（水文学及水资源专业论文）济南市河流湖泊水质数值模拟研究.pdf

山东大学硕士掌位论文 摘要 水是城市的血液，是农业的命脉，是人类生存和各项事业及工业生产所必需 的有限资源。随着人口的增加及经济的发展，水资源短缺已成为济南市社会经济 发展的“瓶颈”。济南市水资源短缺的原因之一是“水质型缺水”，因此，解决水环 境污染问题是济南市的一项重要任务。开展济南市水环境质量控制研究，对保证 济南市拥有满足水质要求的充沛水量，保护和恢复景观河道功能，改善济南市水 环境质量，合理配置水资源，不仅具有理论价值，而且具有深刻的现实意义。 目前济南市的内河水系和内湖污染较为严重，具有代表性的水域为小清河和 大明湖。小清河是济南市重要的防洪排涝河道，具有防洪、除涝、灌溉等多种功 能，近年来由于工业污水和生活废水的大量排入，小清河的水环境功能遭到严重 破坏。由于泉水断流和水质污染，大明湖水体总氮、总磷严重超标、透明度降低， 水体处于富营养状态。 城市水环境质量控制是一项复杂的工作，需要进行污染源调查。生态需水量 计算，水环境容量计算，水环境质量评价等方面的工作。本文主要对济南小清河、 大明湖进行水质数值模拟研究，为水环境质量控制方案提供技术支持。具体研究 内容如下：( 1 ) 系统归纳总结了国内外水质模拟的研究进展与发展现状，主要有 水质模拟的分类、水质模拟的原则、水质模拟的基本原理、河流一维方程与湖泊 二维方程、方程离散方法、国内外进行水质模拟的常用软件等。( 2 ) 针对济南市 主要河流与湖泊的特点，本文采用一维水质模型对小清河睦里庄黄台站段进行 了模拟；对大明湖采用二维水质模型，进行了初步的模拟。( 3 ) 结合小清河与大 明湖的实际情况，制定了符合济南市水环境要求的治理措施。( 4 ) 采用m a p g i s 、 v f p 及v b + m o 开发了济南市水环境质量控制管理系统。 通过模拟，可以看到小清河除源头段睦里闸附近的水质尚可，满足景观娱乐 用水需求外，其余河段的水质均严重超标，需要进行治理：大明湖的水质也比较 差，需要进行整治。 关键词：水资源：水质；模拟；控制 1 ) i ，a t e ri sv e r yi m p o r t a n tf o rh u m a n i ti sal i m i t e dr e s o u r c ew h i c hi se s s a n t i a lf o r h u m a n ，sl i f ea n da l li n d u s t r y b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o na n dt h e e n h a n c e m e n to fp e o p l e sl i v i n gl e v e l ，w a t e ri sp o l l u t e dg r a d u a l l y , m o r ea n dm o r e w a t e ri sb e i n gp o l l u t e d 1 e s sa n dl e s sw a t e rc a nb e u s e df o rp e o p l e w i t ht h e u r b a n i z a t i o na n dt h em u s h r o o m i n go fp o p u l a t i o n ，t h eu s i n gw a t e rq u a n t i t yi sm o r e a n dm o r e ，w h i c hm a k e st h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e so fj i n a n t h es h o r t a g eo f w a t e rr e s o n r c e sh a sb e e nt h eb o t t i e n e c kf a c t o ro fs o c i a ld e v e l o p m e n t m o s to ft h e m i sc a u s e db yw a t e rq u a l i t yf a c t o ls o , i ti sa ni m p o r t a n tt a s kt oc o n t r o lw a t e r e n v i r o n m e n tq u a l i t vi nj i n a na n dd e a lw i t l lt h ec o r r e l a t i v i t yo f w a t e re n v i r o n m e n ta n d e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h e r ei sn o to n l yt h e o r yb u ta l s or e a l i s t i cm e a n i n gt or e s e a r c h t h ew a t e re n v i r o n m e n tc o n t r o li nj i n a n i tc a