（水利工程专业论文）北大港水库水质管理运行问题的研究.pdf

摘要 北大港水库作为八次引黄济津调水工程的调蓄水库，发挥了重要的作用。 但北大港水库在运用中，也存在一定的问题，其突出的表现为水质的咸化问题。 其主要原因是，由于蓄水面积大，深度浅，加之气候特点所决定的，蒸发水量损 失巨大，水体中污染物逐渐的浓缩，水体中污染物浓度上升；另外底泥中污染物 富集量较大，同时向水体中释放影响水质。为了解水质咸化的机理，定量地分析 与主要环境因素的关系。本文采取了实验和理论推导的方法，建立了物理模型， 模拟了底泥的释放过程，确立了底泥释放与时间、温度、水深的关系。根据气象 资料的统计分析计算，估算了北大港水库的库面蒸发损失量。根据实验结果和国 内外的理论成果，建立了北大港水库的水质模型。水质模型反映了水库水体中， 污染物浓度与水体初始浓度、进出水流量、蒸发浓缩作用、底泥释放的关系。依 据上面的研究成果和近期实际运用的情况，确立了分库方案。确立了主库、辅库 联合调度运用的方式，实现优水优用。针对主库和辅库的功能，提出了两种运行 模式。对于两种运行模式，都以保障主库水质为i 类水质标准为目标。依此作为 约束条件，以主库弃水量最小为目标，提出了北大港水库优化调度的问题，并予 以求解。 北大港水库在来水水质较优的情况下，通过研究论证，通过主辅库联合调度 运行的模式，采取调度措施，供水水质是可以满足i 类水水质的要求的。 关键词：北大港水库 水质变化规律管理措施水质管理 a b s t r a c t b e i d a g a n gr e s e r v o i r i sa l l a d j u s t a b l eo n e ，w h i c hh a sf i n i s h e de i g h tt i m e d i v e r s i o nw o r k sf r o my e l l o wr i v e rt ot i a n j i n i th a sp l a y e di m p o r t a n tr o l ei nt h ep a s t y e a r s ，b u tt h e r ea r es o m ep r o b l e m si nt h ec o u r s eo f t h eu s eo fr e s e r v o i r o n ei st h a t w a t e rg o e ss a l tl i t t l eb yl i t t l e t h ep r i m a r yf a c t o ri st h a tg r e a te v a p o r a t i o nf i m c t i o n m a k ew a t e re n r i c h ，t h eo t h e ri ss o m es a l tc o m e so u to fb o t t o mm u d t h e s em a k e w a t e rw o r s e w a t e ri sg e t t i n gs a l t ym o r em a dm o r e i no r d e rt ok n o wt h er e a s o n ，w e s h o u l da n a l y z et h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o no f w a t e rq u a l i t ya n de n v i r o n m e n t i nt h ep a p e r , t h ew a yo fe x p e r i m e n t sa n dt h e o r yi su s e di no r d e rt or e a s o nt o p h y s i c a lm o d e la n dt os i m u l a t et h er e l e a s i n ge x p e r i e n c eo f b o t t o mm u d t h er e l a t i o n o fr e l e a s i n gr a t eo fb u t t o nm u da n dt i m e ，a sw e l la st e m p e r a t u r ea n dw a t e rd e e p n e s s ， h a sb e e nf o u n d e d b a s e do na n a l y s i so fs t a t i s t i