（市政工程专业论文）薛城小沙河人工湿地水力优化研究.pdf

c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： l i uh u a n h u a n p r o f 厂uz h o u h u a c a d e m i cd e g r e ea p p i i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i ：i l t y ：m u n i c i p a le n g i n e e r i n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e2 01o u n i v e r s i “： q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 薛城小 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 城小沙河水质稳定达到南水北凋地表水l i j 类水的要求。本课题针对薛城小沙河人 t 湿地：1 ：程f 叶地衙积大、水流均匀性差的特j _ ，为避免湿地进、出水形成“短流” 会引起水质净化效果筹的问题，采用水环境i 二维数学模型进行薛城小沙河人l ：湿 地的水力优化研究。 存刘。 1f j ，j 圈内外常用的水环境数学模型进行仔细筛选之后，课题确定选用深 度i f 均的甲面二维水流一水质模型，借助s m s 软件，利用有限元法对百苇城小沙河 人工湿地系统内的流场、浓度场进行模拟研究。通过对人t 湿地系统内f i 同的进 l 叶 水方式进行模拟，得出以。l 、结论： 1 、水流的流动状态和水力学特，阽足维持人工湿地系统正常运行以及充分发挥 净化效果的一个重要冈素，人工湿地系统内水流流念介于推流式和完令混合式之 问。 2 、人一l 湿地系统内存征滞留区和欠i ，流现琢，湿地局部区域未被充分利用。 水门位猷的选择对水力流念有较大影响，d5 水f 1 位置设计合理有利于充分利h j 湿 地m 积，可避免“短路”现象。 3 、通过数学模拟计算和分析，从六种进、出水方案中得 h ：均匀进水、2 群卜h 水口单独出水的方案2 以及均匀进水、l f 和2 撑出水r 同时出水的方案4 是相对较 好的两种优选方案。 刈薛城小沙河人工湿地的水力流念进行模拟研究，l j + 以为人工湿地的合理设 计和运行提供州论依据。本研究的数掘和结沦，对实际人工泓地工程的运行和管 理也有定的指导意义。 关键词：薛城小沙河；人上湿地；地表水模型；流场：浓度场；流念分析 i ；搭砖岭； 青岛理= 二大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t n a n s il a k ei so n eo ft h el a l 马e s tl a k ei nn o r t ho fo u rn a t j o n ，a n di ti sa l s ot h ec e r t a i nw a yf b rt h e g r e a tp r o j e c tt 1 1 a td i v e r t st 1 1 ew a t e rf r o ms o u t ht on o 九h s ot h ew a t e rq u a l i 妙o f n a n s il a k ei st h em o s t c r u c i a lf a c t o rw h i c hl e a d st h ep r o j e c tt os u c c c s so rf a i l l i r e x u e c h e n gx i a o s h ar i v e r ，a sa ni n f l o wr i v e r o f n a n s il a k e ，i t sw a t e rq u a i i 哆i so n eo ft h ek e y st od i v e r tw a t e rs u c c e s s f u l l yi nt h ee a s t e mr o u t eo f t h es o u t h t o - n o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ec o n s t r u c t e dw e t i a