ng u a r a n t e ee n o u g hw a t e rf o r t h e i n h a b r a n ta n df a c t o r yi nj i n a n , p r o t e c ta n dr e n e wt h ef u n c t i o no fs i g h tr i v e r w a y , i m p r o v et h ew a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t y i nj i n a n , c o l l o c a t ew a t e rr e s o u r c e sw i t h r e a s o n s o , w h e nw er e s e a r c ht h eu l t i l i t yo fw a t e r , i ti sn o te n o u 畦0m k ew a t e rq u a n t i t y i n t oa c c o u n to n l y , w em n s ta n a l y s ea n df o r e c a s tw a t e rq u a l i t y , t o o w es h o u l dr e s e a r c h t h em l eo ft r a n s f e r - d i f l u s i o n , a t t e n u a t i o na n di n v e r s i o no fc o n t a i n i n a t i o ni nw a t e r n o w , t h er i v e r sa n dl a k e si nj i n a ni sp o l l u t e db a d l y , e s p e c i a l l yo fx i a o q i n gr i v e r x i a o q i n gf i v e ri sa ni m p o r t a n tf l o o dc h a r m e l i t sf u n c t i o n sc o n t a i n sf l o o dp r o t e c t i o n ， w a t e r i o g g i n ge l i m i n a t i o n ，i r r i g a t i o na n ds oo n i nr e c e n ty e a r s , w a t e re n v i r o n m e n to f x i a o q i n gr i v e ri sw o r s i n gm o r ea n dm o r eb e c a u s eo ft h ed i s c h a r g eo fi n d u s t r ya n d l i v i n gs e w a g e a c c o r d i n gt ot h em o n i t o rd a t ao fx i a o q i n gf i v e r , t h er i v e r h e a d , m u l i z h u a n g , i sc o i n c i d e n t a lt ot h ec r i t e r i o nf o rs u r f a c ew a t e ri i lb u ti no t h e rp l a c e s ， a l li n d e xe x c e e d st h ec r i t e r i o n 。e x p e c i a l l yn h 3 na n do r g a n i cc o n t a i n i n a t i o n t h e t o t a ln i t r o g e na n dt o t a lp h o s p h o ri nd a r n i n gl a k ee x c e e d st h ec r i t e r i o ns e v e r e l y n e d i a p h a n e i t y i sl o w e ra n dl o w e r , t h ew a t e ri si n e u t r o p h i cs t a t e t h o u g ht h e g o v e r n m e n th a sm a d es o m em e a s u r et of a t h e ri t b u tt h ei m p r o v e m e n to fw a t e rq u a l i t y i sv e r ys l o w t h ep o l l u t i o no fw a t e ri n f l u e n c e st h eh a b i t a t i o na n dl i v h a gq u a l i t y s e v e r e l y t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ew a t e rq u a l i t