c a lc l i m a t ed a t e ，i t sw a t e rl o s sm a yb ee s t i m a t e d a c c o r d i n gt o t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ta n dd o m e s t i ca n df o r e i g nt h e o r y a c h i e v e m e n t ，i t sw a t e rq u a l i t ym o d e lh a sb e e nf o u n d e d i tr e f l e c t st h er e l a t i o no f w a t e rp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n di n i t i a lc o n c e n t r a t i o n ，e n t e r i n ga n dp o u r i n gf l o w , e v a p o r a t i o nf u n c t i o n ，a n dt h er e l e a s i n go f b o t t o mm u d d e p e n d i n go nt h el a s ta c h i e v e m e n t ，t h ep l a no fd i v i d i n gt h e r e s e r v o i ri n t o t w o - p a r tf u n c t i o nh a sb e e nf o u n da n dt w ok i n d so fu s i n gm o d e l sh a v eb e e ng o t t e n u s i n gt h e mg r a d e 一3w a t e rq u a l i t yl e v e lc a nb eg o t t e ni nm a i nr e s e r v o i r i no r d e rt o r e a c ht h ea i mo ft h el o w e s tl o s sw a f e ro fm a i nr e s e r v o i t , t h eb e s td i s p a t c h i n gp r o b l e m i sd r a w na n dc o m et oac o n c l u s i o n b a s e do nt h er e s e a r c h ，i fw a t e r - e n t e r i n gr e s e r v o i ri sg o o d ，u s i n gt h ew a yo f u n i t e dd i s p a t c hm a yg e tg r a d e 一3w a t e rq u a l i t yl e v e r k e yw o r d s ：b e i d a g a n gr e s e r v o i r c h a n g i n gr e g u l a ro fw a t e rq u a l i t yp r o t e c t i n g m a n a g e m e n to f w a t e rq u a l i t y 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼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所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：当玉稠签字日期：。疋年夕 月矿曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼塞堂有关保留、使用学位论文的规定。特授 权云洼太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，并采 用影印、缩印、或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件或磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本教授说明) 学位论文作者签名 叠玉碉 新繇吻铆 签字日期：ou 年，月扩目 签字日期：枷口蛘- 月训日 第一章前言 第一章前言 北大港水库是一座大型平原水库，是天津市重要水源地之一，至今已八次应 急调蓄黄河水并向市区供水，使天津度过了水荒，为天津的经济发展和社会稳定 发挥了应有的作用。