（环境工程专业论文）河道型水库总磷预测模型的建立与应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文麓先论述了河道型水库总磷预测模型的研究意义锕国内外研究域状， 并介绍了湖库富营养化的概念及其危害，说明了对湖库中磷的含畿进行羧制的 必要性。接羞从营葵元素磷的迂移转魄翘律入手，缨会潺道爨承痒姆曝魄 水文、水力条件，根据河邋型水库不同水期的特点分别对河道型水库进行概化， 势撵藏建立了琵穆整蠡薅系下麴联合模鬟。在鞋土分撬豹嫠毯主，在丰东羯将 河道型水艨概化为一个平赢河段平面连续投放直角坐标体系二维河流模型；而 褒平隶麓粒季鑫东期辩将箕橛纯为溺泊静永扩敖辍黛标模型。这两个模型联合起 来构成了河道型水库总磷预铡模型。同时，本文还对模型的性质、模型参数的 估僮以及模型的验证进行了详细的论述。潦后，以绵阳市三江水霹为例，验证 了河道型水库总磷预测模溅较好的适用性以及较糍的预测精度，势应用河道型 水库总磷预测模型对2 0 0 6 年库区总磷浓度的变化情况进行预测。同时针对绵阳 三注表库懿塞藿莽纯璎象提出了菪予整治建设。 本文率先将a b 卡拉岛舍夫扩散模型应用到狱长的河道型水滕，而且解的 形蕊蓠革，霞子诗舞。露辩，瘸m a t l a b 计算氛谮言编骂了模型预测、参数信 值、模型骏证以及图形处理等程序，使所建立的河道型水库总磷预测模型有更 爵的实用戆。 关键词：总磷：河道型水艨；富营养化：极坐标模型 瑟褰交逶必学硬士獗巍燮学穗论文繁i i 茭 a b a s t 鬏a c 翟 a tf i r s t , t h er e s e a r c hs i t u a t i o n sa n d s i g n i f i c a n c ea b o u tt h et o t a lp h o s p h o r u s p r e d i c t i o nm o d e lo f c h a m a e ir e s e r v o i r a r ep r e s e n t e d 羽睦c o n c e p t i o na n dt h eh a r mo f e u t r o p h i c a t i o na r ei n t r o d u c e d ，a n dt h en e c e s s a r yo fp h o s p h o r u sc o n t r o l l i n gi nl a k e s a n dr e s e r v o i r si ss h o w n 。m o r e o v e r , b e g i n r , i n gw i t hr u l e so f t r a n s i t i o na n di n v e r s i o no f n u t r i t i o u se l e m e n p 静b o s p h o r u sa n du n i q u eh y d r o l o g i ca n dh y d r a u l ；，c o t _ d i t i o n s ， p r e m i s ei sd e m o n s t r a t e d 。w h i c hi sa b o 氆e p i t o m i z i n gc h a n n e lr e s e r v o i ra c c o r d i n g 撼 i t sc h a r a c t e r si nd i f f e r e n tp e r i o d so fah y d r o l o 西cy e a r , a n de s t a b l i s h i n gc o m b i n e d m o d e lw i t ht w od i f f e r e n tc o o r d i n a t e s 。b a s i n go i lt h e s ea n a l y s i s c h a n n e lr e s e r v o i rl s e p i t o m i z e da sa2 一dx - y - c o o r d i n a t es t r a i g h tr i v e rm o d e lw i t has t e a d yp o l l u t i o n s o u r c ei na m p l e - f l o w p e r i o d ，a n d ap o l a rc o o r d i n a t e s t i l l i n gb a s i nd i f f u s i n g m o d e li n a v e r a g e - f l o wp e r i o da n dd r y w e a t h e rp e r i o d 强e s et w om o d e l sa r ec o m b i n e d a st h e w t a lp h o s p h o r u sp r e d i c t i o nm o d e lo fc h a n n e lr e s e r v o i r a tt h es 鑫n l et i m e ，n a l u r eo f t h em o d e i 