（模式识别与智能系统专业论文）岷江流域乐山市中区段水质模拟.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 - - m m l m _mm_ m lm i l l 摘要 水质模型是描述水体中物质混合、输移、转化规律的数学模型的总称，是 根据排入水体的污染物，分析预测未来水质状况的一种数学手段和工具。 本论文采用由美国环保局开发的q u a l 2 k w 水质模型对岷江流域乐山市中 区水质进行模拟。该模型是适用于支状河流的具有多种用途的一维河流综合水 质模型，被广泛地应用于河流的水质规划和管理。 本论文先通过分析市中区相关水质监测资料，对岷江乐山市中区流域区域 进行了水环境质量现状评价，采用单因子评价法得出了岷江乐山市中区流域的 主要污染因子为b o d 与氨氮。然后根据水文及水质资料分析并确定模型参数。 验证了q u a l 2 k 模型在乐山市市中区河流水质模拟中的适用性、准确性。研究 了溶解氧( d o ) 、生化需氧量( b o d ) 、氨氮( n h 3 n ) 和总氮( t n ) 等水体指 标的q u a l 2 k 模拟结果，并预测了水环境质量变化趋势。最后对研究区域的河 流污染控制策略提出了建议。 上述研究结果表明：岷江市中区的氮污染主要来源为生活污水。因此水污 染控制必须以点源污染和农村生活面源污染为双重控制目标。大渡河与青衣江 的水环境质量对岷江水环境质量的影响很大。而未来五年内由于人口的增长， 岷江流域市中区的水环境质量存在一定的下降趋势。因此，要重点控制城市生 活污水的集中处理。 关键词：水质模型；q u a l 2 k w ：水质模拟；岷江；乐山市中区 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 a b s t r a c t w a t e rq u a l i t ym o d e li sag e n e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e lt od e s c r i b et h ep h y s i c a l m i x i n g ，t r a n s p o r t ，a n dt r a n s f o r m a t i o n t h em o d e li sam a t h e m a t i c a lm e a na n d t o o l b a s e do nt h ep o l l u t a n t sd i s c h a r g e di n t ow a t e rt oa n a l y s i sa n dp r e d i c tt h ef u t u r e s t a t eo fw a t e rq u a l i t y u s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y sq u a l 2 k wm o d e li sa p p l i e dt o s i m u l a t et h ew a t e rq u a l i t yo ft h em i n j i a n gr i v e ri nc e n t r a ld i s t r i c t o fl e s h a n q u a l 2 k wf o rs u p p o r t i n gt h eb r a n c h l i k es t r e a m i sao n e d i m e n s i o n a l ，c o 。 m p r e h e n s i e a n dv e r s a t i l es t r e a mw a t e rq u a l i t ym o d e l ，i sw i d e l yu s e di nr i v e r w a t e rq u a l i t yp l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t t h er e l e v a n tm o n i t o r i n gd a t ao fw a t e rq u a l i t yi nc e n t r a ld i s t r i c ti sa n a l y z e d f o re v a l u a t i n ge n v i r o n m e n t a lw a t e rq u a l i t y s i n g l e - f a c t o re v a l u a t i o nm e t h o di s u s e dt og e tt h em a i np o l l u t i o nf a c t o ro fm i n ji a n gr i v e rb a s i na n dt h er e s u l ti sb o d a n da m m o n i an i t r o g e n t hem o d e lp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e da n di d e n t i f i e db y h y d r o l o g ya n dw a t e rq u a l i t yd a t a q u a