（水文学及水资源专业论文）城市河流水量水质自适应控制模型研究.pdf

捅要 随着城市经济的迅猛快速发展，城区规模的日益膨胀，城市的供水规模不断 扩大，城市水环境的污染也愈加严重。而城市河流作为重要的资源和环境载体， 关系到城市的生存，制约着城市的发展。城市发展中该采取怎样的经济合理的水 环境治理方案，特别是在河流排污量增大或者有其它意外扰动打破河流的生态平 衡时，如何促使河流水质回到期望的数值、河道水体达到水量水质的自适应，是 一个值得思考的问题。 本文以连云港市为例，对其河流水环境的特点进行了分析。通过建立平原感 潮河网水力水质数学模型进行模拟计算，认为在现状河道水质状况下，通过引水 增流可以满足连云港城市河流基本的水环境要求。同时从发展的角度出发，基于 系统工程的理论和方法，研究建立了城市河流水量水质自适应控制模型。该模型 属于复合性能指标的自寻最优控制，它描述了城市河流水环境系统中水量水质的 状态关系。模型将河流概化成若干个可调系统，每个可调系统是一个河段，已知 的扰动是上游河段水质浓度，未知的干扰是河段的排污量。被控对象是下游河段， 控制量测包括下游河段水质浓度、河段排污量。运用拉格朗日乘子法对模型进行 控制，通过给定的性能指标，不断进行比较和决策，可以跟踪预定的轨迹，并给 出城市河流水环境治理的最优方案。同时以规划年2 0 1 0 年连云港市区预测的排 污量为扰动，以规划的水质标准为依据，验证了模型的应用。研究表明：在排污 量增大的扰动下，按照模型计算给出的最优控制轨线，以一定的控制力消耗，可 以保证城市河流水质回到期望的数值、河道水体达到水量水质的自适应。 研究中基于a s p 技术开发了b s 结构模式的城市河流水量水质自适应控制 系统。将数据库管理、图形交互技术应用于系统的开发，建立了交互式w e b 服 务器应用程序，实现了控制过程的可视化以及管理的信息化和网络化。 关键词：城市河流：水力水质模型；水量水质自适应控制；b s 结构系统 a b s t r a c t a l o n gw i t ht l l es w md e v e l o p m e mo fu r b a ne c o n o m ya n dt h ei n c r e a s i n gu r b a i l “口a n s i o n ，m es c a l eo f 、v a t e rs e r v i c ei nc i t i e se n l a r g e dc e a s e l e s s l y ，f 0 1 1 0 w i n gt l l em o r e a n dm o r es e r i o u sd o n u t i o no fu r b a nw a t e re n v i r o n m e n t a sw ek n o w ，u r b a n v e ri s t h ei m r t a n tc a 而e rf o rr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t ：i tr e j a t e st ot h ee x i s t e n c eo ft 1 1 e c i t ya 1 1 dc o n f m e si t sd e v e l o p m e m i nt 1 1 ep r o c e s so fu r b 锄i z a t i o n ，w h i c hw a t e r e n v i r o n i n e n tt r e a t n l e n ts c h e m ei sm o r er a “o n a la n de c o n o m j c a 】卸ds h o u l db e a d o p t e d ：p a n i c u l a r ly ，i nm ei n s t a n c eo fm ei n c r e m e n to fw a s t e w a t e r ，o rw h e no t l l e r u n e x p e c t e dd i s t u r b a l l c ed e s n - o y st h ee c 0 1 0 9 i c a lb a l a 玎c eo ft b er i v e r ，、v h a ts h o u j db e d o n et op m m o t et l l ew a t e rq u a l i t yr e t u m st ot h ee x p e c 诅t i o na n dt h eq u a l l t i t ya n d q u a i i t yo fm er i v e ra c h i e v es e l f a d a p t i o ni sw o n hc o n s i d e r i n g i nt h i sp 印e r ，也ew a t e re n v i r o n m e n tf e a t u r e so fc i t yo f “a n y u l l g a l l ga r ea n a l y z e d b a s e do nt h