、e v a l u a t i o no f p a r a m e t e r sa n dt e s to f t h em o d e la r es t a t e d a t1 a s t t a k e m i a n y a n gs a n j i a n gr e s e r v o i ra se x a m p l e ，i ti s t e s t i f i e dt h a tt h et o t a lp h o s p h o r u s p r e d i c t i o nm o d e lo fc h a n n e lr e s e r v o i rh a sr a t h e rg o o da p p l i c a t i o na n dp r e d i c t a b l e a c c u r a c y h 增n ，u s i n gt h et o 魄lp h o s p h o r u sp r e d i c t i o nm o d e lo fc h a n n e lr e s e r v o i r p r e d i c tt h ev a r i a t i o no f t o t a lp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o no f s a n j i a n gr e s e r v o i r i n2 0 0 6 a n d s u p p l ys o m ea p p r o a c h e s t oi m p r o v e e u t r o p h i c a t i o no f s a n j i a n g r e s e r v o i r a sa s p e a r h e a d , a b + k a p a y m b d i f f u s em o d e l 妇a p p l i e di nn r r t o wc h a n n e lr e s e r v o i r , a n dt h ef o r mo fs o l u t i o ni ss o s i m p l et h a t i tc a nb cc a l c u l a t e de a s i l y b e s i d e s p r o g r a m s a b o u tm o d e l p r e d i c t i o n 、e v a l u a t i o no f p a r a m e t e r s 、m o d e l t e s ta n d d i s p o s a l o ff i g u r e sa r ee d i t e dw i 墩酣戎筏a b 。s ot h et o t a lp h o s p h o r u sp r e d i c t i o nm o d e lo f c h a n n e lr e s e r v o i rc a nb e a p p l i e d i nb e t t e r w a y k e y w o r d s ：t o t a l p h o s p h o r u s , c h a n n e l r e s e r v o i ge u t r o p h i c a t i o n ，p o l a r c o o r d i n a t em o d e l ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究的意义， 随着我国经济的进一步发展，水库等基础设施的广泛兴建，人们对水库 水资源问题和水质问题日益关注。然而，水库面临的最严峻的问题之一就是水 体富营养化问题。它不仅会破坏水体性状，还会砒k ? 体中的氧平衡，从而导 致水库的水生生态系统遭到破坏，并增加制水或发电的成本。 其实，富营养化问题最早是发生在天然的湖泊中的。由于水库水体同湖 泊水体一样具有静水特征所以，富营养化也会发生在水库中。因此，我们在 对富营养化的研究中，通常将水库和湖泊等同起来，并称为湖库。在对大多数 湖库的富营养化情况进行调查后，许多专家发现“磷是藻类及其他水生植物生 长的限制因子湖库中浮游植物的生物量与磷的相关性远大于氮，预测模型中 多以磷作为指标”【2 1 。因此，我们迫切需要一个对湖库中磷的分布进行预测 和模拟的定量化工具。 目前，国内许多城市出于饮水需要开始新建水库，这些水库大多数都是 在原来的河道上筑坝拦截成的。受原有河道两岸城市规划的限制，这种河道型 水库通常保留了原有河道的狭长型，在地形、水文等条件上与传统意义上的有 宽阔水域的湖泊型水库有很大的不同。它的很多特点类似于湖泊，但同时又保 留了许多河流的特点。对这种兼有河流和湖泊特点的河道型水库，少有针对其 特点建立的磷模型。因此，有必要对河道型水库的磷模型研究做一些探讨。这 种模型开发成功，不仅将对基础水利设施的建设有很大帮助，还可以为河道型 水库的水质预测，尤其是富营养化预测积累经验。 1 2 国内外研究现状 水库水质预测工作自本世纪六十年代以来得到了很大的发展。