（环境工程专业论文）鄱阳湖星子—蛤蟆石段水质评价与水质预测研究.pdf

摘要 鄱阳湖是我国最大的淡水湖，拥有丰富的水资源和生物资源，具有蓄洪、 航运、灌溉、水产养殖和旅游等多方面功能。鄱阳湖的水环境保护问题一直以 来都是一个倍受关注的课题。 本课题以鄱阳湖水环境保护问题为出发点，针对星子一蛤蟆石段湖域区位 的特殊性和重要性( 此湖段为连接鄱阳湖和长江的纽带) ，围绕着水环境保护和 规划管理工作的两项重要内容一水质评价和水质预测，开展相关的研究工作。 在水质评价中，本课题借助于世界优秀的统计分析软件s p s s 软件，使用 主成分分析法对鄱阳湖星子和蛤蟆石断面1 9 9 1 2 0 0 6 年1 6 年的水质进行了综 合评价。结果发现，无论是星子断面还是蛤蟆石断面，2 0 0 0 年后的水质主成分 得分排序都相对靠前，说明了其水质情况较2 0 0 0 年以前的要差，这预示着水质 近年来有恶化的倾向，值得重视。结果也证实了主成分分析法确实是一种比较 有效的评价方法，它最大的特点是能避免传统水质评价方法( 污染指数法、模 糊综合评价法等) 的主观随意性，且能对各样本的情况进行排序比较。 在水质预测中，本课题使用了美国环保局开发并推荐使用的水质模型软件 一w a s p 模型对2 0 1 0 年鄱阳湖星予蛤蟆石段水域丰、平、枯三期的水质状况 进行了预测。预测结果为：在既定的预测条件下，2 0 1 0 年研究区域丰、平、枯 三期d o 、b o d 5 、n h 3 - n 三个水质指标的水质均可保持在类水体标准以上， 可满足2 0 1 0 年该研究区域的水环境功能区划的要求( i i 类水体) ；但如果要一 直维持这一标准要求，必须要保证b o d 5 和n h 3 - n 的排放量分别不能超过 2 9 7 6 5 l k g d 和6 0 1 2 9 k g d 。 关键词：都阳湖；星子一蛤蟆石段；水质评价；水质预测； a b s t r a e t a b s t r a c t t h ep o y a n gl a k ei st h el a r g e s tf r e s hw a t e rl a k ew i t ha b u n d a n tw a t e ra n db i o l o g y r e s o u r c e si nc h i n a i th a sm u l t i p l ef u n c t i o n si n c l u d i n gf l o o dc o n t r o l ，s h i p p i n g , i r r i g a t i o n , a q u a c u l t u r ea n dt o u r i s m t h ew a t e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nq u e s t i o no f p o y a n gl a k ei sp a i da t t e n t i o na l lt h et i m e t h i sp a p e rt o o kt h ep o y a n gl a k e sw a t e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nq u e s t i o na sa s t a r t i n gp o i n t , v i e w e dt h ep a r t i c u l a r i t ya n dt h ei m p o r t a n c eo fx i n g z i - h a m a s h i s e c t i o n st e r r i t o r yp o s i t i o n ( t h i ss e c t i o ni st h ej u n c t i o nt op o y a n gl a k ea n dy a n g t z e r i v e r ) ，r e v o l v e dt h et w oi m p o r t a n tc o n t e n t s - w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o na n dp r e d i t i o n i nt h ew a t e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dt h ep l a ns u p e r v i s o r yw o r k , r e s e a r c h e do n t h er e l a t e dw o r k i nt h ew o r ko fw a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n , t h i sp a p e ra p p l i e dt h ep r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i sm e t h o dt o t h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fx