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淮河凤台县至淮南段水污染控制研究 摘要 面对日益恶化的淮河水环境状况，河流水动力和水质模型技术作为掌握河 流生态环境现状和发展趋势的一个重要手段，在河流的水环境保护与管理中得 到越来越广泛的应用。然而，虽然我国在河流水动力和水质模拟研究方面发展 了大量工作，但尚未形成管理部门广泛认可的水动力与水质数值模拟方面的标 准模型。本论文引入了在美国得到官方认可的、由美国陆军工程兵团河道实验 站开发的平面二维有限元水动力模型r a m 2 与水质模型r a m 4 ，并重点展开了 r a m 2 和r a m 4 在淮河中的应用研究，为标准化河流水动力与水质模型做了尝 试性工作，并为淮河水质环境保护和改善提供一定的参考依据。 本文以淮河水污染控制为目的，首先较系统地介绍了r m a 2 模型和r m a 4 模型。以淮河风台县至淮南段为典型，对复杂的分流、汇流处进行网格加密优 化，应用r m a 2 和r m a 4 进行模拟分析，对模型参数进行率定，确定了合适的 水动力模型以及水质模型参数。本文还利用水质模型确定的衰减系数进行水环 境容量计算，计算出不同保证率下每年污染物的削减量。最后结合阜阳市水利 部门的规划，设计了限制排污量以及建立河滩人工湿地系统改善淮河水质的方 案。通过r m a 2 模型和r m a 4 模型，数值模拟对比分析了不同情景下改善淮河 水质前后的效果，通过理论分析所得治理措施可为科学制定淮河水环境保护措 施提供相关科学依据。 关键词：地表水模拟系统，水动力学模型，水质模型，水环境容量，河滩人工 湿地系统 t h ew a t e rp o l l u t i o nc o n t r o ls t u d yo fh u a i h er i v e r f r o mf e n gt a ic o u n t yt oh u a in a n a b s t r a c t w i t ht h ew a t e re n v i r o n m e n to fh u a i h er i v e rg e t t i n gw o r s ea n d w o r s e ， h y d r o d y n a m i c sa n dw a t e rq u a l i t ym o d e l i n gt e c h n i q u e ，w h i c hi sa ni m p o r t a n t m e t h o dt ou n d e r s t a n dt h es i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do fr i v e re n v i r o n m e n t ，h a s b e e n e x t e n s i v e l ya p p l i e dt ot h ep r o t e c t i o na n dm a n a g e m e n to fr i v e rw a t e r e n v i r o n m e n t w h e r e a s ，a l t h o u g hah u g ea m o u n to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw o r kh a s b e e nd o n eo nr i v e r s ，t h e r ea r es t i l ln o to f f i c i a l l ys t a n d a r d i z e dm o d e l si nc h i n a i n t h i sp a p e r ，r m a 2m o d e la n dr m a 4m o d e l ，w h i c hw e r ee x p l o i t e db yc o a s t a la n d h y d r a u l i c sl a b o r a t o r y , w a t e r w a y se x p e r i m e n ts t a t i o n ，u sa r m ye n g i n e e r r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tc e n t e r ，a n do f f i c i a l l yr e c o g n i z e da ss t a n d a r d i z e d m o d e l si na m e r i c a ，a r ei n t r o d u e e di n t ot h er e s e a r c ho fh u a i h er i v e re n v i r o n m e n t t h i sa p p l i c a t i o ns t u d yi sh e l p f u lt ot h es t a n d a r d i z a t i o no fr i v e rh y d r o d y n a m i c sa