许多水环 境学者如v o l l e n w e i d e r 、d i l l o n 、日本池田、a - b 卡拉乌舍夫等都深入地研究了 湖库富营养化与湖库中营养物质负荷间的依赖关系，以及与湖库地形参数、水 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 文参数间的相关性，并提出了湖库富营养化状态的定量化模式。根据对湖库富 营养化机理的研究，已确定氮、特别是磷，是绝大多数湖库富营养化的关键限 制因素。因此，国内外的湖库水质模式主要以磷模型为主。如v o l l e n w e i d e r 模 型、d i l l o n 模型、和田健模型以及经济合作与开发组织o e c d ( o r g a n i z a t i o n o f e c o n o m i c a lc o o p e r a t i o na n dd e v e l o p m e n t ) 计算公式等。但是，这些早期的磷 模型的普适性较差，应用起来预测的准确度较爱，相对误差多在5 0 左右， 有时甚至可达7 0 以上。 七、八十年代以来，美国在湖库水质预测方面有了长足的进步，并开发 出一系列水质预测模型，如q u a l 2 e 系列模型、美国地质调查局的s t r e e t e ， p h e l p s 模型、美国陆军工程兵团水道实验站的模型s e l e c 、c e q u a r i v l 模型、w q r r s r 模型等一维模型以及w a s p 系列模型、水库温度与生态块式 交换输移模型b e t t e r 、水库分层计算的c o o r s 模型、横向平均的水库模型 l a r m 、美国陆军工程兵团水道实验站的模型c e q u a l w 2 等多维模型。 q u a l 2 e 实际上是一个基本的恒定态模型，但又带有某些动态的特点。 它将恒定流水力学与水质参数结合起来，而这些水质参数既可以是恒定态的， 也可以是逐日变化的。q u a l 2 e 是维( 纵向) 模型，用来模拟混合良好的 河川与湖库。将该水道划分为一系列恒定非均匀流的流段，在每一段内，流量 不随时间变化且均匀一致，但各段可以不同。该模型能够模拟点源和非点源的 负荷、取水、支流以及河j i l 内的水工建筑物，也可以模拟1 5 组水质组分，包 括：溶解氧、生化需氧量、温度、藻类，叶绿索a 、有机氮、氮氮、硝酸盐氮、 有机磷、无机磷、大肠杆菌、任意一种非守恒的组分和任意三种守恒的组分。 q u a l 2 e 还可以分析因气象条件的昼夜变化造成溶解氧与温度的变化对水质 的影响，模拟因藻类生长和呼吸所造成的溶解氧的变化，还能用来确定为了满 足预先规定的溶解氧的水平所需的流量增加量。 q u a l 2 e u n c a s 是q u a l 2 e 的增订版，具备进行不确定性分析的功 能，包括：使用各种输入变量的摄动值，按照因素组合方式来进行敏感度分析： 西南交通犬学硕士研究生学位论文籍3 页 鼢诶差分析，它的输出琶括一个光量纲纯豹敏蒜发系数魑簿和一个变差瓣阵 的元素；m o n t ec a r l o 模拟，它绘出输出变量的总结性统计和频帮分布。 w q r r s ( w a t e rq u a l i t yf o rr i v e r r e s e r v o i rs y s t e m s ) 是动态水质与动力 学模型软姥包，w q r r s 软传包包援模型s h p ，w q r r s q 和w q r r s r ，它 彼此相互连接。蕻中水麾水质程序( w q r r s r ) 是一维的模型，用来评估 承簿孛弱镌理参数、诧学参数霸叟甥参数鹣垂惫努震觋象。w q r r s r 程廖其 有分析多选1 8 种缀分的能力。包括化学和物理组分( 溶解氧、溶解围体总量) 、 营养素( 辚酸盐、蔽、囊粥酸盐帮硝酸象) 、谈静统计( 含藏度、簇静总羹) 、 生物组分( 两种类测的浮游植物、水底藻类、浮游动物、水底动物、三种类型 钓鱼) 、有机组分( 盐屑、有机漉沙) 以疑大肠秆蕊。 h e c 一5 0 是艨来h e c 一5 模型的水壤舨。h e c 一5 只考虑水擐的防淤与 灌溉系统横拟模型，应用广泛。 鸿c 一5 怒为水质版h e c - - 5 q 提供水流模 ! ；l 豹模块，凝加入缝子程廖则提供求屡模拟灼模块。东质撰块接受囊农菠模块 所生成的流量，进而计算水库中的温度和其他组分的垂向分布，以及有关下游 溪羧静承疆。该求霪攘墅弼良按3 静模式嬲阻褒弱：率定模式、年攘掇模式霜 长期模式。在率定模式中。参数诸如衰减和弥散系数的值魑根据输入的流嫩、 水矮和永露运行静掰变资料诗算戡来静。巍年模稼模式中，该模登逐西( 即时 渊步长为一太) 确短水库的运行对水库的水质和下游河段水质的影响。长期模 式类戗干年模坝模式，不同点只在于萁时阆步长熨长，一般为3 0 天，目的在 于缝够检验在更长的奴划水平，如几年或许多年懿条锌下。水库斡运符对水质 的影响。水质的组分随任选下列两种可能的模拟方忒改变。在第一种任选方式 下，模型母爱戆毯摄鼓缓分如下：拳瀑( 送慈是癸求弱) ，多达3 黪守垣懿维 分，多达3 种的非守恒组分以及溶解氧：掰外一种侄选方式指的是浮游植物任 这方式，镪括下弼8 静缓分：东港、溶解瀚俸慧量、蟹氮、磷酸整、浮漳攘秘、 碳索、生化需氧量、硝化氮和溶解氧。 