yo fx i a o q i n gr i v e ra n dd a r n i n gl a k e t h e m a i nc o n t e n t si sa sf o l l o w s ：( 1 ) t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hp r o c e s s ，i n c l u d i n g t h eh y d y n a r n i c a ls i m u l a t i o na n de u t r o p h i cs i m u l a t i o no fl a k e s 1 1 l i sp 卸e ri n t r o d u c e s s o m et h e o r yo f w a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o n ，s u c ha sc l a s s i f i c a t i o n ，p r i n c i p l e ，f r n d a r n e n t a l ， o n e d i m e n s i o ne q u a t i o no fr i v e r s ，t w o - d i m e n s i o ne q u a t i o no fl a k e s ，t h ed i s p e r s i o no f e q u a t i o na n ds o m es o f t w a r ef o rw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o na n ds oo n ( 2 ) a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e ro fr i v e r sa n dl a k e si nj i n a n , t h i sp a d e rs i m u l a t e sw a t e rq u a l i t yo f x i a o q i n gf i v e ra n dd a r n i n gl a k e ，w h i c hg e t sar e a s o n a b l er e s u l t ( 3 ) p u tf o r w a r ds o m e m e a s u r e st of a t h e rw a t e re n v i r o n m e n to fj i n a ni no r d e rt om a k i n gt h eh a b i t a t i o nb e t e r a n db e t e r ( 4 ) u s ev b + m 0t o c o m p i l et h e w a t e re n v i r o n m e n t q u a i l t yc o n t r o l d e m o n s t r a t i o ns y s t e mo f j i n a n w a t e rq u a l i t ya tm u l i z h ar e a c hm e e t ss i i g h t e n t e r t a i n m e n tr e q u i r e m e n t ，b u ta to t h e r n 山东大掌硕士学位论文 r e a c h e s ，w a t e rq u a l i t ye x c e e d sc r i t e r i o ns e v e r e l y ，w h i c hn e e d sf a t h e r i n g w a t e rq u a l i t y o fd a r n i n gl a k ei sn o tw e l l ，a l s on e e d sf a t h e r i n g k e y w o r d s ：w a t e rr e s o u r c e s , w a t e rq u a l i t y ；s i m u l a t i o n ；c o n t r o l i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：望錾叠 日期：丝塑：兰! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墨重勉导师签名： 日期： t h 东大学硕 a b 掌位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 我国城市水资源短缺，而且分布不均匀。我国水资源的地域性分布特点为南 多北少。水资源地区分布不均，主要是全国降水不均造成的。我国降水量从东南 沿海向西北内陆递减，依次可划分为多雨、湿润、半湿润、半干旱和干旱五个地 带。全国有4 5 的土地面积处于降水量小于4 0 0 m m 的干旱和半干旱地带。由于降 水不均的影响，造成了全国水土资源严重不平衡的现象，如长江及其以南耕地只 占全国耕地的3 6 ，而水资源却占全国总量的8 0 ；黄、淮海流域水资源仅占全 国的8 ，而耕地却占全国的4 0 。