但自建库以来的运行中也发现了不可忽视的问题，水体滞留 水库内一段时间水质变差的趋势明显，主要是氯化物含量升高，c o d 升高明显。 这其中的原因是多方面的，主要是由于水库自身的特点所决定的。北大港水库水 域开阔、蓄水深度浅，年蒸发量巨大，使盐份积累；并且底泥含盐量高、有机质 含量高，底泥的释放造成水体污染。对于北大港水库的运用，近期依然承担着引 黄调蓄水任务；规划中作为南水北调东线入津后的调蓄水库，不管近期还是远期 北大港水库的作用是不可替代的，但存在的问题不可忽视，需要认真对待，特别 是对北大港水库水质管理运行问题的研究是十分必要的，对于水库的规划和今后 运行提供科学调度的依据。 1 1 北大港水库的基本情况 1 1 1 北大港水库地理位置及流域位置 北大港水库初步建成于1 9 7 4 年，位于天津市东南部地区，座落在大港区境 内，南临大港油田，东临渤海，距入海口6 公里。地理坐标位于东经1 1 7 度1 5 分一1 1 7 度3 0 分和北纬3 8 度4 0 分一3 8 度5 0 分之间，处于海河流域、大清河、南 运河、子牙河水系独流减河下游旁侧。水域面积1 5 0 平方公里，工程占地1 6 4 平方公里。 1 1 2 主要运用功能 原设计是承泄、调蓄大清河、南运河、子牙河来水，兼有引黄济津调水调蓄 任务。它具有防洪、蓄水、供水等功能，是天津市重要水源之一。规划中南水北 调东线工程进津的调蓄水库。 1 1 3 主要技术指标 设计库容5 亿立米，蓄水面积1 5 0 平方公里，围堤长5 4 公里，兴利库容4 3 6 立方米，底平均高程3 5 米( 为大沽高程系，以后高程系同上) ，堤顶设计高程9 5 米，设计蓄水位7 0 米。堤身平均高度6 米。 1 1 4 工程水文地质 北大港水库的地形由海岸和退海岸成陆低平淤泥组成。因而形成了以河砾 粘土为主的盐碱地貌。库区地质构造上位于沧东海河断裂带和渤海构造的三角地 带，约在1 千米深的范围内均为新生代第四纪全新世q 4 的松散沉积物。表层深 第一章前言 约3 0 米为滨海相最新沉积，主要为第一陆相层、第一海相层、第二陆相层，岩性 主要为粘土、淤泥质粘土、淤泥质砂壤土及粉土。 库区地层水文地质在深度1 8 0 米以上为河相沉积，地下水属于潜水，矿化度 1 5 0 0 2 0 0 0 毫克升。1 8 0 米以下，矿化度1 3 0 0 1 8 0 0 毫克升，属微咸水。浅层 地下水埋深在1 5 2 米，地下水矿化度较高，近海地区为高浓度盐水。浅层地下 水主要补给源为大气降水、独流减河河水侧补给和库水的入渗补给，主要以蒸发 的形式排泄，另外渤海沿岸附近地下水亦受潮水的影响。 1 1 5 气候特点 属北温带半湿润大陆型季风气候，降水主要是集中在7 、8 、9 三个月份，多 年平均降水量5 3 3 3 m m ，多年平均年蒸发量1 2 3 5 9 m m ，多年平均气温1 1 1 一1 2 3 ，一月份最低平均气温一5 7 一3 9 ，七月份最高平均气温2 5 6 c 一2 6 4 c ， 年平均日照2 2 9 4 小时，无霜期2 0 5 2 0 9 天，最大风速2 3 米秒，六级以上风速 日数多年平均9 7 天。 表卜1 北大港水库地区历年陆地蒸发量、历年降水量 年份年蒸发量年降水量年份 年蒸发量年降水量 1 9 7 42 1 3 96 8 31 9 8 82 1 5 0 6 8 8 1 9 7 52 0 3 16 2 51 9 8 92 3 3 64 0 2 1 9 7 6 1 8 8 5 4 5 4 1 9 9 01 9 1 56 9 5 1 9 7 72 0 1 87 7 81 9 9 l1 9 4 85 1 5 1 9 7 8 2 0 5 0 6 2 8 1 9 9 22 1 6 53 7 7 1 9 7 91 9 2 43 5 51 9 9 32 1 7 6 4 6 5 1 9 8 0 1 8 7 9 4 7 21 9 9 42 1 2 15 4 9 1 9 8 12 0 7 86 9 91 9 9 5 1 9 3 37 6 3 1 9 8 22 0 4 73 7 31 9 9 61 8 3 24 0 6 1 9 8 32 2 6 84 4 11 9 9 72 1 2 33 2 6 1 9 8 4 2 1 6 15 8 7 1 9 9 81 7 9 36 3 4 1 9 8 51 8 4 25 3 91 9 9 92 0 7 3 2 9 3 1 9 8 62 2 1 13 7 92 0 0 02 2 1 46 0 7 1 9 8 72 0 6 27 3 42 0 0 12 1 3 3 3 7 5 1 2 北大港水库的主要问题 由于北大港水库建设期所处的特殊时期。