l 2 km o d e li sv e r i f i e dt h o u g ha p p l i c a b i l i t y a n da c c u r a c y t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) ，b i o c h e m i c a l o x y g e nd e m a n d ( b o d ) ，n i t r o g e n ( n h 3 一n ) a n dt o t a ln i t r o g e n ( t n ) i ss t u d i e d ，a n d t h ew a t e rq u a l i t yc h a n g et r e n di sp r e d i c t e d f i n a l l y , t h er e c o m m e n d a t i o n so f c o n t r o l l i n gt h ep o l l u t e dr i v e ri nt h es t u d ya r e aa r ep r o p o s e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h em a i ns o u r c eo fn i t r o g e np o l l u t i o ni ss e w a g e t h e r e f o r e ，t h ep r i m a r yp o l l u t i o nc o n t r o lo b je c t i v em u s tb ep o i n ts o u r c ep o l l u t i o n a n dd i f f u s es o u r c eo fd o m e s t i cw a s t e w a t e ri nr u r a la r e a s t h ew a t e rq u a l i t yo ft h e m i n j i a n gr i v e ri sa f f e c t e db yt h ew a t e rq u a l i t yo fd a d ur i v e ra n dq i n g y i j i a n g r i v e r d u et op o p u l a t i o ng r o w t hi nt h en e x tf i v ey e a r s ，t h ew a t e rq u a l i t yo f m i n j i a n gr i v e rb a s i ni n c e n t r a ld i s t r i c to fl e s h a nw i l lh a v ead e c l i n ei ns o m e d e g r e e t h e r e f o r e ，c e n t r a l i z e dt r e a t m e n to f u r b a ns e w a g es h o u l db ef o c u s e do n k e yw o r d s ：w a t e rq u a l i t ym o d e l ，q u a l 2 k w ，w a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o n ，m i n j i a n g r i v e r ，c e n t r a ld i s t r i c to fl e s h a n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密叮，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名： 确南 日期：如l0 夕1 指导老师签名： 日期：沙j 口厂；1 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文在查阅大量文献后，进行初步的理论分析，并在此基础上调查乐山市 中区段水质现状。通过监测数据分析水体参数及污染物影响程度，利用数学模 型对乐山市中区“三江”流域水质进行预测，并在模拟结果基础上分析水体水 质变化趋势，提出有建议性的水污染控制策略。 ( 1 ) 研究d o 、b o d 和氨氮的浓度变化，建立河道概化模型； ( 2 ) 研究模型参数，进行参数修正； ( 2 ) 利用q u a l 2 k 模型预测水质状况； ( 3 ) 分析各指标浓度变化，预测河流水质发展趋势。 本论文的研究有助于指导乐山市排污和水污染防治工作，提高乐山水污染 防治工作的科学化水平，为提高乐山市水环境质量，促进流域经济可持续发展， 合理开发利用水资源提供一定的科学依据。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 弓 奄7 等 了 一、 ， 名 d 签 训 匏 如 作 乳 则 瑚 幻 日 位学 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 曼曼曼曼蔓! 曼曼曼! 曼! 曼曼! 曼曼曼曼! 蔓! 曼曼! 