i n g z i - h a m a s h i s e c t i o n sw a t e rq u a l i t yf r o m1 9 9 1t o2 0 0 6w j mt h ea i do ft h ew o r l d so u t s t a n d i n g s t a t i s t i c a la n a l y s i ss o f t w a r e s p s ss o f t w a r e t h er e s u l ts h o w e dt h a ta f t e r2 0 0 0t h e w a t e rq u a l i t ys i t u a t i o nb e c a m ew o r s et h a n2 0 0 0b e f o r e ，n om a t t e rx i n g z is e c t i o no r h a m a s h is e c t i o n w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ew a t e rq u a l i t yh a dt h et e n d e n c yo f b e c o m i n g w o r s e n e di n r e e e n ty e a r s s h o u l dh ep a i dm o l ea t t e n t i o n t h er e s u l ta l s oi n d i c a t e dt h a t t h ep r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y t i cm e t h o dt r u l yi sq u i t ea ne f f e c t i v ea p p r a i s a lm e t h o d ， w h i c hc a na v o i dt h es u b j e c t i v eo ft r a d i t i o nw a t e ra n a l y s i sm e t h o d ( p o l l u t i o ni n d e x m e t h o d ，呦s y n t h e s i sa p p r a i s a lm e t h o da n ds oo n ) ，n o to n l yt h a t , b u ta l s oc m lo r d e r t h ev a r i o u ss a m p l e s i nt h ew o r ko fw a t e rq u a l i t yp r e d i t i o n , t h i sp a p e ru s e dt h ew a t e rq u a l i t ym o d e l s o f t w a r e w a s pm o d e ld e v e l o p e da n dr e c o m m e n d e db yu s e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a g e n c yt op r e d i c tt h ex i n g z i - h a m a s h is e c t i o n sw a t e rq u a l i t yo f t h ef l o o d 、 u s u a l 、d r yp e r i o di n2 0 1 0 n 地r e s u l ts h o w e dt h a t ：d o 、b o d 5 、n h 3 - nc a l l r e a c hl is t a n d a r du n d e rt h eh y p o t h e s i sf o r e c a s tc o n d i t i o ni na l lt h ep e r i o do f 2 0 1 0 ，s a t i s f i e dt h ew a t e re n v i r o n m e n t a lf u n c t i o nz o n i n g ( i ik i n do fw a t e rb o d y ) b u t w a n t i n gt om a i n t a i nt h i ss t a n d a r dr e q u e s ta l lt h et i m e 。