（环境科学专业论文）碧流河水库水质评价与模拟研究.pdf

a b s t r a c t w a t e rr e s o u r c ei so n eo fi m p o r t a n tr e s o u r c e sr e l i e db yt h em a n k i n df o re x i s t e n c ea n d d e v e l o p m e n t ，i st h ef o u n d a t i o no ft h es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t c u r r e n t l y ，t h e r ei sa s e r i o u sw a t e rr e s o u r c e ss h o r t a g ei no u rc o u n t r ya n dm a n yc o u n t r i e so ft h ew o r l d ，s i m u l t a n e i t y , i th a sm a dt h a tw a t e rr e s o u r c e si sw a s t e ds e r i o u s l ya n dw a t e rq u a l i t yi sp o l l u t e db e c a u s et h e m a n k i n du n r e a s o n a b l ye x p l o i tt h ew a t e rr e s o u r c e ，a n dm u c hm o r eb r i n go nt h ei n c o n s i s t e n c y o fw a t e rr e s o u r c es u p p l ya n dd e m a n d t h ed a l i a nc i t yi saw a t e rs h o r t a g eo n ei no u r c o u n t r y b i l i u h er e s e r v o i ri so n eo fl a r g er e s e r v o i r si nd a l i a nc i t y , a n di t i sa l s ot h em a i n s o u r c eo fw a t e rf o ru r b a nw a t e rs u p p l yi nd a l i a n i no r d e rt ob e t t e rp l a yt h er o l eo ft h e r e s e r v o i r ，c o m b i n e dw i t hb i l i u h er e s e r v o i rw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gd a t a , t h i sp a p e rw o r k s b i l i u h ea n dt h eb i l i u h er e s e r v o i rb a s i cs i t u a t i o n ；a n a l y z i n ga n de v a l u a t i n gt h es i t u a t i o no f w a t e rq u a l i t yp o l l u t i o n ；p r e l i m i n a r yr e s e a r c h i n go nt h es p r e a do fp o l l u t a n t t h er e a l i z a t i o no f t h er e g i o no ft h eo p t i m a la l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa n dr a t i o n a lu t i l i z a t i o no ft h em o s t b a s i cp r o v i s i o no ft e c h n i c a ls u p p o r t t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o n so f t h et h e s i si n c l u d e ： ( 1 ) t h eu s i n go fn e m e r oi n d e xe v a l u a t e st h er e s e r v o i rw a t e rq u a l i t y , r e s u l t ss h o wt h a t w a t e rq u a l i t yo fb i l i u h ei sl i g h tp o l l u t i o n ，w a t e rp o l l u t i o nc h a n g e ss t a b i l i t y ( 2 ) t h eu s i n go ff u z z ym a t h e