n d w a t e rq u a l i t yn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nc h i n a t h i sp a p e r ，w h i c hi si no r d e rt o s t u d yt h eh u a i h er i v e rw a t e rp o l l u t i o n c o n t r o l ，h a se x p o u n d e dt h es t r u c t u r e sa n df u n c t i o n so fr m a 2a n dr m a 4m o d e l s t a k i n gh u a i h er i v e rf r o mf e n gt a ic o u n t yt oh u a in a nf o re x a m p l e ，d e n s i t i e sa n d o p t i m i z e st h em e s ho ft h ec o m p l i c a t e dd i s t r i b u t a r ya n dc o n f l u x ，c a r r i e so u tt h e s i m u l a t i o n & a n a l y s i sb yr m a 2 & r m a 4 ，r a t e st h ep a r a m e t e r so fm o d e l st og e tt h e a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so ft h eh y d r o d y n a m i cm o d e l sa n dt h ew a t e rq u a l i t ym o d e l s t h i s p a p e r a l s o c a l c u l a t e st h ew a t e re n v i r o n m e n t c a p a c i t yb y a t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n td e c i d e db yw a t e rq u a l i t ym o d e l s ，a n dg e t st h er e s u l to ft h er e d u c t i o no f t h ev o l u m ep o l l u t a n t su n d e rd i f f e r e n tr a t e f i n a l l y , b a s e do nt h er e l a t i v ew a t e r r e s o u r c e sp r o t e c t i o np l a n n i n go ff u y a n gc i t y ，t h e p a p e rh a sd e s i g n e dd i f f e r e n t m e t h o d sf o rh u a i h er i v e rw a t e re n v i r o n m e n t i m p r o v e m e n t ：r e s t r i c t i o n s o f e m i s s i o n sa n ds e t t i n gu pc o n s t r u c t i o nw e t l a n d ss y s t e m a n da c c o r d i n gt or m a 2 a n dr m a 4m o d e l s ，t h ep a p e rh a ss y s t e m a t i c a l l ys i m u l a t e dt h ew a t e re n v i r o n m e n t i m p r o v e m e n to fd i f f e r e n ts c h e m e si nh u a i h er i v e r t h r o u g hac o m p a r i s o nb e t w e e n t h ed i f f e r e n ts c h e m e s ，as c h e m eh a sb e e nr e c o m m e n d e d a c c o r d i n gt ob o t he c o n o m i c c o s ta n dt h ee f f e c t so fw a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n t t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i s p a p e rp r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rm a k i n gt h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i