i tm u s th a v et og u a r a n t e et h e d i s c h a r g eo fb o d sa n dn h 3 - nc a i l n o ts u r p a s s2 9 7 6 5 1 k g da n d6 0 1 2 9 k g d r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：p o y a n gl a k e ；x i n g z i - h a m a s h is e c t i o n ；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 yp r e d i t i o n ； l i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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注和致谢的地 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 为获得直昌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已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：夺埙撅签字日期：砂7 年j 月镏日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌盔堂可以将学位论文的全 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 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在 学位论文作者签名：苍该娥 签字日期：词年f 二月鹋日 乒乎日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的背景及意义 湖泊是最重要的淡水资源之一，是一种易为人们直接利用的自然资源，有 史以来就是人类赖以生存、栖息之地，具有举足轻重的生态服务功能，对社会 和经济的发展起着不可估量的作用。 我国是一个多天然湖泊的国家，湖泊类型多样、资源丰富。而随着我国人 口的增长，经济的迅速发展和对湖泊资源的开发利用日趋加强，我国湖泊水环境 保护问题面临着越来越严峻的形势。据( 2 0 0 6 年中国水资源公报，对4 3 个湖 泊的水质进行评价，水质符合和优于类水的面积占4 9 7 ，1 v 类和v 类水的面 积共占1 5 3 ，劣v 类水的面积占3 5 o 。对4 3 个湖泊的营养状态进行评价，云 南的泸沽湖为贫营养，1 7 个湖泊处于中营养状态，2 5 个处于富营养状态。一些 重点湖泊的水质污染严重，巢湖水质为五类，太湖和滇池为劣五类。2 0 0 6 年入 夏以来，太湖流域暴发蓝藻，严重危及无锡群众饮水安全，引起社会高度关注。 湖泊水污染现象的普遍性和严重性，已经对我国湖泊流域人民健康和经济的可 持续发展造成了极大的危害。 鄱阳湖，作为中国第一大淡水湖的，虽然至今相比之下还算是保护得较好 的湖泊，但是不得不指出的是，近年来由于流域内过度的工业开发和不科学的 农业生产，鄱阳湖的水质已出现逐步恶化的倾向。据 2 0 0 6 年江西省水资源公 报，从2 1 8 4 平方千米的评价面积看，鄱阳湖全年水质情况为：优于类水占 5 7 8 ，h i 类水占2 4 - 3 ，劣于m 类水占1 7 9 0 , 4 。与2 0 0 5 年相比，虽然2 0 0 6 年鄱阳 湖优于类水的比率只下降1 个百分点，但是劣于类水却上升了一倍，水质明 显下降。可见，眼下鄱阳湖的水质保护问题已非常紧迫。 水质评价和水质预测是开展水环境保护和规划管理工作的两项不可或缺的 重要内容。将两者结合起来一同引入到鄱阳湖水环境保护问题的研究，通过对 过去和现状的水质进行科学评价，摸清鄱阳湖水质变化趋势、污染程度和主要 污染因素，为水质预测工作提供前提和方向，然后更好地预测未来的水质变化 情况，这对于有效地为鄱阳湖的综合整治和科学管理提供科学依据和强化鄱阳 湖水环境管理与规划具有重大的意义。 第1 章绪论 鄱阳湖星子一蛤蟆石段是一段非常重要的航道，它是连接鄱阳湖与长江的 纽带，此湖段水质状况的好坏将在一定程度上影响到长江的水质。本文将对该 湖段近年来的水质进行评价，然后根据该湖段的永环境特点和实际需要对其进 行水质预测，了解其水质变化情况，从而为鄱阳湖和长江九江段的水环境规划 和管理提供一定的科学依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水质评价研究现状 水质评价是合理开发利用和保护水资源的一项基本工作，它为水资源合理 开发利用和水体污染的综合防治提供科学依据，是国民经济和人类社会健康、 持续发展的重要工作之一。 水质现状评价的研究已有多年历史。最初是通过对水的感观认识来评价水 质的优劣，如水的色、味、嗅等。然而，随着西方工业的发展以及城市化的影 响，工业和城市污水的排放不断增加，使得河流湖泊的污染日趋严重，水质的 破坏已经不能简单的根据感观来判断。因此大量的水质评价指标形成，水质的 评价标准就得到了不断的完善【l 】。 从感观评价到后来的采用化学指标和生物指标，水质评价产生了一定程度 的定量性。1 9 6 5 年，p k h o r t o n 提出了水质评价的质量指标法( q i ) ，以此标志着 水质现状评价工作的开始。随后，r m b r o w n 等于1 9 7 0 年提出了水质现状评价质 量指数法( w q i ) , n l n e m e r o w 宅e 其河流污染的科学分析一书中提出了另一中 指数法一内梅罗法，并对纽约州的一些地面水的污染情况进行了指数分析。其 后，又有p r a i t 、古拉利等人提出各种指数法。