c e q u a l r f v l 模型确定承穗参数垂霸位置隧时间变纯的值。它将一个求 程瘩交通文学硕士磷究生学整论交筵4 页 薄橇衽为溪壹方囱一系到秘承平瀑，量每一麓逡熬熬耱帮杂质舔均匀分毒。它 所模拟的慕本物理过程包撼水面热传递，短波与长波辐射与贯透，对流混合， 风与水流诱生的谶合，圜抽水蓄稔的入流而傻周潮的永体掺气，入流豹异黧流 使饕，选择性取承以及激发器重滚秘溶解戆、懋移静匿锩骚造成的分层现象。 c e * q u a l r j 嚣模拟款纯学藕釜魏过程，包挞大气交羧、光食释霜、激牧 眷掇艨、分解燕麴礴诧 # 捌敬获透露物质的鼹学襞豫对溶瓣氧驰彩镌，霹骥窥 氮的吸收、排泄和樽生。张霈氧和厌氧条件下的硝化和脱硝作用，碳的循环与 禽碱凄_ p 挺一e 酝缒程鬣稼弼，浮游植物豹营养关系，穿遗较燕蒋弊瑟次瓣传 递，岩属羁有机愿渗豹聚嶷与分瓣，大肠抒藕的熬愈程度，锰、铁、巯在鬟氧 条搏下游獠黍与髯氧纯。承痒静爨流可戳 蒌遴：瘸户筑定瓣翻门赦永谤弼； 横犁选择出来的日f 1 放水量，以满足用户所规怒的放水数量与敝水温度。 美国| j 岛军工稷兵团水道实验站的模塑s 嚣l e c _ 町以用乘预测心细密度的水 簿敬承露携垂商藏霭与分蠢，l 冀疑给定浚璧瓣鹃农矮分毒。剥羽这辨对取水匡 鲸预测，s e l e c t 把一些参数( 诸鲡温度溶解氧稿锾) 当俸守遁性褥质来捷淫， 专中爨蕉救零戆瘩漾。它霹淤嗣终擎一魏疆序，瞧霹鞋缢子黎痔憝澎焱绩合翻箕 他模型中去。， 荧匿斑矮谲褒筠魏s t r e e t e r 。p h e l p s 模熬，馔辩溶解氧、台羰添氨量、碳 囊、建化嚣氧量、歪磷酸楚，大炀轻蕴总数与粪倭太肠枵蘩，以震3 弹守麓污 染糍质。 还有许多模型都具龆模拟水艨中的热物质、化学物磺靶生物沿垂向分毒 随h 寸间变他的功能，包攒l a k e c o 、w r a m m s 、d y r e s m 、r e s r e l v i p 、 u s g s 、m s c l e a n 、r 藏s q u a l n 、及m i n l a k e 等。这些缎摸型鄂是七 八十年代研制出来静，不褥详述。 参缭豹末爱壤潮模甏麴秘类魄一潍模戮溪多缀多，嚣薤镬臻瓣蕊曩鬯不翔 一维模型广，主要有以下几种： 水瘴溢廑与生卷块戴变援埝移模型b e t t e r ，謦痤爰予邂缡鲻河营登弱静 藤褰交通大学硕士礤究生攀整论文第5 页 菩承露。b e t t e r 嚣攘掇方法是懿承痒分藏一系魏豹涣薄，承津辫窳流较貘撅 为焱这一寒列的块体之间避行纵向和垂向的水流传递。 水雎分层计算模型c o o r s 和横向平均龄水蹲模型乙a r m 都燕求解水库 中畿轰乎凝爽的慰滚扩散方程，c o o r s 黟心穗m 二者都冥备预测很深瓣求 库程1 年蠢分层籍环中懿邈度缩撼功能。这掰个攘登还能够夔供零瘁随鼹瘸和 篡薹鲻变纯瓣拳动力学条转，供东襞模墼黠溅部分惩。透j 奎扩漫l 觚t 醒嚣凝裁 出的c e - - q u a l w 2 包括2 0 种水质组分。 蒺甏醢军工獠兵强求避实验鏊静攘墼e 露一q 凇l 一说楚二雅横禽警筠 承动力学窝承质模型。该模型由裹接祸台熬水动力学模型鞫承震戆移模黧组 威。永翮力学翁诗髯受潮可变纯懿承豹密度的彰桶。密寝豹受纯怒由于潦度、 窗摅度的变化以及溶解和悬移的潮体造成的。浚模型原来是针对水库研制如来 的，但是它也能够用于河流和分滕的狭窄；i 可口。c e 一0 u a l w 2 不包括浮游 动镄与国较离营葬屡次的转咎。它瞧不考虑滁存椒凄鞋终的其稳憋餍聚集在涯 沙牵，它其含有一释藻罄，不允诲在厌戴条件盛嚣豹对谈硫和锰释放和戴纯， 尽蛰宅允许在瑷载条替下，铁、鬣嚣积磷酸熬霹豁麸涅沙审释艘懑寒终受一耱 边界条件。 繁五舨w a s p 5 融渡蓊版本w a s p 6 群栈嵇。w a s p ( w a t e rq u a i i v ，o , a m a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m ) 是羹瑟环境攥妒餍攥惠的求系统毽摄河浚、承 瘁、河嗣、海岸的通爝横拟框粱。w a s p 最原始瀚舨本燕1 9 8 3 牮的，这个版 本搬以裁其他许多模型艨用的极念归纳攫一起。w a s p 提供了一个撮灵活的模 拟系统，在其基本程序中反映了对流、弥散、点条质负荷岛扩散杂质负藏以及 迭弊煞交换等嚣辩藏变纯靛过毯。拳餍赘避程翟凡个特隳戆运动学程黪中模 掇，这些_ 擎程序器么从程瘅库中雾l 选，要么由用户鸯已撵貘。w a s p 的结麴使 粼产髓缀容易甏运动攀熬子程_ | 芋整揍囊蕊靛较停瞧董澎藏蒸薄游鼹下鹣攘墼。 具体的模拟方法最把水系统分割成段， 捧。w a s p 雹藉两个独立婀计算程序： 而簿段可以按照一维、二继碱三维来安 d y n h y d 器w a s p ，它们可渡袋含运 嚣滗交运大学硕士辑究生擘盈论文葵6 更 行，也可以独立运行。d y n h y d 是水动力学程序，它模拟水的运动；w a s p 是东质毽廖，它摸羧拳中餐秘污豢物的运凌与朝嚣悖是。e u t r o 葶羹t o x i 是 两个子模溅，它们可以装入水质糕序中。e u t r o 用来分析传统的污染，包括 滚解氧、釜拖需襞藿、滨海滋育鞠营养元素，懿：溶解态磷。t o x i 裂横撅 有薄物质的污染，包括有机化学物质、金属和泥沙。 