m a t i c se v a l u a t e st h ew a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t y , r e s u l t s s h o wt h a tt h eb i l i u h er e s e r v o i rw a t e ri sw o r s ea tt h ee n t r a n c ea n de x i t ，w a t e rq u a l i t yi sb e n e r i nt h em i d d l e ( 3 ) t h eu s i n go fs t e a d ys o u r c eo fw a t e rr e s e r v o i r ss p r e a d i n g ，r e s u l t s s h o wt h a tt h e d i f f e r e n td i s t a n c et or e a c hs t e a d y - s t a t ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t si sn o tt h es a m et i m e ，t h e f a r t h e rt h ed i s t a n c et or e a c hs t e a d y - s t a t el o n g e r ( 4 ) t h eu s i n go fw a t e rd i f f u s i o nm o d e li n s t a n t a n e o u sp o i n ts o u r c e ，r e s u l t s s h o w st h a tt h ei n s t a n t a n e o u sp o i n ts o u r c ei nt h er e s e r v o i rf o r m e db yt h ec o n c e n t r a t i o no ft h e l o w e rr e a c h e so fs p a c ew i t ht h es o u r c ep o i n ta n dt h ed i s t a n c ed e c r e a s e d ，t h el o w e rr e a c h e so f ap o s i t i o ni nt h ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t si si n c r e a s i n ga f t e rt h ef i r s tr e d u c e d k e yw o r d s ：b i l i u h er e s e r v o i r ；w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n ；w a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o n 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特 别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其 他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示 谢意。 学位论文作者签名： 咀囟 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权 辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名：兮腑指导教师签名： 签名日期：伽勺年加弓匆日 碧流河水库水质评价与模拟研究 1 绪论 “环境 是2 0 世纪中叶以来使用最多的名词和术语之一，它的含义和内容都非常 丰富。从哲学的角度来说，环境是一个相对的概念，是一个相对于主体的客体，明确环 境的主体是正确掌握环境概念的前提。在不同的学科中，环境的定义有所不同，其差异 也源于对主体的界定。例如，在社会学中，环境被认为是以人为主体的外部世界；而在 生态学中，环境则被认为是以生物为主体的外部世界。在环境科学中对环境科学定义是 一个决定本学科研究对象内容决定本学科性质特点重要的问题。 环境的定义为“是以人类社会为主体的外部世界的总体，是影响人类生存和发展的 各种自然因素和社会因素的总和”口1 。环境包括自然界和社会中各种物质性的要素，又 包括由这些要素所构成的系统及其所呈现出来的状态。中华人民共和国环境保护法 中规定：“本法所称环境，是指影响人类生存和发展的各种自然的和经过人工改造的自 然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地矿藏、森林、草原等口1 。 环境是一个非常庞大、复杂的体系，目前还没有形成统一的分类方法。一般按照环 境的范围和环境要素或环境的功能进行分类。 