（环境工程专业论文）皂河流域水量水质综合模型分析研究.pdf

争 _ j 西安建筑科技大学硕士学位论文 皂河流域水量水质综合模型分析研究 专业：环境工程 作者：李辉 指导教师：王晓昌教授 摘要 随着我国经济的迅速发展，环境污染问题日趋严重，特别是水质污染问题尤为突 出。作为西部大开发龙头城市的西安对水环境治理也是日益重视。从西安市区穿过的 皂河水体污染逐年加重，水环境质量的不断恶化不仅不利于西安作为西部大开发龙头 城市的发展，而且也对西安的社会安定和可持续发展构成了一定影响。 本论文针对位于西安市的皂河小流域的自然水文特性以及人文社会各因素对流域 产流、汇流及河流水质的影响，在已有水文气象资料基础上，构建了适合皂河小流域 的四层水箱模型、运动波模型以及一维河流水质模型相结合的一体化水量水质综合模 型。 应用地理信息系统( g i s ) 在空间数据输入与处理方面的优势，分析影响水质的主 要因素，包括气候、水文，土壤特性、土地利用、区域人口、经济及农业发展、污染源 分布等，划定研究流域的边界。 在构建的水量水质综合模型中主要考虑了降水一蒸发一径流的自然循环，分析研 究流域主要水文要素的变化规律，同时引入工业、农业及生活用水量和排水量，采用 四层水箱模型计算汇入河流的水量及污染物排入量，并利用运动波模型计算河流流量 变化，最后结合一维对流扩散方程式模拟河流主要水质指标( s s 、b o d 5 、d o 、n h 4 + - n 、n 0 3 。- n ) 的变化规律。 关键词：水箱模型，运动波模型，水质模型，皂河 论文类型：基础理论 西安建筑科技大学硕士学位论文 a n a l y s i so f w a t e rq u a n t i t ya n dq u a l i t yi n t e g r a t e d m o d e li nz a o h eb a s i n s p e c i a l i t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：l ih u i a d v i s e r ：p r o f x i a o e h a n gw a n g a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n tg o e so n , t h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，e s p e c i a l l yt h ew a t e r q n a n t yp r o b l e m s , b e c o m em o l ea n dm o r es e v e r e ，a st h el e a d i n gc i t yi nt h ew e s t e r n e x p l o i t i n g x i a l lp a y sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s n l cz a oh e t h a tf l o w st h r o u g ht h ed o w n t o w nd i s t r i c to fx i a nh a sb e c o m es e r i o u s l yp o l l u t e d 田聆 w o r s e n i n gw a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l 时a f f e c t st h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f t h ec i t y b a s eo nt h en a t u l a lh y d r o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n dt h es o c i a lf a c t o r st h a ta f f e c tt h ew a t e r q l l a l i 瓴a n dt h em e t e o r o l o g i cd a t ai nt h ez a o h eb a s i n , w a t e rq u a l i 够m o d e lc o m b i n e d f o u r - l e v e lw a t e rt a l l km o d e l k i n e t i cw a v em o d e la n do n ed i m e n s i o n a lr i v e rw a t e rq u a l i t y m o d e lh a sb e e nf i n a l l yc o n s m m t e d w i t ht h ea p p l i c a t i o no f g i s ，t h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tw a t e rq u a l i t y , i n c l u d i n gc l i m a t e ， h y d r o l o g y , s o i lc h