工程从设计到施工都受到多方面的 限制和制约，工程先天不足，加之运行年限已久，至今没有进行过彻底的维修， 使得北大港水库工程本身存在的问题很多，2 0 0 2 年安全鉴定为三类坝，需要除 险加固。水库建筑物的的安全问题可以靠工程改造和加固来解决，这主要是资金 第一章 前言 的问题。从城市水源地的重要功能来说，其核心的问题是如何提供符合水质标准 的水源，这是水库最关键的管理目标。 北大港水库地处华北平原，易受西伯利亚气旋控制，空气干燥，相对湿度日 平均6 0 左右，年蒸发量较高。在天津地区陆地上，频率为7 5 时的年蒸发量 1 8 0 0 m m 左右，频率为5 0 时，年蒸发量1 9 0 0 m m 左右，频率为2 5 9 6 时，年蒸发量 为2 0 0 0 m m ，北大港水库，库区水域辽阔，水面蒸发量不及上述各值，但若按现 状运行，水库的年蒸发量损失水量约1 7 亿立米，这必然造成库区水体中的污染 物浓度的增加，假设南水北调水体为二类水体，那么一年后，水体就会降低一个 等级，加之底泥释放与之叠加水体污染就会更加严重。从实测资料分析来看，北 大港水库的地质条件并不理想，库区土样化验分析结果平均含盐量为1 ，甚至 有的区域达3 ，有机质达5 ，因此底泥污染严重，对水质的影响比重较大，不 可忽视，底泥成为北大港水库主要污染源。由于以上气候条件、地质条件、工程 条件所决定，水体进入水库经存蓄一段时间后，氯化物、全盐、c o d 指标上升明 显，足以影响水体的质量，因此北大港水库的主要问题是水质问题。 1 3 水库管理规划目标 因为北大港水库库区水域开阔，蒸发渗漏量大的特点，总体思路确立分库分 区规划的原则，就是将北大港水库分成主库和辅库。 主库以保留城市水源地的功能为目标，近期确保引黄济津入库调蓄3 亿立米 水量为目标，水质标准达地表1 类水质标准：远期以调蓄南水北调东线来水为目 标，蓄量4 5 - 5 亿立米，这时水库主库区大堤加高到l o 0 0 米( 大沽高程) ，这时 蓄水深度为4 3 米，水库水质为地表水i i i 类水标准。 辅库为综合开发区，水质规划为景观水、农业灌溉水、养殖用水标准为目标， 水质标准为地表水类水标准。主要以调蓄主库弃水、雨洪来水为主。并且主库 和辅库依然承袭湿地的功能作为北大港湿地保护区的核心区。 1 4 本文的研究内容 本文研究内容是水质管理剃划问题，以北大港水厍规划日标为依据，以确定 的水质目标为前提，提出确实可行的调度方法，进行全面的研究，为北大港水库 今后的运行管理提供科学的指导。 具体的研究内容分解为：根据国内外的研究成果和北大港水库的特点，确定 北大港水库的水质保护模型，并进行验证：根据现场观测结果，研究北大港水库 第一章前言 大面积水域与大气蒸发的换算关系，对北大港水库的蒸发量进行估算；研究北大 港水库底泥的释放规律，确定底泥的释放量级和释放速率。根据研究的结果、水 库的地形地质情况和水库的功能定位进行分库规划方案的研究，最终确立可行的 分库方案。根据分库方案和水库规划的水质水量目标，对水库运行模式进行概化， 然后确立优化调度目标的数学模型，然后进行求解，确立优化的调度方案。 通过本文的研究，可以为北大港水库规划方案实施提供参考和指导，并对保 证分库方案的水质标准提供确实可行的调度运行模式，为实现北大港水库的综合 发展规划和南水北调东线入库规划目标提供较为科学的依据。 第二章 水库管理的基本途径 第二章水库管理的基本途径 2 1 水库水质模型的类型 从水库运行现状和规划的运行模式来看，决定水质的控制的主要约束在于 主库，以i 类水为控制标准：辅库只要满足景观水、渔业养殖标准和农业灌溉 用水标准即可。 北大港水库特点主要是蓄水面积达1 5 0 平方公里、蓄水深度浅，按主库加 高恢复到9 5 米( 大沽高程) ，平均蓄水深度为3 5 米。从实测数据来看，影响 水质的关键因素为，氯化物、全盐、c o d 。随着存蓄时间的延长这三项指标也随 之增高，这其中主要的原因是蒸发量巨大，底泥释放严重两方面的影响。所以 水库水质的研究对象主要是以氯化物和全盐、c o d 为控制指数。相对而言氯化 物对水质的影响最为突出。 根据国内外的研究成果知道，在湖泊和人工湖泊1 0 日内不会出现分层，在 1 0 0 日内不会出现明显的分层现象：在水深小于l o 米的情况下，湖泊和人工湖 泊不会出现跃温层，也就是说不会出现明显的分层现象。