及洪泛区自然生态环境的行动计划，包括恢复河道特征和行洪滩地；保护沿河岸 的城市、道路和农田；减轻径流影响的缓冲区等内容。 丹麦于1 9 4 9 年提出河道直线化方案，使丹麦9 5 的河流逐渐改造成直线形。 1 9 8 5 年丹麦开始实施的河流复原工程从目标上可分为3 种类型【7 】： 类型i ：滩地、深潭的创出、鱼类产卵环境的改善等小规模、局部性的环境 改善； 类型i i ：恢复河道的连续性，包括设置鱼道，河道内跌水改为陡坡急流等； 类型i i i ：恢复河道以及平原地带的生态、水理功能，即恢复到原来的弯曲 河道形式，在冲积平原地带进行湿地再造等。 荷兰强调河流生态恢复要与防洪结合，提出“给河流以空间，的理念【引。 在工程实践方面，欧洲国家重视河流生态恢复示范工程建设，如尼塔河“再现 蜿蜒河流”恢复工程。欧洲实施“莱茵河行动计划”不仅改善了河流水质，而且提高 了河流栖息地质量，使鲑鱼重回莱茵河。 ( 2 ) 美国 3 扬州人学硕十论文 美国非常重视河流生态恢复工作中河流的分类、评估和监测工作，注重恢复 的科学性。例如美国环保局启动了“环境监测和评价计划”，监测国家生物资源( 包 括河流) 的状况和趋势。 佛罗罩达州修建了很多人工河道，但慢慢发现周围的湿地越来越干燥，生物 多样性也急剧减少，于是在2 0 世纪9 0 年代开始改造，目前己恢复到弯曲流河道状 态。著名的洛杉矶河也j 下在改造拆除衬砌，对河流进行回归自然的改造。美国在 其国内的大小河流上总共修建了7 5 0 0 0 多座挡水建筑物，在过去的十几年里，拆除 废旧坝( 堰) 、恢复生态的工作空前进展，到目前为止己有约5 0 0 座坝( 堰) 被拆除【9 1 。 拆除对象原则上满足3 个条件：坝( 堰) 的机能丧失、从坝( 堰) 本身可得到的利益可以 用其他方法得到补偿、坝( 堰) 的修复费用太高。 g e r a l d 和o a l l o w a y 对1 9 9 3 年m i s s i s s i 河流域洪水进行了反思，提出了与经济、生 态、文化可持续性相融合的河流管理新模式；在实践方面，美国各州j 下在大力推 行综合性的“流域保护方法”，它具有以下几个特点： 重视河流整体生态功能的恢复，而不仅把重点放在污染源控制上： 强调多个政府部门、非政府组织、民间团体、企业和公众的协商与合作； 管理决策中除了考虑传统的污染因子之外，还考虑到大量的生态因子； 重视河流管理情报的公开及分享。 ( 3 ) 日本 日本在1 9 6 5 年后针对由于城市化急剧的发展，围绕河流引起的各种问题开展 了新的城市河流治理方案。在2 0 世纪9 0 年代初提出了面向2 1 世纪的城市河流治理 方略，开展了“创造多自然型河川”计划，1 9 9 1 年开始推行重视创造变化水边环境的 河道施工方法，即“多自然型河道建设”，仅在1 9 9 1 年，全国就有6 0 0 多处试验工程。 实践表明，该技术有效地促进了地下水的渗透和水的良性循环，提高了水边环境 的自然净化功能。 总之，很多国家都在对破坏河流自然环境的做法进行反思，都在逐渐将河流 进行回归自然的改造。2 0 世纪9 0 年代以来，采用混凝土施工、衬砌河床而忽略自 然环境的城市水系治理方法，已被各国普遍否定，建设生态河流己成为国际大趋 4 张景秀城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 势【9 1 。 1 2 2 国内河流治理的阶段性发展 根据人与自然的关系，可将我国的河流治理大致分为以下四个阶段【旧l ： ( 1 ) 依附自然被动防御阶段：新中国成立以前，河道基本上没有治理，人 们的生产建设活动是在适应自然水文的条件下进行的。堤防很少，而且标准很低， 都是为了保护个体利益而修建的简易工程，防洪效益甚微，常常是左岸筑堤，右 岸受灾，洪水东冲西撞，在自然环境中寻求平衡，时常给沿河两岸人民带来灾难。 ( 2 ) 发展生产与城市河流争地阶段：2 0 世纪5 旺7 0 年代，随着国民经济的 增长，发展生产、兴修水利，完成了大量提水灌溉、河道治理和堤防工程。