1 9 7 7 年，r o s s 在总结以前的一些水 质指数的基础上对英国的克鲁德河进行水质评价研究，提出了一种较简明的水 质指数计算方法。进入9 0 年代后，水质评价的方法得到了进一步的扩展，各种 数学方法和模型都得到了应用，如p u c k e t t 等应用主成分分析法对美国弗吉尼亚 州某些河流的主要离子化学因素进行了研究。前东欧和苏联的多数学者在评价 时不仅考虑物理一化学指标，还考虑生物指标，使水质评价更加全面和科学。 我国的水环境质量评价工作开始于1 9 7 3 年。最早是北京西郊环境质量评价 研究，其中包括了对水环境质量的评价内容。随后，开展了如官厅水库、松花 江、图们江、白洋淀、湘江、杭州西湖、武昌东湖、昆明滇池、太湖、东海海 2 第1 章绪论 域及南海海域等水环境的专题质量评价工作。其中，在北京西郊环境质量评价 工作中提出了水质质量系数；上海地区水系水质调查组提出了“有机污染综合评 价”的概念；在南京城区环境质量综合评价研究中，提出了“水域质量综合指标”， 使用了叠加型指数法；在图们江水系污染与水质资源保护研究中提出了均值型指 数法。1 9 7 8 年，中国科学院地理研究所，在我国地表水水质污染现状评价中， 提出了一种评价地表水质污染指数，其目的是对我国东部的河流进行污染程度 评价。7 0 年代末，广州进行了水质分级评价。1 9 8 1 年第一次全国水质评价，采 用了单项评价法、地图重叠法和按河流长度加权的水质指数算术均值法。接着， 在洋河水质评价中，打破了以往仅用一个确定的指数评价水质的方法，提出了 水质的隶属度概念。 近年来随着计算机技术的快速发展，模糊数学、随机模型、灰色指数法、 层次分析法、物元分析法、人工神经网络法等又相继应用在水质评价中。现在， 水质评价成为几乎所有综合环境质量评价中不可缺少的重要内容。 下面介绍几种常见的水质评价方法： ( 1 ) 、污染指数评价法 目前常用的污染指数评价法有单因子水质评价法和多因子水质评价法。 、单项水质评价法 现行的国家水质标准己确定悲观评价原则，即以水质最差的单项指标所属 类别来确定水体综合水质类别。其方法是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。该法简单明了，可直接了解水质状况与评价标 准之间的关系，给出各评价因子的达标率、超标率和超标倍数等特征值。 常见的单因子水质评价法有标准指数法和污染超标倍数法。 、多因子水质评价法 多因子水质评价法即把选用的若干参数综合成一个概括的指数来评价水 质，又称指数评价法。常用的指数评价法有布朗水质指数( w q i ) 、普拉特水质指 数( p r a t i ) ，罗斯水质指数( r o s s ) 、内梅罗水质指数( n e m e r o w ) 、综合污染指数地图 叠加法等。它们是用水体各监测项目的监测结果与其评价标准之比作为该项目 的污染分指数，然后通过各种数学手段将各项目的分指数综合得到该水体的污 染指数，作为水质评定尺度。 ( 2 ) 、模糊理论方法 第1 章绪论 模糊理论方法是根据客观事物间的特征、亲疏程度和相似性，通过建立模 糊相似性关系对客观事物进行分类。环境质量评价中的环境污染程度、分类级 别都是一些客观存在的模糊概念和模糊现象，一次应用模糊集理论进行环境质 量评价比“非此即彼”的常规评价方法更能客观地反映环境污染状况 2 1 。 近1 0 年来，模糊集理论在环境质量评价中的应用与研究得到了飞速发展， 且大都集中在对环境质量的现状评价方面，主要方法有模糊综合评判法、模糊 聚类法、模糊模式识别法、模糊概率法等。 ( 3 ) 、主成分分析方法唧 2 0 世纪3 0 年代由费希尔、霍特林、许宝禄及罗伊等人的一系列奠基性工作， 使得多元统计分析成为应用数学的一个重要分支。而主成分分析又是多元统计 分析的一个分支，是常见的一种常规综合评价方法。在用统计方法研究多变量 问题时，变量太多会增大计算量和增加分析问题的复杂性，人们自然希望在进 行定量分析的过程中涉及的变量较少而得到的信息量较多，主成分分析是解决 这一问题的理想工具。 主成分分析是将其分量相关的原随机向量，借助于一个正交变换，转化成 其分量不相关的新随机向量，并以方差作为信息量的测度，对新随机向量进行 降维处理，再通过构造适当的价值函数，进一步把低维系统转化为一维系统。 主成分分析是研究如何将多指标问题化为较少的综合指标问题。与层次分析法 和模糊综合评价等不同，主成分分析法不需要专家打分，数据的处理更具有客 观性。目前，主成分分析主要被应用在医疗质量评价、水质富氧化评价、地震 预测、农作物需水预测等方面。 ( 4 ) 、灰色理论方法 1 9 8 2 年我国学者邓聚龙提出了灰色系统理论 4 1 ，随后，很多学者将其应用 到水质评价中。从系统信息的明确性角度出发，水质评价是一个外延确定而内 涵不确定的问题，属于灰色系统范畴。灰色系统理论方法与模糊理论方法在评 价中的应用也是比较相似的。灰色评价法通过建立与隶属度函数相似的白化函 数，进行灰色聚类，确定所有断面的水质级别。 随着灰色系统理论在评价中的大量应用，运用该理论进行评价的方法也呈 现了多样性，如灰色聚类法、灰色关联评价法、灰色模式识别法、等斜率灰色 聚类法、灰色局势决策法、加权灰色局势决策法、宽域灰色局势决策法、梯形 灰色聚类分析法等p ”。 