a r a c t e r , l a n du s a g e ，p o p u l a t i o n , e c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t , a n dd i s t r i b u t i o n o f p o l l u t i n gs o u r c e s ，t h ef i v e rb a s i nb o u n d 哪h a sb e e nc o n f i n e d w i t hc o n s i d e r i n gt h en a t u r a lc y c l eo fp r e c i p i t a t i o n ，e v a p o r a t i o na n dr u n o f f , a n d i n d u c t i n gi n d u s t r i a l ，a g r i c u l t u r a la n dd o m e s t i cw a t e rs u p p l ya n dd r a i n a g eq u a n t i t y , f o u r - l a y e r w a t e rt a n km o d e lh a sb e e na d o p t e dt oc a l c u l a t et h ef i v e ra f f i u xq u a n t i t ya n dp o l l u t a n t d i s e h a r g en m o 眦la n dw i 也t h eu s eo fk i n e t i cw a v em o d e l t h er i v e rf l o wa m o u n th a sb e e n c a l c u l a t e d u l t i m a t e l y , c o m b i n e dw i t ht h eo n ed i m e n s i o n a ld i f f u s i o ne q u a t i o n , t h er e g u l a r i t y o fm em a i nw a t e rq u a l i t yi n d i c e ss u c ha ss s 、b o d 5 、d o 、n i - h + - n 、n 0 3 - - nh a v eb e e n c a l c u l a t e d k e y w o r d s ：t a n km o d e l ，r i v e rc h a n n e lc o n f l u e n c em o d e l ，w a t e rq u a l i t ym o d e l ，z a o h eb a s i n p a p e rt y p e ：f u n d a m e n t a lt h e o r y ， 廿毋， 墨一 1 ， 】 9 7 0 1 五2 门 声明尸明 f 本人郑重声明我所呈交的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己经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：冶芄孚 日期：加。多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解珏安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 f 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 黼辫座砰锄签影隅一g 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1问题的提出与课题来源 1 绪论 水是生命之源，是人类生存和发展不可缺少的物质。我国是一个多河流的国家，但 近几十年来，随着人口的急剧增长，工业化、城市化的迅速发展和管理的不善，各种 工业废水和生活污水大量排入河流、湖泊等水体，使水环境质量日益恶化，生态系统 遭到了严重的破坏i l j 。松花江有相当严重的有机汞污染，辽河在枯水期甚至发生油污自 燃，淮河污染触目惊心，黄河的某些支流成年流淌黑水，长江每年接纳的污水高达1 4 2 3 8 亿吨。全国的主要湖泊富营养化状况严重，尤以巢湖、滇池、太湖污染最为严重。由 此可见，我国的水污染问题已经相当严重，不仅严重危及人类健康，也必将严重制约 社会的经济发展。因此，水环境治理工作刻不容缓，并越来越引起人们的关注。 为处理好水环境问题，我们必须了解水环境变迁的规律以及研究保护和改善水环 境的技术。前者如河道演变、水土流失、洪水的破坏，后者如水资源污染的监测、评 价及其防止保护措施等。许多工作都和流体运动有关，这就需要我们了解流体的紊动 输移规律和污染物在水体中的输移扩散规律，从而进行合理的污染物浓度预测，为环 境保护、规划及评价等提供科学的理论依据。由于环境系统的庞大复杂，我们很难用 倾倒大量污染物或停止排放污染物的办法来试验环境的纳污或自净能力和污染物的迁 移转换规律。通常我们会采用物理模型、数学模型或二者的结合来研究流体水质水量 等特性。