但限 于当时的经济条件，没有机械作业，大多采用人海战术，肩挑手推，拉土筑堤， 地方保护主要以植树压柳为主，采用“头痛医头、脚痛医脚”的方式，对河堤修修补 补。重要河段修建了挑流护岸工程，为扩大土地面积，增加粮食产量，不切实际 的“与河争地”。忽略了河流长期形成的自然形态，较多采用了裁弯取直、消除滩地、 缩窄河道等做法，结果洪水来时，流速过急，冲刷加剧，时常发生漫堤决口事故。 而洪水过后，河道中只剩下空旷的冲刷痕迹。 ( 3 ) 防洪排污经济治河阶段：1 9 8 4 年后，河道管理和治理工作走上了法制 轨道。在全盘考虑上下游、左右岸及保护对象的前提下，采取工程措施和生物措 施相结合的方法，高标准、高质量地对河流实施了分期治理阶段。2 0 世纪8 0 9 0 年代，河流治理有两个突出特点：一是为了保护耕地、企业和道路设施等，根据 法定防洪标准达标治理，确保社会安定和经济快速发展。二是结合排污需要治理 河流，在经济迅速发展过程中，大量未经处理或超排放指标、超水环境承载能力 的污水排入河流中，造成河流污染，并殃及临近趋于的生态和居住环境。为实现 利用有限的资金达到最大效果，常常采用能够加大过流能力并避免污水滞留于隔 离河流渗透的衬砌形式，建成了大量的矩形硬质河道。 ( 4 ) 修景与生态和谐治理阶段：2 0 世纪9 0 年代后期，我国中心城市和沿海 地区的经济实力得到极大的改善，人们生活水平普遍提高，改善生活质量、创造 优美环境成为一种生活需要。在创造城市形象过程中，对河流的治理也作了深入 s 扬州人学硕十论文 的思考，提出“创造利于亲水的水边景观，制定与区域发展、传统文化、自然条件 相和谐的规划方案【l ，设计适合当地生态要求的结构形式，对于整个河流的治理 模式追求可持续性”的原则，即在满足河流行洪排涝基本功能的基础上，河流的社 会功能与生态功能建设要具有长期持续存在的条件。“和谐修景生态”已经成为河道 治理的一种趋势，在今后的实践中这种理念将不断得到充实。 综上所述，河流治理的演变是由简到繁，由低标准到高标准，由盲目治理到 科学治理逐步提高完善的过程。随着社会的发展及人们生活水平的不断提高，人 类对生活环境的质量要求也在不断提高，因而，河流的休闲、娱乐、景观、生态 等功能逐步受到重视。 1 2 3 水质模型的发展概况 本文的河流水质模拟优化主要是通过建立河流水质模型来控制、减少污染物 的排放量来实现的，而河流水质模型的发展白1 9 2 5 年斯特罩特费尔普斯第一次建 立水质模型以来，国际上对水质模型的开发与研究分为以下四个阶段： 第一阶段( 1 9 2 5 1 9 6 5 ) ：开发了比较简单的生物化学需氧量和溶解氧的双线型 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 ) ：随着计算机的应用以及对生物化学耗氧过程认识的深 入，除继续研究发展溶解氧模型的多维参数估值问题外，水质模型发展为六个线 型系统，计算方法从一维进到二维，除河流、河口问题外，开始计算湖泊及海湾 问题。 第三阶段( 1 9 7 0 1 9 7 5 ) ：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、氮的循环系统，浮游植物和浮游动物系统，以及生物生长率与养物质、 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方法进行计算。 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问题外，还发展了 多种相互作用系统，涉及到与有毒物质的相互作用。空间尺度已发展到三维，随 着模型的复杂化，要准确描述模型的性质是很困难的。某些模型中状态变量的数 目已大大增加。有2 0 个或更多状态变量的水质模型己很少见。目前对水环境的污 6 张景秀城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 染问题已发展到将地面水、地下水的水质水量与大气污染相互结合建立综合的研 究阶段。 