4 第1 章绪论 在众多的灰色系统理论方法中，灰色关联评价法的应用较为广泛。灰色关 联评价法的主要思路是，建立样本数据矩阵和标准分级矩阵，对样本矩阵和标 准矩阵的无量纲化处理，计算指标权重和灰关联系数，最后得到关联度并由此 判断水质分类。该方法概念清楚，应用方便，可操作性强，但存在评价值趋于 均化、分辨率不高的缺点。针对分辨率的问题，很多文献提出了改进，如文献【7 】 采用线性内插法，提高了评价结果的分辨率；文献【s 】则引入了关联差异度和从属 度的概念，最后用从属度和各级别的加权和作为最终级别。文献1 9 】则将该方法应 用到区域水质评价中，针对区域多级河流断面，从水质标准的灰关联序关系上 评价水环境质量。 ( 5 ) 、人工神经网络法【”1 - q 人工神经网络是2 0 世纪8 0 年代迅速崛起的一门非线性科学，它力图模拟人 脑的一些特征，如自适应性、自组织性和容错能力等，对事物进行分析判断， 在医疗诊断、自动控制领域取得了较好的应用效果。 应用人工神经网络来评价水质，利用了网络的记忆能力，对水质标准进行 自适应、自组织，然后根据网络自身所掌握的知识信息来对待评价数据进行评 价。该方法只需根据水质数据所反映的本质特征，采用直观的判断，避免了人? 为因素的影响，评价的结果体现了客观性，也得到了较广泛的应用。 常见的人工神经网络方法有b p 网络模型法、h o p f i e l d 网络模型法、r b f 网络 模型法等。 1 2 2 水质模型研究现状 作为水质预测的工具，水质模型的研究一直受到世界各国专家学者的广大 关注。水质模型是水体污染过程中的物理、化学、生物化学及生物生态各方面 之内在规律和相互联系的数学描述【嘲，它是水环境污染治理规划决策分析中的 一个重要工具，在环境保护领域中发挥着举足轻重的作用。 自1 9 2 5 年美国的工程师s t r e e t e c 和p h e l p s 提出的氧平衡模型【1 9 】以来，水质模型 已被研究了8 0 多年。这几十年来，随着污染物在水环境的迁移、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 的研究取得了突飞猛进的发展，从最初简单的零维模型发展到现在复杂的水质 水动力学生态综合模型【2 0 】，在理论上发展了许多新鲜的理论如随机理论、灰色 理论和模糊理论等，在研究方法上也结合运用了迅猛发展的计算机新技术如人 第1 章绪论 工神经网络( a n n s ) 和地理信息系统( g i s ) 等。这些成果都极大地推动了水 环境管理技术的现代化【2 1 埘】： 对于水质模型的发展阶段，许多专家学者提出了不同的分类方法，表1 1 综 合了现有的一些参考文献，对水质模型的发展阶段划分进行了简要介绍。 表1 1 水质模型发展阶段划分 研究者阶段数划分依据划分的内容 ( 1 9 2 5 1 9 8 0 年) ：研究对象仅为水体水质本身，开始主 要研究受点污染源严重污染的河流系统，面源污染仅作为 徐祖信 以模型面 背景负荷、( 1 9 8 0 1 9 9 5 年) ：水质组分数量有所增长，水动 口习 3 对的对象力模型被纳入多维模型系统面污染源被连入初始输入 为基础 、( 1 9 9 5 年至今) ：增加大气污染模型，能对来自流域的 负荷进行评估，对将边界条件连接到水体外部负荷的工作 处于研究中 、2 0 世纪2 0 年代中期7 0 年代初期：水质模型的初级阶段， 研究主要为水质项目不多的一维稳态模型；、2 0 世纪7 0 罗定责 以研究进年代初期- 8 0 年代中期：迅速发展阶段，开始出现多维、形 1 7 6 1 3 展的特点态、多介质、动态模拟等特征的多种模型研究：、2 0 世 来分纪8 0 年代中期至今：水质模型研究的深化、完善与广泛应 用的阶段，计算机的应用逐渐纳入到水质模型的研究中， 成为主流 以水质组 、( 1 9 2 5 1 9 6 5 年) ：开发了比较简单的b o 口d o 双线性 傅国伟 分相互作 系统模型；、( 1 9 5 5 1 9 7 0 年) ：发展水质模型为六个线 b 7 l 4 性系统：，( 1 9 7 0 1 9 7 5 年) ：研究发展了相互作用的非 用为基础 线性系统的作用模型；、( 1 9 7 5 年至今) ：发展了多种 划分 相互作用系统，渗及到与有毒物质的相互作用 叶常明 以模型复、简单的氧平衡模型；、形态模型；、多介质环境 口研 3 杂度划分综合生态模型 以水质组 、( 1 9 2 5 1 9 6 0 年) ：提出了s l r e e t e r - p h e l p s 水质模型；、 谢永明 分及被纳 ( 1 9 6 0 - 1 9 6 5 年) ：引进了空间变量、动力学系统；、 【2 9 1 5 入模型相 ( 1 9 6 5 1 9 7 0 年) ：不连续一维模型扩展到其他输入源和漏 关因素为 源、( 1 9 7 0 - 1 9 7 5 年) ：发展成相互作用的线性化体系；、 f 1 9 7 5 年至今) ：转移到改善模型的可靠性和评价能力的研究 基础划分 上，水质模型研究由单一组分模型向较综合的模型发展 1 2 3 湖泊水质模型研究现状 湖泊水质模型是在河流水质模型发展的基础上建立起来的。对它的研究， 始于2 0 世纪6 0 年代中期。