i s ，am a t h e m a t i c a im o d e lo fh y d m u l i ca n dw a t e rq u a l i t yf o rp l a i nt j d a l 订v e rn e t 、v o r kt h a ti ss u i t a b l et ot h er e s e a r c ha r e ai se s t a b l i s h e d t h ec o m p u t i n 2r e s u l t s b vt h em o d e ls h o wt h a ti np r e s e n ts t a t u s ，m eb a s i c 、珊t e re n v i r 0 i l m e n td e m a l l d sc a nb e s a t i s f i e db vd i v e r s i o no fs t r e a mt ou r b a i lr i v e r s f u n h e 咖o r e ，c o n s i d e r i n gt h e d e v e l o p i n gr e q u i r e m e m s ，a na d a p t i v ec o n t r o jm o d e lo fw a t e rq u a l l t i t ya n dq u a l i t yf o r m - b 锄r i v e rh a sb e e nc o n s 仃1 l c t e d t h em o d e l i sas e l f _ o p t i m i z i n gc o n t r o lm o d e lb a s e d o ns y s t e me n g i n e e r i n g ；i th a sc o m p l e xp e r f b h n a n c ei n d e x e sa n dd e s c r i b e st h es t a t e e q u a t i o n sa b o u tt 1 1 ew a t e rq u a n t i t va 1 1 dq u a l i “i nt h el l r b a i lr i v e rs y s t e m i nt h em o d e l ， r i v e ri sg e n e r a l i z e dt os e v e m ia d i u s t a b j es y s t e m s ，a n de a c hs y s t e mi so n er e a c h f o r e a c hr e a c h ，i t sk n o w nd i s t u r b a n c ei st h ew a t e rc o n c e n t r a t i o no ft h eu p p e rr e a c h ，a n d u m o w nd i s t u r b a n c ei st h er e a c h sp o l l u t i o nd i s c h a r g e t h ec o n t m i j e do b i e c to ft h e m o d e li st l l el o w e rr c a c h ，a n di t sw a t e rc o n c e n t r a t i o na 1 1 dp o l l u t i o nd i s c h a r g ea r em e c o n t r o lm e a s u r a t i o n i nt h ep r o c e s so fc o n t r o l ，l a g r a n 譬em u l t i p i i e ri su s e d b yt h e c o n t r 0 1a l g o r i t l l n l ，t h em o d e lc a i lt r a c kt l l ep r e d e f i n e dt r a i e c t o r yd 面n gt h ec o n t i n u o u s c o m p a r i s o nw i t ht h ep e r f b r i n a n c ei n d e x e sa n dd e c i s i o n ，a 1 1 dt h eo p t i m a ls c h e m eo f w a t e re n v i m 砌e n tt r e a 佃e n tc a nb eg i v e nb yt h ec o n 打o lr e s u l t s a st h ea p p l i c a t i o no f t t l em o d e l ，c a l c u l a t i o nh a sb e e nd o n eb yt a k i n gt h ef o r e c a s t e dp o l l u t i o nd i s c h a r g co f c i t yo fl i 趴y u n g a