水土资源相差悬殊，造成了我国水资源配置 的难度和天然水环境的不利状况。 目前，我国城市水环境质量所面临的形式十分严峻。据2 0 0 4 年统计，七大 水系的4 1 3 个水质监测断面中，有4 1 6 的断面满足国家地表水类标准；3 0 5 的断面为v 类水质；超过v 类水质的断面比例占2 7 9 。珠江、长江水质 较好，海河、辽河、黄河、淮河、松花江水质较差。 水是城市的血液，是农业的命脉，是人类生存和各项事业及工业生产所必须 的有限资源。但随着生产的发展，人民生活的不断提高，污染源和污水量都迅速 增加，水体已经逐步受到污染并危及到水的利用。因此，研究水的利用问题时， 只考虑水量是不够的，还必须分析和预测自然水体中的水质状况，研究水体中污 染物的迁移、扩散、衰减转化的规律。 本文的研究区域济南素以“泉城”著称，以泉水闻名。在城区范围内，分布有 四大泉群七十二泉，数量之多，流量之大，实属罕见。然而，由于地下水过度开 采等原因，致使泉水自1 9 7 5 年春季开始出现断流，到2 0 0 3 年之前几乎年年有断 流现象，尤其自1 9 9 9 年到2 0 0 3 年期间，济南泉群连续停喷9 3 6 天。据不完全统 计，每年由于泉水断流及水环境问题造成旅游等方面的直接损失约十几亿元。 目前济南市的内河水系和内湖污染较为严重，作为济南市主要排洪通道的小 清河尤为突出。小清河是济南市重要的防洪排涝河道，具有防洪、除涝、灌溉等 多种功能。近年来由于工业和生活废水的大量排入，小清河的水环境遭到严重破 坏。据有关部门对小清河干流进行的监测，小清河源头睦里庄断面各项监测结果 符合地表水i i i 类标准，但其余断面监测结果均超标，小清河以氨氮和有机污染为 主，为劣v 类水质。由于泉水断流和水质污染，大明湖水体总氮、总磷严重超 标、透明度降低，水质处于富营养状态。近年虽然经过底泥疏浚、环湖截污、引 配水和药物喷洒等一系列综合整治措施，延缓了湖水富营养化的进程，但大明湖 水质改善仍十分缓慢，湖泊还处于富营养化状态。总氮、总磷等依然超标，现状 水质为劣v 类水平。水质污染、水环境质量的下降严重影响了济南市的生活环 境及市民的生活质量。 随着社会经济的发展，人类生活水平的提高，人们对水环境的要求也进一步 提高。尤其是城市，是受人为因素影响最为严重的地方，因此，应加强城市水环 境的研究。水质数值模拟可以将城市河流和湖泊的水质水量要素进行数值化，为 水环境的研究提供数据支持，并且可以进行河流湖泊治理后的模拟，预测治理效： 果。 1 1 2 研究意义 本文是济南市科技攻关项目“济南市水环境质量控制研究”中的子课题，其研 究目的在于为小清河和大明湖提供合适的水质模拟模型，并采用此模型预测大明 湖和小清河调水后的水环境状况。 本文研究区域济南市，是我国北方水资源比较匮乏的城市之一。进入二十世 纪八十年代以来城市规模与人口迅速增加、经济迅猛发展，造成供水量急剧增长， 使全市有限的水资源日趋紧张。水资源短缺已成为全市社会经济发展的“瓶颈”， 水资源短缺的原因之一为水质型缺水，因此，解决济南市水环境污染问题是济南 市目前的一项重要任务，处理好水环境与经济发展的相互作用与关系十分重要。 开展济南市水环境质量控制研究，对保证济南市拥有满足水质要求的充沛水量， 保护和恢复景观河道功能，改善济南市水环境质量，合理配置水资源，不仅具有 理论价值，而且具有深刻的现实意义。 1 2 国内外研究进展与发展现状 水质数值模拟主要包括水动力和水质模拟，河流水质模拟时只需要考虑水动 2 山东大掌硕士掌位论文 力及水质耦合模拟，而湖泊由于其形态及流态的不同，又具有不同的特点，因此， 在湖泊水质模拟时经常需要综合考虑富营养化模拟。 1 2 1 国内外水质数值模拟研究进展 最早发展的水质数学模型是简单的氧平衡模型。1 9 2 5 年，美国的两位工程 师s t r e e t e r t l j 和p h e l p s 在对o h i o 河流污染源及其对生活污水造成的可度量影响的 研究中，提出了氧平衡模型的最初形式。在该模型中，他们假定河流的自净过程 当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 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， 其速率与水中的氧亏值成正比。在这两个相反过程的作用下，水中溶解态氧达到 平衡。该模型最初被应用于城市排水工程的设计和简单水体自净作用的研究。 自从1 9 2 5 年s t r e e t e r 矛i l p h e l p s 发表俄亥俄河水污染及自然扩散的研究，建 立第一个河流水质数学模型以来，经过近八十年的研究和发展，现在，己经提出 了许多不同的模型。国外对水质数学模型的开发和研究可划分为四个阶段： 1 9 2 5 年1 9 6 5 年，开发了较为简单的b o d - d o 的双线性系统的耦合模型，即 “s p ”方程，对河流河口采用了一维计算，模型适用于河流，河口和湖泊作水质 模拟。 