按照环境的范围，可把环境分为特定的空间环境( 如航空、航天的密封舱环境等) 、 车间环境( 劳动环境) 、生活区环境( 居室环境、院落环境、小区环境等) 、城市环境、 区域环境( 流域环境、山区环境等) 、农村环境( 林区、牧区环境等) 、全球环境、宇宙 环境等4 。 按照环境要素进行分类则比较复杂，可首先按照环境要素的属性分为自然环境和社 会环境两大类，在自然环境中，按其主要的组成要素，可在分为大气环境、水环境、土 壤环境、生物环境等。社会环境是人类社会长期发展中，为了不断提高人类的物质和文 化生活水平而创造出来的，是对自然环境的改造，常依人类对环境的利用或环境的功能 再进行下一级分类，例如，聚落环境、生产环境、交通环境、文化环境等哺1 。 构成环境整体的各个独立的、性质不同而有服从总体演化规律的基本物质组成，称 为环境要素。环境要素分为自然环境要素、社会环境要素。环境要素主要包括：水、大 气、土壤、岩石、生物和阳光等。如水组成水体，全部水体总称为水圈，由大气组成大 气层，全部大气层总称为大气圈，由土壤组成农田、草地和林地等。阳光是地球的能量 来源，提供辐射能为其他要素所吸收，。 地球表面各种环境要素及其相互关系的总称，称为环境系统。环境经系统的范围可 以是全球性的，也可以是局部性的。一个城市或一个海岛都可以是一个单独的环境系统。 全球环境系统是由多个亚系统交织而成的，如大气一海洋系统、地下水一岩石系统等。 环境质量是环境科学中的一个重要的概念口刮。目前，对于环境质量一词存在着许多 解释和定义，流行最广的有：环境的优势程度，对人群生存和繁衍以及社会发展的适宜 碧流河水库水质评价与模拟研究 程度等。但是有的学者认为这种定义不科学，不准确，是把主体对客体的直觉和评论定 义为客体的质量，而忽视了环境质量的客观性。他们提出了：“环境质量是环境系统客 观存在的一种本质属性，是能够用定性和定量的方法加以描述的环境系统所处的状态。” 由此看来，环境质量这个概念。既有客观性又有现实性，使人们认识客观世界的一 个由浅入深、由表及里的过程n 引。环境质量是客观的，但是人们认识世界有一定的主观 因素。问题怎样使主观认识和客观存在更加接近和趋于一致，这就需要使用科学的方法 和手段。使人们的认识不断发展口。 2 碧流河水库水质评价与模拟研究 1 1 国内外研究进展 1 1 1 环境评价的概念和意义 环境评价是环境科学的一个分支，也是环境保护中的一项重要的工作。环境评价就 是对环境质量按照一定的标准和方法给予定性和定量的说明和描述n 2 j 。 环境评价的对象是环境质量及其价值。通过环境评价，不仅可以判断环境质量的优 劣，也可以进一步认识环境质量价值的高低，确定环境质量与人类生存发展需要之间的 关系，为保护和改善环境，使环境质量符合人群生活与生产的要求，有利于自然生态系 统的良性循环而采取行动。 1 1 2 水环境质量评价 水环境是河流、湖泊、海洋、地下水等各种水体的总称。水环境是一个统一的整体。 河流和湖泊等地面水体与地下水是互相补充、相互影响的，海洋是内陆水体的受体。一 个水体是由水、底质和水生物三部分组成的，它们之间是相互联系；相互影响的。在进 行水环境评价时，要注意水体之间和水体内各因素之间的相互关系n 4 1 。 造成水体污染的任何污染物进入水体后都有其本身运动规律和存在形式。它们在不 同地区和不同水域都有很大差别，进行水质评价时，就需要了解和掌握主要污染物在运 动过程中可能产生的变化趋势u 5 。17 1 。为此，我们要研究水环境变化的时间和空间规律。 在时间因素上，要掌握不同时期、不同季节污染物动态变化规律；在空间因素上，要掌 握水体的不同位置、不同深度的谁水质参数变化规律，只有了解这些规律才能使水体质 量评价具有典型和代表性的特点。 1 1 3 水环境保护标准 环境标准时为了保护生态环境与人群健康，改善环境质量，有效地控制污染源排放， 以获得的最佳的经济和环境效益，由政府所制定的强制性的环境保护技术法规，它是环 境保护立法的一部分，也是进行环境评价工作的法律依据n 引。 环境标准体系是所有环境标准的总体和集合。按照标准的内容，环境标准体系包括： 环境质量标准、污染物排放标准、环境保护基础标准、环境保护方法标准。 我国已发布和实施有关水环境保护标准由1 0 0 多个。其中比较重要的有： 水环境质量标准：1 9 9 9 年发布实施的地表水环境质量标准，替代了1 9 8 8 年发布 实施的地表水环境质量标准；1 9 9 7 年发布实施的海水水质标准；1 9 9 4 年1 月开 始实施的地下水质量标准；1 9 9 2 年发布实施的农田灌溉水质标准；1 9 8 9 年发布 实施的渔业水质标准；1 9 9 1 年发布实施的景观娱乐用水水质标准n 引。 水污染物排放标准由：1 9 9 6 年发布实施的污水综合排放标准。 水环境保护方法标准有水质采样技术指南、水质采样样品保存、水质化学需 氧量的测定重铬酸钾法等1 0 0 多个。 1 碧流河水库水质评价与模拟研究 水环境基础标准有制定地方水污染物排放标准的技术原则和方法等3 个。 1 2 环境评价的发展及方法概述 在地学领域，对一定区域内的自然环境和默写自然资源本来就有进行评价的传统。 