r i gi nt h ep l a n n i n gy e a 卜2 0 1oa st h ed i s t u r b a t l c e ，a n dt h ep 1 锄i n g w a t e rq u a l i t ys t a n d a r d sa st h ec o m r o lo b i e c t r e s u l t ss h o wm a ti nt h ei n s t 锄c eo ft h e i n c r e m e n to fw a s t e w a t e r ，a c c o r d i n gt om eo p t i m a lc o n t m lt r 司e c t o r yg i v e nb ym e m o d e l ，u n d e rt h ec o n s u m p t i o no fc o n t r o lf o r c e ，t 1 1 eu r b a l lr i v e rc a nr e t u mt o 山e e x p e c t e dq u a l i 吼a n dt h es e l f a d 印t i o no f 啪t e rq u a i l t i t ya i l dq u a l 时c a j lb ea c h i e v e d b e s i d e s ，a na d a p t i v ec o m r o ls v s t e mo f 、v a t e rq u a n t i t ya n dq u a l i t yf o ru r b a j lr j v e r u s i n ga s pi sd e v e l o p e dh e r e i n i nt h ed e v e l o p m e mo ft h es y s t e m ，d a t a b a s e m a n a g e m e n ta n dg m p h i c si n t e r a c t i v i t yt e c h l l o l o g y a r e a d o p t e d b a s e d o nb s s t m c t u r em o d e t h ec o n t r 0 1p r o c e d u r ei sv i s u a l ，a n da l s ot h ei n t e r a c t i v ew e bs e r v e r a p p l i c a t i o n sa sw e l la st h ei n f o n n a t i z a t i o na i l dn e t w o r k e do fm a n a g e m e n ta r er e a l i z e d ， k e yw o r d s ：l l i b a nr i v e r ；h y d r a u l i ca n dw a t e rq u a l j t ym o d e l ；a d a p t i v ec o n t r o lo fw a t e r q u a n t j t ya n dq u a 】i t y ；b ss t r u c t 呲s y s t e m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) 聋至麴 锄6 年月缪日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 垄至蓊 撕占年 g 月铲e t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 城市河流作为重要的资源和环境载体，关系到城市的生存，制约着城市的发 展，是影响城市风格和美化城市环境的重要因素。城市河流具有供应水源、提供 绿地、保护环境、自然保护、旅游娱乐、交通运输、文化教育等各项生态功能， 在城市生态建设、拓展城市发展空间方面显示出不可替代的意义。 也正因为如此，许多城市的起源都在靠近河流的地方，这样容易取得生活用 水，雨水、污水电容易排放，并且可以发展航运。这些城市的发展与河流息息相 关，但是随着社会和经济的发展，特别是自我国国民经济“十五”计划中提出加 快城镇化建设以来，城市规模不断扩大，城市人口逐年增加，使得这些原来在城 市形成时发挥了重要作用的河流，越来越跟不上城市建设的步伐。其主要表现有 以下几个方面f 1 】：随着城市规模扩大，原有防洪标准过低，或者河堤年久失 修，河道淤堵，河流过流能力下降；污水无序自流排放而进入城市河流，造 成水体污染，水质恶化，生态环境受到破坏；原有河岸构筑物结构形式呆板， 景观效果差；随着路面铺装率和建筑物的增加，地下水的补给减少，而用水 量不断增加，河流水量减少，不能满足兴利和美化环境的要求。 以连云港市为例，其城市河流的问题主要表现在以下三个方面：河流两岸 土地开发利用，城市河流功能遭到损害，大量工业、生活污水不经处理直接入河， 造成河水污染，水质恶化，河流生态环境遭到破坏。河网上一系列的闸门等水 利：l ：程的修建切断了河道间原有的天然水利联系，降低了水体的自净能力，进一 步加剧了市区河网的水污染。