v em e a s u r e so f h u a i h er i v e r k e y w o r d s s u r f a c ew a t e rm o d e l i n gs y s t e m ，h y d r o d y n a m i cm o d e l ，w a t e rq u a l i t y m o d e l ，w a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t y ，c o n s t r u c t i o nw e t l a n d ss y s t e m 插图清单 图1 1 淮河凤台县至淮南段研究区域示意图j ：2 图1 2 总体研究思路：1 2 图2 1 数学模型流程图2 1 图2 2 研究区域网格图2 2 图2 3 分流、汇流处网格布置2 3 图2 - 4 三角形单元与四边形单元混合网格2 3 图2 5 研究区域河床高程等值线图2 3 图2 6 风台大桥流量变化图2 3 图2 7 淮南水位变化图2 3 图2 8 研究区域流速大小2 5 图2 - 9 江心洲中心处流速矢量图2 5 图2 10 研究区域水位图2 5 图2 1 1 研究区域水深图2 6 图2 1 2 江心洲中心处的漩涡示意图2 6 图3 1 各观测断面及排污口布置图3 0 图3 2 观测点1 7 c o d c r 浓度变化图3l 图3 3 观测断面1 1 浓度变化图3 1 图3 4 观测断面2 2 浓度变化图3 2 图3 5 观测断面3 3 浓度变化图3 2 图3 - 6 观测断面4 4 浓度变化图3 2 图3 7 观测断面5 5 浓度变化图3 3 图3 8 观测断面6 - 6 浓度变化图3 3 图3 - 9 观测断面7 7 浓度变化图3 3 图4 1 水环境容量计算思路示意图：3 5 图5 1 淮河沿岸各支流布置简略图一4 3 图5 2 建立河滩湿地前后断面1 1 c o d c r 浓度变化4 3 图5 3 建立河滩湿地前后断面1 1 氨氮浓度变化4 4 图5 - 4 建立河滩湿地前后纵断面0 0 沿程c o d c r 浓度变化4 4 图5 5 建立河滩湿地前后纵断面0 o 沿程氨氮浓度变化4 4 表格清单 表1 1 研究河段水质采样断面一览表3 表1 2 研究区河段水功能划分简表4 表1 3 安徽省淮河干流凤台至闸口段水功能区入河污染物4 表3 1 排污口水质概况2 8 表3 2 淮干c o d 、b o d 、n h 3 。n 衰减系数表2 9 表4 1 设计流量值以及设计流速值表3 7 表4 2q 一1 ，关系回归分析结果及检验3 8 表4 。3 淮河干流风台县至淮南段水环境容量计算结果表3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金旦墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 靴敝储擀谚砷辩醐：节蝴 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目旦王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金日巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 盈南何 导师签名： 签字日期：叫年叶月f 签字日期：卅砒月f 阳 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 慨( 积电7 i 落7 邮编： 致谢 在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师王军老师的热情关怀和悉心 指导。在我撰写论文的过程中，王老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论 文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面， 我都得到了王老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚 的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示 真诚地感谢和深深的谢意。另外还要感谢陶月赞老师在学术上的指导和帮助。 在论文的写作过程中，感谢陈胖胖、江涛、吴其章等同门同学以及师兄师 姐们在学术上给予的帮助，同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助， 在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表 示衷心地感谢! 作者：盈尚轩 2 0 0 9 年2 月2 4 日 第一章绪论 1 1 引言 淮河流域地处我国中东部腹地，是我国重要的粮棉基地和能源中心，但随 着经济的发展，淮河的水质也不断恶化，成为国家“九五”期间重点治理的“三 河三湖 的先导，其污染防治引起了广泛的关注。