所以建立水质的数学 模型的基本假设是：北大港水库水体没有分层现象：污染物混合的动因是： 浓度扩散污染物随水流的涡动和风浪的扰动为主因的扩散湖泊型水库环流 型的水域，流动结构主要是以平面和立面环流的形式存在。对浅水型水域内的环流， 其主要的外界驱动力是风，因而形成了水平环流。另外，由于水库水域广阔，该类 水域环流的流速一般较小，使污染物在该类水域内的扩散作用相对加强，与外域的 交换相对较弱。因此可以假设水体的污染物是均匀混和的，所以水库的水质保护 模型的形式是完全混合模型形式。水质模型和入库水量、出库水量、蒸发渗漏 量、底泥释放建立直接的函数关系。 根据北大港水库的运行模式分为以下几种方式： 1 、主库同时蓄水和供水 当出入库区水量不等时，则单位时间内，库区内污染物蓄积量变化方程为 v ( t ) + d c d t = q + c l q 串c + 4 ( 乃s + c ( t ) + 6 + 1 0 1 ( 2 - 1 ) 其中 7 ( t 卜f 时间水库水体体积 c ，c ，一出入库污染物浓度 卜蓄水时间 q 一流入库区的流量 第二章水库管理的基本途径 q 。流出库区的流量 a ，b 为底泥释放污染物经验公式的系数 a ( t ) 一r 时间单位时间内的蒸发量 s 一库区的蓄水面积 库区污染物浓度模型为 c ( ，) = c o + 1 一e x p ( - t t ) 。】( r + c 一c ) + i a o ) + s + 0 + 6 + l o g t ) v ( t ) + b + 1 0 9 t i ( 2 - 2 ) r = q q ：c 。一库水初始污染物浓度；t = 矿( f ) ，g ：其它符号意义同上。 库水蓄盐量的水质模型 m 2 = m 1 + q 4 c i q c + z ( 2 3 ) 式中m ：，肘，一为计算时段末和初库区的蓄盐量；q ，q 一为入库和出 库水量；c i ，c 一为入库和出库水的离子浓度；z - 为底泥的在时段内的释放总 量。 2 、蓄水停止只有供水 水库以这种模式运行时，水质模型同上，入库的物理参量取零即可。水质 模型简化为，则单位时间内，库区内污染物蓄积量变化方程为 v ( o + d c l d t = 一q + c + 彳o ) + s t c o ) + 6 + l o 扣一。) 7 6 ( 2 4 ) 符号的意义同上。 库区污染物浓度模型为 c ( f ) = c o ，e x p ( - t t ) ，+ 阻o ) + s + ( a + b l o g t ) d t v ( t ) + b + l o g t ( 2 5 ) ； 符号的意义同上。 库水蓄盐量的水质模型 m 2 = m l q ”c + z ( 2 - 6 ) 第二章 水库管理的基本途径 符号的意义同上。水库以这种模式运行，是水库水质控制的关键阶段，也是本 文讨论的重点。 3 、只蓄水不供水 水库以这种模式运行时，水质模型同上，只是将出库的物理参量取零即可。 水质模型简化为 单位时间内，库区内污染物蓄积量变化方程为 矿o ) 4 d c l d t = 一q + c + 爿o ) + s c ( o + b l o ( 4 一。) 7 6 ( 2 7 ) 污染物浓度模型为 c ( f ) = c ，+ t t + c o + p o ) 4 s + ( a + b l 。g o d t v ( o + b g t ( 2 8 ) 0 符号意义同上 从水库的运用来看，蓄水过程是一个冲淡的过程，水质控制的关键阶段不在此 运行模式上，在此不做进一步的讨论。 2 2 水库水质控制方法 北大港水库规划，总体思路已确立，也就是将现有1 5 0 平方公里水库，根 据规划利用的定位，将现有库区分成两个功能区，北大港水库分成水源地和综 合开发区，在分库隔堤上设置进水闸，由主库水源地向辅库综合开发区放水， 这种调度条件，使得由向辅库放水调节水质成为可能。充分地利用北大港水库 的环境容量，通过调节蓄水、向辅库供水的时空分布、量级分布，达到调节水 质的目的。水环境容量( w a t e re n v i r o n m e n a lc a p a c i t y ) 是人类生产、生存 和自然生态不致受害的前提下，水体所能容纳污染物的最大负荷量。广义上除 污染因素外，还应包括水土流失、水源涵养等因素。一个特定的水体对污染物 ( 含物理性、化学性、生物性污染物) 的容量是有限的。它的大小与水体的多 少、水体的水文特性、污染物本身的物理及化学性质有关。