连云港地处沂沭泗水系的最下游，是江淮供水水 网的最末端，是典型的水源型缺水城市。加之路面铺装率和建筑物的增加，地下 水的补给减少，而城市用水量不断增加，河流水量减少，在枯水季节尤为明显。 由此可见，水干i i _ - e 程的分割、水污染造成的水环境恶化、水质型缺水以及枯 水季节的水量短缺，正逐渐加剧着连云港城市的水资源危机，严重制约着连云港 市经济社会的可持续发展。因此，如何应对加大的排污量，调节枯水期水量，有 效的控制水污染，使城市河流达到规划的水域功能类别正是本课题拟解决的问 题。论文的主要研究内容即是建立城市河流水量水质自适应控制模型，并以连云 港市为例，验证模型的应用。水量调节中地表水质的评价需要以水力水质预测模 河海大学硕二l 学位论文城市河流水量水质自适应控制模型研究 型为基础，因此论文的研究内容还包括根据连云港市区河网的特点，建立适宜的 河网非恒流水力水质预测模型。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 城市河流水环境治理 根据世界上一些发达国家城市河流治理的经验，要发挥城市河流的生态功 能，控制污水直接排放入河，是减轻河流污染的根本措施【扪。因此，对于水量较 为充沛的河流，在其水环境治理中主要考虑河流的水质问题，常常采取水污染控 制的措施。 水污染控制起源于1 9 世纪，欧洲国家掀起工业革命浪潮之后。这一时期， 生产力得到了迅猛发展，人口大大增加，工业革命创造了前所未有的财富。与此 同时，各种工业污染物和城市生活污水的肆意排放也给水环境造成了巨大的污 染：水质下降、鱼虾绝迹、各种流行疾病爆发。人们很快认识到了大自然报复的 威力，并开始采取各种措施以减少这种不利影响，各种水污染治理技术因此得到 了长足的发展。早期人们采取污染物稀释排放的方法。到了2 0 世纪5 0 年代，人 们的认识以及处理的方法，仍处在初级阶段，受到许多因素的限制，当时面临严 重的污染现状，为了对付已排出的“三废”，忙于采取应急的措施一主要运用“排 出口处理”三废的技术来控制污染。即在排污处建造工厂、车间或装置，进行无 害化处理。以水污染控制为例，美国十几年内每年都花费近5 0 亿美元的投资用 于处理污水，日本每年投资则近2 0 亿美元。到8 0 年代，美、同、英、法、西德 等国已建成了平均每一万人即有一座二级处理的污水处理厂。这种控制方法虽然 可以改善污染的状况( 主要是控制“第一代污染问题”即水体因有机污染缺 氧而造成的大量死鱼问题) ，但是单纯依靠这种排出口处理技术，不仅耗资巨大、 经济效能低，甚至可能陷入恶性循环。譬如，如果不考虑整体的效应而盲目地进 行废水的深度处理( 如三级以上的处理) ，虽然可以消除水的局部污染，但是由 于深度处理措施本身消耗的能源和资源的生产又可能会引起新的更大的污染。同 时，许多国家还普遍存在着富营养化问题以及有毒致癌物质的污染问题【3 】。 水污染控制是环境污染控制的重要组成部分。因此，水污染控制的研究进展 总是伴随着人们对环境问题的认识而前进。6 0 年代末期以后，世界各国在总结 经验教训的过程中，逐步把单项治理发展为综合治理，把单一的污染控制发展为 第一章绪论 集中控制，把局部治理扩展到区域性治理，这也称为区域环境综合防治。这标志 着环境污染的控制开始进入了一个比较高级的阶段。在这个阶段中，除继续研究 和发展各种控制污染的新技术、新方法外，更注重于研究和发展综合防治的措施。 我国于1 9 8 5 年提出了城市环境综合整治的方针，强调了水污染控制的综合措施 和手段。这一期间也提出了许多综合性很强的问题，过去所使用过的比较狭隘孤 立的、以定性判断为主的方法已经不能解决这些问题了，极为迫切地需要提供一 种能够定量描述环境系统及其各个组成部分，从而能把该系统从技术经济和环境 效果上求得整体最优化的方法。这样，已经发展起来的系统工程学迅速在环境保 护工作中得到应用。1 9 7 2 年美国环境工程教授协会发表了环境工程的数学模 式化；1 9 7 3 年，美国l i n r i ngr i c h 教授编著了环境系统工程一书，阐述了 环境系统工程这一时期的主要成果；7 0 年代初，美国与日本进行“用系统工程 方法防治环境污染”的科技协作，1 9 7 7 年日本京都大学工学院高松武- - n 教授、 日本国立公害研究所综合分析部主任研究员内藤正明和美国堪萨斯i - i 1 ，1 1 立大学 林三方教授三人合写了环境系统工程一书；1 9 7 8 年美、英、澳、加、挪等 国二十几名专家联合编写了“水污染控制的数学模式” 4 1 。在实践方面，1 9 7 2 年康维尔斯( a c o n v e r s e ) 并l j 用系统工程的方法对美国新英格兰地区马力马可河进 行了最优规划。其它国际上著名的河流如美国的特拉华河、威拉米特河和福克斯 河以及英国的泰晤士河、特伦特河，加拿大的圣约翰河，西德的乃卡河，法国的 圣诺曼提河等，在其污染控制的规划和治理过程中，都运用了系统工程学的方法 3 1 。 国内对环境系统工程的研究始于8 0 年代初期。