124 我国河流治理存在的问题 目前随着经济迅猛发展与城市化进程的加快，使得城市河流所面临的问题 与我国实现“可持续发展”、建设“和谐社会”等目标极不相称，如何治理城市河流 以满足社会发展的需求，成为我们迫切需要解决的问题。另外，城市人口集中， 人民生活水平也在不断的提高，工业和城市污水的排放量大大增加，许多城市河 道成为排污通道，既丧失了生态功能，又污染了周围环境。不少中小城市由于经 济实力有限，无力开展有效的治污行动；又因为人们对经济的绝对追求，不遵循 可持续发展规律从而导致河道淤积、水质黑臭、卫生状况极差，见图1 1 。在北 京、上海、天津、西安等少数大都市，近年来已着手对城市河流水环境进行大规 模整治，但很大程度上仍然沿用传统的规划治理观念和技术方法，经治理过的河 流明显地表现为工程治河思想的产物，对河流景观和生态缺乏充分的考虑，治理 效果与现代城市的舒适性要求仍存在较大的差距，见图1 - 2 。目前河流治理中出 现的问题具体情况见表1 - l ： 图1 】水质受污染的城市河道 扬州人学硕十论文 图l - 2 硬质化后的城市河道 表1 1 我国城市河流治理存在的问题 问题类型 详细描述 河流系统河流空间被道路、市街、商业区、住宅区挤亍， 面积减少自然河义、溪沟被填埋、暗渠化，河流规划面积难以保证。 环境污染城市垃圾管理不善沿河堆积；f 水道建设滞后污水直排，河流水质恶化， 严重水域功能退化甚至丧失。 河流生态系统退化 河道人i 化、物理化，水域栖息生物减少或消失； 河演生物栖息地网络被分割孤立； 环境白净能力丧失 河岸白然生物群落消失，绿地人r 1 化、生物多样性受损 自然地貌改变河岸自然地形被平整化，河流岸线直线化，景观多样性消失； 水文特征恶化 枯水流量减少，地f 水交换受阻，洪水威胁增大。 河流功能简单化甚 河流系统演化为单调的泻洪道和捧污沟。 至完全菠失 原有经济、生态、社会、文化功能消失。 13 本论文研究的主要内容 本论文研究的主要内容包括： ( 1 ) 通过阅读大量的国内外文献资料，分析探讨了我国城市河流污染的现状 及存在的问题。 ( 2 ) 针对目前城市河流普遍存在的水污染问题，通过建立河流一维水质模型， 用遗传算法对其进行求解，实现对河流水质的模拟计算。 ( 3 ) 通过与水污染控制相结合，利用水体的自净能力，对排污口的污水进行 张景秀城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 处理，使河流的水质满足控制目标。 ( 4 ) 构建了考虑污水处理费用及引水费用相结合的优化模型，在确定各河道 总需水量与各河道年平均降雨补给总流量后，利用模型对各河道的流量及排污口 的污水处理率进行优化计算，为水污染控制模拟优化提供了一定的依据。 ( 5 ) 以s u a lb a s i c6 0 为平台，开发了“城市河流水质模拟优化”计算机辅助 系统，实现对各河道计算断面的水质模拟计算及其上的排污口污水处理率的优化 计算。 9 扬州人学硕十论文 2 河流水质模型 2 1 河流水质模型的基本介绍 2 1 1 河流水质模型的概念及意义 水质数学模型( 简称水质模型) 是一个用于描述物质在水环境中混合、迁移 过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间和空间的定量关系。建立的水质模 型可以为河流的污染物排放与河水水质的关系提供定量描述，从而为评价、预测 和选择污染控制方案以及制定水质标准和排污规定提供依据。它是进行河流水质 规划、管理和研究的重要工具。 2 1 2 水质模型的任务 河流污染的数学模型1 2 j ，就是用数学语言作为手段来描述河流污染过程中的 物理、化学、生物化学及生物生态各方面之内在规律和相互联系。在对河流污染 调查、监测的基础上，依据已取得的水质资料，按照质量及动量守恒的基本原理， 建立一系列相应的数学方程式，作为对实际系统的近似，亦即是对河流水质进行 数学模拟，通过数学方程式来反映河流水质系统的行为，预测河流水质变化趋势。 