例如河流年径流量 越大、湖泊来水量丰富且湖泊总水量越多，则对污染物的净化能力也就越大， 其水环境容量也越大。水环境容量包括绝对容量和年容量两个方面。以化学污 染物为例，水体的绝对容量 ( 啦，) 是某一水体所能容纳某种污染物的最大负荷量，它由水质标准的规定 值( ) 和水环境背景值( 口) 来决定。表达式如下： 第二章水库管理的基本途径 以浓度为单位= 暇一b ， 以重量为单位= m ( 眈- b ) ， 式中m 为某一水体的体积。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 水体的年容量( 巩) 是某一水体在污染物的积累浓度超过水质标准规定的 最大允许值情况下，每年所能容纳的某污染物的最大负荷量。年容量的大小不 仅与水质标准的规定值( 陈) 和某一水体环境背景值忙) 有关，还与该水体对某 种污染物的净化能力有关，其表达式如下： 以浓度为单位= x 职一b ， ( 2 - i 1 ) 以重量为单位矿。= 足m ( 吼一b ) ，式中k 值为某污染物在某一水体中 的年净化率，足= ( a ，4 ) 1 0 0 ，式中a 为某污染物年输入量。a 为一年间某 污染物被净化量。引黄水、南水北调东线水入库后水质较好，使得北大港水库 本身具有水环境容量和水体的自净能力，可以调节入库和出库水量，进行水质 调控，使达到要求的水质标准成为可能。 北大港水库水质模型的基本假设为完全混合，也就是说，经过有限的时间 后污染物的混合达到均匀状态，因此将库区内的污染物的混合过程进行了简化， 并且与实际情况比较吻合，运用到水库水质控制中是可行的，这样计算起来便 捷可靠，精度满足要求。以分库方案作为前提，近期以引黄调蓄为控制运用目 标；远期以调蓄南水北调东线来水，在季节性来水、调水量一定、来水流量一 定、供水流量基本稳定的情况下，通过调整可能的季节性调水的时段，和通过 主库向辅库有限量的补水方式，调节主库的水质。 总之，水库的水质控制方法，就是通过总量控制的方法，以调控较为适宜 的蓄水时段和调控主库向辅库蓄水的方式，利用水体的环境容量，适度的容纳 污染物，但确保主库供出的水质满足地表水i i i 类水的水质标准。 2 3 国内外研究现状 关于江河湖泊水质保护以及水环境容量的研究，是国内外水科学研究的热 点问题，对于浅阔型湖泊或人工湖泊水质管理问题的研究已取得了较多的理论 成果，特别水质保护分区规划；水污染物输送规律的研究：水体环进容量及水 体自净能力的利用的研究成为科研单位的研究重点问题。滇池、太湖水域面积 分别为2 9 8 平方公里和2 3 3 8 平方公里，属浅阔型湖泊，由于太湖、溪池的污染 严重，治理的难度较大，对于水质污染规律及其保护措施的研究，有着现实的 需要，也符食可持续发展的需要，对浅阔型湖泊和人工湖泊的水质保护工作具 有理论指导意义。其中对滇池的研究，水环境研究所进行了较为深入的研究， 筇二章水库管理的基本途径 主要开发研制反映滇池水流水质运动特点的模型系统，包括三维大气模型、 平而二维风生湖流模型、平而二维水质模型和富营养化模型、模型_ l j i 后处理软 件系统。利用耦合模型系统，对滇池湖面风场、风生湖流运动特性、污染物输 移转化规律、藻类生长过程进行仿真模拟。结台滇池水污染治理规划，对西园 隧洞水利工程和其它水污染治理工程对改善滇池水质的效果进行模拟预测，在 此基础上提出滇池水污综合防治措施。引水改善滨池水环境效果研究：以滇 池水体为重点，在分析湖区地形地貌和水量水质特征的基础上，根据沿湖的出 入湖口门和工程控甜睛况，建立了包括1 4 个主要出入湖口的湖区二维风生水流 模型、二维水质数学模型。以改善滇池水环境为目标，重点分析研究引水的不 同入湖方式，包括入湖水量，入湖水质，入湖及出湖口位韪等因素刈滇池水动 力和水质变化的趋势性影晌，为引水济滇工程规划及方案实施提供参考依据。 对太湖的研究太湖周围水利设施的优化调度对太湖水质的影响：研究的目的 是为了改善太湖的水质，探求太湖沿岸水利设施的不同调度对太湖水质的影响， 并在满足防洪等调度要求的情况下找到个相对最优的调度方案。目前太湖湖 周水工建筑物的调度并未考虑到对水质的影i i 盹湖周各进、出口闸门熬本上均 由各地方白行控制，没有统一的调度。通过刈太湖水流系统和水质变化规纠啪q 分析和简化，基于已开发的湖流及浓度计算的数值模型，建立了一个太湖水位 和周围水闸的动态优化调度数学模型，并以c o d 污染程度为优化目标，应用实 际资料，通过优化计算得出厂太湖水位和周围水闸优化调度的基本圳律。结果 表明，优化调度可望对太湖水质的改善产生较大影响。 