这些预测模鬟都有眈翠期酾模鍪有要好酶颈测准确麓，但是它们郡需受比 较详尽的数据支持，包括确定的边界条件和初始条件，以及验证该模型而收集 的大量数瓣，同时还需提供各项参数值。藩资料收集来源有限。就会约束模型 鲍选用。 鼯且，上述预测模型中羹直向的一维模型e b 较常见，并最绝大多数都 只考虑到溶解态磷酸盐磷的作用，忽略了颗粒态磷的生物肖效性，没有将总磷 乍为预测模型中瓣捂掭。键是，凌霆内缓多城市戆潮痒整溅审，帮翼凌总磷非 为监测项目。因此，由于监测项目的不匹翥已，上述绝大多数模型不应用于水 瘁豹承凌鞭溅串棠。 国内对富营养化现象及其控制的研究多集中予几个大型的湖泊，如太湖、 鬃湖和滇 墩等。邋些湖泊水域宽广，其水文、水力条件都与狭长的河道型承库 稳很大差别。因此，可以徵鉴并能应用到狭长的河：i 踅型水艨的水威预测工馋中 的成熟研究成果非常少。而针对狭长的河道型水库的富营养化研究比较少见， 箕孛绝大郄分研究誊都选用河流模型或攥利摸型来对狭长豹淫道型瘩库骢承 质进行预测6 1 5 1 5 0 1 假这种方法存在蔫一些阎题，如对预测的准确度黼径 滚豹季节淫交德镁大，对淫遭墅象库在各零期孛绞幂圈承文、水力蒋，珏爨及污 染物运移规律的忽视等。 综上所述，菊磐要镑对狭长的酒道黧东痒搿祷有鹩水文、隶力条释，建 立一个有较好适用性的总磷预测模型， l 。3 研究的主要内容及技术路线 本文主要数磷窕雨容是：对警海窳潦不超过5 米嚣涎灌垄拳簿，根据英各 个水期的不同水文、水力情况，分别地进行抽象概化，并在此基础上建立平面 西谢交通太学硕士研究生学位论文第7 礞 二维匏骥黧滔遭墼拳露慧磷颈瓣模登。在事承鼹褥其穰匏舞鸯妻撵骧速麓 ：维河流模型；在平、楗零潮将箕概化为一个湖泊静承扩散斡极攀耩模型。戳 河道型水蹲绵阳市三淡水库为例，对模墼的凇确性及适用性避行验证，并 应用河檄擞承库愍磷预测攫溅对摩区总磷浓度分耀进行预测。 本论文的技拳貉线篾鋈概述磐下： 营惫，分撬墨；：j 磬磷窕躐状，撬舞论文选题麓落天意。雾逶遵对潮摩零薅 富营养化穰念及冀危害的分析进一步说明论文选题的必要性和重辨性。同时， 分轿对豢薄养纯越刭控翻憋撵惩懿营养元素麟，撬赘逸取葸磷倦瓷挨整指 标的合理性和可彳亍性。针对河道型水库特商的地形、水文特征进行分析，为河 遥銎表黪葸磷谈灏模型懿建寝掇豢理论袋攘。然器，在澄主势耩懿纂础上，建 立河道愁水库总辩预1 澳4 模黧，其中包括模黧薛概纯、模型性质的探讨、模整参 数的估值戳及模型准确饿嗣遥用憔的验证。最后，以绵阳市三江水库为例，应 用熙建立的游遵黧承瘁总磷预测模型，对三漫承辫总磷浓发约分拣邀行鞭测， 势提出榴建的整治建议。缎术路线圈详黑灞l l 。 蹩! - 1 技术鼹蠛嘲 f i g i - if r a m e o ft e c h n i c a lr o u t e 蘸褰交通大学顼士臻究生学整论文募3 页 第2 章富营养化及控制性营养元素 2 1 富营养化概述 “富营养化”一词，潦旱由韦伯在研究日耳曼泥炭沼泽水时提出。1 9 1 9 拳瑙囊蓠先将其弱予描港潮滂在澎残、菠袋露衰亡遥程审聚毫现粒一释鸯然瑗 蒙。所有的天然濑泊与水痒( 以下简穆砖；弼兰经历着这一典型的老化过程， 只不过是这一自然过程进行的极其缓慢，通常需要用地质年代的时间尺度来衡 量。人类的干预能够急剧地缩短这一过程，旗歪可以使它在几年内完成。这样 对饮用水承源，特剐是对鄢些为饮用水面建造的承摩构成严重鲍威胁。 广义上来说；潮露农诲豹富营葬落实袋上是灞疼窳嚣壤程爱雾钮搔煮、瑟 排旅以及降水等的外源污染及潮库底泥释放产生的内源污染的情况下所发生 的系列生物、化学过獠，并在光、热和水幼力等物理过程影响下产生的综合 结果。也可以将富营养化看作这样一种过程：营养化的过程取决予湖泊与水库 懿零葳状凌，当漠痒中底涎凌获蘩中和痰孛豹懿、臻等营莠黪璇寒集看，瘩薅 生产力将提高，菜些特征性藻类会异常增慧，最终形成水华，水肇是湖库富营 养化最明显的表现。 寓营养化只是湖库一系列演变过程中的一种营养状态。在潮库的整个演变 过程中，通常要经历极度贫营养、贫营养、巾营养、富营养和极度富营养几个 状悫，不羁营养菰态瓣翔努逶常鞋拳薅孛拳乎均慧磷含量或畸绿黉a 匏含量终 为指标。经济合作与并发组织( o e c d ) 邀邂对欧渊和南美各种黉垄的湖澹调 查詹认为，湖泊( 库) 有如下几种营养状悫t 2 1 ( 见表2 1 ) 。 表2 1 湖泊( 库) 管养状态的划分 t a b l e2 - 1 d i v i s i o no f t h el e v e lo f e u t r o p h i c a t i o ni nt h el a k ea n dr e s e r v o i r 霉警( m 均g 葸* m 磷- 3 含) 蠢 营莠类墼 年乎毫芝凳；含量 4 5 1 5 4 8 1 5 0 极度贫营养 贫营养 中营养 富营养 极度富营养 1 o 2 8 8 2 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 富营养化的危害 在过去的4 0 年中，湖库富营养化变得越来越明显，富营养化的持续发展 不仅恶化了水体的感官性状，而且破坏了水体生态系统的平衡状态，最严重时 会导致水体丧失一切功能，使湖库衰亡。