n da t t h ee n t r a n c eo fx u e c h e n gx i a o s h ar i v e rb a s e do nt h e p o l | u t i o nc o n t r o lp i a n n i n go fe p rw a s i m p l e m e n t e d x u e c h e n gx i a o s h a h ec o n s t r u c t e dw e t i a n dc o v e r sa na r e ao f8 8 6 5 4 5a c r e s a i m e da tt h e h y d r a u l i cf l o wr e g i m eo f x u e c h e n gx i a o s h a h ec o n s t n i c t e dw e t l a n d ，t h es t u d yb e g i n s a t1 1 0 m ea n da b r o a d ，t h e r ea r es om a n yw a t e re n v j r o n m e n tm a t h e m a t i cm o d e l s ，a r e rc a r e f u li y s e i e c t e d ，t w o - d i m e n s i o n a lf l o w p o l l u t a n tc o u p l e dm o d e li ss e l e c t e dt ou s ei nt h i st h e s i s w i t hs u r f a c e w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ，t h er e s e a r c hs i m u i a t e sf l o wn e l da n dc o n c e n t r a t i o nf i e l do fx u e c h e n g x i a o s h a h ec o n s t r u c t e dw e t l a n db yn n i t ee l e m e n tm e t h o d t h r o u g ht h er e s e a r c ho ns i m u l a t i o no f d i f r c r e n to l l t l e t s c o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： i ，f l o wr e g i m ea n dh y d r a u l i cp r o p e r t yi sap r i n c i p a le l e m e n tt om a i n t a i nt h en o r m a lo p e r a t i o no f c o n s t r u c t c dw e t l a n ds y s t e ma n dp l a ya ni m p o r t a n tp a r ti n d e c o n t a m i n a t i n g t h ef l o wr e g i m eo f c o n s i r u c t e dw e t l a n ds y s t e mi sb e t w e e np l u gn o wa n dc o m p i e t e i ym i x e df l ow 2 ，c o n s t r u c t e dw e t i a n ds y s t e mh a s d e t e n t i o na r e aa n dt h es h o r t s t r c a mp h e n o m e n o n ，t h e r ea r e s o m eu n t a p p e da r e a si nt h ew e t l a n d t h ec h o i c eo fo u t l e tl o c a t i o nh a sg r e a t e ri n f l u e n c eo nh y d r a u i i c f l o wr e g i m e ，t h er a t i o n a ld e s i g no fo u t l e tl o c a