1 9 6 5 年1 9 7 0 年，随着电子计算机的应用及人们对生化好氧认识的深入，除 继续发展b o d d o 模型的多参数估值外，包括d o b b i n s c a m p ，t h o m a s 等人对s p 模型进行的修正，将水质模型发展为六个线性系统( n h 3 n ，n 0 2 n ，n 0 3 n ， b o d ，d o ，有机氮) ，计算方法从一维发展到二维，并开始研究湖泊与海湾问题。 1 9 7 0 年1 9 7 5 年，研究开发了相互作用的非线性系统，涉及到营养物的循环 过程、浮游动植物系统以及生物生长率同营养物质、阳光、温度的关系。计算方 法一般用数值解法，空间上用一维和二维方法计算。模型适用于河流、河口、湖 泊、水库等水域的水质模拟。 1 9 7 5 年以后，除进一步研究食物链问题外，还发展了多种相互作用系统，包 括水生态系统生物量和水中有毒物质的积累与转化的交互，水质与底质的交互， 水相与固相的交互等方面。空间维数【2 】发展到三维，适用于河流、河口、湖泊和 海湾等。 这些已有模型能较好地反映客观实际情况；一些有机物的水质模型己基本成 3 熟。近年来的研究重点已从点源污染转向面源污染，从一般有机污染物转向有机 化合物，从一般地表水污染转向固体废物和农药对地下水的污染，从一般河流转 向河口海湾，从一般生化模型转向生态模型，从确定性模型转向非确定性模型【3 】o 1 2 2 湖泊富营养化数值模拟研究进展 自从湖泊富营养化阳】引起人类注意以来，科学家们就设法通过使用数学模 型来模拟湖泊富营养化的发生，预测湖泊对不同管理措施的响应，以便找出合理 的治理措施。总的来说，湖泊富营养化模型大概经历了以下三个主要的发展阶段： ( 1 ) 简单的回归模型睁7 1 ；( 2 ) 单一的营养物质负荷模型；( 3 ) 生态动力学模 型 生态动力学模型是目前也是以后发展的主流。随着人们对湖泊生态系统认 识的提高和计算机技术的发展，生态与水动力耦合模型、面向对象模型和神经网 络模型等具有良好的发展前景。 1 、简单的回归模型 简单的回归模型主要是建立在对大量水质和生物数据统计分析的基础上，多 用来描述磷与叶绿素a 、透明度之间的关系，这类模型的主要优点为： ( 1 ) 可提供湖泊水质的大致变化趋势； ( 2 ) 能对湖泊水质进行快速评价； ( 3 ) 为不熟悉数学模型的规划人员和决策者提供定量工具。 但是，由于建立这样的模型通常需要大量的数据，而这些数据的精度往往很 难保证，加之建模考虑的问题过于简单，因此，简单的回归模型难以作为很好的 预测工具，通常只在数据不太理想或者建立复杂模型前用作初步的半定量估计。 2 、简单的营养盐模型 引起富营养化的物质主要有碳、氮、磷。在一般条件下，淡水环境中存在的 碳、氮、磷的比率为1 0 6 ：1 6 ：1 ，根据l j e b i g 的最小生长规律1 8 l 可以认为氮、磷 是富营养化形成的限制物质，其中磷是绝大多数湖泊和水库富营养化形成的最为 关键的限制物质。在7 0 年代湖泊学家们通过建立简单的磷负荷模型评价、预测湖 泊水体的营养状态。这类模型的典型代表是加拿大湖泊专家v o l l c n w c i d c r ( 1 9 7 5 ) 提出的v o l l c n w e i d e r 模型 9 1 ，模型假定湖泊中随时间而变化的总磷浓度值等于单位 容积内输入的磷减去输出的磷及其在湖内沉积的磷。随后，d i l l i o n 、l a c s c n 、m e r c i e r 4 山东大掌硕士掌位论文 等又对b 咖e j d e r 模型进行了些修正，产生了模型及ia c s m e r c i e r 模型f 1 0 】 等，单一营养物质模型在北美以及世界上其他国家和地区得到广泛应用，1 9 7 9 年以来，我国也将其应用到湖泊、水库的营养化的研究中，陈永灿( 1 9 9 8 ) 建立 了密云水库总磷、总氮、b o d 、c o d 完全混合系统水质模型，并根据1 睥的实 测资料分别确定了总磷，总氮的沉降速度s 和b o d ，c o d 的综合沉降系数k ，并 由建立的水质模型对密云水库在不同污染负荷下2 0 0 5 年时水质及富营养化状况 进行了预测f 1 1 1 。基于v o l l e n w e i d e r 模型思路，陈云波( 1 9 9 9 ) 分析了滇池水动力特征， 将完全均匀混合质量平衡水质模型应用于滇池水质有机污染浓度预测，给出了 2 0 0 0 年和2 0 1 0 年各种水文情景下的水量预测、入湖污染物负荷预测【1 2 1 。 近年来，营养盐模型得到了很大的发展，在很大程度上克服了早期磷的缺陷： 从考查单一的总磷浓度发展到模拟水体整个磷系统( 包括颗粒磷d p ，溶解的无机 磷d i p 和浮游生物中的磷p p ) 的循环：从简单的水体完全混合模型发展到多层模 型；从单纯考虑水体本身的营养盐循环发展到考虑底泥【”l 、和水体界面的营养 盐交换过程等。 对于浅水湖泊而言，水体与底泥之间的营养盐交换十分活跃，因此，如何模 拟底泥质与水体界面之问养分交换过程( 主要为磷) 是今后湖泊营养盐模型研究 的重点。总的来说，单一营养盐模型具有模型简单、使用方便等优点，营养盐循 环的深入研究有利于全面细致的模拟水体的富营养化。