自2 0 世纪6 0 年代中期，随着环境科学的发展，环境质量概念的形成，环境质量评价工 作逐步开展，在7 0 年代蓬勃发展，8 0 9 0 年代进入稳定时期，近年来又有新的发展。 国外发展概况：由于2 0 世纪5 0 6 0 年代世界各地出现许多公害事件，环境污染和 生态破坏直接影响了人类的生存和发展，促进了环境科学的发展，环境质量评价作为环 境科学的分支也随之产生和发展乜。 美国的环境质量评价开展的较早，在水质评价方面，r p i o r t o n l 9 6 5 年提出了环境 质量指数( q i ) ，以后r m b r o w n 提出了另一种计算指数的方法( w q i ) ，n l n e m e r o w 在其河流污染的科学分析中提出了另一种指数的计算，对纽约州的一些地面水的情 况进行了指数计算汜扣2 5 1 。 日本从2 0 世纪5 0 6 0 年代以来经济发展迅速，他的经纪密度大，污染负荷重，再 出现一系列公害事件后，开始重视环境污染防治与环境评价工作。日本的环境质量评价 的一个重要特点就是把评价与污染控制紧密的结合在一起，先后提出多种控制方法。 1 9 7 2 年，日本把环境质量影响评价为一项重要的政策来实施，在评价内容上，不仅包括 对自然环境的影响，还包括对社会和经济的影响乜引。 东欧与俄罗斯从2 0 世纪7 0 年代开始开展环境质量评价，主要侧重于河流和地理评 价，许多学者强调，评价不仅要考虑物理、化学指标，还要考虑生物指标瞳。 我国环境评价的发展概况： 我国的环境质量评价工作时2 0 世纪7 0 年代逐步发展起来的，答题经过了四个阶段： 初步尝试阶段、广泛探索阶段、全面发展阶段和环境影响评价阶段。目前我国已经建立 了一支有专家和技术人员为主力的环境评价队伍，许多高等院校开设了环境评价课程， 在评价方法和理论方面作了许多探讨研究，主要评价方法分为如下方面 勰1 ， 1 2 1 指数评价法 指数评价法是最早用于环境评价的一种方法，应用也最为广泛。它具有一定的客观 性和可比性。根据不同评价目的的需要，环境质量指数可设计为随环境质量提高而递增， 也可设计为随污染程度的提高而递增啪。 设只有一种污染物质作用于环境要素的情况下，器环境质量指数的公式可写成： p=cs(1-i) 式中p - 环境质量指数； 卜该污染物在环境中的浓度； 4 碧流河水库水质评价与模拟研究 s 一该污染物对环境影响程度的某一水质或标准。 若某以环境要素中有许多的污染物，并且这些污染物之间没有明显的激发或抑制作 用，这时，可近似的认为他们之间是各自独立的发生作用，那么，环境质量指数克认为 是个污染物指数的总和： p = c 。s 。+ c ：s ：+ - - - - - - + c 。s 。( 1 - 2 ) 若考虑多种污染物之间发生明显的化学反应，上式可分别建成以修正系数；若考虑 个环境要素在环境系统中占得比例不相等，则需要根据环境要素与人类行为发生关系式 所占的比重确定其权重m 1 。 环境质量指数有如下作用： 对区域环境质量进行分级，以便于对不同区域、不同时期的环境质量进行比较；可 谓专家评价法提供比较可观的量化依据；可谓评价标准的替代形式，进行信息交流；将 大量的环境数据归纳为少数有规律的指数表达形式，提高环境质量评价方法的可比性。 环境质量指数虽然应用普遍，但是它仅仅是对环境质量比较粗略的静态描述，对他 的研究还需要进一步完善b 。 环境质量指数评价包括如下步骤： 收集、整理环境数据和资料，包括环境背景资料、污染源资料和环境质量监测数据： 确定要评价的环境要素及评价因子。一般说，在进行环境现状评价选择因子应是例 行监测浓度较高的和已经对人体健康有影响的因子；作为环境影响评价时，应选择可能 受拟议行动影响的要素和因子；在进行区域环境质量综合评价时，要选择较多的环境要 素和环境因子参加评价，以作出最全面、确切的评价结论； 评价指数的选用和综合。选用评价指数要做到有可比性，尽可能多的选用国内外使 用较多、较成熟的指数，是在必要时才自行设计新的指数，新设计的指数要求物理概念 明确，已于计算。指数的综合通常有三种方法：代数叠加、加权平均、加权平均兼顾极 值。 环境质量分级。为了最终评价环境质量状况，须将指数值与环境质量状况联系起来， 建立环境质量分级系统，分段依据通常是污染物超标倍数、超标污染物要冲生态状况、 人群健康状况出发，力求对划分的级别与生物、人群健康受环境污染的程度相联系。具 体方法可采用系统分级法，从污染物的浓度分级，到环境质量指数分级，综合乘环境要 素的质量级别，进而再综合成区域环境的质量等级级别口2 。3 5 】。 多项因子综合指数法有多种表达形式，主要的表达形式如表1 - 1 所示： 碧流河水库水质评价与模拟研究 表卜1 多项因子综合指数表达式 t a b l e1 一lf a c t o rc o m p o s i t ei n d e xn u m b e ro fe x p r e s s i o n s 1 2 2 专家评价法 专家评价法施一种古老的方法，但至今仍有重要作用，它是将专家作为索取信息的 对象，组织环境领域或多个领域的专家，运用专业方面的知识和经验对环境质量进行评 价的一种方法。专家评价法的最大特点是对于某些难以定量化的因素，如政治社会因素、 美学因素等，给予考虑和作出评价，有时还可在缺乏足够的统计数据和原始资料的情况 下，作出定性和定量的估计m 1 。 