1 9 8 0 年7 月清华大学环境系统 工程研究室傅国伟撰写了环境系统工程及其发展趋势一文，扼要而系统的介 绍了国外环境系统工程研究的进展和若干实例：1 9 8 1 年8 月水利出版社出版了 r i c h 教授编著的环境系统工程中译本：1 9 8 2 年，清华大学环境系统工程研究 室集体编写了水污染控制系统规划一书，该书着眼于阐明水污染控制系统的 合理规划的全过程，包括水质模型与模拟、经济分析、规划与水质评价，重点是 河流污染控制系统的研究1 4 j 。 国际上将系统：【= 程学应用于水污染控制和大气污染控制已经取得了较为显 著的成果。我国近年来在环境保护科研项日中，也十分注重研究如何将环境系统 河海大学硕士学位论文城市河流水量水质自适应控制模型研究 工程应用于实践。但总的来说，国内的研究尚处在探索阶段。 由于污水及污染物的排放在时间上的分布较河流水文条件的变化要均匀得 多，而且河流的径流量直接影响到河流的稀释净化能力。因此，比较严重的污染 一般都发生在河流的低流量时。为了解决低流污染严重的问题，一个措施是强化 污染物的处理，以最不利的条件来确定污水处理构筑物的容量和运行效率。但是， 在除了低流量以外的大多数时间里，污水处理构筑物的容量将变得多余，造成经 济上的不合理。这时的一个措施就是对河流的径流量进行适当的调节，放大河流 的低流流量，以减轻污染1 3 j o 根据连云港市的实际情况，本文的研究中选择了引水加大流量并控制污染物 排放的城市河流水环境综合治理方案。同时为了提高河流水环境系统应对突发扰 动的能力，通过运用系统工程的理论和方法，研究建立了城市河流水量水质白适 应控制模型。该模型定量描述了城市河流水环境系统中水量水质的状态关系，并 设置了合理的控制性能指标。通过模型的求解可以在排污量增大、污染较严重、 净水流量较小等扰动下给出从技术经济和环境效果上来看整体最优化的城市河 流水环境治理方案，在控制力的消耗下达到城市河流水量水质的自适应，恢复和 提高城市河流的水体功能。 1 2 2 河网水力、水质数学模型 1 2 2 1 水力模型 在n e w t o n ( 1 6 8 7 ) 5 1 ，l a p l a c e ( 1 7 7 6 ) 6 1 ，p o i s s o n ( 1 8 1 6 ) f 7 b o u s s i n e s q ( 1 8 7 1 ) 8 1 等科学家开创性研究工作的基础上，s a i n t - v e n a n t 9 1 在1 8 7 1 年建立了一维非恒定 水流运动规律的理论基础。可是由于s a i n t v e n a n t 方程组是一个双曲型偏微分方 程组，以当时的数学理论求不出其解析解，在之后的近八十年中只能求解其各种 简化形式的方程组，在实际问题中的使用受到了极大的限制。只是到了最近的约 5 0 年，随着运算速度越来越高的计算机的出现，对完整的s a i n t - v e n a n t 方程组的 求解才变为现实。 在计算机问世：之前，以及在早期计算机的运算速度相对较慢、存贮量相对较 小的时候，人们只能求解简化形式的s a i n t v e n a n t 方程组。对s a i n t v e n a n t 方程 组进行各种简化的方法包括 1 0 、2 5 ：( 1 ) 纯经验方法t a t u m ( 1 9 4 0 ) ，l i n s l e y 等( 1 9 4 9 ) ， h a r r i s ( 1 9 7 0 ) ；( 2 ) 线性化s a i n t - v e n a n t 方程组方法l i g h t h i l l ( 1 9 5 5 ) * 口w h i t h a m 4 第一章绪论 ( 1 9 5 5 ) ，d r o n k e r s ( 1 9 6 4 ) ，h a r l e y ( 1 9 6 7 ) ，d o o g e ( 1 9 7 3 ) ，s a u e r ( 1 9 7 3 ) ；( 3 ) 基于 质量守恒方程并建立流量与贮储量之间近似关系的水文学方法m c c a r t h y ( 1 9 3 8 ) ， c u n g e ( 1 9 6 9 ) ，q u i c k 和p i p e s ( 1 9 7 5 ) ；( 4 ) 基于质量守恒方程并简化动量守恒方 程的水力学方法w o o d i n g ( 1 9 6 5 ) ，b r a k e n s i e k ( 1 9 6 5 ) ，p o n c e 等( 1 9 7 8 ) 。 从7 0 年代开始，随着计算机技术的发展，关于圣维南方程组的数值解法的 成果大量问世。圣维南方程组的数值解法通常有直接解法、分级解法、单元划分 法、松弛迭代法。其中分级解法和松弛迭代法是目前使用较多的两种方法。 ( 1 ) 直接解法是早期河网计算中常用的方法，它直接求解河网方程组。由 于差分离散后形成的方程组系数矩阵是一个极不规则、不对称的大型稀疏矩阵， 要大量占用内存，加之计算量大影响了计算速度的提高，限制了它的发展。 ( 2 ) 分级解法( 又称节点一河道模型) 首先由荷兰水力学家d r o n k e r s 提出，他 将求解过程分节点及河道两级处理，从而在不降低计算精度的前提下，使差分方 程中的未知数压缩到只含各交汇点( 节点) 的水位与流量，节省了内存单元。