淮河流域自2 0 世纪8 0 年代以 来，水质呈逐年恶化趋势。至1 9 9 5 年底，全流域8 0 以上的河流和水域已受到 污染，水污染事故频繁发生。尤其是1 9 9 4 年和1 9 9 5 年汛期初发生的水污染事故， 给沿淮城乡居民的饮用水及身体健康造成极大危害，严重影响了工农业生产， 破坏了生态系统。2 0 0 2 年是实现淮河水体变清的规划目标年，然而淮河的水质 状况与目标还相差甚远。淮河流域的地表水污染经过几年的治理，虽已初见成 效，但水质尤其是省界河段的水质状况仍不容乐观。水环境问题已成为制约区 域经济发展的一个重要因素。 因此研究淮河流域的水资源现状及存在的水环境问题，找到一个适合淮河 流域的水流水质模型，对该区域水资源保护、合理开发利用资源具有重要的科 学意义。 作为掌握河流生态环境现状和发展趋势的一种重要手段，河流水动力和水 质数值模拟技术在河流治理与保护中起着非常重要的作用。由于具有耗时短、 节省人力与物力、可重复性强、计算条件易于控制等优点，数值模拟技术在湖 泊，尤其是宽浅式河流的水环境保护与管理中得到越来越广泛的应用。国外发 达国家在水动力与水质数值模拟方面已经开展了长期、大量的研究工作，所开 发的q u a l i 、o u a l i i 、l a k e c o 、w a s p 、w q r r s 、w m s 、m i k e l l 、m i k e 2 1 、 r m a 2 和r m a 4 等一系列数值模型在全世界范围内得到广泛成功的运用，并成为 各国官方认可的标准模型。尽管国内各有关科研单位在水动力与水质数值模拟 方面也己开展了大量的研究工作，并开发出了众多的从零维到三维的水动力与 水质模型，但迄今为止我国尚未形成管理部门广泛认可的标准模型【lj 。 受技术手段、经济条件等因素的限制，实测资料短缺往往成为我国河流水 环境模拟研究中一个普遍存在的问题。在这种资料短缺的情况下，当基于某一 河流所建立的非标准型模型运用到另一个河流的模拟研究中时，其模拟结果的 准确性和可比性往往遭到质疑，并造成管理决策中的困惑。因此，从长远的角 度，我国应当针对河流水环境模拟建立起管理部门认可的官方标准模型。在目 前缺乏官方标准模型的情况下，有必要对国际上广泛运用的有关模型进行开发 研究。 r m a 2 。r m a 4 是美国陆军工程兵团河道试验站开发的平面二维有限元水 动力学模型与水质模型。自1 9 7 3 年开发至今，经过3 0 多年的不断发展与更新， 目前r m a 2 ，r m a 4 已经比较成熟，并且作为美国官方标准模型在美国及国际上 的水环境模拟中，尤其是河1 ：3 水环境模拟中得到十分广泛的应用【2 】【3 j 。 本论文研究的目的在于对r m a 2 模型和r m a 4 模型进行河流中的开发应用 研究。论文将以淮河为典型，研究r m a 2 模型和r m a 4 模型在河流模拟中的应用 分析；在此基础上，通过r m a 2 模型和r m a 4 模型，对阜阳市水资源保护规划中 改善淮河水环境的模拟进行论证研究，为科学制定淮河水环境保护措施提供相 关科学依据。 1 2 研究区域概况 121 淮河流域自然地理概况 淮河流域地处中国东部介于长江和黄河两流域之间，位于东经1 1 2 度 1 2 1 度，北纬3 l 度3 6 度，流域面积2 7 万k m 3 。流域西起桐柏山、伏牛山，东 临黄海，南以大别山、江淮丘陵、通扬运河及如泰运河南堤与长江分界，北以 黄河南堤和沂蒙山与黄河流域毗邻。流域地跨河南、安徽、江苏、山东及湖北 5 省，由于历史上黄河曾夺淮入海，现状淮河分为淮河水系及沂沐泗水系，废 黄河以南为淮河水系，以北为沂沭泗水系。整个淮河流域多年平均径流量为6 2 1 亿3 ，其中淮河水系4 5 3 亿m 3 ，沂沭泗水系1 6 8 亿m 3 。淮河干流发源于河南 省桐柏山，全长1 0 0 0 k m ，总落差1 9 6 m ，平均比降02 ，淮河在安徽境内属中 游河段，河床高而平缓，总落差8 米左右，平均比降为00 2 ，周边地区夏季 降水集中，易发洪水。 圈1 1 淮河风台县至淮南段研究区域示意图 所要研究的区段是从凤台县至淮南段淮河干流，见图1 一l ( 来自g p s 地图 库) 。全长约4 3 k m 。近1 0 多年来，在流域内工农生产不断发展、人口增加、城 镇数量加多、规模扩大的过程中没有很好处理经济发展与环境保护的关系，大 量生产和生活污水不经处理直接向河中排放，各种废物向河边倾卸，尤其是不 适当地发展了一批小造纸、小制革、小化工等排污量大而社会效益差的工业企 业，使淮河水受到极其严重污染。到1 9 9 4 年全流域城镇和企业每天排放的工业 废水、生活污水约7 0 0 万t ，化学耗氧量超标几十到几百倍，集中性恶性污染 事故频繁出现，约2 3 的河段已失去使用价值，一些地区因水质恶劣，已造成 饮水困难。因此，“九五 期间，淮河成了国家重点治理的“三河三湖 之首。 尽管淮河污染程度趋于减轻，但仍未达到人们的期望值。 安徽省水利部门早在1 9 9 0 年就启动了淮河颍河污染动态监测，闸坝调度等 措施，对缓解水污染危害起到了一定作用。并在历年豫、皖、苏三省及淮河水 利委员会联合开展的污染联防中取得成效。