现代的专家评价法与古老的专家直观评估法比较，已有本质的不同，它已形成一套 6 碧流河水库水质评价与模拟研究 组织专家，充分利用专家们创造性思维进行评价的力量和方法，不是利用个别专家，而 是依靠专家集体( 包括不同领域的专家) ，可以消除少数专家的局限性。比较有代表性 的专家评价方法是特尔斐法。特尔斐法是专家会议预测法的一种发展，是一种系统的分 析方法，其工作程序是：确定评价主题一编制评价事件一选择专家一环境预测和价值判断 过程一结果处理和表达。该方法的特点是：专家匿名函询，轮回反馈沟通，采用统计方 法对结果定量处理。 所谓专家一般是指在该领域从事1 0 年以上技术工作的科学技术人员或专业干部， 专家组的人员一般在1 0 - - - 5 0 人。 1 2 3 经济学评价方法 从经济的角度评价人类活动与环境质量之间的关系，立足于环境质量在人类活动中 具有经济的价值。最常用的是效益一费用分析方法。评价大致分为如下四步： 确定经济要素、社会要素和环境要素之间的关系，或确定人类开发建设活动对环境 的重要影响； 将以上的关系或影响家一定量化，如大气中某些污染物浓度的增加使人群发病率增 加多少，污水灌溉了多少农田使农作物减产多少等； 对这些量的变化加以估价，尽可能的用货币价值表示； 进行经济分析。 1 2 4 模糊综合评价法 由于环境质量评价汇总存在着不确定性，包括认识上的局限性、数据的不充分性和 不可靠性、环境质量本身的随机性等，因此有时需要用模糊的语言来表示。 模糊数学就是用数学的方法来研究、处理实际中存在的大量不确定的模糊的问题。 环境质量评价的模糊数学模型主要适用隶属度来刻画环境质量的分解线，从而隶属度可 以用隶属函数来表示。 环境质量评价汇总，“污染程度”就是一个模糊地概念，象水质、大气、土壤的分 级界限就是一个模糊的界限，在评价的过程中，可以用隶属度来描述它。例如有的标准 把一级水的溶解氧规定为8 o m g l ，如果实际情况是8 1 m g l ，则算一级水，7 9 m g l 则算非一级水，实际上8 1 m g l 和7 9 m g l 相差很小，这样分级就不太客观。 用隶属度来划分这条界线，比如可以说溶解氧达到8 o m g l 时隶属一级水的程度达 到1 0 0 ，而溶解氧为8 1 m g l 时隶属一级水的程度为9 5 ，相应的李淑仪以及水的程度 就是9 5 ，这样来刻画其界限要好的多。 1 2 5 运筹学评价法 运筹学方法是利用数学模型对于多因素的变量进行动态评价。这种方法理论性强， 7 碧流河水库水质评价与模拟研究 对于带有不去定因素的环境质量评价来说，能够从本质上逐步逼近，以求处最优解，最 适合于复杂的环境质量系统或区域性评价。目前常用的方法有：以图论为工具建立的数 学模型一结构模型；以线性理论为基础建立的含有环境因素的投入一产出模型；以控制论 为指导建立的系统动力模型等口引。 1 3 水环境质量预测模拟研究进展 水环境质量预测的目的是定量的预测未来的开发行动或建设项目向受纳水体排放 污染物的量，确定建设前水体环境背景的状况，分析建设项目投产后水环境质量的变化； 解释污染物质在水体中的输送和降解规律；提出建设项目和区域环境污染物的控制和防 治对策。 水环境质量预测模拟中常用的水质模型： 污染物在水环境后的物理、化学和生物过程： 废水排放水环境中，一般要经过物理、化学和生物演化，其溶解状、胶体状的污染 物逐渐与水体混合后达到稀释，混合过程一般分为：竖向混合阶段，是从排放口或释放 点到污染物与水体在水深方向上充分混合；横向混合阶段，是从竖向充分混合到横向开 始混合；横断面上充分混合以后阶段。这三个阶段互相交叉。 污染物在水体中的稀释分散主要表现在污染物的传输过程，即平流传输和扩散传 输。平流传输过程中，河流横断面上各个点流速处处相等，扩散传输存在着质点和水流 之间的混合作用一扩散作用和弥散作用。扩散作用是流体中分子或致电的随机运动产生 的分散现象，它分为分子扩散和湍流扩散作用。 污染物在水体的迁移和转化： 沉淀作用：废水中的悬浮物在重力作用下发生自然沉淀，胶体颗粒与水体中典型相 反的粒子作用后发生凝聚，并形成絮体下沉，一些重金属离子形成难溶的氢氧化物或盐 类而沉淀n 嗍1 。 常用的水质模型包括：完全混合模型、零维模型、一维水质模型、b o d - d o 模型、二 维水质模型和湖泊一水库水质模型等。 1 4 研究背景 1 4 1 大连市水资源现状 2 0 0 8 年大连市平均降水量5 6 0 9 毫米，折合水量7 0 5 3 亿立方米，比多年平均降水 量减少1 1 8 7 毫米，相对减少1 7 5 ，比2 0 0 7 年减少2 8 9 ，属偏枯年份。 2 0 0 8 年碧流河水库以上流域地表年径流量比2 0 0 7 年减少1 1 9 、比多年平均值减 少了3 7 6 。由于碧流河水库连续三年应用了国家批准的水库汛限水位设计与运用技 术方案，在不降低水库防洪标准的情况下科学调度、严密监控，汛后最大蓄水量达7 2 9 8 碧流河水库水质评价与模拟研究 亿立方米，为碧流河水库落闸蓄水以来历史同期最大蓄水量，比去年同期蓄水量增加 o 1 1 亿立方米。