曼曼量寰i i iii i- - ii_ i 皇曼苎 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 水资源不仅是一个生态环境问题，也是一个经济问题、社会问题和政治问 题，直接关系到国家的安全。对一些水资源紧张的国家和地区来说，水资源己经 成为关系到生存和发展的战略问题【1 | 。 我国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全 球水资源的6 ，仅次子巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有 2 3 0 0 立方米，仅为世界水平的1 4 、美国的1 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全 球13 个人均水资源最贫乏的国家之一。尤其西部地区水源短缺，日照强烈， 加上人们大量拦截入河地表水流进行梯级水电站建设，对河流的流量及生态环 境造成严重影响。 随着我国工业化、城市化、农业现代化进程的不断加快，水环境污染己从 陆地蔓延到近海水域，从地表水延伸到地下水，从单一污染发展到多元化污染， 形成点源与面源污染共存、生活污染和工业排放叠加、各种新旧污染与二次污 染相互复合、以及常规污染物、有毒有机物、重金属、藻毒素等水污染衍生物 相互作用的复杂的复合性、流域性污染态势，严重危及水生生态系统健康和饮 用水安全，成为我国经济社会可持续发展的巨大障碍。 随着人类活动和社会经济发展的影响，岷江流域水资源安全及其生态环境 受到威胁【引。进入2 0 世纪9 0 年代岷江流量明显减少【3 】，直接造成岷江水质下降 并影响河道运输。岷江作为长江的重要支流，是西南流域经济集中发展地带， 在区域中的地位十分突出，具有典型性和代表性。而乐山市处在“三江”( 岷 江、大渡河、青衣江) 汇合的岷江重要流域，其位置亦非常重要。因此，探索 解决岷江流域乐山汇流段的水质变化趋势，这对促进流域经济可持续发展，合 理开发利用水资源，保护流域生态环境都具有重要意义。 ( 1 ) 为相关规划的顺利实施提供参照标准和基本保障。根据乐山生态 市建设规划和乐山市环境保护“十一五”规划提出的要求，及乐山市 2 0 15 年前后建成国家级模范城市的总体目标，乐山市要实现市域水体环境质 量的全面达标。开展本研究能够为确定一个合理的管理目标提供参考。 ( 2 ) 有助于指导乐山市排污和水污染防治工作。根据乐山市排污口分布 和排污方式现状，确定污染控制目标，有助于指导排污工作，提高乐山水污染 防治工作的科学化水平。 ( 3 ) 提高乐山市水体污染突发事件应急能力。根据水质模拟结果提供水 质变化趋势及水体管理规划方式。在遇到水体突发污染事件时，为水体及时有 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 效采取应对措施提供依据。 根据2 0 0 4 年至2 0 0 6 年水质监测结果，岷江流域水质以1 1 1 类为主，约占评 价断面的8 0 。城区入口悦来渡口断面水质最差，水质类别为类。其余断面 水质均等，水质类别为1 1 1 类。岷江流域水体主要污染为有机污染和n h 3 n 营 养性污染。 表卜12 0 0 5 年岷江流域( 岷江、大渡河、青衣江) 乐山市中区水质监测结果 ( 单位：m g l ：p h 除外) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 污染物进入河流水体以后，随着河流的迁移运动、污染物的分散运动以及 污染物质的衰减转化运动，使污染物在河流中得到稀释和扩散，从而降低了污 染物在河流中的浓度。因此污染物在河流中扩散的规律，在河流中的任意一个 空间位置，污染物浓度的函数关系成为科学研究的重要课题之一1 4 】，由此水质 模拟预测成为广受关注的重要课题。 水质模拟预测是顺利实现水环境规划管理、水污染综合防治等任务不可缺 少的基础工作【5 引。而目前，无论是在制定地区或区域水污染物排放标准或确 定水体各排污口的容许排污量和应削减率，还是对突发性或连续性排污行为进 行评价或对开发建设工程项目的环境影响进行预测，都将涉及到水质时空的变 化问题，也即需要解决水质的定量预测问题r ”。因此，有必要深入研究水质预 测模型，从而为河流水质的控制与流域规划等提供重要的应用价值。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 水质模型的发展 污染物进入水体后，在水体的平流运输、纵向离散和横向混合作用下，同 时与水体发生物理、化学和生物作用，使水体中污染物浓度逐渐降低。为了客 观描述水体污染物降解规律，可以采用一定的数学模型来描述【8 】，因此产生水 质模型。水质模型是描述水体中物质混合、输移、转化规律的数学模型的总称， 是根据排入水体的污染物，分析预测未来水质状况的一种数学手段和工具，好 的模型应尽可能全面准确地反映污染物在水中的过程转化规律。对污染物在水 中的迁移转化过程认识越深刻，建立的模型将越准确，预测的精度和可靠程度 将越高。 国内外专家们已研究了各种类型水体并提出了各种类型的水质模型1 9 。叭， 主要有零维模型、一维模型、二维模型、三维模型等。零维模型的形式为河流 稀释模型。一维模型一般用于水环境容量计算。对有重要保护意义的水环境功 能区、断面水质横向变化显著的区域，考虑采用二维模型。最早的模型是由美 国工程师s t r e e t e r 和p h e l p s 在】9 2 5 年首先提出的s - p 模型。