特别是2 0 0 1 年至2 0 0 4 年连续四年 中，防汛和水利部门紧密配合，根据淮河流域的特点，注意分析雨情、水情、 污情、工情，为防汛抗旱防污调度开展了水质水量相结合的监测分析，及时分 析，滚动预报的方式向领导机关和有关部门提供可靠的水质水量变化动态。并 抓住时机，科学调度，合理运用水利工程，调节蓄泄水量，避免大污染水团集 中下泄，减少污染对沿城镇特别是淮南、蚌埠两市饮用水安全的危害。积累了 大量宝贵资料和经验。 表1 1 研究河段水质采样断面一览表 河流水质采样断面 水功能区监测方式备注 风台大桥淮河风台工业用水区常规、动态 测流 江心洲6 - 1淮河凤台农业用水区常规 江心洲6 - 2淮河凤台农业用水区常规 江心洲6 3淮河淮南农业用水区 常规 淮河 江心洲6 - 4淮河淮南农业用水区常规 平圩大桥淮河淮南饮用水源区常规、动态 淮南上淮河淮南排污控制区 常规、动态 闸口淮河淮南排污控制区常规、动态水位 安徽省水文局多年组织对省辖淮河流域入河排污口进行调查监测，研究河 段各水功能区废污水及污染物质入河量见表卜3 。凤台以上无大的城镇直接排 污入淮，其水质状况主要受上游及主要支流( 颍河) 来水影响，凤台以下有风 台、淮南、怀远3 城区沿淮分布，其生产、生活产生的废污水大部分未经处理 直接排入淮河，对淮河水质产生严重影响【4 j 。 1 2 2 水环境状况分析 一、水质状况 从凤台大桥至闸口位置的淮河干流河长4 3 k m ，划分为四个水功能区：淮河 风台工业用水区、淮河风台八公山过渡区、淮河淮南饮用水源区、淮河淮南排 污控制区，其中淮南饮水源区内日取水量约4 0 万吨。见下表1 2 ： 表1 2 研究区河段水功能划分简表 水质现水质目 水功能名称所属区域长度( k m ) 状标 淮河风台工业用水区风台县5vi i i 淮河风台八公山过渡 凤台县、淮南市八公山区 1 0v i i i 区 i i 淮河淮南饮用水源区淮南市2 3 i i i v 暂 淮河淮南排污控制区淮南市 5 劣v不执行 安徽省水文局连续多年对省辖淮河流域入河口排污口进行调查监测，各水 功能区污水及污染物质入河量见下表1 - 3 ： 表1 3 安徽省淮河干流风台至闸口段水功能区入河污染物 废污水流量 入河量 水功能区 所属区域 废污水量( 万c o d e r ( t ( m 3 s ) 氨氮( t a ) m 3 a )a ) 淮河凤台 工业用水风台县 0 2 0 36 4 0 7 18 3 7 41 8 0 9 区 淮河淮南 饮用水源 淮南市 1 9 3 66 1 0 4 8 41 5 0 25 2 7 区 淮河淮南 排污控制淮南市 2 8 6 79 0 4 0 0 61 0 0 7 02 9 1 4 6 区 凤台以上无大的城镇直接排污入淮，其水质状况主要受上游及主要支流( 颍 河) 来水影响，风台以下有凤台、淮南两城区沿淮分布，年入河废污水1 5 8 2 3 万m 3 ，c o d e r 2 0 1 万吨，氨氮0 3 1 万吨。 二、水动力特征 阜阳市水文局利用最先进a d c p ( a c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n tp r o f i l e r s ) 即声 学多普勒流速剖面仪进行测量。获得流量、流速、水深等物理量，数值模型利 用这些数据进行验证以及预测，由于测量处于枯水期，缺少丰水期资料，还需 参考安徽省水利部门提供的1 9 9 8 2 0 0 4 年份的资料进行模拟。 三、研究区域水质监测采样频率与检测项目 水质监测按不同要求分为常规监测和动态监测两类。常规监测是每月定点 定时采样一次，淮河干流断面布置3 条采样垂线，取水面下o 5 m 处表层水样。 动态监测是在水质有恶化趋势时，在原有断面或临时断面每月采样3 4 次，基 本定在每月1 5 日、2 0 日及3 0 日。如果发生水污染事故等紧急状况除增加测次 外，还实施跟踪监测。常规监测项目和监测方法基本上按照水环境监测规范 ( s l 2 1 9 1 9 9 8 ) 、地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 执行，动态监测选择 其中：水温、色度、p h 、化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧等。 4 1 3 国内外相关研究现状 1 3 1 水动力与水质数值计算方法 开展河流水动力和水质的数值模拟，首先需要建立河流水动力和水质的数 学模型，并寻求高效、精确的数值计算方法。到目前为止，广大科技工作者做 了很多努力，发展了许多数值计算方法，如有限元法、有限差分法、有限体积 法、边界元法和有限分析法等。其中，有限元法、有限差分法和有限体积法在 包括浅水湖泊在内的浅水水域水动力和水质数值模拟中得到较为广泛的应用【5 j 【6 】【7 】 o 一、有限元方法 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是求解椭圆型方程的一种有效的离散化 方法，它将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，并于各小单 元分片构造插值函数，然后根据极值原理( 变分法或加权余量法) ，将问题的控 制微分方程化为控制所有单元的有限元方程，把总体的极值作为各单元的极值 之和，即将局部单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解 该方程组就得到了各结点上待求的函数值。 