截止2 0 0 8 年1 2 月3 1 日碧流河水库蓄水量为6 1 5 亿立方米。虽然今年 降水不多，但蓄水充足，2 0 0 9 年全市供水形势较为乐观h 驯。 2 0 0 8 年全市水资源总量为1 9 9 1 亿立方米，比多年平均值减少4 2 1 。其中地表水 资源量1 8 2 7 亿立方米，地下水资源量5 3 5 亿立方米，地表水资源量和地下水资源量 之间重复计算水量3 7 1 亿立方米。全市入境水量2 9 9 亿立方米，其中碧流河入境水量 1 - 7 5 亿立方米、英那河入境水量1 2 3 亿立方米；出境水量0 1 4 亿立方米，主要流入丹 东境内刁家坝。2 0 0 8 年全市入海水量6 7 1 亿立方米，其中入渤海0 9 8 亿立方米、入黄 海5 7 3 亿立方米。全市2 3 座大中型水库年末蓄水总量为1 2 9 2 亿立方米。 1 4 2 碧流河水库供水概况 碧流河是大连市最大的河流，是大连市城市居民与工业用水的主要水源，碧流河的 水体质量直接影响大连市城市居民饮用水安全。碧流河水库自建库以来，累计供水4 0 亿立方米。碧流河水库集水面积2 0 8 5 平方公里( 包括玉石水库3 1 3 平方公里) ，最大库 容9 3 4 亿立方米。流域多年平均降水量7 4 2 8 毫米，( 设计7 8 0 毫米) 。水库拥有年发 电量1 2 0 0 万千瓦时的发电厂，1 9 9 6 2 0 0 5 年，发电厂累积发电8 6 2 7 万千瓦小时h 4 i 。 1 5 研究意义 大连是水资源贫乏区，水的供需矛盾一直十分突出，水资源短缺已经逐渐成为制约 城市经济发展的瓶颈。根据第二次水资源评价成果统计，大连市1 9 5 6 - - - 2 0 0 0 年多年平 均地表水资源量3 2 5 l 亿m 3 ，折合径流深为2 5 8 5 5 m m 。人均地表水资源占有量为5 4 0 m 3 ， 仅为全国人均占有量的1 4 ，而金州以南地区多年平均径流量3 2 6 亿m 3 ，人均占有量仅 有1 1 7 m 3 。与第一次水资源评价成果比较：大连地区多年平均年径流量由3 4 8 2 亿m 3 减 少到3 2 5 1 亿m 3 ，减少了2 3 1 亿m 3 ，占评价成果的7 1 ，径流深由2 7 6 9 2 m m 减少到 2 5 8 5 5 m m ，减少了1 8 3 7 m m m 。 通过研究碧流河水库地表水水质监测数据，对碧流河水库水质进行综合评价，在研 究碧流河水库上游污染企业与污染物排放情况的前提下，进行污染物质扩散的数值模 拟，为水库污染问题提供解决依据，以便保证碧流河水库运转正常。 1 6 本文研究内容 收集碧流河水库流域相关水质资料，针对碧流河水库水资源现状，根据碧流河水库 水质监测数据，建立碧流河水库水质评价模型，综合评价水质等级，确定水资源碧流河 水质状况。 根据相关文献确定数值模拟相关参数，应用m a t l a b 软件模拟碧流河水库上游有水流 稳态源与瞬时点源扩散模拟情况，并加以分析。 9 碧流河水库水质评价与模拟研究 具体研究路线如图1 - 1 。 图卜l 技术路线 f i gl 一1t e c h n o l o g yr o u t e 1 0 碧流河水库水质评价与模拟研究 2 研究区域基本概况 2 1 碧流河流域自然地理状况 碧流河流域地处千山山脉余脉东侧。地势由东北向西南倾斜，上游属低山区，最高 山脉步云山海拔高程1 1 3 0 m 。流域面积2 8 1 4 k m 2 ，其中大连境内1 4 6 5 k m 2 。多年平均径流 深3 0 5 6 m m ，多年平均径流量8 6 亿m 3 。碧流河干流全长1 5 6 k m ，直线长约1 4 0 k m ，弯度 系数为1 1 2 ，平均比降1 8 9 。大连境内干流长1 0 0 k m 。1 9 8 5 年8 月在碧流河下游距 入海口5 5 k m 处，建成碧流河水库，坝址以上控制流域面积2 0 8 5 k m 2 ，占全流域面积的 7 4 1 。坝址处多年平均径流量6 8 2 亿m 3 ，净调节水量4 0 3 亿m 3 ，占本流域多年平均 径流量的4 2 4 。在大连市境内碧流河支流上建有1 座中型水库一红旗水库，小型水 库7 座。境外碧流河干流上已建成l 座中型水库玉石水库，调节水量为5 1 0 6 万m 3 。 碧流河流域控制利用率约为5 0 8 h 副。 碧流河水库流域内的采矿业以及采金业较为普遍，经调查与查阅相关资料得知：碧 流河水库上游存在氰化厂六座、矿石场7 座、规模较大的金矿3 座。水库上游的主要污 染源为矿区废水、生活污水以及农田污水。 2 2 碧流河水库概况 碧流河水库位于大连市最大河流碧流河干流，坝址距河口5 5 公里。发源于盖 州市卧龙泉镇新开岭，流域面积2 8 1 4 平方公里。水库控制流域面积2 0 8 5 平方公里，占 流域面积的7 4 1 ，多年平均径流6 1 4 亿立方米，水库最大库容9 3 4 亿立方米，多年 平均径流量6 6 亿立方米，设计供水量4 0 3 亿立方米，是一座以城市供水为主，兼防 洪、发电、养鱼等综合效益的大型水利枢纽工程。 碧流河水库属于北温带湿润气候，四季分明，冬暖夏凉，日照充足，年平均气温1 0 6 摄氏度，年平均水温1 2 摄氏度，控制流域多年平均降水量7 4 2 8 毫米，( 设计7 8 0 毫米) 。 