但是它也有自身难以克服 的缺点： ( 1 ) 只把一种营养盐( 如磷) 视为限制性营养元素，不能模拟水体中两种营 养盐含量相当的情况； ( 2 ) 难以反映水体中多种养分的相互影响及其对生态系统的综合影响； ( 3 ) 不能反映湖泊生态系统的动态发展过程等。 3 、生态动力学模型 生态动力学模型的研究始于c h e n ，d i t o r o 开发的简单水质动力模型体1 5 1 。 生态一动力学模型一般包括三个营养级( 浮游植物、浮游动物和鱼) 与各元素( 如 碳、磷、氮、硅) 有关物理、化学与生物变化过程，在一般情况下，这个变化可 用磷循环子模型、氮循环子模型和碳循环子模型等来描述。j o r g e n s e n 于1 9 7 6 年提 出了g l u m s 生态模型f 1 6 1 ，该模型以c ，n ，p 为营养物质的循环变量，按生物链层 5 次建立了以浮游植物、浮游动物为中心变量的生态模型，为此后一系列富营养化 模型研究的基础，此模型共有1 7 个状态变量，包括整个食物链，同时还考虑了硅 藻细胞内的养分，这对于富营养化的浅水湖泊来说是非常必要的，同时n 、p 、c 的循环是独立的，因此该模型的参数很多；p a r k 等开发的c l e a n 系列湖泊综合模 式【柳，至今仍在广泛应用，该模型中考虑了n 、p 、c 、s i 循坏，共考虑y 4 0 + 状 态变量。d i t o r o 等开发的w a s p 5 箱模型，是一个能模拟各类地表水中污染物的输 移扩散的综合模型，被称为万能水质模型【埘。该模型包括t o x i s ( j 苇 来模拟有机 化学物质和金属离子的动力过程) 和e u 豫0 5 ( 用来模拟d o ，c b o d 、营养物和浮 游植物之间的动力过程) 。 与国外相比，我国f 1 2 0 世纪8 0 年代开始在对湖泊富营养化模型构建上开展研 究，开展水质数值模拟的起步较晚，见诸报导的成果不多。其工作主要围绕太湖、 滇池、东湖等湖泊展开。刘玉生等( 1 9 9 1 ) 在研究滇池c ，n ，p 时空分布、藻类动 力学、浮游动物动力学以及沉积物与营养盐释放的基础上，把生态动力学模型与 箱模型以及二维水动力学模型相结合，建立了适合滇池特定的富营养化模型【1 9 1 ； 朱永春、蔡启铭( 1 9 9 8 ) 应用三维五层水动力学和物质输移模型【冽，探讨了在水动 力作用下太湖蓝藻水华的迁移、聚积规律和垂直分布特征；杨具瑞，方泽( 2 0 0 0 ) 将三维问题“二维化”的分层迭代计算方法引入滇池水质模拟中，建立了湖泊二维 分层水质模型，对滇池流场和总氮浓度场分两层进行了模拟计算，结果表明，滇 池水体上下两层总氮浓度与有没有考虑层问对流( 垂向对流) 有很大关系。污染 物从各排污口进入湖泊后，随着水流迁移、扩散、降解和水体的稀释作用，在垂 向上掺混，基本上达到均匀，但受底泥污染物的释放作用影响，下层水体比上层 水体浓度略高【2 ”。 目前，一批大型综合生态动力学模型己经发展成为大型商用软件，如w a s p 5 模型、c i e 锄e r 模型、c e q u a l 系列模型等，但是，这些模型都包含了很多的参 数，且这些参数的率定十分困难，如c l e a n e r 模型考虑了4 0 + 生态变量，模型需 要率定的参数多达1 1 0 个。尽管一些生态模型利用一些特殊年份的实测资料，进 行了模型参数的率定和验证工作，但由于富营养化模型中类似藻类的生长速率等 参数对于不同的藻类，不同季节、甚至不同时段内都是不一样的，给模型参数的 率定带来了很大的困难，也限制了模型的引用。 6 山东大掌硕士掌位论文 1 2 3 浅水湖泊水动力数值模拟研究进展 浅水湖泊水动力数值模拟研究到现在有4 0 多年的历史了，目前的数值模拟技 术日趋成熟，从水动力学数学模型发展的体系来看，模型已经从零维模型、二维 模型发展到现在的三维模型。 湖泊水动力学模拟是湖泊研究中的一个重要方面，其主要动力过程风生 流、风涌增减水、定振波、风浪等直接或间接的制约着湖泊环境系统的演变与发 展，湖泊水动力学研究的方法有野外观测、物理模型模拟及数值模型模拟【2 2 】等。 湖泊的数值模拟研究最早起源于7 0 年代，随着计算机技术的发展和普及，加拿大 内陆研究中心、美国陆军团水道试验站、日本琵琶湖研究中心等研究单位和专家 率先利用数学模型，对北美的安大略湖【矧、伊利湖【2 q 、日本琵琶湖【2 5 - 2 6 的等世 界著名的湖泊的湖流流态进行数值模拟。迄今为止，数值模型在湖流研究中的应 用已有3 0 多年的历史1 2 7 l ，国内外很多研究人员在这方面做了大量的工作，取得 了许多可以借鉴的成果。 一一浅水湖泊水动力数学模型可分为四大类：零维模型、整层积分的二维模型、 多层积分准三维模型和三维模型。 1 、零维模型 零维模型的应用有其一定的适用范围，混合基本均匀的小型浅水湖泊可视为 零维，在该体系内部各水团间是完全混合均匀的，流入到该体系的物质立即被分 散到整个体系，这种连续流完全混合的封闭的反应体系是一种理想的状态【堋。 零维模型的水动力方程即为水量平衡方程，它的求解原理依据入流及水体蓄泄关 系，根据水量平衡方程求得水体的蓄水变化与出流过程。零维模型考虑的过程较 为粗略，这就大大限制了它的应用。 