有限元法不仅用于线性问题，而且逐步推广到非线性问题，方程也不限于 椭圆型，从而使有限元方法在流体力学中逐步得到广泛的应用。有限元法的出 发点是变分原理和加权余量法，特别是后者在流体力学中应用更加广泛。在加 权余量法中，权函数w ；的选取是很重要的，它与所求所似解的精度关系很大。 权系数w ；可以用不同的方式选取，代表着不同的误差分配，于是有了不同的 加权余量法，如配置法、子区域法、最小二乘法、矩法、g a l e r k i n 法。 上世纪7 0 年代以来，有限元法首先在海洋和河口的潮汐、泥沙及波浪等数 值模拟中得到广泛运用和不断完善【8 】【9 1 。如h o o d 和t a y l o r ( 1 9 7 4 ) 借助于有限差 分法中逼近交错网格的做法，提出了有限元计算流动问题中对水位和流速选择 不同的函数以减少2 x 振荡。w a n g 和c o n n o r ( 1 9 7 5 ) 在近岸环流数学模型中 用三节点三角形单元作为对速度和水位的空间离散，并用改正的龙格一库塔法 计算。针对有限元潮流模型假振荡现象，b r e b b i a 和p a r t id g e ( 19 7 6 ) 提出了加 大底摩擦系数的方法。g r a y 和l y n c h ( 1 9 7 8 ) 进一步考虑了动边界浅水方程的有 限元方法，提出了用半隐式格式以减少振荡的方法( 19 7 9 ) 和一种所谓波动方程 法( 1 9 7 9 ) 。吕玉麟等( 1 9 8 1 ) 在近海浅水环流问题的数值模型中用线性三角形单 元进行空间离散，在时间积分上建立分裂时间近似积分格式，避免了解非线性 问题所用的多次迭代。p i e r a i r e 等( 1 9 8 6 ) 提出了用线性三角元的守恒浅水方程 有限元模型的二步经济算法，这种算法易于实现向量化和使用并行算法。 k a w a h a r a 考虑了河流动边界的有限元解( 1 9 8 6 a ) 和二步显示在河流和泥沙计算 中的应用( 1 9 8 6 b ) 。张东生等( 1 9 8 8 ) 在灌河河口一、二维连接计算中用三角元 对口门外沿岸流场进行了有限元计算。 随着河流环境问题的日益突出，有限元法在河流水动力与水环境模拟中得 到越来越多的运用。如基于有限元法的r a m 2 和r a m 4 模型作为美国官方认可 的标准模型广泛运用于包括宽浅式河流在内的浅水水域【2 】【3 1 。有限元法是2 0 世 纪8 0 年代开始应用的一种数值解法，它吸收了有限差分法中离散处理的内核， 又采用了变分计算中选择逼近函数对区域进行积分的合理方法。有限元法的特 点是对求解域形状没有限制，能够比较好的模拟不规则边界和地形条件，在边 界处理方面较之有限差分法更为有效。由于在数值计算中，每一步都要求解大 型线性方程组，有限元法相对比较耗时。在有限元法的基础上，英国c a b r e b b i a 等提出了边界元法和混合元法等方法i l 。 二、有限差分法 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 是最早建立的一种数值解法，也是目 前数值解法中最常用一种方法。其基本思想是以差商代替微商，对微分方程问 题离散化，用包含有限多个未知量的差分方程去近似代替微分方程，对微分方 程中每一微商用相应的差商来代替，将微分方程问题转化为代数问题，最后求 得微分方程问题离散点的数值解。 有限差分法早在上世纪初就一直用于计算流体力学领域中，至今它在许多 方面的应用都是很成功的。在我国，有限差分法在水动力和水质数值模拟中有 着广泛的应用。如张萍峰、景韶光等( 2 0 0 2 ) 建立了基于有限差分法的二维风生 流模型，算法上采用了有限差分的跳点法，计算方法简单，较好地模拟了滇池 的湖流形态】。华祖林等( 2 0 0 1 ) 建立了交替方向隐式的有限差分模式，计算了 长江南通段的潮流和浓度场，由于借鉴有限元法采用无结构的三角形网格，比 较好地模拟了不规则的潮汐水域，取得了比较的结果【l 引。 有限差分法建立在经典的数学逼近理论基础之上。由于具有列式简便、求 解容易、计算量少，有限差分法易于为人们接受，并较多的用于求解双曲线型 和抛物线型问题。但是，对于求解边界条件复杂，尤其是椭圆型问题时，有限 差分法不如有限元法方便。此外，有限差分法一般只适合于矩形或正交曲线网 格，在计算不规则边界时存在一定的困难。 三、有限体积法 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) 又称控制体积法，其基本思路是将计算 区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积， 将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知 数是网格点上因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定m 值在网 格之间的变化规律。