风景秀丽，气候宜人。 碧流河水库交通便利，西距沈大高速公路5 0 公里，南距黄海大道不足3 0 公里，3 0 5 国道南北贯穿库区，东临冰峪沟风景区，西接安波温泉旅游度假区。水库配有完备的通 讯设施，程控电话直拨海内外。 碧流河水库大坝是全国最复杂的大坝之一。共分五种坝型，主坝全长7 0 8 5 米，最 大坝高5 3 5 米，从远处望去，十分雄伟壮观，构成一道靓丽的风景线。 水库大坝上游是宽阔的水面，总面积近6 0 0 0 公顷，有2 6 0 公里长的库岸线。水库 中有自然形成的孤岛十余处，是挥杆垂钓观光旅游周末度假的美景佳地。在这里乘坐东 北地区独一无二的不锈钢双浮体豪华旅游观光船，游弋在碧波荡漾的湖面上，饱览沿 岸的青山绿树、奇花异草，使你真正领略到大自然的风光。 碧流河水库水质评价与模拟研究 水库具有良好的投资环境，基础设施完备，拥有日供水5 0 0 立方米的净水厂，年发 电量1 2 0 0 万千瓦时的发电厂以及6 吨位供暖锅炉。 “科技兴库”是水库发展之本，碧流河水库现拥有水工、电气、渔业、财经等各系 列的专业技术人员近百人，其中中高级以上专业技术人员占1 3 。 碧流河水库自建库以来，累计供水4 0 亿立方米，不负大连”生命之水”的盛誉，多 年来，受到省市乃至中央领导的高度重视，各级领导亲临水库视察、指导工作。经过几 代人的共同努力，碧流河水库的管理水平也不断提高，多次获得水利部、松辽委颁布的 荣誉称号。 2 2 1 气候特点 碧流河水库属于北温带湿润气候，四季分明，冬暖夏凉，日照充足，年平均气温1 0 6 ，最冷月份在1 月，月平均气温为1 0 ，最高气温在8 月份，月平均气温为2 5 。 年平均水温1 2 。 2 2 2 工程概况 碧流河水库始建于1 9 7 5 年，1 9 8 6 年1 1 月竣工投入使用。水库主体工程由一座主坝、 三座副坝、三处泄水建筑物( 溢洪道、输水洞、放水底孔) 以及坝后式水电站组成。主 坝为混合坝型，全长7 0 8 5 m ，最大坝高5 3 5 m 。为保证水库大坝的安全，在主坝设有九 孔弧形钢闸门，以在汛期渲泄多余洪水，输水洞及电站是水库向大连供水的咽喉，也是 引碧一、二期及三期工程的重要组成部分。 为了确保水库枢纽建筑物的安全运行，碧流河水库在设计、施工时布置了大量观测 仪器，观测项目有沉陷、水平位移、渗漏、坝基扬压力、坝体心墙变形及浸润线观测等。 随着计算机技术的快速发展，大坝观测自动化技术水平不断提高，1 9 9 2 年- - - - 2 0 0 8 年进 行了三次大的观测设备改造。观测数据已从原来的人工采集、分析上升到大坝中心站自 动取数、分析，使工程管理人员对坝体变化有了更迅速、更准确的了解。 2 2 3 经济状况 碧流河水库坝上游宽阔的水域总面积近6 0 0 0 公顷。水库中有天然形成的孤岛十几 处，旅游资源十分丰富。 碧流河水库拥有桂云花养殖场( 1 7 3 公顷，有孵化设施) 和大堡养殖场( 1 3 3 公 顷) 两处养殖基地。 1 9 9 6 年8 月开工建设的电厂二期工程( 3 号机组) 总投资5 4 1 6 万元，1 9 9 8 年2 月2 4 日完成试运行，投入发电，装机容量1 2 5 0 千瓦。1 9 9 6 , - - - - 2 0 0 5 年，发电厂累积发电 8 6 2 7 万千瓦小时。 1 2 碧流河水库水质评价与模拟研究 2 2 4 碧流河水库水质监测 碧流河水库是大连市最大的水源地。为了做好水环境保护工作，成立了水质监测中 心，并通过了国家水环境监测部门的质量认证。目前，已能独立完成4 0 项水质监测化 验工作。常年对水质进行监测分析、化验。 在库区内设有四个水质监测断面6 条垂线1 4 个采样点，每个水样完成2 9 项水质分 析，并获得水质监测数据1 3 3 4 个。监测断面及点位设置如图2 - 1 所示。 蛤堋潺 图2 - 1 监测断面及点位设置 f i 9 2 - 1m o n i t o r i n gs e c t i o n sa n dp o i n t ss e t 碧流河水库库区共布设四个监测断面，六条垂线，共十四个采样点。即a b c d 断 面。 a 断面：位于碧流河入库口，设一条中泓垂线，采中层( 1 2 深处) 水样。 b 断面：位于碧流河支流，蛤蜊河入库口，设一条中泓垂线，采中层( 1 2 深处) 水样。 c 断面：位于水库库中区，采样垂线布设在断面等水面宽三分点的左、右两条垂线， 采表层( 水面下0 5 m 处) 、中层( 1 2 水深处) 、底层( 河底上0 5 m 处) 水样。 碧流河水库水质评价与模拟研究 d 断面：位于水库库前区，采样垂线布设在断面等水面宽三分点的左、右两条垂线， 采表层( 水面下0 5 m 处) 、中层( 1 2 水深处) 、底层( 河底上o ：5 m 处) 水样。 共设水质监测项目2 1 个，分别为：p h 、电导率、水温、总硬度、溶解氧、五日生 化需氧量、高锰酸盐指数、氨氮、亚硝酸盐氮、挥发性酚、氰化物、六价铬、总磷、总 氮、总汞、总砷、氟化物、铜、铅、镉、大肠菌群。 