t i o ni sf a v o r a b l et om a k et h em o s to fw e t l a n da r e a i tc a n a v o j d “s h o r tc i r c u i r 3 ，b ys i m u l a t i n ga n da n a l y s i st h es i xo p t i o n s ，w ec a nd r a wac o n c l u s j o nt 1 1 a to p “o n2i sr e l a t i v e l y g o o di nt h r e es e p a r a t ew a t e ro u t l e to p t i o n sa n do p t i o n4i sr e l a t i v e 】yg o o di nt h r e ej o i n tw a t e ro u t l e t o p t i o n s t h es t u d yo ns i m u l a t i o no fh y d r a u l i cn o w r e g i m eo fx u e c h e n gx j a o s h a h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d c o u l dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf b rt h er a t i o n a ld e s i g na n dr u n n i n go fc o n s t r u c t e dw e t l a n d t h ed a t a a n dc o n c l u s i o n so fl h i ss “l d y ；h a si n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c et ot 1 1 e o p c r a t i o na n dm a n a g e l l l e n to ft h e p r a c t i c a ic o n s t n i c t e dw e t l a n dpr i o j e c t k e y w o r d s ：u e c h e n gx i a o s h ar i v e r ，c o n s i r 【j c t e dw e t i a n d ，s u r f a c ew a t e rm o d e l i n gs y s t e m ，f l o w 疗e l d 。c o n c e n t r a t i o nn e k l ，f l o wr e g im ea n a i y s i s 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要l a b s t r a c t i i 第l 章概述i 1 1 课题背景、意义1 1 1 1课题背景l 1 1 2 课题意义1 1 2 工程概况l 1 2 1地理位置1 1 2 2 地质条件，3 1 2 3 左e 候特i l f 4 1 2 4 水义水系4 1 2 5 水7 卜植被6 1 2 6 河流污染状况6 1 3 研究思路和研究阶段7 1 3 1研究思路7 1 3 2 研究阶段8 1 4 研究内容和技术路线8 1 4 1 研究内容8 1 4 2 技术路线9 第2 章国内外水环境数学模型研究综述lo _ j- 2 1 水环境数学模型研究概述1o 2 2 水环境数学模型的发展过程1 l 2 2 1第一阶段( 19 2 5 l9 6 0 年) 1 l 2 2 2第二阶段( 19 6 0 19 6 5 年) 1 l 2 。2 3笫二i 阶段( 19 6 5 19 7 0 年) 12 2 2 4 第l j q 阶段( 1 9 7 0 1 9 7 5 年) 1 2 2 2 5 第 阶段( 19 7 5 19 9 5 年) 一l2 2 2 6 第六阶段( 19 9 5 年全今) 12 2 3 水环境数学模型的分类1 3 2 3 1以模型的性质为分类标准13 2 3 2 以时| 日j 为分类柄：准1 3 2 3 3 以窄问为分类标准1 3 2 3 4 以变量特点为分类标准14 2 3 5以水体类型为分类标准1 4 2 3 6以污染物在水体中的运动特。