自s p 模型之 后，又相继出现了w a s p 、e u a l 、b a s i n s 、q u a s a r 、m i k e 、o t i s 、b l t m 等模型，其中以w a s p 、q u a l 模型应用最广、发展的最为完善。 几种主要水质模型的具体介绍： 1 s t r e e t e r p h e l p s 模型体系。2 】 ( 1 ) s t r e e t e r p h e l p s 模型 s t r e e t e r p h e l p s 模型是最早的水质模型，其主要假设为：d o 浓度仅取 决于b o d 反应与复氧过程，并认为有厌氧微生物参与的b o d 衰变反应符合一 级反应动力学：水中溶解氧的减少是由于含碳有机物在b o d 反应中的细菌分 陋南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 解引起，与b o d 降解有相同速率；由于氧亏和湍流而引起复氧复氧速率与 水中氧亏成正比。 ( 2 ) s t r e e t e r p h e l p s 模型修正形式 t h o m a s 修正形式：对一维河流，s t r e e t e r p h e l p s 模型基础上增加了一 项因其它因素如沉淀、悬浮、吸附及再悬浮等过程引起的b o d 速率变化，系数 为k 3 。d o b b i n s c a m p 修正形式：添加了因底泥释放b o d 和地表径流所引起 的b o d 变化，以s l 表示；同时考虑了藻类光合作用和呼吸作用引起的溶解氧 彼岸花以p r 表示。o c o n n o r 修正形式：假定总的b o d 是由含碳b o d 和含 氮b o d 两项组成j 增加的l n 代表含氮b o d 降解速度常数。 2 w a s p 模型 w a s p ( w a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m ) 是美国环境保护局提 出的水质模型系统可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸的水质进行模拟。 w a s p 包括两个独立的计算程序：水动力学程序d y n h y d 和水质程序w a s p 。 w a s p 在其基本程序中反映了对流、弥散、点杂质负荷与扩散杂质负荷以及边 界的交换等随时间变化的过程。 3 e u a l 模型 q u a l 模型是美国环保局开发的一个具有多种用途的河流综合水质模型， 被广泛地应用于河流的水质规划和管理。最早在1 9 7 0 年推出q u a i _ ，i 水质综 合模型，l9 7 3 年开发出q u a li i 模型，后经多次修订和增强，相继推出了 q u a l 2 e 、q u a l 2 e u n c a s ，其中q u a l 2 e 应用最广【1 3 。钔，q u a l 2 e 模型是 1 9 8 7 年由美国环保局的b r o w n 和b a r n w e l l 开发的一维稳态模型【1 5j 。然而， q u a l 2 e 模型有一些局限，其中一个主要的不足之处就是没有规定死亡藻类 和b o d 之间的关系【l 。因此，在此基础上发展了目前最新的q u a l 2 k 模型。 q u a l 2 k 模型的基本原理与q u a l 2 e 相同，只是在q u a l 2 e 模型的基础上新 增丁一些要素之间的相互作用，以弥补q u a l 2 e 模型的不足。q u a l 2 e 模型可 依用户的需求组合模拟溶解氧、生化需氧量、温度、作为叶绿素a 的藻类、有 机氮、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、有机磷、溶解磷、大肠杆菌、任意非守恒物 质和3 种守恒物质等1 5 种水质组分【 】。而q u a l 2 k 将水质组分改进为p h 、 溶解氧( d o ) 、五日生化需氧量( c b o d 或者b o d ) 、总有机碳、有机氮、 氨氮( n h 4 n ) 、硝酸盐氮( n 0 3 n 、n 0 2 n ) 、有机磷、无机磷、碱度( 以c a c 0 3 表示的总碱度) 、浮游植物、海底藻类、沉淀物、碎石和病菌等l5 项。 4 其他模型 b a s i n s 模型是美国环保局开发的一个多目标用途的环境分析系统，它 是u s e p a 支持的基于g i s 环境的系统。最初用于h s p f 作为水动力和水质模 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 型，该系统由6 个相互关联的能对水系和河流进行水质分析、评价的组件组成， 它们分别是国家环境数据库、评价模块、工具、水系特征报表、河流水质模型、 非点源模型、后处理模块。 q u a s a r 模型是由英国w h i t e h e a d 建立的贝德福乌斯河水质模型发展起 来的，是一维动态水质模型，它包括3 个部分：p c q u a s a r 、h e r m e s 和 q u e s t o r 。q u a s a r 模型用含参数的一维质量守恒微分方程来描述枝状河流 动态传输过程。p c q u a s a r 和q u e s t o r 可随机模拟大的枝状河流体系，这 种河流受污水排放口、取水口和水工建筑物等多种因素影响。