2 1 3 水质模型建立的基本原则 水质模型是用数学公式来描述实际系统的各个组分及其联系，表达系统的整 体功能、系统各组分的主次及相互联系。因此，在选择和制定水质模型时应遵循 以下原则【1 3 】： ( 1 ) 实用性：即根据具体研究目的，选择可解决实际问题的模型。 ( 2 ) 先进性：即在选择模型时，应大量阅读文献，掌握国际和国内最新研究 动态，尽可能选择国际上较先进的并大量运用的模型。 ( 3 ) 可行性：即需要对实际情况应有较深刻的了解，根据实际数据选择准确 与可行的模型，使模型的应用具有可操作性。 ( 4 ) 简洁性：不要试图建立全能型模型，这样的模型太繁琐，且需要大量和 全面的实际数据。 ( 5 ) 适应性：即模型对于外部条件的变化应具有一定的应变能力，具有开放 1 0 张景秀 城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 性，能适应管理上进一步发展的需要。 ( 6 ) 现实性：指能最大可能地对现实系统进行仿真。 ( 7 ) 合作性：应让模型的使用者参与模型的开发，使使用者熟悉模型的原理， 更容易接受这个模型，并能使模型成为管理的工具。 以上七条在实际运用中应该统筹兼顾，以期达到选择模型的优化 2 1 4 水质模型的优势及其局限性 河流水质模型方法定义：用数学模型的方法来描述污染物质在排入河流后所 产生的稀释、扩散、自净的规律的方法【l3 1 ，即描述水体中污染物随时问和空间迁 移转化规律的数学方程。水质模型的建立可以为河流中污染物排放与河流水质提 供定量关系，从而为评价、预测和选择污染控制方案以及制定水质标准和排污规 定提供依据。 与其它形式模型相比较，数学模型不需要过多的专用设备和工具，可以节省 大量的试验费用；特别是计算机的大量应用，更为数学模拟开辟了广阔前景，这 是其它模型方法所不可比拟的。利用计算机使用数学模型来对河流水质进行预测 和控制是十分有效的：在受研究者控制的环境中，可以研究各种组份在各种条件 下的状态和演变规律；可以考察河流系统对各因素或参数的灵敏度和系统的稳定 性，特别是在一些临界状态( 或危险状态) 下；可以在深度和广度上取得有意义的 数据和资料；可以根据各种需要和可能做出多方案的模拟和比较，让决策者有更 多的选择。所以，应用水质数学模型的方法是河流污染控制与治理的必然。作为 一个解决复杂环境问题的有力工具，水质模型方法被广泛应用于河流环境规划、 管理、环境影响评价以及环境质量预测之中【1 3 】。 水质模型也存在一些局限性【l4 1 。水污染物特别是有机物在河流中的迁移转 化是一个复杂的物理、化学和生物过程，要从本质上利用数学模型来描述这个过 程是很困难的，现有的水质模型的基本控制方程为一维对流扩散方程，它也是在 一系列假定的基础上得到的。因此，水质模型在反映水质变化过程中存在一定局 限性；另外，它一般采用数值计算方法，数值模型所依据的是数学方程的离散形 式，计算区域和方程的离散不仅引起量上的误差，而且处理不当常常会改变方程 l l 扬州人学硕十论文 的性质。所以，数值模型不能完全代替物理实验，更不能代替理论分析。实际上， 理论分析、数学模型和物理实验的紧密结合是当前解决理论问题与工程实际问题 的有效途径。另外，在河流水质系统中，有许多反应机理还不太清楚，有很多过 程目前还不能或难以用数学方法表达，因此，对这类问题也就难以进行数学模拟。 所以，水质模型的应用要考虑它的局限性，特别是对一些客观条件认识还不 够全面和充分时，则首先必须深入研究和分析当时当地具体条件，考虑社会、政 治、经济、技术各方面的需要和可能，否则若盲目应用河流水质模型就会使研究 工作不切实际。 2 2 河流水质优化原理 典型的河流水质优化问题是设法确定允许污染物的排放量以满足给定的水质 控制目标。对于已经被污染的城市河流而言，主要是通过减少各污染源的排放量， 并采取各种措施，以最小的代价达到规定的水质目标要求。 究其本质，允许污染物排放量既是水质目标的函数，又是河流流量与水温的 函数，而河流流量与水温又是时间的函数，因此，允许污染物排放量又是时间的 函数。