陀为分类标准1 4 2 3 7以反应动力学为分类标准一1 4 2 3 8 以水质组分为分类标准15 2 4 常用模型软件介绍15 青岛理二大学c i ；每： 南 举学位论文 2 4 1 o u a l 2 e 卡；l 型15 2 4 2 w a s p 模型15 2 4 3m i k e 模型16 2 4 4 c e 一0 u a l 移 型16 2 4 5 s m s 模型l7 2 4 6 o t i s o t e q 模型。l7 2 5 水环境数学模型的评估因素17 2 5 1 研究的复杂程度1 7 2 5 2 时l u j 、空i i i j 尺度18 2 5 3 客观冈素1 8 2 5 4 污染物质的范围和反应过程1 8 2 5 5 技术支持18 2 6 水爿i 境数学模型发展的特点和趋势19 2 6 1水环境数学模型发展特点l9 2 6 2 水环境数学模型发j 醍趋势l9 2 6 2 1不确定件模型的研究1 9 2 6 2 2 基于l j 视化技术和v r 技术的研究2 0 2 6 2 3 与“3 s ”技术的结合2 0 2 6 2 4 与人工智能的结合2 0 2 6 2 5 新模型的：外发2 l 第3 章s m s 地表水模拟系统2 2 3 1 模型前处理2 2 3 1 1 文件的打丌2 2 3 1 2 文件的存储2 3 3 1 3 底图的输入2 3 3 2 模型的建谚一2 4 3 2 1水动力模型的建。讧2 5 3 2 1 1 节点的编辑2 6 3 2 1 2网格单元2 6 3 2 1 3网格质黾枪食2 7 3 2 1 4 定义材质2 8 3 2 1 5 定义边界条件2 8 3 2 1 6 模型参数设置2 9 3 2 1 7 r m a 2 模型检奄3 0 3 2 1 8r m a 2 模型运行3 0 3 2 2 水质模型的建立31 3 2 2 1 定义边界条r | ：3l 3 2 2 2 定义扩散系数3 2 3 2 2 3 模型参数设置3 2 3 2 2 4 模型运行3 3 3 3 模型后处理3 4 3 3 1 模型计算结果的浏览与查询3 4 3 3 2 调色板的应用3 4 4 2 1模拟计算区域边界的确定4 2 4 2 2 有限译元网格的建立一4 2 4 3 计算条件4 3 4 3 1气候条件一4 3 4 3 2 边界条件一4 4 4 3 3 初始条件4 4 4 4 参数的选取4 4 4 4 1 糙率4 4 4 4 2 紊动粘性系数一4 5 4 4 3j x l 鲍切心力参数7 4 5 4 5 流场模拟4 6 第5 章二维浓度场模拟5 4 5 1 水质模型的荜本理论、控制方程和汁饽方法5 4 5 1 1r m a 4 的基本理沦5 4 5 1 2 控制方程和计算方法5 4 5 2 参数的选拌5 6 5 2 1扩敞系数一5 6 5 2 2降解系数一5 7 5 3 浓度场模拟5 7 5 3 1污染物连续排放5 7 5 3 2 污染物瞬时排放一6 4 结论及建议7 l 参考文献7 3 攻读硕士学位期问发表的论文7 7 致j 谢7 8 警r ，一 1 1 课题背景、意义 1 1 1 课题背景 第1 章概述 南水北调工程包括东线、中线和西线i 条调水路线。南叫湖作为南水北凋东线 工程的霞要输水通道和调莆湖泊，保障其水质安全是东线t 程成功的火键。沿线各 河道输水期入湖水质的好坏，直接影响南水北调东线工程的供水水质。 薛城小沙河作为南四湖其中一条入湖河流，接纳了沿途城镇排放的人量工业废 水和生活污水，为使其入湖水质达标，需要对其沿线的点源、面源污染进f j ：截污、 整治等综合治理。在入湖河口实施水质净化t 程，是整个综合治理的最后环节，刊 时也是保障调水水质、成功实现调水的关键环节之一。根据十日关规划及要求，小沙 河柬水经过上游污染治理后，仍然不能满足南水北调工程的水质要求，冈此，需要 在入湖河口建设人工湿地水质净化工程，对来水进行进一步的处理，使其稳定达标 后排入南四湖。 1 1 2 课题意义 小课题中，建立人工湿地的目的1 i 仪仅是作为污水j 。对薛城小沙河米水进行处 理，也足一个最终的保险策略，保障入湖水质。凶此，该人工湿地建存湖滨地，h ， 陌f 秘较大，在 u j 流入湖口处加强，不仅处理了污水，还带来了臣火的m ：境、社会和 经济效益。 1 2 工程概况 1 2 1 地理位置 薛城小沙河人工湿地位于山东省济宁市微山县南四湖薛城小沙河入湖n 处， 二l j 程区半面位置见图1 1 。 ? j 北 i 4 般j l “l 山 湖 图1 1旧 l 地理f 移蹬、1 ，而图 南四湖南北狭长，形如k 带，e 自西北阳东南延仲。湖腰最窄处( h f 阳湖中部) 的。：级坝枢纽将南四湖一一分为二，坝北( 坝上) 为上级湖，坝南( 坝下) 为下级 湖。卜级湖包括南阳湖、独湖及部分昭阳湖；下级湖包括微山湖及部分昭阳湖。 本j ：程区位丁 南四湖的下级湖微i lj 湖i ，小沙河入湖口处。- 丁程区为湖滨湿地， 血积约为5 3 7 5 亩，见图l 一2 。 q “。， 。一砖o 。躬 ，、|。；一7，； t f ： 青岛理工大学：；撑：馘垒学位论文 1 2 2 地质条件 图1 2 小沙河人j ：湿地平而位置h 该地区属丁t 山麓冲积平原和滨湖洼地，甲原和沣地地表多为壤上，其次为粘十， 附近自然地而高程住3 2 5 0 3 4 0 0 m 之i 、i f j 。小沙河入湖口刚近地区十层分撕j 从f 二仝 下分为8 层： 表层人工填十：褐黄色，以壤上为宅，i i j 塑，t 要分前i 在河湖堤岸，厚度2 0 7 o m 不等。 第层淤泥质粘上：黑灰色，流软翅，有异味，：i ：质污染尸矿重，厚度o 5 0 7 m ， 主要分布于河湖底，层底高程3 0 5 0 31 5 0 m 。 第层粘：褐黄灰黄色，软塑，火0 4 m 厚的壤一 ：，厚度3 2 4 0 m ，层底 青岛理工灭学工学硕士学位：仑文 高程2 8 2 0 2 9 9 8 m 。 第层粘七央姜石：浅黄深黄色，可硬颦，姜石含量3 0 4 0 ，直径5 8 c m ， 厚度4 5 6 2 m ，层底高程2 2 2 0 2 4 8 0 m 。 第层壤土：黄色，可塑，姜石含量1 0 左右，直径1 2 c m ，并有锰质浸染 现象，厚度o 8 2 4 m ，层底高程2 1 8 0 2 4 0 0 m 。 第层砾质粗砂：黄色，密实，含少量粘粒，火砾石，厚度2 4 2 7 m ，层底 高程1 9 4 0 2 1 3 0 m 。 第层粘上火姜石：黄灰色，硬塑，姜石含量2 0 3 9 ，直径1 2 c m ，有灰 白色条带和铁锰结核，厚度7 o 8 8 m ，层底高程1 1 1 0 1 2 5 0 m 。 底部为正长岩，猪j f 色夹黄白色，全风化星泥砂状。 1 2 3 气候特征 工程区属暖温带人陆，降季风气候， 特，c 工是：明季分明，春旱多风，夏热多 雨，秋高气爽，冬寒干燥。年温及日温差异较人，温度适。 ，光照充足，热量较 多。气候特征如下：年乎均气温：1 3 8 ，年f f 照时数：2 4 3 3 小时，年均相对湿度： 7 0 ，f 均降水最：7 1 9 2 m m ，年均蒸发最：1 9 5 2 2 m m ，年卡导风向：s s e ，年甲 均j x l 速：3 3 m s ，最大冻土深度：0 3 8 m 。 1 2 4 水文水系 j i ：程区来水主要为薛城小沙河米水，求水经过_ _ l ：程区后汇入南p q 湖下级湖区 微山湖。 1 、小沙河河流及流域特征 薛城小沙河足一条季节性河流，如同我陶北方人多数小流域河流，除一年汛 期的几场洪水外，其它时间基本以污、废水为主。 薛城小沙河又名蒋集河，发源于薛城，以：微山县蒋集村南入南四湖，全长1 6 k m ， 在微山县境内3 5 k m ，流域匝i 积6 0 k m 2 。薛城小沙河内堤距7 4 m 1 1 0 m ，从湖门到 薛微边界堤顶高程为3 4 8 3 6 8 m ，滩地平均l 钉程为3 3 0 3 4 9 m ，宽度4 0 5 9 m ，河 槽宽度为2 2 5 0 m ，河槽底高程2 8 6 3 2 6 m 。 薛城小沙河的流域特征见表1 - 1 。 4 表1 2 阿阴湖。卜级湖水位变化特征值一览农 序 特征水位单化卜级湖箭注 号 l 夕匕水f 口 m 3 1 2 9 ( 3 1 5 0 ) 2 现状i l ：常运川水f f 7 = m3 2 2 9 ( 3 2 5 0 ) 1 拈j 内数 3 南水北嗣规划输薷水位m3 2 7 9 ( 3 3 0 0 ) 据为废黄河 4 历年实测年f 均水f 妒 m 3 1 6 l ( 3 1 8 2 )高科： 规划输莆水位现状年甲 2 输蓄水期 5 m1 1 8 均水位 为1 0 月次 6 历年实测输水则平均水位 m 3 1 6 9 ( 3 1 9 0 ) 年6 月。 7 渊水肝，输水删水何抬商 m1 1 0 根据历年h 平均水位资料统计分析，卜级湖微山站白1 9 7 5 年以来，包括汛期， 最高水位3 2 7 9 m ，1 9 8 0 2 0 0 0 年2 1 年中达剑3 2 2 9 m 以上水位的天数为8 3 2 天， 多年平均天数为4 0 天。