经过t 4 0 多年的发展历程，湖泊水质模型已经逐渐成 熟完善起来，取得了很多成果。而近年来，随着不确定性分析方法、人工神经 网络、地理信息系统以及虚拟现实等方法技术的不断发展及与水质模型的迸一 6 第1 章绪论 步结合，湖泊水环境管理技术的先进性和现代化也将得到极大地促进。 从湖泊水质模型的研究情况来看，国外一些国家如美国、加拿大、丹麦、 德国、荷兰、澳大利亚等走在了世界湖泊水质模型研究的前沿，特别是美国， 它占着绝对的主导地位。自1 9 2 5 年率先推出第一个河流d o 模型( s t r e e t e r - p h e l p s 模型) 以来，美国又相继成功开发了很多有效的水质模型，其中不乏许多先进 的湖泊水质模型，如w a s p 、s m s 、c e - q u a l w 2 、c e q u a l r 1 等，并得到了 广泛的运用。加拿大学者v o l l e n w e i d e r 于1 9 7 5 年提出了第一个预测湖泊水中营养 性物质的 v o l l e n w - e i d e r 模型【3 0 一1 1 ，为湖泊水质富营养化预测模型研究做出了巨大贡献。 与国外相比，我国水质模型的研究起步较晚，8 0 年代中期才开始湖泊水动 力学数值模拟的研究。不过近2 0 多年以来也取得了一些的成果。如河海大学开 发了河网、水质统一的h w q n o w 模型。华东师大，清华大学、同济大学在这方面 也开展了一些工作。上海市对苏州河水系水动力水质模型的研究达到了一个前 所未有的理论深度【3 2 1 。我国湖泊水质模型的研究主要集中在太湖、滇池、巢湖、 东湖等富营养化严重的湖泊。其中，太湖是目前我国在水动力学、水质和生态 系统动力学模型方面开展研究相对较多的湖泊，成功应用了很多的模型，如太 湖三维动态边界层模型，梅梁湾三维营养盐浓度扩散模型，风眼莲对太湖生物一 物理工程实验区水质影响生态模型、太湖藻类生长模拟 3 3 - 3 5 1 等。 根据湖泊水体污染的特点，并结合国内外湖泊水质模型的研究情况，目前 湖泊水质模型主要是集中在对湖泊富营养化问题的研究上，并且预测模型主要 以磷模型为主p 6 l 。虽然氮也是导致湖泊富营养化的重要因素，而且来源广泛， 但是一般很难控制，而磷就成为了湖泊富营养化的关键因素。因此，在研究湖 泊富营养化过程中，必须研究磷在湖水中演化特征，从而与湖泊富营养化建立 某种关系，借此判别和预测湖泊营养化的程度。 下面介绍几种常见的湖泊水质模型： ( 1 ) 、s e l e c t 3 7 3 8 1 s e l e c t 膜型是由美国陆军工程兵团水道实验站开发的，它可以用来预测已 知浓度的湖泊水库取水时的垂向范围与分布，以及给定流量时的水质分布。利 用这种对取水区的预测，s e l e c t 把一些参数( 诸如温度、溶解氧和铁) 当作守 恒性物质来处理，计算其放水的水质。它可以同作单一的程序，也可以以子程序的 形式结合到其他模型中去。下述的c e - q u a l - r i 也是如此。 第1 章绪论 ( 2 ) 、c e - q u a l r 1 【3 9 】 c e - q u a l - r i 确定水质参数垂向位置随时间变化的值。它将一个水库概括为 垂直方向一系列的水平层，且每一层内的热能和杂质都均匀分布。它所模拟的基 本物理过程包括水面热传递，短波与长波辐射与贯透，对流混合，风与水流诱生的 混合，因抽水蓄能的入流而使周围的水体掺气，入流的异重流位置，选择性取水以 及温度异重流和溶解的、悬移的固体所造成的分层现象。c e - q u a l - r 1 所模拟的 化学和生物过程，包括大气交换、光合作用、吸收有机质、分解氮的硝化作用以 及还原物质的化学氧化对溶解氧的影响，对磷和氮的吸取、排泄和再生，在需氧和 厌氧条件下的硝化和脱硝作用，碳的循环与含碱度p h - c 0 2 的相互作用，浮游植物 的营养关系，穿过较高营养层次的传递，岩屑和有机泥沙的聚集与分解，大肠杆菌 的致命程度，锰、铁、硫在厌氧条件下的积累与再氧化。 ( 3 ) 、w a s p 【4 叫5 1 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 另一个成熟的水质模型系统，可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸的水质 进行模拟。它能模拟几个底泥层和2 个水体层，所以它实际上是准二维模拟，但 它的水动力模型是一维的。w a s p 最原始的版本是于1 9 8 3 年发布的，之后又经过 几次修订，如w a s p 4 、w a s p 5 、w a s p 6 和w a s p 7 。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 ，它们可以联合运行，也可独 立运行。e u t r o ( 用来分析传统的水质指标项) 和t o x i ( 可以模拟固体类物质和有 毒物质的污染) 是两个子模型，它们可以装入水质程序中。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。经简化w a s p 常用如下模型： 掣：坐等塑呻以m s 。 