q u a s a r 模型 可同时模拟b o d 、d o 、硝氮、氨氮、p h 值、温度和一种守恒物质的任意组合。 但是q u a s a r 模型忽略了弥散作用对水质的影响，并假定每个计算单元是理 想的完全混合反应器。 o t i s 模型是一个带有内部调蓄节点的一维输移模型。这个模型能模拟河 流的调蓄作用，这对一些河流很重要。它只研究用户自定义水质组分。它用得 最多的是模拟示踪剂试验。它还提供了参数优化器。 1 2 2 国内外研究现状 1 2 2 1 国外研究现状 自1 9 2 5 年s t r e e t e r p h e l p s 1 1 】建立了第一个b o d d o 水质模型以来，水 质模型在基础研究和实际应用中都取得了很大的进展。 目前，河流水质研究中应用最广泛的为w a s p 模型与q u a l 2 k 模型。 1 w a s p 模型应用 、 t h o m a n n 和f i t z p a t r i c k 对美国东部波托马可河的富营养化进行模拟； a m b r o s e 对美国东部特拉华港口的挥发性有机物污染进行模拟；j r b 对美国卡 罗莱纳州的重金属污染进行模拟【18 1 。 2 q u a l 2 k 模型应用 ( 1 ) 河流水质模拟及污染控制策略 p r a k a s hg a jk a n n e l 等 19 1 分析影响河流沿岸溶解氧浓度变化的主要因素， 采用q u a l 2 k w 对河流数据进行模拟，通过实验方法校准参数，并根据模拟结 果提出河流污染控制策略。 ( 2 ) 模型参数研究 j a eh e o nc h o 2 0 1 等将q u a l 2 k 的参数优化对多分支河流进仔模拟研 究系数对结果的影响。 ( 3 ) 多模型水质模拟 c h i h h a of a n 2 1 】等将q u a l 2 k 模型与h e c r a s l 2 2 1 模型整合，在评估河流 的潮水影响条件下进行水质模拟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 - - i i i i i ( 4 ) 水体纳污能力 采用q u a l 2 k 模型，以b o d 作为主要控制因子，研究水体纳污能力 2 3 - 2 5 】， 并实施日最大排污量( t m d l ：t o t a lm a x i m u md a i l yl o a d ) 以保护水体 2 6 2 7 1 o 1 2 2 2 国内研究现状 我国在水质模型研究方面也做了不少工作，有了很大的发展。上海市科委 组织的对苏州河综合整治工程中，通过对w a s p 模型进行二次开发，使得苏州 河水系水质模型的研究达到一个前所未有的理论深度，二次开发中包括修改一 些重要数组的大小，如河段数、边界个数、污染负荷数等，重新定义了某些参 数，该项研究首次研制了基于o l s 技术和感潮河网水动力水质模型的水环境综 合整治决策支持系统，首次将感潮河网数学模型研究成果直接用于大规模的水 系水环境改善措施工程分析。王建平等耦合w a s p 和e f d c 模型开发了三维生 态动力学模型来进行密云水库水质模拟，取得了令人满意的结果。马蔚纯等基 于o i s 平台运用w a s p 模型对上海市苏州河进行水质模拟，贾海峰等应用o l s 与地表水质模型w a s p 5 的集成对密云水库的水质进行模拟研究，结果令人满 意。河海大学开发了河网水量、水质统一的h w q n o w 模型，该模型不仅反映了 感潮河网的水流、水质复杂多变的特点，而且反映了感潮河网水体受各种因素 影响下的水量、水质变化规律，尤其反映了感潮河网水体分别处于耗氧、缺氧、 厌氧状态下的各水质组分间相互制约、相互影响的变化规律，该模型已用于为 改善上海浦东新区河网水环境而进行的调水方案研究以及浦东新区水利一期 工程对改善新区水环境的研究中：河海大学王惠中、薛鸿超等人在k o u t i t a s 等 建立的准三维数学模型的基础上，考虑垂向涡粘系数沿深度变化，对其计算模 式进行修改，针对太湖环境保护问题建立了一个三维水质模型，对太湖水体的 主要污染指标进行模拟和分析，并提出了控制太湖水污染的防治政策；重庆市 环境科学研究院和重庆大学针对长江嘉陵江重庆段干流和城区江段，分别开发 了一维和二维水质数学模型，取得了较好的模拟效果【2 8 j 。 针对q u a l 水质模型的发展特征，国内针对以下几个方面进行了研究： ( 1 ) 水质模拟与变化趋势预测 席北斗、何连生等【29 】选用b o d 、氨氮和总磷等作为模拟预测指标，用模 型率定法并参考相关文献数据确定b o d 降解系数k c 、氨氮降解系数k n 和总 磷平衡系数k p 等水质参数，对水质进行模拟并对模拟结果进行验证。另外以 b o d 为预测因子对河流水质变化趋势进行预测。郭永彬等【3 0 】运用q u a l 2 k 模 型探讨了汉江中下游的水质变化趋势，分析南水北调中线工程计划实施后，对 汉江中下游的社会经济和生态环境产生的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 量曼蔓! 曼曼曼曼曼曼曼皇! 皇! 皇曼皇曼曼曼毫曼曼i i ii im。i i ! i 。l l i l 。 i =i 曼鼍 ( 2 ) 水环境容量计算 陈月等【8 】模拟在不同流量保证率条件下，河流污染物的沿程浓度分布。