但南水北调利用下级湖作为凋蓄水库，待工程f 常运行后， 下级湖每年有9 个月( 2 7 3 天) 维持在3 2 7 9 m 的高水位，则3 2 2 9 m 以上水位持 续天数比调水前增加2 3 3 天，输蓄水后3 2 2 9 以上水位发生天数是输蓄水前的6 8 倍。 1 2 5 水生植被 湿地内水生植物，卜物鼍较大，生念系统较为稳定，主要包括挺水植物和沉水 植物。挺水植物t 要以荷花、芦苇为优势种，长势良好；浮叶沉水植物以莲、浮 萍、金位藻、眼子菜、红线学：为主，其中以沉水植物最为丰富。 1 2 6 河流污染状况 小沙河沿途接纳了上游城镇排放的人互 ：】二业废水和生活污水，这些污染物流 入南四湖，污染了南四湖水质，附时影l j 向了i 萄水北渊工程调水水质。 薛城小沙河监测断面位于彭口闸。根据2 0 0 7 年卜半年采样豁测数据及薛城小 沙河流域的污染特点，选用了p h 值、氰氮、c o d 、b o d 5 与溶解氧5 个水质闪子 进行评价。 表1 32 0 0 7 年卜、卜年水质：汽测结果单f 节：m g l i l i 均i j i 类水质v 类水质 项f 1jj2 月3j l4 月5 ，j6 j j 值标准标准 p 值 4 3 7 77 27 86 6 8 6 96 96 9 氮氮 2 3 81 3 51 1 415 9l2 88 41 4 31 o2 0 c o d6 55 96 95 45 65 45 9 52 04 0 b o d ；2 01 9 3 6 1 34 913 2 541 0 溶解 6 16 50 3 55 6o 6 23 3 93 7 652 瓤 由上表口j 知，该河流水质较筹，已达到劣v 类水标准。主要超标凶子为氨氮、 b o d 5 、c o d ，氨氮指标平均值为1 4 3 m l ，超过i i i 类标准1 4 3 倍，超过v 类标 准7 2 倍；b o d 5 指标平均值为2 5 m g l ，超过i l i 类标准6 3 倍，超过v 类标准2 5 。? 砖咚獬 青岛理二大学工学硕十学俯抡文 解氖水质在3 月、5 月不足1 m l 。 按照山东省要求，卜游流域城区生活污水、工业余业污水经过相应治王翟达标后 排放，待湿地工程运营时进入工程区的米水水质为c o d 浓度4 0 m l ，氨氮浓度 2 m g l ；自丁程区净化后，出水水质必须达到c o d 叟0m g l ，氨氮s l m l ，以满足 南水北调东线1 ：程治污舰划要求。 1 3 研究思路和研究阶段 1 3 1 研究思路 图1 3研究思5 1 青岛弹二大学工学硕士孝位论文 1 3 2 研究阶段 第一阶段：以薛城小沙河人工湿地万分之一的地形图( c a d 版) 为基础资料， 打印出彩色幽幅，配合电子地图确定计算区域的边界，边界包括大堤、调水流动 区、芦苇l x 和明湖区等。接下来，将c a d 格式文件转化为d x f 格式文件，以备 输入s m s 软件中使用。 第二阶段：依照控制方程，定义初始条件和边界条件，选择糙葺夏参数，进行 ：一：维流场和浓度场的模拟讣算，确定运行的可行性，研究的关键技术难题在于数 学模型的收敛性与稳定性。 第三阶段：选择不同的出水口组合方案，对薛城小沙河人工湿地进行流场和 浓度场模拟，获得模拟结果。 第四阶段：研究分析模拟结果，对数j l i 加以处理，得m 结论和建议。 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 本研究主要是对薛城小沙河人腰 泓地进行水动力学模拟和水质模拟。运片j 先 进的s m s 软件，对不同的方案进行模拟汁算。鉴丁水质模型还存在许多理沦、技 术、运行管理等方巾i 的i 、u j 题需要探讨和解决，本文j l 刘地表水模拟模型( s m s ) 进行探索性研究。 主要研究内容如卜： 1 、渊查研究薛城小沙河人工湿地的地彤、径流及调水等相关资料，建咿深度 平均的平面二维流场和污染浓度场的动_ 学办程组，选择恰当的计算方法； 2 、系统概述国内外水环境数学模，诬的础f 究2 j 发展，建移薛城小沙河人工 i 地 s m s 数学模型； 3 、对薛城小沙河人工湿地进行计算域的网格划分和边界条件的模型化研究， 边界条件包括水域边界干湿地、岛屿、堤防、芦苇地、调水进出口、河流径流及 柏应的污染负荷条件等； 4 、设置多种进出水组合方案，通过流场和浓度场模拟，研究人工湿地的水力 j q ， 青岛理工大学? 