长期以来，由于在原型和全比尺模型中实地量测可得到有关物理过程的最可 靠、最准确的信息，物理模型在解决实际问题中发挥了巨大的作用【1 2 1 ，但是，由于流 体运动的复杂性，模拟场地的限制和模型参数率定的制约等方面的原因，物理模型在 许多情况下并不尽如人意，而且，物理模型需要占用规模巨大的场地，耗费大量人力、 物力，实验周期长。与之相比，数学模型不受实验条件限制，速度快，信息完整，模 拟能力强，因此，数学模型作为一种行之有效的方法愈来愈广泛地被应用于科学研究 与工程设计的各个领域。 本课题是西安建筑科技大学与日本九州大学的合作项目“黄河水资源合理开发利 用”( 日本科学技术振兴事业团国际合作项目) 的部分研究内容。本论文将根据陕西省 西安市的环境特点1 2 - 5 1 ，以及在确定位于西安市中心市区西部，人口，工厂集中且在同 地区中污物负荷影响最严重的皂河流域主要污染源的基础上，应用地理信息系统( g i s ) 在空间数据输入与处理方面的优势，分析影响水质的主要因素，包括气候、水文、土壤 特性、土地利用、区域人口、经济及农业发展、污染源分布等，建立皂河流域的g i s 西安建筑科技大学硕士学位论文 数据库，进一步建立一个水量水质综合模型，在该模型中综合考虑以下因素：降水， 蒸发量等自然水循环；生活、工业、农业等各部门的用水量、排水量及排污量等。图 1 1 是水量水质综合分析流程图【7 1 n ”i 。首先，根据水箱模型模拟各部门排水量以及排 污量；其次，根据运动波模型模拟河流流量；最后根据一维水对流扩散方程式模拟河 流水质的变化。 回r 甭刁1 i 污染物总晕 l r ：一v 。 -。 i 堡鎏li 笔蛮ii 污染物2 出负荷l j h 谬缴三笥川。嗲河流水质刨 1 2 研究流域概况 一维对流扩散方程 图1 1 水量水质综合分析流程 皂河发源于长安区局连村、水寨村一带的农田退水河地表渗水，从南向北纵贯西 安市西郊，于北郊草滩农场西站以下注入渭河，全长约3 2 公里，流域面积1 2 0 平方公 里。流经长安区韦曲、张家村、下塔坡、沈家桥至雁塔区丈八沟乡、未央区三桥、六 村堡，沿途接纳了7 个支流：大环河暗渠排水、团结西路明渠、三印明渠、西斜四明 渠、沣惠一干渠、沣惠二干渠、太平河沿线工业企业和村庄的污水，最终进入渭河。 近年来，皂河源头自然水日渐减少，濒于干枯，夏季源头段往往成为干河。其源头主 要是局连村、长安一中的生活污水皂河进入韦曲前水量尚小，流经韦曲( 汇入长安 县城生活污水) 以后水量倍增。韦曲以下河段又有傍河村庄、西安欧亚学院，丈八宾 馆、外事学院、武警学院生活污水排入；郭杜工业园区和4 0 家企业生产废水直接排入； 另外有6 条支流以及北石桥和邓家村污水处理厂的城市污水也排入皂河，皂河在入渭 前接纳了太平河汇入的污水。皂河排入渭河的污水有9 0 以上是西安市贡献的。皂河 水体基本上是沿河纳入的工业废水和生活污水，实际上是一条污水河【8 9 1 且其各段面 主要污染指标化学需氧量和石油类均远远超过g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 地标水环境质量标准 第v 类标准，为劣v 类水质。 皂河水体污染逐年加重，水环境质量的不断恶化不仅不利于西安作为西部大开发 龙头城市的发展，而且也对西安的社会安定和可持续发展构成了一定影响。为了估算 皂河流域河网中实际的污染负荷量和未来的污染负荷发生量，必须先对皂河进行综合 的水质水量模拟，分析河流流量以及水质的变化及其规律。图1 2 是皂河流域位置图。 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 3 研究目的与意义 图1 - 2 皂河流域位置图 改革开放以来，我国经济腾飞的同时，对环境生态也造成了严重破坏。人口的膨 胀，工业的发展，农业的机械化使污染物的排放量逐年增加。目前，我国境内的各主 要河流都受到了不同程度的污染，水质恶化。其主要原因是沿岸大小工业企业污染物 的直接排放，以及各大中城市生活污水的排放。同时我国地大物博、自然环境与人类 活动多种多样，大部分地区降雨集中，生态破坏致使水土流失严重，近年来农药化肥等 化学物质的用量不断增加，加上使用技术上的不合理，污染问题日益突出。河流对污 物的负荷形态分为点源负荷和面源负荷。点源负荷适用于生活排水和工业废水等包含 的污物通过排污管道流入接受水域的情况下，此时发生源比较容易确定。面源负荷适 用于由径流降水，灌溉排水，径流地下水等原因导致有机物，农药，肥料成分，微量 化学物质等排出的情况。分析污物负荷过程时，准确把握降水径流及人工进行的水利 用形态等是必不可少的。河流水量、水质是影响河流污染程度的一对重要因素。开展 流域的水质水量综合模拟不仅对我国水环境污染的全面治理与系统控制具有重要意义， 而且具有明显的环境效益和社会效益。建立水量水质综合模式，其中考虑降水，蒸发 量及河流流量，生活、工业、农业等取水及排水量；根据运动波模型计算河流流量； 然后根据一次扩散方程式模拟河流水质的变化 本论文通过对位于西安市中心市区西部，人口、工厂集中，且污物负荷影响最严 重的皂河流域的水质及水量进行模拟。运用水质水量综合模型进行分析并将实测值与 模拟值对比，进一步预测皂河水质的变化趋势。 