在此 基础上，以后又有张二骏、吴寿红、芮孝芳、李义天等学者使之不断改进，提出 了三级联合解法、四级解法等。分级解法的思想是将问题归结为先求解关于节点 ( 汇流点) 未知数( 水位、流量) 的方程组，然后再求解节点间各断面的水位、 流量。其中节点水位法使用较为普遍，效果也较好，该方法先将问题归结为关于 节点( 汇流点) 水位的方程组，然后再求解节点间各断面的水位、流量。分级解 法的目的是减少方程组中的变量个数，从而最终降低需要求解的线性方程组的阶 数，以利于存贮及减少运算量。 ( 3 ) 单元划分法由法国水力学家j e a na c u n g e 于】9 7 5 年提出。其基本思 想是针对河网地区的水力特性，将水力特性相似、水位变化不大的某一片水体概 化为一个单元，以此将河网概化成彼此相连的单元，对单元进行分组，建立以水 位为自变量的矩阵方程组，解此方程组求得各单元的水位，进而求出单元间的流 量。国内韩龙喜、张书农、金忠青、姚琪等学者曾对此方法进行了研究与改进。 ( 4 ) 松弛迭代法是由f r e a d ，d l 于1 9 7 3 年提出的，其基本思想是将河网分解 为一条条河道，再对一条条河道分别进行求解，求解时对汇流点处支流的流量先 给预估值，再用松弛迭代方法逐步较正，逼近其精确值。这样就将复杂的大型河 网水力数值模拟问题化为一系列简单的单一河道水力数值模拟问题。而对每一单 河海大学硕士学位论文城市河流水量水质自适应控制模型研究 一河道都用n e w t o n r a p h s o n 方法求解圣维南方程组经差分离散所得的非线性代 数方程组。此后又有许多学者进行了深入的研究，国内徐小明曾发表了求解大 型河网的非恒定流的非线性方法、河网水力数值模拟的松弛迭代法及水位的 可视化显示等多篇相关论文。 1 2 2 2 水质模型 水质模型是描述水流中污染物随时间、空间变化规律的一种数学方程，它可 以为水质预测、水污染综合规划的研究提供科学的依据。 自1 9 2 5 年斯特里特，费尔普斯( s t r e e t e r - p h e l p s ) 第一次建立水质模型以来， 国际上对水质模型的开发与研究可分为下列四个发展阶段【2 6 l 。 第一阶段( 1 9 2 5 1 9 6 5 年) ，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。对河流和河口问题采用了一维计算方法。 第二阶段( 1 9 6 5 1 9 7 0 年) ，随着计算机的应用以及对生物化学耗氧过程认 识的深入，除继续研究发展b o d d o 模型的多维参数估值问题外，水质模型发 展为六个线性系统，计算方法从一维进到二维，除河流、河口问题外，开始计算 湖泊及海湾问题。 第三阶段( 1 9 7 0 1 9 7 5 年) ，研究发展了相互作用的非线性系统模型。涉及 到营养物质磷、氮的循环系统，浮游植物和浮游动物系统，以及生物生长率同这 些营养物质、阳光、温度的关系，浮游植物与浮游动物生长率之问的关系。其相 互关系都是非线性的，一般只能用数值法求解，空问上用一维和二维方法进行计 算。 第四阶段( 1 9 7 5 年以后) ，除继续研究第三阶段的食物链问题外，还发展了 多种相互作用系统。涉及到与有毒物质的相互作用。空间尺度已发展到三维。随 着模型的复杂化，要准确描述模型的性质是很困难的。某些模型中状态变量的数 目己大大增加，有2 0 个或更多状态变量的水质模型已不少见。 面l 临为数众多的各种水质模型，在进行水质模拟预测时，需要根据模型的内 容和形式，研究的目的和目标作出适当的选择。一般说来，较复杂的模型可以较 全面的反映客观实际，但为了确定模型及其参数需要较多的信息量。各种模型都 有其推导的条件和使用的要求。我们应当根据实际的需要，就模型的复杂程度、 可能提供的信息和人力、物力等几个方面选择建立适当的模型。 第一章绪论 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 确立研究的水域，概化市区河网，以适应水力、水质计算的要求。在 概化河网的基础上建立适用于研究区域的平原感潮河网水力水质数学模型。 ( 2 ) 以水力水质数学模型为基础，通过计算分析在现状河道水质状况下， 利用电厂闸从蔷薇河调引一定水量对市区河道水环境的改善程度，研究确定经济 合理的引水流量。 ( 3 ) 考虑到城市发展的需要，为了在排污量增大或者有意外扰动时能够有 积极的应对措施，从而保证城市河流水量水质两方面的需求，研究建立城市河流 水量水质自适应控制模型。通过优化计算求解模型，给出城市河流水环境治理的 最优方案。同时以规划年连云港市区排污量的预测为基础，以规划的水质标准为 依据，验证模型的应用。 ( 4 ) 基于a s p 技术开发b s 结构模式的城市河流水量水质自适应控制系 统。将数据库管理、图形交互技术应用于系统开发，建立交互式w e b 服务器 应用程序，实现管理的信息化和网络化。 1 ，3 2 总体思路及技术路线 根据本论文要研究的主要内容，试图通过模型的建立和求解对连云港市制 订切实可行的水环境目标和水质标准，制订地区污染物排放限制，选择优化的 水量水质控制过程提供重要的依据。