1 4 碧流河水库水质评价与模拟研究 3 碧流河水库水质评价 水体水质是水资源开发利用的基础，辨明碧流河水库水体近年来的水质状态，才能 有效确定碧流河水库水资源开发利用状况。本次对碧流河水库现状水环境质量评价包括 水质污染情况评价与水环境质量类别评价。 3 1 水质污染评价 目前碧流河水库现状下供水用途主要以城市供水为主，兼有防洪、发电、养鱼、灌 溉、旅游功能，因此评价模型中采用地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 第1 i i 、v 类标准进行综合评价。 评价指标：选取合理的评价指标是准确反映水体污染程度的关键，对于碧流河水库 来说，并非所有的检测项目均为特征污染物，充分考虑到这一点；着重选取与评价标准 相对应的s o 。2 。、b o d 。、t n 、t p 、f 一、c o d 等七项指标作为评价指标。 水质污染状况评价：采用内梅罗指数法 公式如下： p i j = 式中： p i j 类水用途指数； c ；一j 指标实测值( m g l ) ： s i j - i 指标j 类评价标准( m g l ) 。 综合水污染指数： p = w l p i | 式中：w ；为水用途相对重要性权重，根据碧流河水库现状，对年用水用途和用量分 析，确定碧流河水库水资源用于生活用水的权重为0 9 ，旅游景观用水及农业灌溉及其 他用水权重为0 1 。 参考内梅罗水质指数污染等级划分标准( 如表3 - 1 所示) 对碧流河水库水质进行评 价。 碧流河水库水质评价与模拟研究 表3 1 内梅罗水质指数污染等级划分标准 t a b l e 3 1n e m e r os t a n d a r d si n d e xc l a s s i f i c a t i o no fw a t e rq u a l i t yp o l l u t i o n 碧流河水库2 0 0 8 年水质评价表见表3 - 2 。 表3 2 碧流河水库水质评价结果 t a b l e 3 2t h er e s u l t so fb i l i u h ew a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n 项目 p i 值水质等级 2 0 0 8 年4 月1 0 日 2 0 0 8 年5 月0 9 日 2 0 0 8 年6 月0 5 日 2 0 0 8 年7 月0 4 日 2 0 0 8 年8 月0 7 日 2 0 0 8 年9 月0 4 日 2 0 0 8 年1 0 月9 日 1 2 7 7 1 4 1 6 0 3 5 1 0 3 6 0 1 7 1 8 1 7 0 1 0 8 0 8 轻污染 轻污染 清洁 清洁 轻污染 轻污染 清洁 通过内梅罗水质指数污染等级评价，结果表明，2 0 0 8 年碧流河水库水质污染变化基 本稳定，碧流河水库水质属于轻污染。6 、7 、1 0 月水库水质等级为清洁，4 、5 j8 、9 月等级为轻污染，碧流河水库水质较好。 3 2 水环境质量等级评价 3 2 1 监测项目与因子选择 本文利用碧流河水库多个水质监测断面多项指标的监测数据( 表3 - 3 ) ，根据水质污 染特征，通过实例分析，选择综合类污染物生物需氧量( b o d ) 、高锰酸盐指数( c o d 晰) 、 氨氮( n h 。一n ) 、营养类污染物总氮( t n ) 、总磷( t p ) 作为评价因子。 1 6 碧流河水库水质评价与模拟研究 5 2 2 建立因子集与评价集 因子集为j l l = b o d ，o c ，n h 3 一，掰，冲) 表3 4 水质分级标准( m g l ) t a b l e 3 - 4c l a s s i f i c a t i o no f w a t e rq u a l i t ys t a n d a r d s ( m g l ) 3 2 3 建立隶属函数 环境质量标准划为五个等级，若污染物浓度低于i 级标准，则它对i 级标准的隶属 1 7 碧流河水库水质评价与模拟研究 度为1 ，对其它级别的隶属度为0 ；若污染物浓度较v 级的高，则对第v 级的隶属度为1 ， 对其余的为o 。一般地，污染物浓度c ；，对各级水质标准的隶属度定义如下： 对i 级水质标准： m - 1 謦 p i2 = c f sl l s j2 一s ，l s ，3 一cf si 3 一s ，2 o 对i i i 级水质标准： j l lf3 2 c f sf2 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 s ，3 一s ，2 s ，4 一c ， sf4 一s ，3 0 对级水质标准： j4 。 cf s f3 s f4 一sf3 s ，5 一cf s f5 一s ，4 o = 砖 1 8 c i s l s i l c t s i 2 c s i 2 s f l c s i 2 s i 2 c i s i 3 e s 3 c s i l s e 2 ce s j 3 s b c i s 1 4 c s i 4 e 墨2 i s ：f 3 c i - s i 4 s ：4 e s i 5 c i s i 5 g - s i