由 q u a l 2 k 模型模拟得到集中排污口所在断面的污染物本底平均浓度，根据这 一浓度，计算得到河流在不同保证率下的剩余环境容量。 ( 3 ) 安全纳污能力计算 方晓波，张建英等【3 1 】针对河流流域污染物总量控制的纳污能力定量问题， 选择某段河流，以q u a l 2 k 模型的m 值水体纳污能力计算法研究b o d 安全 纳污能力。 ( 4 ) 污染控制策略研究 刘醇庆、苏铭千等3 2 1 利用q u a l 2 k 水质模型模拟氮营养物污染传输，分 析氮营养物浓度，并针对水体污染研究其污染控制策略。 目前，国内外对q u a l 2 k 的开发应用主要是河流部分河段水质模型的建 立，并应用实际监测数据对模型进行对比验证，从而体现q u a l 2 k 模型的应 用价值以及适用程度。由于q u a l 2 k 模型是最新公布的水质预测模型，因此 其模拟河流水质的准确程度以及由q u a l 2 e 模型改进后提高的精确度都需要 通过实际河流系统模拟分析得出结论。 1 3 研究内容、方法与技术路线 1 3 1 研究内容与方法 1 研究的主要内容包括： ( 1 ) 调研和收集岷江乐山市中区流域水质、污染源，分析乐山市中区研 究区段相关资料，对岷江流域乐山市中区水域进行水环境质量现状评价。 ( 2 ) 确定研究所采用的模型，分析模型的水文及水质参数，率定、校正 参数。验证模型在乐山市市中区河流水质模拟中的适用性、准确性。 ( 3 ) 研究溶解氧( d o ) 、生化需氧量( b o d ) 、氨氮( n h 3 n ) 等水体 指标的浓度变化，建立月均浓度变化曲线后进行水质分析； ( 4 ) 分析模拟结果，对研究区域的污染物成分及污染程度进行总结，并 预测水体质量变化趋势，提出对研究区域河流污染控制策略的建议。 限于资料有限，对点源污染( 即排污口) 进行计算时假定各排污口连续、 均匀排污，面源污染仅考虑农村生活废水的排放。 西南交通大学硕研究生学位论文第12 页 曼曼笪曼! 曼曼鼍曼皇曼! 曼曼皇曼曼曼i _ _ - - - - _ - - - , = z = - ! 曼皇皇! 皇! 曼! ! ! ! 曼曼苎! ! ! ! ! 曼苎曼曼! 曼! ! ! ! 曼! 曼! ! 毫 2 研究的具体方法是： ( 1 ) 根据模型选择原则确定模型。 ( 2 ) 对现有的排污口进行概化。概化后根据污染源分布状况按照河段统 计污染源数据。 ( 3 ) 根据河流具体情况和模型的要求设计河流流量及水温。根据模型系 统要求，对敏感水质参数进行校正、率定。运用模型方程对模型进行验证。 ( 4 ) 对研究区河流进行水质分析。 ( 5 ) 运行模型，对模拟结果进行分析，得出河流水质状况。 ( 6 ) 根据人口增长趋势、工业分布发展状况预测河流水质变化趋势。 1 3 2 技术路线 技术路线如下图。 图1 - 1 技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 第2 章岷江乐山流域水环境现状 2 1 地理位置 乐山市位于四川省中部，四川盆地的西南部，岷江、青衣江、大渡河三江 汇合处，东经10 2 0 5 0 10 4 0 3 0 ，北纬2 8 0 2 5 2 9 0 3 4 。南北长16 2 o k r a ，东西 宽1 4 5 o k m ，总面积l2 8 2 6 o k m ：，占四i i 省总面积的2 6 4 。相邻的有成都市、 内江市、自贡市、宜宾市、雅安市和凉山彝族自治州。 岷江发源于岷山弓杠岭和郎架岭，全长7 3 5 公里，流域面积l4 万平方公 里；全河落差3 5 6 0 米，水力资源l3 0 0 多万千瓦。岷江是长江上游水量最大的 一条支流，都江堰以上为上游，以漂木、水力发电为主；都江堰市至乐山段为 中游，流经成都平原地区，与沱江水系及众多人工河网起组成都江堰灌区； 乐山以下为下游，以航运为主。岷江有大小支流9 0 余条，上游有黑水河、杂 谷脑河；中游有都江堰灌区的黑石河、金马河、江安河、走马河、柏条河、蒲 阳河等：下游有青衣江、大渡河、马边河、越溪河等。 大渡河古称沫水，为长江流域岷江水系最大支流，位于青藏高原东南边缘 向四川盆地西部的过渡地带。大渡河发源于青海省果洛山东南麓，分东、西两 源，东源为足木足河，西源为绰斯甲河，两源在双江口汇合后始称大渡河。大 渡河干流流经四川省阿坝、甘孜、乐山等地区，流域形状狭长，呈”l f t 型，在 双江口、金川i 、丹巴、沪定等地大致是由北向南流，在石棉境内折向东流，经 汉源、峨边、沙湾等地，于乐山市与岷江汇合。全长115 5 公里，流域面积9 2 万平方公里，总落差4 17 5 米，年径流量4 7 0 亿立方米。 青衣江主源为宝兴河，发源于宝兴县城北巴朗山南麓的蚂蝗沟，上分东 河、西河两源，以东河为主源。从蚂蝗沟经硗碛、盐井至宝兴县城附近的两 河口与西河相汇后，始称宝兴河。向南经灵关、铜头至三江口有玉溪河汇入， 至飞仙关与天全河、荥经河汇入后，即名青衣江。再折向东流经乐山、洪雅、 夹江等地至乐山草鞋渡注入大渡河。青衣江全流域面积137 4 4 平方公里，主 河道长2 8 4 公里，天然落差3 6 7 9 米，河道平均比降12 9 。 2 2 河流水系 乐山市境内河流众多，流域面积在1o o k m ：以上的河流3 3 条，其中流域面 积10 0 0 k m 2 以上的2 条。除井研县通江河流入沱江、马边彝族自治县的中都河 流入金沙江外，其余均属岷江水系。 ( 1 ) 岷江( 乐山段) 系长江一级支流，自市中区悦来入乐山境，经市中区、五通桥区、犍为县 至宜宾市与金沙江汇入长江，境内流程12 2 3 k m ，纳大渡河、青衣江于乐山市 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 m m = mm - - m ： - - 皇苎曼苎鼍! 皇蔓皇曼鼍! 皇曼曼蔓曼曼曼曼! 曼苎曼曼曼曼曼曼曼! 蔓苎曼鼍皇曼曼! 曼 中心城区附近、茫溪河于五通桥区、马边河于犍为县。 岷江以西主要城市功能区为牟子综合区、通江居住综合区、柏杨坝新区、 绿心、嘉州吉城、肖坝科研文教区、大佛风景旅游度假区等七个片区。该区域 是居住、生活服务、生态绿化建设、娱乐功能、科教、旅游及大型工业产业的 综合型发展新区。水体污染源主要为生活污水、工业废水。 岷江以东地区为传统乡镇发展建设地区，工业产业以水泥、纺织、机砖为 主等。沿途主要接纳了一些乡镇工业废水、农业污水及生活污水。 ( 2 ) 大渡河( 乐山段) 系岷江一级支流，自西而入，至乐山城区东南肖公嘴入岷江，境内流程 1 7 5 7 k m ，落差2 5 3 m ，平均比降约1 31 ，境内流域面积4 6 10 o k m 二。大渡河 以南，大佛风景区以西，为车子高新区，是主要以高新技术产业、工业为主的 工业集中区。苏稽大道两侧、大渡河以北地区为在现有镇区的基础上发展教育 以及相关高新产业的苏稽综合新区，并逐步形成一个内部功能齐备的综合新 区。 ( 3 ) 青衣江( 乐山段) 系岷江右岸二级支流，大渡河一级支流。由夹江县入境，至市中区草鞋渡 与大渡河合流，境内流程4 8 4 k m 。该河段内城市功能区为青衣综合区和绵竹 片区青衣综合区主要在原有工业企业的基础上，逐步调整用地性质，以居住生 活服务功能为主。绵竹片区以医药、物流产业为主。 表2 1 乐山市中区岷江流域主要河流概况 至雪銮兽銮兰2 主2 銮耋耋簦薹耋至：蚕 图2 - 1岷江乐山市中医流域地理位置幽 2 3 气候条件 峨江乐山流域属中亚热带季风性湿润气候，具有冬暖复热，热量充足、降 水丰沛、四季分明、多阴少照、山区气候多样、垂直变化显著等特点。年平均 气温在1 65 一1 80 度之间，年平均降水量绝大多数地区在1 0 0 0 毫米以匕，降 水有季节性变迁，夏秋季雨量占全年的8 0 左右，冬春季只占2 0 ，降水的年际 差异较大。 24 水质 乐山市中区内水体的综合水质较高，区内工业污染较轻，水体主要受到好 氧有机物的污染。根据乐山市2 0 0 6 年环境质蕈状况公报，岷江f 流水质以i i i 类为主，主要污染指标为氢氮。青衣江、大渡河在市中区境内的水质符合国家 i l i 类标准。 2 5 水文特征 岷江乐山段径流以降水补给为主年际变化幅度较大。降雨年内分配足： 4 月降雨丌始增大，；一1 0 月降雨占全年80 左右。l o 月份以后，直至翌年3 月降雨逐渐减少。自每年3 月开始，气温明显增高径流随降雨和气温的 变化而变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章岷江乐山市中区流域水环境现状评价 3 1 水质现状评价的目的及意义 水质现状评价是根据水质现状监测资料进行的，目的是对水体的水质现状 有一个明确的了解。水体现状评价可以反映出水体污染程度及主要污染类别。 因此水质现状评价是进行水质管理的基础，是进一步研究水质模拟以及水污染 控制规划的主要依据之一【3 引。 3 2 岷江乐山市中区流域水质现状调查与评价 3 2 1 水质现状调查时间 根据乐山市环境监测站提供的数据，地表水资源水质监测调查采用2 0 0 9 年( 枯水型年) 月均浓度进行评价。 3 2 2 评价方法及结果 采用单因子评价法：即用水体各监测项目的监测结果对照该项目的分类标 准，确定该项目的水质类别，在所有项目的水质类别中选取水质最差类别作为 水体的水质类别 3 4 - 3 5 】。 单因子指数模型为： s 。= c i ，c , ， ( 3 - 1 ) 式中：s i i 一评价因子i 在j 处的单因子指数： c i j 一污染物i 在j 处的实测浓度r a g l ： c 。i 一污染物i 的地面水水质标准m g 1 。 3 2 3 评价标准及依据 根据上述方法，分别计算评价区域地面水各污染物单因子指数。评价标准 以地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 为基础( 表3 1 ) ，由各断面的 水质实测浓度( 表3 2 ) ，计算可得评价结果见表3 3 。依据地表水水域功能 和保护目标分析，岷江乐山市中区流域内的岷江干流、青衣江、大渡河的水质 属于i 类水体。 依据地表水水域功能和保护目标，按功能高低次划分为五类： i 类主要适用于源头水、国家自然保护区； i i 类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物 栖息地、鱼虾类产卵场、仔雏幼鱼的索饵场等： i 类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬 场、涧游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区； 类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区； v 类主要适用于农业用水及一般景观要求水域。