3 ftf 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 4 研究内容与方法 本论文主要通过现场调查、水质监测和水质模型模拟相结合的研究方法，以探明 皂河流域污染负荷分布特点和规律，并根据分析结果提出初步的污染控制方案。 研究内容主要包括两部分：( 1 ) 皂河流域水质、水量模拟。采用1 1 年的降雨资料， 运用水箱模型模拟皂河主要断面的水质变化；( 2 ) 皂河流域模拟值与实测值对比及模 型校正。 针对论文的主要研究内容，拟采用的研究方法主要是： ( 1 ) 针对水质常规监测为水质监测采样频率提供理论基础； ( 2 ) 以降雨资料为基础建立实用的河流水质模拟、预报方法，为相关研究( 如点 污染源对河流水质影响的定量评价等) 提供理论基础； ( 3 ) 水质与水量关系分析，利用水箱模型模型和河道汇流进行水质模拟，并与实 测水量结合，提出分质水资源量的评价方法； ( 4 ) 探讨皂河动态纳污能力计算方法应用研究，提出调控的水质水量建议，以及 工业废水、城镇入河污染物限排量的确定方法。 气iftl， 西安建筑科技大学硕士学付论文 2 国内外研究现状综述 2 1 水文模拟研究现状 自然界的水文现象是复杂的，随着观测手段的改进和资料的不断积累，人类的认 识逐渐深化。虽然水文现象的内在规律有不少已被认识，但仍有很多问题至今还未能 取得实质性的突破，有待进一步认识。流域水文模拟研究是采用系统分析途径，构建 水文模型描述复杂水文现象的技术，是近几十年中发展比较快的，也是近代水文科学 重要成就之一，它已成为研究探讨水文学理论和解决各类水文问题的强有力工具。流 域水文模型是模拟水文现象原型的一种数学结构，模型结构是建立在模拟水文现象和 认识水文机理的基础上的，在对水文过程模拟的过程中，对各种复杂的因素进行分析， 用系统分析的观点与方法，分析输入输出众多要素的相互影响和作用，通过模拟发现 矛盾并解决矛盾，从而深化对水文过程机理的认识，鉴别出主要的影响因素，及主要 因素问相互关系，并用数学关系和逻辑表达式来简化和描述，通过“模拟认识一再 模拟一再认识”，一步步地完善对水文过程的模拟和认识i i o j ” 随着电子计算机和信息科技的不断发展，描述流域物理特征时空变化和计算的手 段空前地加强；与此同时，水文模拟建模方面已积累了大量的经验，大大地促进了水 文模拟技术的迅速发展和成熟水文模型的结构和参数设置也日趋完善，已经成为水 文预报、水资源规划、设计、管理的重要手段，同时水文模拟研究的概念和应用范围 在不断地扩大，已经遍及水文水资源学科的所有领域。 2 1 1 水文模型的分类 ( 1 ) 按模型研究的范围分为五类：全球范围的大尺度的水文气象模型，这种 模型是近几年发展起来的，即大气环境加地面水文系统，主要属于气象方面的工作； 一个国家或某一区域的模型，对这种模型的参数要做地理综合；一个流域的水 文模型或者一个城市水文模型；实验流域( 小河站) 或实验场，它们本身就是模型的 原型；实验室的水文模型。 ( 2 ) 按模型研究的对象分为三类：径流模型，可分为地表径流模型和地下径 流模型以及融雪径流模型；水质模型；潮水位模型。 ( 3 ) 按模型研究的内容分为三类：研究水循环某子系统的模型，如蒸散发模 型、下渗模型、地下水模型、汇流模型等；研究流域水循环全系统的模型，即流域 水文模型；研究某地区或某流域水资源利用的模型，即流域水文模型加水利计算模 型。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 按模型基本性质和建模技术可分为实体模型、类比模型和模拟模型三类。 2 1 2 流域水文模型的应用 自从流域水文模型技术开展以来，随着模拟技术的不断发展，流域水文模型越来 越广泛的应用在以下几个方面： ( 1 ) 水文站网论证与规划 ( 2 ) 水文预报 ( 3 ) 水资源规划、设计和管理的水文水利计算 ( 4 ) 水文特性及人类活动影响的分析 ( 5 ) 模型参数的地区综合 2 1 3 国外水文模型的发展 在国际上，流域水文的研究由来已久并越来越受到重视。计算机出现后，水文循 环被作为一个整体进行研究。各个国家各自发展了自己的水文模型及相应的计算机处 ， 理软件。其中著名的有包顿模型、第号斯坦福模型( s t a n f o r d ) 、萨克托门模型、水箱 模型、s c s 模型( s o i lc o n s e r v a t i o ns e r v i c e ) 、a p i 模型( a n t e c e d e n tp r e c i p i t a t i o ni n d e x ，前 期雨量指标) 、s m a r 模型( s o i lm o i s t u r ea c c o u n t i n ga n dr o u t i n gm o d e l ) 、h e c 一1 模型等。 进入9 0 年代，流域的管理模型和流域污染风险评价模型成为这一时期的应用模型研究 的最新突破点【2 0 - 2 3 。 2 1 4 国内水文模型的发展 我国从7 0 年代开始，一方面积极引进国外有用的流域水文模型，另一方面更致力 于新的，适合于我国水文条件的流域水文模型的研制1 1 纠9 1 。 新安江模型是赵人俊教授等在1 9 7 3 年对新安江水库做入库流量预报时提出的降雨 径流模型，也是我国第一个流域水文模型。