解决以上水质优化问题的途径一般有两个：一是污染物排放量的实时控制， 即根据水体允许负荷量随时间的变化规律随时调节污染的排放量；二是静态控制， 即根据某一临界流量与水温确定一个不变的允许排放量。而我们最关心的是河流 水质最不利的条件，一般在河流低流量时( 如晚夏或早秋) 往往也是水温较高的时 候，此时水质接近临界，水流状态则恰恰属于稳定时期。因此，一般河流可以用 稳态的水质条件来进行水质的模拟和规划。 因水温变化在污染控制过程中的影响不大，确定一个合理的河流流量是污染 控制的关键所在，因此，本文采用静态控制方式。 2 3 水质模型的建立 现有水质模型的种类和数量都较多，但大部分都是1 9 2 5 年s 仃e e t e r 和 p h e l p s 为预测河流中各种生物降解成分的生化耗氧量( b o d ) ，以及产生的溶解氧 ( d o ) 浓度而提出的两个简单方程的发展。在实际应用中应根据具体情况选择合适 1 2 张景秀 城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 的模型。 2 3 1 基本方程 真实系统一般都是三维空间结构，在实用中往往采用一维、二维甚至零维的 水质模型。对于天然河流而言，其横向和竖向的污染物浓度梯度通常可以忽略， 采用只考虑纵向( 即水流方向) 浓度的变化，则河流一维水质模型的基本方程【1 5 】： 式中 等+ “要：e 等一k 。c ( 2 - 1 ) + “一= 乜_ 一 ，乙 ( 2 1 ) afa xa x 2 c 河流断面污染物的平均浓度，m l ； “河流平均流速，k n 们； e 河流离散系数，l 2 d ； ，污染物流经某一河段的时间，d ： z 污染物流经某一河段的距离，h ； k 反应速率系数，【d 1 】； 当河流在稳态条件下，则一维均匀流水质模型的基本方程是【1 6 】： “要：e 粤一k lc ( 2 2 ) a xa x 2 1 2 3 2 模型的确定 对于城市河流而言，可认为是以b o d 代表河流中有机物总和指标( b o d 为一 级衰减反应) ，且无渗漏、不考虑面源输入的均匀稳态河流，采用一维稳态的斯特 里特一菲尔普斯( s t r e e t e 卜p h e l p s ) b o d d o 耦合模型即可，这是因为它既对水 污染控制具有普遍的重要性，而且它的模型已能较为真实地反映实际，则s p 方 程式【1 7 】： “等= e 鲁氆ca xa x z l ( 2 3 ) 扬州人学硕十论文 甜罢= e 害瑙c 鹄( q - d ) ( 2 - 4 ) 在c ( x = 0 ) = c 。，d ( z = 0 ) = d 。的初值条件下，求其积分解，得到以下的 s p 模型的解【1 8 】： ( 1 ) 考虑弥散时的稳态解( 温度t 是常数) 肚盱( 盱。加即+ 告工1 。5 热仆奇”芏兰 ：= 寿ct 一1 + 等， ( 2 ) 忽略弥散时的稳态解 或 式中： 1 4 = 厶p 一酬“ 。= 叫q - d o ) p 喝咖+ 援仃即肛巧即q - 6 ) d - 即文咖一哉即可即 协7 ， 厶厶工= x 和z = 0 处河水b o d 的浓度，m g l ； d ，d o x = z 和x = 0 处河水溶解氧的浓度，m g l ： d ，d 0 x = x 和x = o 处河水溶解氧亏浓度，m g l ； 张景秀 城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 g 河水中饱和溶解氧浓度，m l ； z 离排污口( x = o ) 的河水流动距离，m ； ( 3 ) 用s p 方程推求临界氧亏和临界距离 对式( 2 7 ) 求导，并令删出= o ，可得 临界距离 = 去h ， 1 - 沪，铷 临界氧亏 皿：( d 0 + 与) ， 1 彤叫钟击 ， 1 _ ，新 临界溶解氧 盱哼卜( 删半r 其中，厂= 鲁，自净系数，为复氧系数与耗氧系数之比，反映水中溶解氧自 净作用的快慢。 