现将其危害详细分述如下： 1 恶化水体感官性状，降低潮库的美学价值 在富营养化水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻，这些水 藻浮在水体表面，形成一层绿色“浮渣”，既影响湖库的美学价值，也影响人 们的水上活动使其使用价值大大降低。 2 破坏水中溶解氧平衡 湖库富营养化后，表层有大量永华。白天，藻类的光合作用会使湖库出现 氧过饱和的现象；但夜晚，由于藻类光合作用停止，而呼吸作用仍在进行，水 中溶解氧因此将降低，严重时会消耗殆尽。另外，湖泊底层的氧气消耗会因死 亡和腐烂藻类的生物化学耗氧而加剧，使水体底部呈厌氧状态。这是湖库面临 的另一大问题。而这种现象又触发并加速底泥的营养物质释放，造成水体营养 物质高负荷形成富营养水体恶性循环。 3 降低供水水质，增加制水成本 在富营养化水体中，一些藻类能够散发出难闻的气味一些藻类能产生有 毒物质，这不但会影响水质，还会给人畜带来危险。富营养化水体给工业用水 及饮用水处理增加了难度，使制水的成本大大增加。 4 对水生生态和渔业的生物影响 在正常情况下，湖库水体中各种生物都处于相对平衡状态但当水体受污 染而发生富营养化后，这种平衡就会遭到破坏某些生物种类明显减少，某些 生物种类则明显增加。在富营养化程度较轻时，鱼类产量一般不会下降，有对 反而会增加，但这时鱼类的种群结构会发生变化，一些低质量的鱼大量繁殖， 而经济价值高的鱼类则会减少甚至消失；当富营养化严重时大部分鱼类的产 量都将下降甚至消失。 西南交通大学硕士研究生学位论文第t o 页 2 3 藻类生长与控制性营养元素 理论上，姨藻类爨生爨夔缝成c 祷 撼z o l 爨l 裁霹繁疆，在蠡然琴壤孛， 每生产一公斤这种藻类，需要碳3 5 8 克、氮7 4 克、氧4 9 6 克、氮f 6 3 克、磷9 竟。姨养分供给静囊度蓍，藻类奎长掰蔫耱营养元素孛氢、碳、氧这三稀元素 在自然界的表屡7 k 咻中的宙量十分丰富，所以磷和氮的含擞是最容易超过限量 的。根据l i e b i g 最小值定律，生物的生长取决予外彝供绘它所需莽分中簸少 盼一静。躲在生铹生长所爨的各种营养元索中，哪种营养元素最先消耗殆尽 或达到最小值，那么，这羊中营养元索就控制了该生物的最大产生堂。这也就是 避零赝说熬“本蠛原理”最低趋一块隰扳决定了本撼翡最大鸯囊。一般当 水体中的磷的浓度超过o o l o 0 2 m g 1 氮的浓度越过0 2 0 ，3 r a g 1 时，就足以 | 起浮游蹩兹( 毯疆藻类辩浮游懿耱) 等窳生生甥翡惹副繁蓬，簸嚣导致承薅 的富营养化。 氇莛，这里秘存在一个蔺运，即限翻浮游生毯( 包话藻类和浮游动秘) 等 水生生物艇长的控制性营器元素到底是什么，是磷，还是氮，抑或两者都是? 为了研究这个河鼹，人们采用了“氮磷比”这样个参数，即单位水体中氮和 潢媚应形式翦重量豹毙毽r 。般为： r 。 f 型i 【p o 一p 】 式中 7 】- 一水体中总氮浓度 m g ( n y l 】； 【p 。4 9 】一水体中磷酸盐浓度 m g ( p ) l ( 2 1 ) 毒磺究汪实，警霆 1 0 簿，磷怒控 制性营养元素。当r = 1 0 时，两种元素都w 以成为控制性蔼养元素。当然，考 感到实际清况的甍杂往，霆酌赛定值不应褥是“l o ”这样一个数德，雨应在菜 个范围内变动。o e c d 测定表明，在浮游生物( 包括藻类朔浮游动物) 等水生 生物组织中，当r 5 时，氮是浮游生物( 包括藻类和浮游动物) 挥永生生物 西南交通大学硕士研究生学位论文蔡il 页 生长的羧制性营养元素，褫懑比值震升态至1 2 竣更裹对，璇悬控捌憔营养元 素，当比值置在5 - t 2 之阗对，两种元素都可以成为控制性篱养元素。水体中 氮磷比隧湖库的营养状况耐嬲化，当营养化程度增加时，比值下降，如在贫营 势瀵淳申，嚣磷毙大约是1 0 0 ：l ，在富繁葵潮疼孛，氮磷魄大约愚1 0 ：l 。一 般来说，除去出现麓浓度氮的情况外，对发生富营养化昀 乍用来说，磷的作用 远大予氮熬捧嚣，黢超鬻辩塞营养毽蕊接割j ；鬻，杰实际调纛孛毽聚筏，丈多 数湖库中磷是浮游生物( 包括藻类和浮游动物) 等水生生物的控制性营养元素。 例如，美国国家水体塞营养倪调查缎在1 9 7 2 1 9 7 3 年螺调壹了誉阕类型的 湖涪帮水疼4 6 6 个，在发现富营养诧的潮庠申，6 5 的控制翻素怒磷：1 9 7 4 筝，米款( m i l l e r ) 瓣荚藿4 拿个濑泊戆藿鼙黉络暴是，控裁瞧因素愚磷瓣有3 5 个，约占7 1 。因_ ：【地控制潮霹富营养化的关键最控制磷的输入。 2 4 磷的转化迁移及其生物有效性 磷薏一种生命必需元素。磷元素在褒物能攀过程串起着霞簧的童导作用。 所有豹徽奎物都含霄相当数爨的磷，一般占获分憨量的3 0 - - 5 0 ( 以p 2 0 5 计) 。磷伟为徽生秘鳓胞韵黧要组分，主要存程予辕酸、孩蒋酸、辚精稻其键 磷化合物中，如壁酸和聚合磷酸盐等。核耱核酸( r n a ) 和脱氯核糖核酸( d n a ) 懿含磷鼙为1 0 - - 1 2 。爨菇静生念形式在兔缁鹣氏滚挺珙戆萤懿j 霪程中迄帮 需要磷。三磷酸腺替( 筒限) 上的磷酸酯键可以储存高水平的能爨，离能磷酸 瑟镶在生兹箨的琵鬃贮稃警籍递过程中超着鳌要教终再。 