同时要求系统的数据传输处理快捷准确， 模型结构合理且算法稳定、界面友好易于操作、程序结构清晰便于维护升级等。 本研究技术路线如下图1 1 所示。 河海大学硕士学位论文城市河流水量水质自适应控制模型研究 控 制 目 标 水 力 水 质 数 学 模 型 排 污 量 预 测 水 量 水 质 自 适 应 控 制 模 型 系 统 开 发 水文、水质、 污染源及城市 发展规划资料 收集 现状河道水质下 水量调节对城市 河流水环境的改 善状况分析 图1 1 城市河流水量水质自适应控制技术路线图 1 4 研究区域概况 连云港市位于我国沿海中部的黄海之滨，是新亚欧大陆桥的东方桥头堡，地 处江苏省的东北部，市域西部与徐州市相邻，南部分别与淮安市、盐城市相连， 北部与山东省日照市、临沂市接壤。市区位于全市的中部偏东，东临海州湾，西、 第一章绪论 南、北三面分别与其所辖的东海县、灌云县、赣榆县相连。市区现有新浦区、海 州区、连云区、连云港国家经济技术开发区、花果山风景名胜管理局等五个行政 区组成。市区内海岸线长达5 8 6 公里，沿海有七个岛屿。市区总面积为8 8 1 9 2 平方公里，其中新海主城区面积为4 0 2 平方公里。市区人口6 3 8 万人，其中非 农业人口为5 2 1 万人。 连云港市地貌属鲁中南丘陵与淮北平原的结合部，地形复杂，以低山丘陵区、 平原为主，地势总体上呈西北向东南倾斜。市区地形属滨海平原区，地势较低， 地面平坦开阔，区内有云台山突起，为沂蒙山系的余脉，市区自西向东连绵分布 着长达4 0 余公里的锦屏山、前后云台山，其前云台山主峰玉女峰为江苏省 最高峰，海拔6 2 5 3 米，山区面积为1 3 3 6 4 平方公里。 连云港市区地处淮河流域沂沭泗水系的最下游，主要河流有蔷薇河、烧香河、 玉带河、东、西盐河、排淡河、大浦河及龙尾河等。其中蔷薇河是市区工农业生 产主要供水水源地，也是该市调引江淮水的主要通道。东、西盐河以及其他河道 均担负着城区的防洪排涝或排污任务，这些区域性河流，在其入海口或主要防洪 地段均建有中型挡潮、节制闸，这些闸有着挡潮排涝、蓄淡、通航的功能。这些 主要的水利工程为大浦闸、新浦闸、狮树套闸、电厂闸、玉带河闸、以及有临洪 闸、临洪东、西抽水站、大浦抽水站等闸站组成的临洪水利枢纽。连云港市区河 流水系图如图1 2 所示。 图1 2 连云港市区水系图 大浦河是连云港市新浦、海州地区的主要骨干排水河道，主干河道从大浦闸 河海大学硕士学位论文城市河流水量水质自适应控制模型研究 至盐河闸长1 4 9 公里，流域面积包括玉带河、东盐河、龙尾河、及大浦河在内 计1 2 2 平方公里( 其中包括大村水库1 0 4 7 平方公里的山区面积在内) 。 大浦河( 大浦闸至人民桥段) 5 6 公里河道，2 0 0 2 年拓浚，拓浚后河底宽2 0 4 0 米，河底高程1 3 一一1 5 米：西盐河长4 6 公里，河底高程一1 0 米，河底宽1 8 米， 河口宽2 5 米；东盐河( 玉带河至猴嘴闸段) 长1 3 公里，河底高程1 0 米，河底 宽3 5 米，河口宽4 0 米；龙尾河长5 2 公里1 9 9 9 年整治，河底高程0 5 米，河底 宽8 5 米至9 米，河口宽1 6 米至2 0 米；玉带河长7 1 公里，河底高程一1 0 米， 河底宽2 0 米至3 5 米，河口宽度4 0 米。 连云港全市共设有2 1 个( 包括监测河道1 6 条，水库5 座) 地表水水质监测 断面。以地表水评价项目中化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、挥发酚等为指 标，按照地表水环境质量标准g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ) 为依据进行评价，2 0 0 0 年第一 季度对其中2 0 个监测断面的评价结果表明：i 类水质断面为1 个，占5 ；i i 类 水质断面8 个，占4 0 ；i i i 类水质断面3 个，占1 5 i v 类水质断面1 个，占 5 ；v 类水质断面】个，占5 ；劣v 类水质断面6 个，占3 0 。以i i l 类标准 为地表水达标标准，此次监测中达标断面共1 2 个，占6 0 ；超标断面8 个，占 4 0 。而在连云港市区共设的5 个地表水水质监测断而中：l i 类水质断面仅一个， 占2 0 ，其余4 个断面均劣于v 类，占8 0 。豁测断面：临洪( 水文站) 水质 较好，水质类别为i i 类；新浦区( ： 农桥) 、大浦河桥、板桥镇( 爱民桥) 、开 发区( 黄九埝) 水质较差，水质类别均劣于v 类。2 0 0 1 年，市区主要河流水质 均有两个以上项目的年均值超标。2 0 0 2 年市区蔷薇河、玉带河、西盐大浦河、 龙尾河、东盐排淡河、烧香河等6 条主要河流水质年平均综合污染指数为o 9 1 ， 较2 0 0 1 年增氏了1 0 4 。2 0 0 3 年市区河流年平均综合污染指数虽有所降低，但 西盐大浦河、龙尾河全年水质达标率仍为0 。2 0 0 4 年，玉带河、西盐大浦河、龙 尾河、排淡河等河年平均综合污染指数均较2 0 0 3 年有不同程度的下降，但市区 地表水污染仍较严重，不能达到规定的水质标准。 