尹预j 一学位论文 。 ：蝣謦燃轴 流态，进i 了分析讨论，避免水力死区、短流的发生。 1 4 2 技术路线 论文准备阶段： 1 、搜集资料，阅读国内外水环境数学模型相关义献，了解水环境数学模型的 研究现状和发展趋势； 2 、初步构建沦文框架，作为论文7 眵成的主线。 论文的制作阶段： 1 、收集人工泓地的枷关资料和所需研究1 ：程区的实地资料； 2 、研究囤内外水环境数学模型的发展状况； 3 、建屯薛城小沙河人二i ：湿地模拟的数学模型，确定计算域网格和边界条件； 4 、运用s m s 进行模拟计算，在模拟计算过程中，彳i 断渊试完善网格使其收敛， 从而使模拟结果与实际情况更加吻合； 5 、对模拟结果，进ij ：分析讨论； 6 、得出结论，提出建设性意见。 9 青岛理工大学工学颁士学位沦文 第2 章国内外水环境数学模型研究综述 2 1 水环境数学模型研究概述 水环境数学模型是描述污染物在水环境中随时间和空白j 的变化规律以及影响 因素之问相互关系的数学方程【1j ，它不f 日足水环境科学研究的重要内容，而且还是 水环境科学研究的重要手段【2 】。水环境数学模型，是以分析水环境中发生的物理、 化学和生物现象为基础，基于质量守恒、动量守恒和能量j r 恒等基本原理，运用 数学方法建寺的数学模型。通过数学模璎，可以对水位和水质在时阳j 、空n l j 上的 变化进行预测和分析，同时叮以为水环境的综合整治提供科学依据。 水环境数学模型的研究，包括水环境科学中的基本理论| 、u j 题和水污染控制中 的实际工程i u j 题。水环境数学模型的产生和发展，存很人程度上，取决于对污染 物在水体中输移、转换规j 芈研究的不断深入，以及存解决水环境u j 题r 卜对数学、 订算机技术的极大重视。通过水环境数学模，诬的模拟计算，我们町以捕述和分析 水环境中污染物混合、输移和转化的协! 律，町以预报水文、水质存时州和窄问上 的变化，为水资源的管理和控制提供便捷的服务。水环境数学模型通过数学方法 和计算机方法相结合，与现场实测获取资料的力式相比，有效地1 了省了时叫和经 费。此外，水叫：境数学模型不仅u j 以分析水质现状，还可以对污染控制方案实施 后的未来水质进ij 二预测、分析。 水环境数学模型在理论、研究方法局l 实际应j l jr 1 1 都得剑了极人的发展。在理 沦上，从质吊平衡原理发展剑随机础沦、狄也卵沦和模糊理论；在研究方法上， 从解析解发展到以人：i ：神经网络模拟辅助解析、与地理信息系统( g i s ) 相结台的数 值解，从浓度表达法发腱到逸度表达法：企实物：应用中，从城1 1 丁排水工程设计发 展到对污染物水环境过程进行模拟和质。髓评价、对污染物水环境ij 二为进行预测等。 水环境数学模型的发展，从不同方而推动了水环境管理技术的发腱【3 1 。 本课题t 要研究水动力学模型和水质模型，水动力学模型 三要研究水体中发 化的环流、水体分层、沉积和水流运动过程，水质模型t 要研究水体l f j 污染物的 迁移转化过程。 ：河溉处b o d 质量浓度，m l ； d ：河流x 处d o 质昂浓度，m g l ； d ：河漱处溶解氧亏质量浓度，m l ； e ：河流弥散系数，m 2 s ； k 1 ：b o d 的衰减系数，s ； & ：河水复氧系数，s 。 2 2 2 第二阶段( 1 9 6 0 1 9 6 5 年) 这一阶段，在s p 模型的雎础上有了新的发展，将其 j 于较为复杂的系统。模 型巾引进了卒n j j 变量、物理的、动力学系数，如在一维河流模型巾引入温度作为状 他来源和丢失源，其他来源和丢失源包括氮化物耗氧( n o d ) 、光合作用、藻类的 呼吸以及沉降、再悬浮等等。计算方法从维发展到二维，计算机的应用，使模 型的研究取得突破，陀进展。 2 2 4 第四阶段( 1 9 7 0 1 9 7 5 年) 这一阶段，水质模型发展到变哎棚可：作用的线性化体系，非线性系统模型也 丌始出现，如涉及氮、磷的循环系统以及乍物乍k 葺夏刚营养物质、温度和阳光的 关系等等。有限元模7 弘崩丁：维体系，仃限差分技术拍i 应用于水质模曩! 的计算， 更高维数的模型不断地被发展。 2 2 5 第五阶段( 1 9 7 5 1 9 9 5 年) 这一阶段，水质模型的研究由单组分的模型向包括各种变量的更综合的模 犁发展，如状态函数住数黾上的增加、将底泥作用引入模型等。