在国内国外都有应用，尤其在国内南方应 用比较广泛，也取得了好的应用效果。 另外还有针对陕北干旱地区而开发研制陕北模型，河海大学的马口流域水文模型， 南京水文研究所的n r h m 模型，山西省水文水资源勘测局提出的双超产流模型。 同时，在引入国外各种流域水文模型应用的过程中，不断地吸取借鉴别人的一些 长处，也对其不合理处进行了改造。如a p i 模型、水箱模型、萨克拉门托模型、n a m ( 中 一丹合作) 模型、c l s ( 约束性线性系统) 模型等在生产实践中通过一定的改造后都取得 到了较好的应用效果。 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 水质模拟研究现状 2 2 1 水质模型的概念和建立步骤 水质模型( 即水质数学模型) 是一个用于描述物质在水环境中的混合、迁移过程 的数学方程，即描述水体中污染物与时问、空间的定量关系。在环境污染控制和水质 规划研究中，水质模型显得尤为重要，利用水质模型进行河流、湖泊、水库及河口等 的水质规划己经取得成功，一些在五六十年代曾经严重污染的河流，如芝加哥河、泰 晤士河、莱茵河等河流利用所建立的水质模型进行水质规划和管理，使水体水质有了 明显的好转。 随着治理力度的加大和水处理技术的发展，点源的废水水量相对地减少了，而非 点源或来自农业、城市的径流越来越重要。水质模型有助于预测进入表面水的非点源 污染规律。因此水质数学模型在河流水质规划、管理中是一个非常重要的工具。 水质模型的建立一般可以分为以下步骤 2 4 之8 1 ： ( 1 ) 模型的概化。这一步包括有关变量的选择，确定变量之间的相互影响以及变 化规律，模型结构概念的形成。模型只是真实情况的一个近似表达，而不能完全反应 实际，所以建模时只能选择其中关键的变量。 ( 2 ) 模型的一般性研究。包括模型的平衡性、稳定性和灵敏性研究。灵敏性是指 模型中参数的变化对模型所产生的影响，其研究结果如果不令人满意，则应回到第一 步重新选择变量。 ( 3 ) 参数估计。水质模型中的参数是物理的、化学的和生物过程中的常数。参数 估计是水质模型研究中非常重要的一环，在很大程度上，水质模型应用的成败取决于 参数估计是否正确。一个模型的参数估值如果不理想，则模型的结构可能需要重新考 虑。水质描写的参数必须通过某种方式来确定，如经验公式、实验室测定或数学方法 等。不管用什么方法，必须使得到的参数值在代入模型后能较好地重现观测数据。当 两个模型重现数据的能力相同时，通常选择含有参数较少的那一个模型。 ( 4 ) 模型的验证。模型建立好后，需要用另一套观测数据来检验其预测功能，如 果检验结果有较好的一致性，则认为模型具有较好的预测功能，否则需要重新进行模 型的结构和参数估计，直到结果满意。 ( 5 ) 模型的应用。研究水质模型的目的是控制水质、防止污染，改善人类赖以生 存的环境。所以建模的最终结果是成功地应用于水质管理和水质规划。反之，则水质 模型需要重新考虑。 2 2 2 水质模型参数确定的重要性 水质模型中有许多重要的参数，这些参数的正确与否，直接关系到水质模型在实 西安建筑科技大学硕士学位论文 际应用中能否正确地反映实际情况。如何测定这些参数，在建立水质模式的整个过程 中是一项重要的内容。河流的水质模型参数主要包括碳化b o d ( c b o d ) 耗氧速率系数、 硝化b o d ( n b o d ) 耗氧速率系数、碳化b o d 吸附沉降系数、氨氮吸附沉降系数、大气复 氧系数以及底泥耗氧速率等l ”。 为了建立水质数学模型，需要进行水质参数的估值预测，水质模型只有给各种参 数赋予确定的数值后，才有实用价值。从二十世纪六十年代起，河流水质参数预测的 研究工作就在美国、欧洲等工业发展起步早、水质污染问题出现早的国家开展起来。 到了八十年代，随着各种水质模型的日趋完善，水质参数预测方法也有了成熟的体系。 不同的研究者采用多种方法确定水质模型中的水质参数，为水质模型提供基本数据。 “ 2 2 3 国内外水质模型参数的研究现状及评述 ( 1 ) c b o d 耗氧速率系数的概念 有机污染物氧化分解耗氧是河流中耗氧的主要因素。一般情况下，有机物耗氧它 是全部耗氧量的主要部分。耗氧是通过生物、化学共同作用的结果，常用生化需氧量 b o d 来量度。有机污染物通过微生物和化学作用而氧化分解的过程分为两个阶段：含碳 物质的氧化阶段( 产生c b o d ) 和含氮物质氧化阶段( 产生n b o d ) 。c b o d 是异养微生物 分解水中的有机碳消耗的溶解氧量，由于异养微生物比硝化反应的自养微生物易占优 势，所以c b o d - - 般都比n b o d 先产生。几乎所有的水质模型都将c b o d 衰减作为一级 反应动力学，a p t 时刻的反应速率同该时刻剩余的有机物浓度呈正比，如下式。 皇生：一l 三 ( 2 1 ) 出 。 这里：l ： t 时刻的剩余c b o d ，m g l l 【d ：c b o d 耗氧速率系数k l ，d 1 t ：时间，d 上式的积分式得： l=loe一“(2-2) h ：t - - - 0 时的c b o d ，或称极限b o d ，m g a k d 值表征了水体c b o d 降解速率的大小，是水质模型的一个重要参数。它决定了水 体中有机污染物碳化耗氧速率的特征，具体数值受水中含碳污染物的性质、水温、河 流水力要素等决定。 ( 2 ) c b o d 耗氧速率系数的影响因素 a 水温 和其他生化过程相似，在蛋白质发生变性之前，c b o d 的耗氧速率系数随温度的生 高而加快，在一定温度范围内k l 与温度的关系式用下式表示： 西安建筑科技大学硕士学位论文 k = k 2 0 0 ( 7 一”) ( 2 - 3 ) 式中：k t ：温度为t 时的c b o d 耗氧速率系数 k 2 0 ；温度为2 0 c 时的c b o d 耗氧速率系数 o ：温度校正因子，无量纲经验系数 以上关系式中，研究条件不同，0 的取值也不尽相同。一般情况下，温度在2 0 - - 3 0 c 时，碳化耗氧速率温度校正因子。取1 0 4 7 。 b 水力因素 水的紊动影响受纳水体的c b o d 衰减，水流的冲刷、沉淀作用影响c b o d 的吸附沉 降系数l ( s ，强烈的冲刷会加强污染物和水生生物的接触，进而影响c b o d 的耗氧速率系 数。所以，在实验室静态实验得到的k l 值应用到实际河流时需要加以修正，b o s k o 采用 以下经验公式进行修正： k l t 坷s z ) = k l ( 实验室) + 口丢( 2 - 4 ) 式中：u ：河流平均流速( m s ) h ：河流平均水深( n 1 ) a ：河床活跃系数，与河流水力条件有关 c 有机污染物的性质 有机污染物的性质也会影响其在受纳水体中的去除速率。颗粒态的b o d 比溶解态 的b o d 更难降解，而且即使两种水的极限c b o d 相同，它们的b o d 降解曲线也会有很 大差别。流入水体的废水的处理程度越高，污染物的稳定性越强，耗氧速率系数k l 值就 越低。 d 有机污染物的性质 天然河流中溶解氧的浓度一般都大于2 m g l , 所以溶解氧不是k 。值的限制因素。但 当水体溶解氧小于2 m g l 时，c b o d 的降解受到遏制，k i 值偏小。 2 3 水质水量综合模型 水量水质是水资源不可分割的两方面属性，质以量为载体，量的多少又直接影响 其环境承载能力的大小。在客观评价流域或区域满足不同使用功能水资源量的同时， 也应能客观地评价其对应的水质状况。在实施水功能区管理、入河排污口管理以及在 水污染敏感区采取水利工程调控防污减灾和保证城镇饮水安全等实际工作中，都需要 有水资源质与量的综合评价结果提供技术支撑。因此，水质水量综合评价方法研究， 是水资源合理开发利用和保护的重要基础工作之一。 水质水量综合评价方法研究涉及面广，内容多，目前尚无成功的成果可借鉴，其 难度相当大。 西安建筑科技大学硕士学倚论文 2 4g i s 的应用 g i s 就是地理信息系统( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，是近十年来发展起来的一 门综合应用系统，它能把各种信息向地理位置和有关的视图结合起来，并把地理学、 几何学、计算机科学及各种应用对象、c a d 技术、遥感、g p s 技术、i n t e m e t 、多媒体 技术及虚拟现实技术等融为一体，利用计算机图形与数据库技术来采集、存储、编辑、 显示、转换、分析和输出地理图形及其属性数据。这样，可根据用户需要将这些信息 图文并茂地输送给用户，便于分析及决策使用t 3 3 - 3 5 1 。 地理信息系统( g i s ) 在最近的3 0 多年内取得了惊人的发展，在水环境及其水文学方 面的应用主要有：水文预报。降雨径流及河道汇流模型，短期定量和定性预报，长 期预报，无资料地区水文模型，实时预报系统；洪水模型。实时洪水调度，洪泛区 及洪泛区管理，洪水淹没标注，洪水监测，洪灾损失评估，防洪策略，洪灾保险，防 洪法律和法规，洪水对泥沙，污染及生态的影响；全球水文循环。全球气候模型， 分布式物理水文模型，土壤一植被一大气转换模型，土地利用对水文循环的影响，水 文规律的变异性；城市水文学。城市排水系统，排水系统管理，城市降雨径流模型， 城市暴雨洪水模型，城市水系统模型；水资源模型。不确定性条件下的水资源规划， 流域模型，地区水资源管理和可持续发展，社会一经济一文化模型，地表水一地下水 交互模型；水质和污染。水质监测，水质模型，暴雨洪水和污染管理模型，城市暴 雨和水质管理，水和废水处理技术1 3 6 - 3 9 1 。 g i s 的应用越来越广泛，尤其是在水质及水文方面。目前在国外g i s 已经应用到各 个方面，而在国内的应用还比较少，我们还没有认识到g i s 强大的功能。g i s 是一种具 有空间数据存贮、编辑、分析和显示物理数据对应的空间位置及其属性等方面的数据 管理和处理功能，并附有较强分析和计算工具的计算机软件系统。 本课题研究流域边界的设定上采g i s 分析，对西安市河流流域边界图以及地形图进 行g i s 分析，提取d e m 继而设定流域边界。 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 皂河水质现状 3 1 皂河水质现场监测( 各点水质) 皂河目前实际情况是源头没有新鲜补给水，也没有地表径流，因此已经失去了城 市河流的功能，应该视为城市的排水渠。 从皂河源头至皂河入渭，我们对韦曲、北石桥及六村堡三个断面( 见图3 一1 ) 进行 了水质监测，监测结果见表3 - 1 和表3 2 。 