其中： c 一一组分浓度， m g l ； t 一一时间，f s l ； a 一一横截面积， m 2 】； u x 一一纵向速度，叫s 】； e x 一一纵向弥散系数， m 2 s ； s l ，s b ，s k 一一直接与弥散负荷率、边界负荷率、总动力输移率， 8 第1 章绪论 m g l + s 】 “) 、c e q u a l w 2 1 4 6 - 4 9 1 c e - q u a l - w 2 模型是i 刍u s a c e ( 美国陆军工程兵团) 水道试验站开发的二维 水质和水动力学模型。该模型横向是平均的，即它模拟纵向和垂向。这一模型 由直接耦合的水动力学模型和水质输移模型组成，用来模拟湖泊和水库，也适 合模拟一些具有湖泊特性的河流。它可模拟包括d o ，t o c ，b o d 、大肠杆菌、藻 类等在内的1 7 种水质变量浓度变化，对相对狭长的湖泊和分层水库的水质模拟 极佳。c e - q u a l w 2 水质模型如下： = c q b + s b 其中：b 一一时间空间变化的层宽，【m 】； c 一一横向平均的组分浓度，【m g l ； u ，w 一一分别为x 方向( 水平) z 方向( 竖直) 的横向平均流速，【m s ； d x 、d z 一一分别为x ，z 方向上温度和组分的扩散系数， m 2 s ； c q 一一入流或出流的组分的物质流量率， m g l s 】； s 一一相对组分浓度的源汇项， m g l s 】 ( 5 ) 、m i k e t 5 0 - 5 4 1 m i k e 模型体系是由丹麦水动力研究所( d h i ) 开发的。它包括三个版本 m i k e l1 、m i k e 2 1 和m i k e 3 。其中m i k e 2 1 和m i k e 3 可以用于湖泊水质的模拟。 m i k e 2 1 模型是m i k e l l 的姐妹模型，在全世界广泛应用。它是一个极优秀的模 型，用来模拟在水质预测中垂向变化常被忽略的湖泊、河1 3 、海岸地区。它提 供的水质变化过程很多。m i k e 3 与m i k e 2 1 类似，但它能处理三维空间。m i k e 模型体系界面都很友好，但它的源程序不对外公开，使用有加密措麓，而且售 价很高。 ( 6 ) 、r m a 2 r m a 4 s e d 2 d t 5 5 】 它由资源管理协会开发。是被美国陆军工程兵团使用的t a b s 模拟系统的一 部分，在s m s ( t h es u r f a c ew a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) 中执行。r m a 2 是有限元水 动力模型，r m a 4 是能模拟最多6 个用户定义组分传输的水质模型，s e d - 2 d 是底 泥传输模型。象f e s w m s - - 样，这些模型在垂向平均一致，它能模拟的水质变 化过程种类不多，但如果它们能满足需要，应用起来是不错的。 9 一 箜旦 吐百 r弋一 c 一 堕勿 c 一 塑缸竖钟 第1 章绪论 ( 7 ) 、e f d c e 5 6 5 刀 e f d c ( e n v i r o n m e n t a lf l u i do y n a m i e sc o d e ) f l o 环境流体动态代码，它由j o h n h a m r i c k 开发，目前己由u s e p a 支持，正作为u s e p a 模型进行升级。它可用于模 拟来自点源非点源的污染物、有机物迁移、归趋等。e f d c 模型可以用于模拟包 括c o d ，氨氮、总磷、藻类在内的2 2 种水质变量的浓度变化e f d c 模型如下： 丝+ 掣+ 掣+ 幽：盟+ 翊ko c + 鳗+ 西缸 却 包 苏却如 1 其中： c 一一水质变量浓度， m g l ； u , v ，r 分别为x ，y , z 方向的速度分量，叫s 】； k x ，i c y , ，k z 一一x ，y , z 方向上的湍流扩散系数， r n 2 s 】； s c 一一每单位体积上的内部外部源汇项， m g l s 1 ( 8 ) 、c e - q u a l i c m 5 8 1 由美国陆军工程兵团开发，它能模拟一维、二维、三维。i c m 代表集成网络 模型。它不模拟流量，所以必须从别的模型获得流量。在大部分应用中，它与 美国陆军工程兵团的另一个水动力学模型c h 3 d ( 曲线水动力三维模型) 合用。 它是目前世界上发展程度最高的三维模型之一，将要并入s m s 系统中。 ( 9 ) 、s m s l 5 9 1 s m s ( s u r f a c ew a t e r m o d e l i n gs y s t e m ) 是由美国b r i g h a m y o u n g 大学图形 工程计算机图形实验室开发的。与其它模型系统的不同在于它不模拟降雨径 流过程。它在二维( 垂向平均) 方向模拟河流、河口、湖泊、海岸。该软件中 的计算模块包含美国陆军工程兵水道实验站开发的几个程序模块( r m a 2 、 g f g e n 、r m a 4 等) 和美国联邦公路管理局的两个模块( f e s w m s 、w s p r o ) 。 它仅含有限的水质变化过程。