2 3 3s t r e e t e 卜_ p h e l p s 模型的参数估计 s 讹e t e 卜_ p h e l p s 水质模型中，主要确定三个参数，河流纵向离散系数e 、b o d 的降解系数墨、河流大气复氧系数k 。 ( 1 ) 纵向离散系数e 的估计 纵向离散系数是由于河流断面上流速分布不均匀而引起污染物质的分解、输 移，它是衡量河流对污染物分散、输移能力的个重要参数。e l d e 卜l e e n d e r t s e 提 扬州人学硕十论文 出下列经验公式【1 9 】： 式中： ex = s 9 3h 岖面。 日平均水深，m ； 水力坡降； g 重力加速度，取o 9 8 毗2 ； ( 2 ) b o d 的衰减系数k 。的估值 1 、b o d 的实验室测定值来估算k 在实验室测得的一组不同时间，时，河水样品各相应的需氧量j ，值，由此可求 得k ，( 实验室) 。由于河流中生化降解条件不同，k ( 河流) 都要大于k 。( 实验 室) ，这主要是由于河流紊动等水力学条件引起的。b o s k o 提出用下述经验关系 来描述实验室中得到的b o d 衰减系数与河流中实测值之间的关系【2 0 】： 引河) = 昧实删+ 嗜 式中：“河流平均流速，州s ； h 平均水深，m ： 口与河流坡度有关的系数，其数值与流速及水深有关，流速 快时取o 6 ，流速慢时或水深大取0 1 。 2 、经验公式法 啪g h t 依据美国几十条河流中几十个河段的水力学特性及其水质变化的实 际资料，通过多元回归分析之后，得出如下经验关系式2 0 】： 1 6 和 k l = l o 3 q o 4 9 k l = 3 9 3 尸一o8 4 张景秀 城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 式中： k ( 2 0 ) 2 0 时耗氧系数，1 d ； q 河流定常状态下的流量，m 3 s ； p 河道湿周，m ； ( 3 ) 大气复氧系数砭的估计 1 、o c 0 皿o r 和d o b b i n s 提出采用下式估计大气复氧系数如2 砭= ( 见“) v 2 日1 5 该式是由液膜理论建立起来的机理模型。 式中： 甜河流平均流速，毗； 日平均水深，m ； 跣水中氧分子扩散系数，当2 0 时， d 用= 2 0 37 1o 一5c m ? s ； 玩随温度而变化：d 脚( 2 0 ) = d 脚( 2 0 ) 1 0 3 7 r 一2 0 。 o c o m o r 和d o b b i n s 还推荐了另外两个经验公式【2 0 】： a 、在低流速、均质条件下： k ：= 1 2 8 ( 见“) n 5 日”= 1 6 9 8 甜0 5 日1 5 b 、在高流速、非均质条件下： 耻2 引( 警) 式中：& 河床坡降； 见= 1 7 6 2 1 0 一4 m 2 d = 2 0 3 6 1 1 0 。9m 2 s 。 2 、o w e n s 、e d w a r d 、g i b b s 公式 1 7 扬州人学硕十论文 蚪引( 等 该式适用范围：”= o 0 3 肌s 一1 5 聊s ，h = o 1 2 朋一3 4 朋。 3 、c h u r c h i l 、e l m o r e 、b u c k i n 曲锄公式 纠m ( 等) 2 4 本章小结 本章主要对河流水质模型作了基本的介绍，论述了河流水质的优化原理，概 述了城市河流一维水质模型迁移转化的基本方程，并针对城市河流的特点采用了 斯特里特菲尔普斯水质模型，同时对模型中如何确定参数的方法进行了描述。 张景秀城市河流水质模拟优化与生态恢复研究 3 河流水质模拟优化 3 1 水质模拟的准备 一般来说，一条未受污染的河流或其他水体，可以满足较多的功能要求，在 受污染之后，水体的功能将逐渐衰退。如不加控制，人们长期赖以生存发展的水 体将会“死亡”。因此，有必要根据具体的政治、经济及技术状况，对河流的功能 进行调整和规定，对排