根据i 】i 类水质评价标准及单项指数法，综合连云港市2 0 0 0 年至2 0 0 4 年地 表水水质项目评价结果表明，连云港区域内水体污染现状不容乐观，有机耗氧类 污染较为严重，主要污染因子为： 业废水和生活污水中的高锰酸盐指数、五日生 化需氧量及氨氮等。并且随着城市规模的不断扩大，城市水环境的压力越来越大。 0 第二章平原感潮河网水力水质数学模型 第二章平原感潮河网水力水质数学模型 连云港市区地处淮河流域沂沭泗水系的最下游，属滨海平原区。市区主要河 流在其入海口或主要防洪地段均建有中型挡潮、节制闸。因此市区河网水流不仅 受潮汐的影响，而且受人工水工建筑物控制，流态复杂。为合理预测水量调度对 市区水环境的影响，必须建立适合该地区水文特点的水力水质数学模型。 2 ，1 研究区域河网概化 论文的研究区域是连云港市蔷薇河以东市区水系，包括大浦河、龙尾河、西 盐河、玉带河、东盐河以及排淡河。鉴于资料限制，并为了保证计算实施的可行 性，要求在天然河网的基础上进行合理正确的概化。根据连云港市区水系图及研 究区域的河势、河道情况，对研究区域河网进行概化，概化结果如图2 1 所示， 河网概化信息见表2 1 。 大浦闸 图2 1连云港市区河网概化图 图2 1 中序号1 ，2 7 代表河道号；序号，代表节点号。 计算中将河道概化为水平底坡、梯形断面，概化断面用底高z 。、底宽b 和边 河海大学钡：| = 学位论文城市河流水量水质自适应控制模型研究 坡s 三要素来描述。断面概化图如图2 2 所示。 图2 ，2河道概化断面图 表2 】河网概化信息表 2 2 河网水动力模型 2 2 1 圣维南方程组 对于任何复杂的河网水力数值计算，最终都要归结为单一河道的水力数值计 算问题，其出发点为仅适用于单一河道的描述一维明渠非恒定流的圣维南方程 组。圣维南方程组是由法国科学家圣维南( s t v e n a l l t ) 于1 8 7 1 年成功导出的，它由 连续方程和动量方程组成。 连续方程：b 罢+ 挈：g o lc 动量方程：鲁+ 昙( 蛔咖鲥罢+ 刚警= g _ ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中：x ，r 一距离( ) 和时间( s ) ，为自变量；爿一过水断面面积( m 2 ) 河海大学硕士学位论文城市河流水量水质自适应控制模型研究 口：竿一半c 盱跏孵。协 弘急呻硝+ 寺( 等糊即钍象小峨。+ 寺( 笋如啦， 蛤急( 鳊删卜字蜕，却“q ) 卜字( 鲥) 麓( z * z m 为书写方便，忽略上标 + 1 可把式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 的任一河段差分方程写成： q j + l q 一+ c z + c ，z ，2 d ，( 2 6 ) i e 。q f + g ，q + f z + l f z ，= 曲， 其中c 。，d ，e ，f ，g ，西，均由初值计算，所以方程组为常系数线性 方程组。对一条具有( ”一1 ) 个河段的河道而言，有”个断面、2 ”个未知变量， 可以列出( 2 ”一2 ) 个方程，加上河道两端的边界条件，形成封闭的代数方程组。 对于该方程组，根据不同的边界条件，可设不同的递推关系，用追赶法直接求解。 2 2 3 环形河网的数值求解 对于环形河网，早期是以河道断丽的水力要素为基本未知量，采用对所有未 知量建立方程组直接求解的一级解法。在这种方法巾，方程组系数矩阵过于庞大， 难以应用于大型河网。为了适用于大型河网，其后发展了以河道首、末断面的水 力要素为基本未知量的二级解法。该法是在一级解法的基础上，对河道中间断面 未知量形成的子矩阵先行求解，表达为基本未知量的函数，消去中间断面未知量， 从而使得方程组的系数矩阵降阶，易于求解。为了进一步降低方程组的阶数，有 效求解大型河网，对二级解法的基本未知量再进一步消元，形成以节点水位为基 本未知量的三级解法捌，这就是目前最常用的方法。本论文中环形河网的求解采 用的就是河道一节点一河道的三级解法。 ( 一) 外河道计算 在环形河网中，外河道和内河道的计算方法是不同的。对于外河道，河道的 一端是边界条件已知的外节点，而另一端是水力要素未知的内节点。内节点的变 量必须通过河网的联解才能得出。为了减小方程组的阶数，通常以内节点构成基 本河网。外河道的求解是，通过边界条件确定首断面的递推关系，用追赶的方法 求解各断面的水位与流量递推关系，得到汇入基本河网的末断面流量与内节点水 第二章平原感潮河网水力水质数学模型 位的关系。待内节点水位求出后，即可回代求出各断面的水位和流量。 由于边界条件有两类，外河道分为两类：一类为具有水位型边界条件的河道， 另一类为具有流量型边界条件的河道。对于任一外河道，设首断面号为三l ，末 断面号为2 ，采用追赶法求解的递推公式如下： ( 1 ) 水位型边界条件的追赶方程 z 。= r 。一圪。q ， ( p ，j 。= z 。( f ) ，。= o ) ( 2 - 7 ) 譬：一勺， ( 1 ，跏恤- 1 ) ( 2 - 8 ) 【互+ ，= 只+ ，一k + q j + 。 、7 7 其中： h ，= 等等 。= 器矗以。= 半以= 半，6 p “2 ：i i j j