2 、整层积分的二维模型 二维模型是h a n s e n 2 9 1 ( 1 9 6 5 ) 第一个提出的，用于计算浅水海域的水位 变化过程及潮流。随后，l e e d e r t e s ( 1 9 6 7 ) 开发了能计算河口、海域水流流态的 二维模型，o a l l a g h e r ，l i g g e t t e t a l ( 1 9 7 3 ) 又建立了二维风生环流的数学模型。 在我国，直n 8 0 年代中期，国内才开始湖泊水动力学数值模拟的研究工作，吴坚 ( 1 9 8 6 ) 在我国首次设计了整层积分的二维浅水动力学模式，将该模式应用于太 湖得到了太湖风生流、风涌增减水等很有意义的结果f 3 0 l 。王谦谦( 1 9 8 7 ) 用二 7 维差分模式模拟了定常风作用下太湖风生流的各种特征【3 1 1 。刘启峻( 1 9 8 3 ) 以 守恒形式的二维水动力学方程组为基础，模拟了太湖，特别是太湖梅梁湾在各种 风应力作用下的湖流运动规律1 3 羽。吴炳方等( 1 9 9 6 ) 用二维非恒定流模型分析 了洞庭湖湖流运动规律和风力对湖流的影响作用【3 3 】。，李锦绣( 1 9 9 6 ) 在“八五” 期间，利用二维风生流数学模型，对滇池水流进行了数值模拟研究，也得出了一 些有用的结论f 3 4 j 。发展至今，二维模型已经比较成熟并广泛应用于实际工程的 计算，该模型最适合研究宽深比较大的宽浅型湖泊的研究。二维模型的不足之处 是不能得到速度的垂向分布，对湖泊表面风应力及底部摩擦项常用半经验公式求 解。 3 、多层积分的准三维模型 s i m o n ( 1 9 7 3 ) 提出了计算大面积湖泊环流的多层模式，在用于对安大略湖 进行数值模拟时，将湖泊水体沿水深方向分为4 层，然后，将各层分别处理为二 维模型，这种模型又称为分层模型，也已经得到广泛的应用。姜家虎( 1 9 9 1 ) 用 一个二维分层积分和二维整层积分的数值模拟方案，系统地讨论了滇池环流形成 机制【蚓；杨具瑞等( 2 0 0 0 ) 将三维问题“二维化”的分层迭代计算方法引入滇池湖 泊水流计算中，对滇池进行湖流模拟，得到成功应用【2 。分层模式作为一种三 维模式的简化，推广了二维模式的数值方法和计算程序，比较简单，适用于实际 分层流的计算，但多层模式毕竟比较粗糙，存在许多不足之处，如层数的增加受 到一定的限制；层与层之间必须引入内摩擦系数，该系数没有固定的值，很难精 确设定，假定层与层之间不可透水，当流动存在明显的上升或者下沉的时候，会 导致计算失稳等。 4 、三维模型 d a v i e s ( 1 9 8 2 、1 9 8 3 ) 开发了计算分层流的三维模型，s i m o n ( 1 9 8 5 ) 又开 发了大型湖泊风生环流的三维模型。国内一些学者在这方面也做了大量工作，近 年来在我国湖泊水动力学数值模拟的研究有了长足的进展，我国在三维模型上的 研究，主要集中在太湖这种大型浅水湖泊。梁瑞驹、仲金华( 1 9 9 4 ) 建立了太湖 风生流的三维数值模拟【3 6 l ；逢勇、濮培民( 1 9 9 6 ) 开展了太湖风生流三维数值 模拟试验，黄平( 1 9 9 7 ) 对武汉市墨水湖的风生流模拟，较真实的反应湖泊风生 流的流态特征【3 7 j ；朱永春、蔡启铭( 1 9 9 8 ) 进行了太湖梅梁湾三维水动力学的 8 山东大掌硕士掌位论文 研究【蚓；胡维平、濮培民等( 1 9 9 8 ) 开展了太湖风生流及风涌增减水的三维数 值模拟【3 9 1 。从理论上讲，三维模式自然更能反映实际的水流状态，尤其是用于 对一些深水湖泊的三维水流研究是目前研究的主流方向，但三维模型还处于探索 阶段，与实际工程仍有一定的差距。 1 3 本文研究内容 本文在对水质数值模拟归纳总结的基础上，选取适当的模型对小清河济南段 和大明湖进行数值模拟，为改善和控制城市水环境质量，合理配置水资源提供决 策支持，研究内容主要有： 1 、归纳总结国内外水质数值模拟的研究进展； 2 、总结水质数值模拟的基本理论，主要为：水质数值模拟的分类；水质数 值模拟的基本原则；水质数值模拟的基本原理；水质数值模拟的基本方程及其解 法；国内外常用的水质数值模拟软件等； 3 、结合济南市小清河与大明湖的实际情况，选用c o d 作为主要模拟因子， 采用合适的数值模型对小清河和大明湖进行数值模拟；小清河隶属于小型河流， 河宽较窄，水深较浅，可以应用一维河流模型进行模拟；大明湖是典型的城市小 型浅水湖泊，采用二维模型进行模拟，本文采用f l u e n t 软件进行模拟。 4 、结合小清河与大明湖的实际情况，制定符合济南市水环境要求的治理措 施。 5 、采用m a p g i s 制定图形库，v f p 制定数据库，采用v b + m o 开发济南市 水环境质量控制管理系统。 9 1 4 本文技术路线 1 0 图1 1技术路线图 山东大掌硕士掌位论文 第二章水质数值模拟的基本理论 2 1 水质数值模型的分类 水质模型可以从不同角度来分类。一般可以从以下几个方面来分： 1 、按解的特点，可分为确定性与随机性模型。确定性模型是指在给定的输 入条件下，其解为一确定值，这类模型应用较广；随机模型指输入的模型参数本 身是随机的，因而其解也不具唯一性 2 、按模拟过程的时间分布，可分为稳态模型和动态模型。