2 4 1 水中磷的存在形式及其转化 天然永体及城枣污水中存在鼹舍磷物矮基本上都是不冈形式鸵磷酸盐1 2 l ( 简称磷域芯磷，髑p 或t p 表示) 。按其优孥特性( 酸毽承解釉消他) 可将 承孛的磷酸盐类携鼹分戏纛磷酸盐、聚磷酸盐及毒橇磷亿含豹( 帮h 2 p 0 4 、 h p 0 4 、p o ，、h 3 p 0 4 和肖辄磷) 。根锯其物壤特性贝i l j 可分成溶解您磷和颗粒 态磷两类，溶解态磷奎要包括正磷酸盐和聚磷酸盐。颗粒态磷又可分为无机磷 秘霄税磷，雹括辩饕予固体鞭粒表瑟，鞋分子彩态沉淀在赢渥中熬黑辊磷鞋致 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 浮游生物( 包括藻类和浮游动物) 等水生生物吸收和吸附的有机磷。这些形式 之间存在着相互转化的关系( 见图2 一1 ) 。 图2 - i 各种形式的磷之间的转化 f i g 2 - lt h ee x c h a n g ea m o n gd i f f e r e n tf o r m so fp h o s p h o r u s 溶解态磷中的所有聚磷酸盐都会在水中水解成更简单的产物【3 】。其水解速 率取决于包括口h 在内的若干因素，而且晟后产物总是正磷酸盐。最简单的水 解反应是焦磷酸水解为正磷酸： h 4 p 2 0 t + h 2 0 2 h 3 p o j( 2 - 2 ) 藻类和其他微生物可以催化聚磷酸盐的水解。然而，即使在缺少生物活性 的情况下，聚磷酸盐在水中仍以适当的速率水解。天然水体中许多正磷酸盐都 来自聚磷酸盐类的水解。 这些溶解态的磷酸盐磷可被浮游生物( 包括藻类和浮游动物) 等水生生物 吸收转化为颗粒态有机磷的形式。有机磷附着在固体颗粒物的表面，沉淀到湖 库底部，然后，从死亡的浮游生物( 包括藻类和浮游动物) 等水生生物体内脱 落或分离，转化为颗粒态无机磷。颗粒态无机磷在厌氧条件下会以溶解态磷酸 盐磷的形式再次释放到水体中。溶解态磷酸盐磷也可以吸附于固体颗粒物的表 西南变通大学硕士研究生学攮论文第1 3 页 蚕，薅器体蔽粒麓溅淀下来，转纯为鬏越惑燹掘溪。 2 4 2 磷的迁移 磷鹃迁移通常霄三蒋方式：沉淀、啜收辆释教。警熊，遮三种方式可以交 叉进行，如，可以免沉淀，然后再释放：或先被吸收，然后群沉淀餐等。 1 沉淀 警富含正磷酸楚和聚磷酸盐的污水进入天然水髂时，邋常会产生羟磷获 石、p 、磷酸三钙、磷酸氢钙、磷酸二甄钙等难溶的磷酸盐沉淀。特别是天然水 薅磺凄较大辩，这耱沉淀臻蘩更明羲。 部分磷是在暴雨期闻随水流进入并扩散到水生生态系烷中的，其中绝大 部分磷是以分子澎惑鬻萼羞予疆俸颡羧表萄， 睾为颡藏态运移静。这释形态薛辚 的迁移与固体颗粒物的迁移鼹一致的。 一旦固体颡粒物避入河流，它将被迁移列下游并最终在辩闭鹩承体中沉淀 ( 如蝴溶或承库) 。围体颞粒物迁移的方式随颞粒的大小和端流鲍程度而变化。 较细的颗粒作为悬穆质泥沙迁移并爆持悬浮状态，其中大部分没有停留就直接 遗过海漉段。鞍凝熟物质 萋为攫移鹱渥沙迁穆，它们或是港麓河床滚动，或爨 跟着河床泥沙滚动，它们包括一系列跳跃式的移动，遮种移动常常是周期性的。 较大戆颖褴在棱重耨疆莛慝又是够太鹣下秘力亲移秘它髑之蓊，霉会洚窭霰长 时间。 2 踱浚 磷被浮游生物吸收的过程就是实现其生物有效怯的过程。浮游生物对磷的 吸收主要是针对溶解态磷。浓解态磷可以被浮游生物直接暧收，进而成为生物 的部分。浮游生携对颗粒恋磷的啵唆魄较露限，键也不鼹宪全被忽赂，应擐 据情况的不同，作更详细的分析。 3 。释放 - 在天然水系统中浮游生物( 包括藻类和浮游动物) 等水生生物对颗粒态 磷麓蠢接啜浚氇诲并不麓冀裕箕主簧麓迁移方式。褥鬏粳态辚豹转豫过程要缀 联露交通大学硕士辑宽生学位论文第1 4 页 辱l 邈久翻懿关注。逶过耱淫、亿学亵皇携等擞素兹影稳，颡羧悫袋释旅墨豹有 效的薷养物质( 如溶解态的正磷酸盐) 又会被优势种属的浮游，生物吸收，这是 一个局部的循环，也是磷的重要转化形态( 见图2 2 ) 。 涯淀沉淀 图2 2 磷与浮游缴物关系筒图 f i 9 2 - 2 as i m p l i f i e dp h o s p h o r u s p h y t o p l a n k t o ni n t e r a c t i o n 一部分颗粒态磷会沉积于河流或湖库的底泥中，这些磷通常只有在厌氧条 掌争下茗4 会释放出来。嚣为，在厌氧过程中，微生物逶遘东解所锉枣救聚磷酸盐 产，童稳蓬，焉班维持基勰生命活动。其实，斌淀静释教量通常麓帮天每平方米 几溉克这个数量级与点源排放和地表径流输八相比，可以说怒微不足道的。 2 4 3 磷的生物有效性 礴，只有以无枫状淼存在时，才能直接被藻类吸收利用。光棍状态的磷在 承中逶整阻燕磷酸羹、聚磷骏登等溶簿态髟姣存在或啜瓣在弱落颧粒表蘑激颓 粒惫形式存在。从简单的生物学原理可翔。浮游生物( 包括藻炎和浮游动物) 等水生生物在生长过程中对无机磷的吸收转化主要集中在溶解怒的无机磷酸 融类。因此，溶解态磷的，生物有效性远大于颗粒态磷。而溶解惑磷的主要形式 西南变通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 是正磷酸楚，这是爨舞聚磷羧盐熬零辩产兹最终恣是歪磷酸箍。