表3 - 1 皂河各断面水质 表3 - 2 皂河各断面重金属污染 从表3 1 、表3 2 可以看出，皂河各断面污染物指标严重超标，并且重金属含量很 高，皂河水体基本上是沿河纳入的工业废水河城镇生活污水，基本上是一条污水河。 皂河的治理，对于改善渭河的水质有重要的意义，另外，与皂河相邻的沣河的污染也 相当严重。 皂河流域位于西安市中心市区西部1 4 0 , 4 6 1 ，如图3 1 所示( 流域面积：1 3 5 k i n 2 ) 。对 西安市河流流域边界图以及地形图进行g i s 分析，提取d 酬继而设定流域边界。其中 本文研究对象截取现场水质观测地点z 1 z 3 为止的2 2 3 1 a n 的区间，该区间有来自5 个 污水集水区的已处理、未经处理的污水汇入。并且，该流域由沣惠渠灌区，小型及井 灌区和大峪水库灌区等3 个灌溉区组成，在居住区及工业区，由渭河西北郊水源，渭 河北郊水源，沣河水源，皂河水源及黑河引水渠等供水。而皂河流域内的雨水集水区 域，由六村堡组住宅区东部，邓家村，北石桥污水集水区西部及韦曲组住宅区全部区 域组成。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图3 - 1 皂河流域图 2 0 0 2 年l o 月至2 0 0 4 年1 月，我们对皂河流域进行了水质现场考察，主要的监测 端面有皂河流域3 个监测断面。 现场水质调查的项目有水质分析仪( h o i u b aw - 2 2 x d ) ，其检测p h 、c o n d ( 电导 率) 、d o 、t r m p ( 水温) 、t u r b ( 浊度) 、s a l ( 含盐量) ；小包装现场水质检测试剂 ( 日本共立理化学研究所) ，其现场检测c o d m 、n i t 3 - n 、t n 、p 0 4 - p ：同时采集水样 在西安建筑科技大学实验室检测b o d 5 ；部分水样由日本九州大学实验室对t n 、t p 、 重金属、s s 等项目进行精确的检测分析。 3 2 皂河水资源特点及其存在问题 3 2 1 皂河水质现状 环境监测部门从皂河源头至皂河入渭共设置了5 个水质监测断面，2 0 0 1 年主要水 质指标的监测结果见表3 - 3 。 室! ：! 皇翌圭蔓堑耍查堕些型! 巴吐! 序号段面名称 c o d o 悬浮物n h 4 + - n石油类 a 皂河源头4 4 9 3 9 4 0 韦曲镇入皂 丈八沟 雁门秋 农场西站 3 8 6 1 6 9 s 1 8 75 3 5 4 4 78 9 3 3 5 4 84 6 0 ，7 4 3 5 1 46 3 7 3 9 9 3 4 2 8 8 2 9 1 5 9 2 2 3 5 2 1 1 0 4 9 5 l 1 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 由表3 3 中皂河的水质监测结果可知，皂河各段面主要污染指标化学需氧量和石油 类均远远超过g b 3 8 3 8 2 0 0 2 地标水环境质量标准第v 类标准，为劣v 类水质。皂 河各断面的c o d c ，及n h 4 + - n 的变化如图3 2 和图3 3 。 图3 - 2 皂河各断面c o d e , 变化 图3 - 3 皂河各断面n h 4 + - n 变化 3 2 2 皂河污染分析 2 0 0 2 年l o 月至2 0 0 4 年4 月期间，课题组分别对流域内三个主要监测断面( z 1 、 z 2 、z 3 ) 进行了多次水质及流量监测。图3 - 4 、图3 5 和图3 石分别是不同时间、不同 断面的水质观测结果。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图3 - 4 皂河各水质监测断面b o d 变化趋势 图3 - 5 皂河b o d 沿程变化趋势 图3 6 皂河氮沿程变化趋势 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 皂河目前实际情况是源头没有新鲜补给水，也没有地表径流，已经失去了城市河 流的功能，可作为城市的排水渠考虑。由图3 - 4 可知，在降水量较少的冬季和春季b o d 5 都超过2 0 0 m g l ，由图3 5 可知，皂河各水质监测断面b o d 变化趋势其沿程b o d 逐 渐增大，可见皂河水质污染严重。 由图3 - 6 可知，皂河总氮浓度也非常高，并且氨态氮浓度达到全体的5 0 ，这是 因为未经处理的生活及工业用水被直接排入河流。另一方面，由于硝酸氮浓度较低， 可以认为该流域的河流处于冷淡状态，并且来自耕地的污物负荷非常少。 由于皂河源头自然水日渐减少，濒于干枯，夏季源头段往往成为干河。其源头主 要是局连村、长安一中的生活污水。皂河进入韦曲前水量尚小，流经韦曲( 汇入长安 县城生活污水) 以后水量倍增；韦曲以下河段又有傍河村庄、西安欧亚学院，丈八宾 馆、外事学院、武警学院生活污水排入；郭杜工业园区和4 0 家企业生产废水直接排入； 另外有6 条支流以及北石桥和邓家村污水处理厂的城市污水也排入皂河，皂河在入渭 前接纳了太平河汇入的污水。 从皂河水系总体情况看，其河道主要在西安市境内，西安市的污染物贡献量占到 总量的9 0 以上。皂河污染的具体原因有以下三个方面： ( 1 ) 工业企业污水排放。