从积分区域的选取方法看来，有限体积法属于加权余量法 中的子区域法；从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离 散方法。简而言之，子区域法加离散就是有限体积法的基本方法。有限体积法 的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解释。离散方程的物理意义，就是 因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限 小的控制体积中的守恒原理一样。 6 有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积 都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足。这是有限体积法吸引人的优 点。有些离散方法，例如有限差分法，仅当网格及其细密时，离散方程才满 足积分守恒：而有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。就 离散方法而言，有限体积法可视做有限元法和有限差分法的中间物。有限元法 必须假定值在网格点之间的变化规律( 即插值函数) ，并将其作为近似解。有 限差分法只考虑网格节点上的数值而不考虑值在网格点间如何变化。有限 体积法只寻求的结点值，这与有限差分法相类似：当有限体积法在寻求控制 体积的积分时，必须假定值在网格点之问的分布，这又与有限元法相类似。 在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后， 便可忘记插值函数：如果需要的话，可以对微分方程中不同的项采取不同的插 值函数。 由于守恒性好，有限体积法近年来得到广泛运用。如赵棣华等( 2 0 0 4 ) 建立 了有限体积法的水平二维非恒定流均匀沙不平衡输移计算模型，并以木兰溪下 游裁弯河段为例进行了验证，取得了比较好的效果【1 3 】。谭维炎在计算浅水动 力学一有限体积法的应用书中介绍了他在实际计算中对有限体积法的运用， 如长江口潮流数值模拟、永定河分洪区洪水漫滩、山东尼山水库溃坝洪水演进、 杭州湾涌潮模拟等，取得了较为满意的结果【l 引。有限体积法作为一种比较新的 数值计算方法，目前还处于不断的发展之中。 1 3 2 河流水环境数值模拟研究 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 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表达发展到资源 科学管理规划等水环境保护的各个方面；在研究方法上，从最初的解析解和浓度 现在的以人工神经网络模拟辅助解析及与地理信息系统相结合的数值解和逸度 表达法。这些成果都极大地推动了水环境管理技术的现代化。 一、环境水质模型的分类 自第一个水质数学模型s t r e e t e r p h e l p s 模型应用于环境问题以来，已经 历7 0 多年。科学家已研究了各种类型的水体并提出了许多类型的水质模型应用 于河流、河口、水库以及湖泊的水质预测管理。大致可以分为以下几类【l 5 j ： ( 1 ) 以管理和规划为目的，水质模拟分为三类，即河流的、河口和湖泊的 水质模拟。一般地，河流的水质模型比较成熟，研究亦比较深，可以真实的描 述水质行为。 ( 2 ) 根据水质组分，水质模型可分为单一组分的、耦合的和多重组分的三 类。其中b o d d o 耦合水质模型是能够比较成功描述受有机污染河流的水质变化。 多重组分的水质因素比较复杂，考虑因素较多。 ( 3 ) 从系统工程的观点，可以把水质模型分为稳态的和非稳态的两类。水 力学和排放条件不随时间变化的是稳态，反之为非稳态。稳态水质可用来模拟 水质的物理、化学和水力学过程。非稳态用于计算水质的瞬时变化。 根据所描述的方程的解，水质模型可分为准理论的和随机的水质模型。准 理论模型较随机模型更具有通用性。 ( 4 ) 从反应动力学性质，可分为纯化学反应模型、迁移和反应动力学模型、 生态模型。其中生态模型是一个综合模型。不仅包括化学、生物的过程，而且 包括水质迁移以及各种水质因素的变化。 二、环境水质模拟的研究现状 ( 1 ) 最早发展的水质模型是简单的氧平衡模型。1 9 2 5 年，美国的两位工程师 斯特里特和费尔普斯在对o h i o 河流污染源及其对生活用水造成的影响的研究 中，提出了氧平衡模型的最初形式，即s p 模型【l 引。该模型中，他们假定河流 的自净过程中存在两个相反的过程，即有机污染物在水体中发生生物氧化反应， 消耗水中的溶解氧，其速率与水中有机污染物浓度成正比；同时大气中的氧不 断地进入水体，其速率与水总的氧亏值成反比。在这两个相反过程的作用下， 水中的溶解氧达到平衡。最初模型被用于城市排水工程的设计和简单水体自净 作用的研究。然而在此后的2 0 年间由于研究手段的限制等原因，水质模型研究 并未在此基础上有太大进展。