稳态模型是描述 水质、流速等要素不随时间而变化的稳定过程；动态模型是描述随时问而变化的 动态过程。 3 、按模拟过程的空间分布特征可分为一维模型和多维模型。一维模型只描 述水质等要素沿某一方向的变化，对其它方向的变化加以忽略，只有当水质参数 的纵向梯度起决定性作用时才按一维来考虑；多维模型是指水质参数与几个方向 有关，如二维和三维模型。 4 、按污染物的输移性质可分为推移平流模型和对流扩散模型。推移平流模 型只考虑推移平流输移而不考虑扩散：对流扩散模型既考虑推移平流作用又考虑 扩散作用。当然输移和扩散这两种现象在自然环境中都起作用，因此推移平流模 型只是在某种条件下将扩散作用加以忽略而已。 5 、按反应动力学性质来划分可分为： ( 1 ) 保守物质模型：不随时间使总量衰减的物质称为保守物质。许多可溶 性材料属于保守物质，其中最普通的是在水体中积累的盐。这种模型只考虑输移 不考虑降解和转化。 ( 2 ) 非保守物质模型：随时间而衰减的物质称为非保守物质。这种模型不 但要考虑输移作用还要考虑化学、生物降解作用。 ( 3 ) 纯反应模型：只发生化学或生物化学的反应。 ( 4 ) 生态模型：系统中水的动力特性对生物现象在空间上的动力学变化有 很大影响。因此，一个综合性的生态模型不仅要描述生物过程，还要描述水的输 移现象及其水质要素的变化。 1 1 6 、按照水体污染成分的不同，可以分为：有机废水型；泥沙与无机盐型； 热污染型；重金属迁移转化型；合成有机化合物型；磷、氮营养物质型；放射型； 农药型；生态系统型。 2 2 水质数值模拟的基本原则 水质数值模型是用数学公式来描述实际系统的各个组成成分以及其联系，表 达系统的主导功能，系统各组成成分的主次及相互联系。因此，在选择和制定水 质模型时应遵循以下原则【柏】： ( 1 )实用性：即根据具体研究目的，选择可解决实际问题的模型。 ( 2 )先进性：即在选择模型时，应大量阅读文献，掌握国际和国内最新 研究动态，尽可能选择国际上较先进的并大量运用的模型。 ( 3 )可行性：即需要对实际情况应有较深刻的了解，根据实际数据选择 准确与可行的模型，使模型的应用具有可操作性。： ( 4 )简洁性：不要试图建立全能型模型，这样的模型太繁琐，使用起来 很昂贵，且需要大量和全面的实际数据。 。 ( 5 )适应性：即模型对于外部条件的变化应具有一定的应变能力，具有 开放性，能适应管理上进一步发展的需要。 ( 6 )现实性：指能最大可能的对现实系统进行仿真。 ( 7 )合作性：应让模型的使用者参与模型的开发，使使用者熟悉模型的 原理，更容易接受这个模型，并能使模型成为管理的工具。 2 3 水环境模拟数学模型的原理 水环境模拟数学模型建立的基本原理是物量平衡原理。 2 3 1 水体污染和自净 自然晃中的水，包括空中水、地表水和地下水，都不是完全纯洁的，它们在 水文循环中由于各种各样的物质接触，而使某些物质混入和溶入其中，并经历着 不断的物理、化学、生物等变化过程，使水体存在着种类繁多的不同物质。向河 流或湖泊排放污染物质，在不超过一定限度的情况下，存在着一种正常的生态平 衡。如图2 1 所示的稳定状态的生物循环。在这种正常的生物循环中，河流或湖 泊能同化排入的有机废物，使水中的植物和动物可以生存并有利于人类。一旦排 山东大掌硕士掌位论文 入河流或湖泊的废水超过一定限度，正常的生物循环或生态平衡将被破坏，河流 或湖泊即被污染。 另一方面水体自身也有一定限度的净化废水中污染物质的能力，即水体自净 能力【4 1 1 。自净能力是指水体能够同化某些污染物质而保证水质满足其功能要求的 能力。水体自净过程十分复杂，涉及到污染物在水体中许多迁移转化的规律，它 与物理、化学等因素有关。 图2 1 河流或湖泊中的正常生物循环 2 3 2 污染物的迁移转化过程 污染物在河流或湖泊中的迁移转化【4 2 l 是一种物理的、化学的和生物学的联合 过程。就物理迁移过程来说就是指污染物随着河水的推移，与河水的混合，与泥 沙悬浮颗粒的吸附、解析、沉淀、再悬浮，污染物的传热与蒸发及底泥中污染物 以泥沙为载体的输送等物理作用下使污染物浓度降低的现象；化学净化过程，是 指污染物在水体中由于分解和化合、氧化与还原、酸碱反应等化学作用下，致使 污染物浓度降低或毒性丧失的现象。例如水在流动中不断溶入大气中的氧气，使 铁、锰等离子氧化成难溶的盐类而沉淀，从而减少了它们在水中的含量：生物净 化过程，是水体中的微生物群，在它们分泌的各种酶的作用下，使污染物发生分 解和转化成为无害物质的现象。例如有机物在细菌作用下，部分转化成为细菌体， 部分转化为无机物，接着细菌体又成为水中原生动物的食料，原生动物又成为高 等水生动物的食物，这样有机物便逐渐转化成为无机物和高等生物，从而起到净 化作用。 一般污染物( 包括无机的和有机的) 变为溶解状或胶体状颗粒，它们在与河 。，。鼍鼍，錾垄圣垄耋妥坠茎釜釜釜垄釜奎! ! 竺竺! 竺苎 水相混合时，得到分散和稀释。混合作用主要由河水的推移平流，湍流扩散或者 紊流扩散和弥散或者离散所决定。 推移平流也称平流，是由于水流的平移作用所形成。推移平流过程中，各层 水流都以相同的顺序通过，相互间不发生任何的混合和干扰，或者说河流或湖泊 各断面上各点流速处处相