皂河水系( 含太平河) 目前纯粹是纳污河，沿皂河及其 支流的排污企业有1 1 7 家，这些企业多数是污染严重的造纸企业，淀粉、印染和啤酒 等企业。 ( 2 ) 生活污水排放。皂河水系沿线村庄的生活污水排入水体，尤其是皂河长安段， 每日接纳了韦曲镇5 万吨未经处理的生活污水，由于生活污水可生化性强，容易造成 河水变臭。 ( 3 ) 生活及建筑垃圾排放。皂河及其支流太平河沿岸为长安区粮食、蔬菜种植区， 当地农民将农作物秸秆、杂草、蔬菜烂叶沿皂河堆放或投入皂河中，造成水质污染， 河道堵塞。沿河的个别单位将建筑垃圾，生活垃圾在皂河沿岸堆放，甚至直接倾倒入 河道。 由此可见，皂河水体基本上是沿河纳入的工业废水和生活污水，实际上是一条污 水河。 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 1 模型概述 4 流域水质水量模型 河流对污物的负荷形态分为点源负荷和面源负荷。点源负荷适用于生活排水和工 业废水等包含的污物通过排污管道流入接受水域的情况下，此时发生源比较容易确定。 而面源负荷适用于由径流降水，灌溉排水，径流地下水等原因导致有机物，农药，肥 料成分，微量化学物质等排出的情况1 4 1 4 3 l 。分析污物负荷过程时，准确把握降水径流 及人工进行的水利用形态等是必不可少的【删。 本章将建立一个水量水质综合模型，该模型中将考虑以下因素：降水，蒸发量等 自然水循环，城市河流流量，以及生活，工业，农业用水及排水量等。图4 1 显示了皂 河流域各个灌区及生活区水流的流入流出概略分析。首先，使用水箱模型算个灌区单 元出水及污物的流出量。其次，根据运动波模型算出皂河流量，然后根据水平流动分 散一次方程式搞清皂河水质的变化。 大峪水库 | | | l i j l 一 大峪水庳灌区 一卜冬 1 _ 1 一 f 咱 l 1 厂一 f 目 l 厂一 日 耄竿藿耘部每理耋警赫等嘉分处理；蠢繁藿妊强 z l z 一2z 一3 图4 1 水循环模型的概念 图4 ，1 中标示了皂河流域( z l z 3 区间) 水循环模型的概念。在计算中，我们使用西 1 6 地下水利用 西安建筑科技大学硕士学位论文 安市区的日降水量作为数据。图4 1 中的各种排水流入位置，是根据各个灌溉及污水集 水区等的位置来确定的。在这里，我们建立了一个水箱模式，能够根据与地质信息等 有关的数据来有效计算图中3 个灌溉区的流出量，并对灌溉引水，灌溉排水，非自来 水管道供给地区的地下水利用，地下水排放进行相关分析。同时，设定来自自来水管 道供给区域各水源的生活及工业用水取水以及雨水污水集水区域的排放路径，研究流 入水箱模式排水管漏水的水量。 本文在计算汇入皂河的流量时使用水箱模式，在计算河流流量时使用运动波法。 在图4 1 水循环的基础上，根据经验式算出施肥等造成的灌溉排水面源负荷，根据原单 位法计算工业及生活排水造成的点源负荷，据此揭示皂河的污物负荷过程。 4 2 水质水量综合模型构建 4 2 1 皂河河流的概化以及断面的选择 自然界中的河流河道断面变化复杂，纵横交错，汇流众多，若把各种细节都考虑 在内，则河流情况复杂，计算工作巨大，模拟计算费时费力，实际上也是不必要的。 所以必须抓住主要因素进行合理的河道概化和断面选择梆”。 概化的基本原则是要基本反映天然河流的水力特性，即概化后的河流在输水能力、 河流调蓄能力两方面必须与设计河流相近或基本一致。概化过程中应考虑地形条件， 河流交汇情况等。为此必须确定概化( 为数值计算而简化) 的河流以及其河道断面参 数，其次再河流水动力模型提供最基本的河道数据等。 为了便于计算并且满足计算精度要求，参照实际皂河断面，将皂河断面简化为图 4 2 至图4 _ 4 所示的断面 断面用四个参数来表示，即：高程z o 、与z o 相应的河面宽b o 、与z 0 相应的过水 断面积k 河道两岸边坡之和s = s ：十s 。，如图4 - 5 所示。 珂宣钿d 图4 2z 1 断面示意图 两竟( m 图4 - 3z 2 断面示意图 。 讲 枷 毗 m 西安建筑科技大学硕士学位论文 爿j e ( 神 图4 _ 4z 3 断面示意图 k 图4 5 概化河道断面示意图 考虑皂河的实际情况，在z 0 较小时，可以作进一步简化b o = b o 。皂河断面多为不 规则断面，且断面沿程也是不规则变化的，所以将z 1 - z 3 之间的河段概化成一条在长 度上相等的棱柱形河道。 4 2 2 水质参数的估计 水质模型中有许多重要的参数，例如离散系数e ，生物降解系数k l ，大气复氧系 数k 2 ，b o d 沉降与悬浮系数k 3 ，硝化反应速度常数b ，地表迁移或底泥中有机物重 新悬浮可增加b o d 的速度r ，由光合作用、藻类呼吸和底泥有机物所引起氧亏浓度变 化速度p 等。这些参数数值的准确与否，关系到模型的实际应用中能否正确模拟实际 情况。如何测定和估计这些参数，在建立水质模拟的整体过程中，是一项及其重要工 作。实际上，水质模拟过程，也就是对系统模型进行识别，对模型参数进行估计，再 用实际观测值进行检测、调整的反复实验过程【5 1 ，5 2 1 ( 1 ) 纵向离散系数e 的估算 河流纵向离散系数视资料条件的不同，一般有三种途径计算，即：用断面流速分 布资料推断，用现场示踪剂资料推算，用经验公式估算。例如，常用f i s c h e r 公式( 1 9 7 5 )