直到2 0 世纪5 0 、6 0 年代，随着人们对环境保护和 污染控制认识的加深，特别是计算机技术的迅速发展，水质模型的研究才得到 较大的发展。 ( 2 ) 2 0 世纪5 0 年代水质模型发展仅限于对s - p 模型的改进。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。2 0 世纪6 0 年代末 期，随着计算手段的提高和对生物化学机理认识的深入，考虑的因素越来越多， 如b o d 、d o 、有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等，模型结构为多线性系 统，空间维数为维和二维，如o c o n n e r 模型等。与此同时，一些随机水质模 型开始出现，女i t h o m a s 模型【1 7 】、t h a y e k r u t c h o 1 8 】模型等。 实质上，上述模型都可归类为氧平衡模型，有机物降解好氧和大气复氧的 动态平衡关系是其主要的理论依据。上述模型无论是模型参数形式还是求解技 术方面都较以往有较大改进。g r e e n e y 在此工作基础上研制出了美国环保局推荐 使用的q u a l i i 河流有机污染综合水质模型【1 9 】，这是一种较为复杂的非线性氧 平衡生态模型。模型中包括l3 个状态变量，有水温、溶解氧d o 、生化需氧量 8 b o d 、藻类、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、可溶性磷、大肠杆菌、任选的一 种可降解物质和三种任选的非降解物质，并建立了差分法求解技术和计算机程 序。目前，该模型已被广泛地用于河流水质预测和水质规划管理工作中。 ( 3 ) 随着污染物水环境行为研究和水质标准制定工作的不断深入，氧平衡 模型已经不能满足社会经济发展对环境保护的要求。在2 0 世纪8 0 年代兴起了形 态模型。同一污染物，由于它在水环境中的存在状态和化学形态不同，将会表 现出很不同的环境行为和生态效应，例如对人体和生物群落的毒性。因此，这 一种模型能反映污染物和不同存在状态和化学形态下水环境行为。l a w r e n c e 等 研究形态模型时，把一般有机物看作是两性电介质，首先分为溶解态、吸附态 和生物结合态三种存在状态，然后对每一状态分为5 种不同的化学形态，分别模 拟预测出不同形态下各种形态的污染浓度分布情况。形态模型是更为复杂的生 态模型，目前还很不成熟，有待进一步研究和发展。 ( 4 ) 2 0 世纪8 0 年代以来，随着对水环境变化复杂性认识的深入，各相关学科 相互渗透、相互激励，水环境数学模型的研究进入到多介质环境综合生态系统 模型。所谓多介质环境是指大气、水体、土壤、生物等组成的庞大系统，其中 水是核心。模型内部结构为多种相互作用的非线性系统，空间维数已发展到三 维，该模型认为污染物排放到自然环境后，将通过各种途径在环境各介质中传 播、演变和分配，对环境的影响与他们在各种环境单元中的浓度水平和停留时 间密切相关。 在我国，水质模型的研究起步较晚，但在学习、吸收国际先进经验的基础 上发展较快。近年来，在有机污染物水质模型理化参数测定和计算、水环境有 机污染非确定性分析和水动力学与水质变化耦合求解方面都有较大的发展。例 如文献【2 0 1 将确定性b o d d o 模型中的参数取为概率分布参数、灰色参数和模糊 化后，建立了河流水质不确定性数学模型，文献【2 1 】以确定性水质模型为基础， 与随机过程模拟方法结合，建立了确定与随机耦合的水质不确定性预测方法。 他们还将湍流、温度、生态相互耦合【22 1 ，建立了垂向二维水动力学生态综合模 型，并在实际应用中获得比较满意的效果。 近年来，国内有关单位先后在长江【2 3 j 沱江、漓江、松花江、图门江、黄 河兰州段、伊洛河洛阳段、淮河蚌埠段、浑河抚顺段、小清河、云南洱海、昆 明滇池、江苏太湖等地建立或应用了水质数学模型，并取得了一大批成果。 1 3 3 环境容量研究状况 环境容量的概念首先是由日本学者提山的。六十年代末，日本为了改善水 和大气环境质量状况，提出了污染物排放总量控制的问题，即把一定区域内的 大气或水体中的污染物总量控制在定的允许限度内，这个“允许限度 实际 上就是环境容量。之后，日本环境厅委托日本卫生工学小组提出1 9 7 5 年环境 容量计算化调查研究的报告，环境容量的应用逐渐推广，成为污染物总量控 9 制的理论基础。日本学者矢野雄幸提出：“环境容量是按环境质量标准确定的一 定范围的环境所能承纳的最大污染物负荷总量 。该定义已接近于现代环境容量 的概念。 ， 欧美的学者较少使用环境容量这一术语，而多用“同化容量”、“最大允许 排污量”或“水体容许污染水平”等概念，如前苏联水立法纲要中有这样的描 述：“一只有下述情况下，才许可污水排放：排入污水不致于造成水体中所含 污染物质超过规定的标准【2 4 】，。美国、德国等发达国家也有类似的规定，同时 在环境容量分配方面做了不少研究工作【2 5 】【2 6 1 。 我国对环境容量的研究始于七十年代，水环境容量作为环境容量的一个重 要方面受到了环境界的广泛注意，经过近三十年的研究和发展，水环境容量理 论无论从深度还是广度上都得到了很大的发展，其应用也日益广泛。国内的研