但这种情况将改交，因为c e - q u a l - i c m 模型将要 被集入该系统。s m s 软件的程序以及代码都是美国政府公开的。 1 0 第1 章绪论 表1 2 常见的湖泊水质模型汇总 模型应用 模型名称 开发者 模型特点 维数 范围 能广泛模拟各种水质组分( 状态变量) ， 如d o 、b o d 、水温、盐度、细菌、氮河流、湖 美国环化合物，磷化合物、藻类，硅土、底泥，泊、河 1 9 峨s p 保局 示踪剂、杀虫剂、有机物以及用户自定 口、水 义的物质。它的程序源代码是全部开放库、海岸 的，也是免费使用的。 能模拟水温、细菌、氮、磷、d o 、b o d 、 丹麦水 藻类、水生动物、岩屑，底泥、金属以 河流、湖 m i k e动力研 及用户自定义物质。它有很好的界面，泊、河 能处理许多不同类型的水动力条件，但口、水 究所 它的源程序不对外公开，使用有加库、海岸 密措施，而且售价很高。 美国陆 能模拟水温、氮、磷、d o 、藻类、水生 c e - q u a l - r 1 军工程 动物、鱼类、硅土、硫、金属、悬浮颗垂向一湖泊、水 粒物、可溶固体颗 维 库 兵团 粒、p h 值。它有用户界面，免费使用。 美国陆 可模拟包括d o 、t o c 、b o d 、大肠杆 c b q u a l - w 2军工程 菌、藻类等在内的1 7 种水质变量浓度变垂向二湖泊、水 化，对相对狭长的湖泊和分层水库的水维库、河流 兵团 质模拟极佳。 美国陆 河流、湖 c e - q u a l - i c m军工程 i c m 代表集成网络模型。它是目前世界 泊、河 上发展程度最高的三维模型之一 口、水 兵团 库、海岸 美国环 可用于模拟来自点源非点源的污染物、 河流、湖 e f d c 保局支 有机物迁移、归趋等。能模拟包括c o d 泊，河 氨氮、总磷、藻类在内的2 2 种水质变量 口，水 持 的浓度变化。库、海岸 美国 河流、湖 b r i g h a m 是一个模型系统，含水动力、水质、泥 泊、河 s m s 综合 y o u n g沙模型。口、水 大学 库、海岸 r m a 2 是有限元水动力模型，r m a 4 是能 r m a 2 ，i i m 4 美国资 模拟最多6 个用户定义组分传输的水质 河流、湖 源管理 模型，s e d - 2 d 是底泥传输模型。它能模水平二泊、河 ，s e d 2 d 拟的水质变化过程种类不多，维 口、水 协会 但如果它们能满足需要，应用起来是不库、海岸 错的。 第1 章绪论 1 3 研究内容 、水质评价：对鄱阳湖星子和蛤蟆石断面1 9 9 1 2 0 0 6 年1 6 年的水质监测数 据进行评价。 、水质预测：建立水质预测模型，率定模型参数并对模型进行验证，预测2 0 1 0 年研究区域的水质状况 1 4 研究方法 借助于s p s s 软件，使用主成分分析法对鄱阳湖星子和蛤蟆石断面1 9 9 1 2 0 0 6 年1 6 年的水质监测数据进行评价。 o 在对鄱阳湖星子和蛤蟆石断面进行水质分析与评价的基础上，进一步确 定预测因子为d o 、b o d 5 、n i - 1 3 - n ； 用2 0 0 5 年的水质监测数据来率定模型参数。率定模型参数的方法采用模 型校正法，即先通过实验的手段或查阅相关文献得到参数范围，然后将这范围的 值分别代入模型试算，取计算值与实测值相差最小时对应的参数值。 利用1 9 9 1 2 0 0 4 年和2 0 0 6 年的水质监测数据对模型进行验证。 以2 0 0 5 年为基年，通过预测2 0 1 0 年研究区域的来水流量、流速、水位、 排污负荷等来预测d o 、b o d 5 和n h 3 - n 的水质状况 1 5 研究技术路线 本课题的研究主要分下面几步进行： 第1 章绪论 1 3 研究区域的历 一年水文气象、水 质、纳污资料等 对模拟结果和 一 实测值进行误 差分析 第2 章鄱阳湖星子至蛤蟆石段环境概况 第2 章鄱阳湖星子至蛤蟆石段环境概况 2 1 自然环境概况 2 1 1 地理位置 鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游南岸，地理坐标e 1 1 5 0 4 9 ，1 1 6 0 4 6 ， n 2 8 。1 1 2 9 0 5 1 ，是我国最大的淡水湖泊，属过水性、吞吐性、季节性的湖泊。 湖泊南北长1 7 3 k i n ，东西平均宽度1 6 9 k m ，最宽处约7 4 k m ，入江水道最窄处的 屏峰卡口，宽约为2 8 k m ，湖岸线总长1 2 0 0 k m 。湖面以菘门山为界，分为南、 北两部分，南部湖面宽广，为主湖区；北部湖面狭长，南宽北狭，形似葫芦， 葫芦的长颈是一条狭长的通往长江的港道嗍。 而星子至蛤蟆石段正好就位于这个港道上，成为连接鄱阳湖和长江的关键 纽带。具体位置详见下图： 图2 1 鄱阳湖星子一蛤蟆石段地理位置图 1 4 第2 章鄱阳湖星子至蛤蟆石段环境概况 2 1 2 水文特征 ( 1 ) 、水量 根据江西省水资源综合规划水资源调查评价1 9 5 6 2 0 0 6 年资料统计，由湖 口注入长江的年平均水量为1 4 2 7 亿m 3 ，大于黄河、淮河、海河三大河流入海水 量的总和；入江水量占长江平均年径流量的1 5 5 ；赣、抚、