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 表3 一i地表水质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ( 单位：m g ，1 ) 统计2 0 0 9 年乐山市中区内岷江干流、大渡河、青衣江水质监测资料中b o d 、 氨氮及t p 月均浓度，如表3 2 至表3 - 4 所示，月均浓度统计表见表3 - 5 。 表3 2 岷江干流、大渡河、青衣江乐山市中区段b o d 逐月水质监测资料 ( 单位：r a g 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 表3 3 岷江千流、大渡河、青衣江乐山市中区段氨氮逐月水质监测资料 ( 单位：m g 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 表3 5 岷江干流、大渡河、青衣江乐山市中区段月均水质资料统计 ( 单位：i n g 1 ) 3 2 4 评价结果 对岷江干流、大渡河、青衣江乐山市中区段水质环境现状进行评价，水质 评价结果见表3 - 6 。 表3 - 6 河段水质评价结果 o 由表3 6 可以看出，目前岷江干流、大渡河、青衣江乐山市中区段的水质 基本状况良好，污染情况较轻。各河段水质达到i 类水域标准。岷江干流的主 要污染因子为b o d 与氨氮，大渡河与青衣江主要污染因子为b o d 。 1 7 6 2 l 1 0 o 0 7 ，一 8 6 6 o o 0 岷 江 干 流 大 渡 河 青 衣 江 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第4 章水质模型建立 4 1 水质模型的建立 河流水质模型是用数学模型的方法来描述污染物进入天然河流后所产生 的稀释、扩散、自净的规律 3 6 。7 1 。它在水质预测、规划管理、污染防治及环境 保护等方面起着十分重要的作用。因此，河流水质模型的建立是河流污染控制 的重要基础工作。 4 1 1 模型建立的步骤 一个模型要能真实地反映客观实体，必须经过实践一一抽象一一实践的多 次反复，因此建立一个可以付诸实用的模型，大体要经历下述几个步骤 3 8 】： 1 资料的收集与分析 数学模型模拟的基本依据是河流污染的实际情况，因此建立模型之前，必 须先取得较完整而系统的水文、水质等方面的资料，其中一部分来自历年长期 观测的记载，一部分则来自野外现场实测。 2 模型结构识别 所谓模型结构的识别，也就是确定模型的函数结构。根据所取得的资料数 据，进行初步的分析和判别，然后建立水质模型，并对它进行识别和检验，看 它是否能代表系统动态的真实情况，如不能代表，则必须对其结构作出某些修 改。 3 参数确定 水质模型中参数值的准确与否，关系到模型在实际应用在能否正确模拟实 际情况，而如何测定和估计这些参数，在建立水质模型的整个过程中，是一项 极其重要的工作。实际上，水质模拟过程中，也就是对系统模型进行识别，对 模型参数进行估计，再用观测值进行检验、调整的反复试验过程。 4 模型的验证和灵敏度分析 模型的检验是在模型结构识别与参数估计之后，再利用另一组独立的数 据，将其中要输入的数据代入已经建立的模型，看其模拟计算的输出结果与现 场观测的有关数据是否相符，以验证模型是否正确。只有经检验正确的模型才 可以应用它来进行河流水质状况模拟。否则就必须再收集资料，重复进行模型 结构识别与参数估计，再检验直到模型结果与实测数据相符为止。 灵敏度分析是指模型参数变动时造成的影响。首先变动一个参数，其余参 数保持不变，然后检查目标函数的变化程度，如果变化不大，那就说明目标函 数对这个参数不灵敏，对这个参数估计不要求准确。如果特别不敏感，说明这 个参数是多余的，可以将其剔除或设置为空白。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 4 1 2 模型选择的原则 正确选择和运用水质模型时确立输入响应关系的关键，在选择使用水质模 型时，需遵循以下原则【3 9 】： 1 问题的合理概化 把河流问题进行合理概化，选择主要因素和便利，突出主要矛盾，分析各 变量之前的逻辑关系，建立水质模型结构。 2 合适的模型维数 水质模型的维数指的是空间维数，即x ，y ，z 的空间方向，零维指的是空间 完全均匀混合的水体，只考虑物质随时间的变化；一维情况，对于河流、河口 类水体，常指的是河流纵向，即x 方向上的浓度变化，对于湖泊、水库指的是 z 方向，即垂直向上的浓度变化；二维通常指的是x 方向和y 方向，对于不同 维数的模型，都存在稳态和非稳态的两类模型，在具体问题中，要针对模拟的 目标要求，选择模型的维数。 3 模型的有效性 对于每类水质模型，都有其适用的条件和范围。每种模型都只能够在一定 条件、一定精度下解决问题，所以选择水质模型，首先要弄清水质目标要求和 计算范围，然后根据各个水质模型的适应性和特点选择使用。 4 合理的参数匹配 参数的合理性是模型模拟得到正确计算结果的重要条件，模型的资料要求 非常严格，尤其是资料的源和目标的匹配性，数据与参数的时间同步性。 4 1 3 基本思路 水质模型从模拟对象上可分为生化需氧量( b o d ) 模型、溶解氧( d o ) 模 型、重金属模型等，最基本的水质模型就是关于b