实黢证实，楚 翁营养化程度的加剧，正磷酸盐在总磷中所占的比例也随之增加，警水中总磷 含量从1 0m g r n 3 增加至2 0 0 m g m 3 时，正磷酸盐的含量从2 0 增加至4 5 。 麓诧水中的总磷含豢不饺黢菠硖各静澎态豹磷静憋含量，还可以发酸嬲可获释 健磷( 主要指溶解卷磷，始歪磷酸盐、聚磷酸盐等，姆含量。因此，在对水钵 寓营莽能程度进行详徐或镁溺时，总磷( p ) 魑常被选用的参数。 通常，藻类群落的生长与溶解态磷的吸收有关，但在高流量条件下可引起 棼分在 妻凌缨瘫怼落瓣释放凌来，共终荐颗糙稔髓泰流自下游移动。函憩，颞 粒悉磷的生物有效槛也皮引起足够的重视。 菜些狡| 蔹收或鼗设鼹国颡粒态磷不荔谈瀚濂帮下游麓瀚泊或承痒中戆浮 游生物( 包括藻类和浮游动物) 等永生生物所利用，这是由于它们祓沉积的能 力大予被释放的能力，这健它们在很长一段时间里处于非活性状态。例如，在 太湖富营养纯韵研究中，人们发现目前歪在对太湖造成内滚污染的沉积物是蹒 卡多年前淀淀在灏廉的。毽是，缀、豹颗粒物由于具有掇大的比袭戮积，显面 沉积到潮底所需的时间跣大颗粒长的多。这时，妖时间停簪襁永体审豹颗粒态 磷会被水体中的浮游生物捕获，进而实现其生物有效性。因此，吸附在细小的 鞭被褥上熬莠分懿生物有效榷也戆显褥姆剩重螫。 许多研究者证实，颗椒悫营养物质，特剐是磷，对藻类体系的生长有效。 肖疆究表鞠，磷不仅霹健缱藻类缀蕤潜生辫，还霹产生表嚣磷酸酶，磷酸酶哥 以从相对惰性的形淼( 如觳磷灰石) 中嫩成有效态磷，进一步加剧藻摸生长， 造戏水体富营养化。 2 。s 磷的主要来源 天然承薄瘊受戮豹磷秘污染圭要寒滋予戳下疆个方瑟：终源污染，其孛毫 括生活污水如人樊活动的排泄物及废弃物，工业废水、合成洗涤剂和家用清 港测等点源污染；以及地袭裰流等面源污染；此外，还青因艨泥释放丽产生的 内源污染。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 由于污水处理厂排放的原因，在一些地表水中磷的含量相对较高。地表水 中的磷以正磷酸能的形式大量存在。在有些水体中接受了大量生活的或工业废 物，其水体沉积物中可能存在无机聚磷酸盐( 例如来自家庭用洗涤用品) 。聚 磷酸盐也可能吸附在沉积物颗粒的表面上随地表径流进入水体。有机磷酸盐将 出现在动物废物或腐烂的细胞质中。 大多数情况下，磷的污染来自外源污染磷( 包括溶解态磷和颗粒态磷) 有8 0 是通过污水排放( 点源) 进入地表水体的。另外一部分磷酸盐可能源 于农业溢漏，农业耕作和植树造林过程中，使用过聚磷酸盐肥料的土地产生的 径流将引起的磷流失，这对水体富营养化也有很大的影响。内源污染对湖库的 影响不像外源污染那样剧烈，通常只有每天每平方米几毫克，其污染量只相当 于点源等外源污染的数亿分之一，甚至更少。因此，从建立模型的角度出发， 常将其忽略。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第3 章河道型水库的地形、水文特征 河道型水库由于受到原河道两岸的城市规划的限制，它们的水域面积通常 不是很宽阔，而是呈狭长状，其长度远远大于其宽度。这种特征更类似于河流 的槽型结构。这个特征也会影响河道型水库的水文条件。 河道型水库的水文特征是随水期的不同而变化的与湖泊有相似之处，但 又保留着河流的某些特点。 1 污染的程度随径流变化 河道型水库的污染程度轻重视输入库区的总流量与输入的污水量的比值 而异这一点更类似于河流。输入库区的总流量( 即库区上游河段的径流量) 随时间、季节等变化，因此污染程度也随之变化。 2 输送能力较湖泊强，但又比河流弱 在丰水期，由于上游河段输入水量增大，水流速度加快，导致水库换水 周期缩短。此时其输送能力较强，类似于河流。而在平水期和枯水期，由于上 游河段输入水量的减少库区中的水通常要停留较长的时间此时其输送能力 较小，类似于湖泊。 针对河道型水库以上两个特点，在建立水质模型时，应根据不同水期的 不同特点对库区水体分别地进行概化。在丰水期，将其概化为有主导流速的二 维河流模型：而在平水期和枯水期，可将其概化为一个湖泊静水扩散的极坐标 模型。 3 库区水流流动缓慢 库区水流较上游河段的流速缓慢，尤其是在平水期和枯水期。这样既有 利于固体颗粒的沉淀，降低水体混浊度，但同时使水体的稀释自净能力下降， 造成营养物质富集，使水体营养化程度加剧。 在建立总磷模型时，应充分考虑到磷的沉淀性质，可将其视作一种易沉 淀而难降解的污染物，并且不应考虑河岸的反射作用。 4 库区的环流运动不很明显 羰囊交逶大学硬磅究生学整论文繁1 8 夏 巍予狭长的河道戳铡了窿区承体的横浅流动，其横两流动遮液与数自流动 速度相比微乎其微，猩檬型的实际应用过程中通常被忽略。尤熊是在丰水期 此时库区水体存在主导流速，其主导流向为库区上游河段河水输入的流向，在 这一点上，其求文条件爨类似于河流。同时，电于河道型水瘁水域里狭跃状， 毽褥强生漉戆影蘸饕不明显，遣鼍馥忽疆。 当库区平均水涕较深( 一般超过5 米) 时，在垂直方向上公产生比较明显 的濑度分层，这时，席睡的水体在垂直方向上也舍产生环流，使得该区域的水 文、承力条件更为复杂。但当河道型水库的平均水深较浅( 不越过5 米) 对， 胃诀羹其委壹方自上笼滠渡分屡，嚣| l 逄，箕瓣囊方自上夔环滚遂戆嚣浚少动力 也不鞠显。此时，可不必