科学家的注意力 逐渐地移到改善模弛的可靠性和评价能力，水力学和水质问的耦合问题越来越引 起科学研究1 ：作者的重视。 2 2 6 第六阶段( 1 9 9 5 年至今) 这一阶段，由于计算机软硬件的高速发髓，卫星遥感技术、在线监测系统等 技术在水环境中的应用，水环境数学模曩j 的研究有了飞速发展，许多以前一 能解 决的数学模型，现在多能得到很满：卷的结果。模型的l i j 。靠性、预见性、综合性和 科学性得剑进一步的提高。阴维以及更高维数的模型在水质规划r f l 得到应用，模 学位论文 从以卜儿个方面进行划分 】。 型。黑箱模型足山系统的输入卣接 ；白箱模型对系统的过程和变化机 之问，日自订所建电的水环境数学模 达式和输入条件等不随时| 、u j 变化的 型、三二维模璎。零维模型，是将整 在空间环境质量上的差芹，卡要用 丁湖 | ，1 和水库水质模拟；一维模! 钽，是指系统内质点的水动力、水质要素只在一个 方向卜有梯度存在，在另外两个方向上均匀分嘶i ，包括纵向一维模型( 横向和乖向 混合均匀仪考虑纵向变化，适厂h 于q j 小河流) 和乖向一维模型( 横向和纵阳混合均 匀仪考虑垂向变化，适用j ：温度分层的湖泊) ；二维模型，是指系统内质点的水动 力、水质要素存两个方向上有梯度存在，存另一个方向上均匀分n j ，包括沿宽度甲 均的一维模型和沿深度平均的二维模型，适用于宽而浅型江河湖库水域；三维模型， 足指系统内质点的水动力、水质要素征三个方向上都仃梯度存在，考虑三维空间的 变化，适用于排污e j 附近的水域水质计算。 青岛理一大学工学硕士学位论文 2 3 4 以变量特点为分类标准 据此，可分为确定性模型和随机性模型。确定性模型对一一组给定的输入条件， 只有一个确定的解，足用的最广泛的一种数学模型：随机性模型输入条件和变量 足随机的，其解不稳定且不唯一。 2 3 5 以水体类型为分类标准 掘此，可分为河流模型、河几模型、湖汀l 与水库模型、海洋模型。河流模型 主要用来描述河流中污染物迁移、转化运动规律；河口模型，河口情况远比河流 复杂，河门的物理、化学、生物转化过程受河r 盐度时空变化的影吼河口水域 的运动小仅受重力的影响，还受到潮水涨落、密度流、风应力的影响，河口水体 沉积物输运过程也较为复杂，包括冲蚀、再悬浮、沉淀以及底泥释放等；湖泊与 水库模型辛要刖米描述湖泊与水库中的水质存审问的变化规律，大都涉及剑水藻 的化长和无机营养物质，需要考虑富营养化问题；海洋模型主要用米描述海水的 运动规律及海洋中污染物的运动舰律，包括海水中污染物的转化、迁移、生物富 集等，需要注意的是，在海洋数学模型i = 1 一定要考虑营养鼢的影响。一般河流模 型能反映实际情况，湖、海模型较为复杂，可靠性差。 2 3 6 以污染物在水体中的运动特性为分类标准 据此，可分为对流模砸、扩散模型、对流一扩散模型。污染物在水环境中的 运动包括对流和扩散，对流作h jlo i 绝对优势，不计扩敝项，只考虑对流运动的模 型为对流模型；对流项不存在，只有扩散项作用的模型为扩散模型；既包括对流 又包括扩散的模型为对流一扩散模型。 2 3 7 以反应动力学为分类标准 折 此，可分为纯输移模型、纯反战戎型、乍化模型、输移和反应模型、生态 模型。纯输移模型，模拟排污口附近不随时问衰减的保守型污染物在水体中的迁 移转化规律；纯反应模型，系统内为j e 保守掣物质，水体綦本处于静止状念，只 质组分：b ( ) d 、溶解氧、i l i 绿素a 、温度、氨氮、有机氮、亚硝氮、确氮、尤机磷、 有机磷、大肠朴菌、任意一种非守恒性物质和3 种守。陋物质。q u a l 2 e 允们：河流沿 程有多个污染源、墩水r 和史流汇入，还t i j 4 以模拟河道巾水t = 建筑物对水质的影n 吼 在国外，该模，弘已被j 、泛用于河流水质模拟及河流规划管理，在国内，尹澄清等 人将其运川于潍河流域的水质符理【1 1 1 。q u a l 2 e 模型的特点是简睢、比较常用。 2 4 2 ，a s p 模型 w a s p 是w m e rq u a l i t y a n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m 茸宁母的简写，即水质分析 模拟软件，足u s e p 人丌发的另个成熟模，w a s p 能够用j ：f i i i d 环境污染决策 青岛理工大学工学硕士学位论文 析模拟软件，是u s e p a 丌发的另一个成熟模型。w 八s p 能够用于不同环境污染决 策系统中分析和预测由于自然和