太湖富营养化及水环境容量研究：太湖寓营养化足指湖泊水体在富营养条件 下，藻类生产异常发展的过程，是湖泊生态系统功能的异常化并造成水资源、 水环境恶化的现象。近年来，太湖的富营养化问题已成为国内外广泛美注的生 态环境问题。本研究建立了二维单步一级生态动力学模型，通过对一系列生化 反应过程的数学模拟，描述了标志富营养化发展程度的营养熊( 总氮、总磷) 和藻类( 以叶绿素a 表示) 在时问和空间上的变化，进而对湖泊富营养化的发 展趋势作出预测。利蹦本模型，对太湖宙营养化进行了计算。计算结果与实测 资料相近。为了解各因素对太湖寓营养化的影响，利用本模型进行了大量的敏 感性试验，取得了有益的认泌。本研究建立了通用程序，适用于浅水湖泊的富 营养化计算。为有关部门了解湖泊寓营养化的发展趋势，进而提出控制措施， 提供了有效手段。 本项目还对太湖c o d 、酚、n 1 1 3 一n 、n 0 2 一n 、n 0 3 一n 、总氮、总磷的允许负荷 量进行了研究。本次研究是基丁太湖风生湖流场及各主要污染物浓度场的研究 成果进行的。太湖富营养化水质模型的初步研究：太湖富营养化水质模型的 筇二章水库管理的基本途径 初步研究是水利部太湖流域管理委托中国水利水电科学研究院开展的研究项 目。按照技术要求，应该开发个能够预报太湖富营养化发展的初级数学模型， 在尽可能发掘现有资料的基础上，确定参数并验证模型，形成相应的计算机软 件包，并对太湖有污染负荷削减量作出初步的估计。本研究对以藻类为综台指 标的湖泊水环境建立了生态模型，尽管模型所划i 述的过程比较简单，但相对于 有限的监测资料而言，已基本抓住了控制太湖富营养化变化发展的基本要素。 利用模型模拟了太湖藻类生长进程、发展趋势和相对量值。通过敏感性实验， 发现在日日i 情况下，影响太湖藻类生长进程的生婴因子为透明度，其次为r p 的 含量。所以控制太湖富营养化进程主要应从控制t p 着手，或者同时控制t p 和 t n 。从相关数据看，日前情况下应主要列t p 的输入量加以控制，从而找出了影 响富营养化发展的主要因素，这为控制太湖富营养化发展、更新及恢复良好的 生念环境提供了定量依据。太湖污染物总量控制研究：污染物总量控制已成 为我国水污染防治的一项重要举措，是实行水资源保护目标管理的重要依据， 也是开展水资源保护规划的基础。开展以太湖湖体为研究对象的湖泊污染物总 量控制研究。通过对太湖水流水质输移转化特性分析研究，提出太湖最大允许 纳污量及其环湖分配，结合太湖现状纳污状况，研究太湖污染物总量控制目标 包括现状污染源削减总量和总量n 0 减分配力案，为太湖水污染防治和太湖流域 水资源保护规划提供重要依据。主要研究内容：太湖水流水质现状分析；太湖 二维水流水质数学模型开发研究；太湖水质保护目标和污染物总量控制方案设 计；不同污染物总量控制设计方案下，太湖纳污能力计算分析，包括太湖最大 允许纳污总量及其分配；不同污染物总量拧制设计方案下，太湖现状污染负荷 削减总量及其分配。主要研究成果：开发 i j f ；b j 适合太湖特点的平面二维风生湖 流水动力模型和考虑太湖主要污染物r n 、。1 1 1 ) 和c o d m n 输移转化特性的水质模型， 模型经过2 0 0 0 年全年实测资料率定和验证，具有较高的模拟精度；利用水流模 拟结果和实测水质资料，对太湖水动力特性和水质变化规律进行初步分析：通 过对太湖水质保护尉标、污染物总量分配原则和设计水文条件进行大量分析研 究的熬 i l l 上，开展太湖纳污能力计算：根搦太湖纳污能= ：j 计算结果和1 9 9 8 年纳 污现状，提出污染物总量削减方案。同时水环境所还刈水环境承载能力评价方 法进行了研究，研究内容；( 1 ) 水期：境承载能力理论体系的初步构建：从承 载力概念的由来和发展，结合水承载体的物理、化学、生物等特征，探明水环 境承载力概念的内涵和外延，分析水环境承戡力的基本特点，以及承载要素的 影l i 向因于，定量化表征承载力状态。以水力学和水环境科学的理论为基础，结 合生态学、经济学、系统学和可持续发展的装奉原理，发展综合性理论研究， 初步建立水环境承载力的理论体系。( 2 ) 水环境可持续承载f s l f | ；) j 及条件分析： 第二章水库管理的基本途径 基于水环境承载体的受力平衡分析，从水环境承载对象和承载媒体两个方面， 分析承载媒体的环境自净能力和缓冲弹性能力。分析承载对象的压力方向和强 度。根据各要素的影响因子和对承载系统的正负反馈效应，揭示水环境可持续 承载机制，研究水环境系统的可持续承载条件。( 3 ) 水环境承载能力评价方 法研究：在承载力状态分析和定量化表征研究成果的基础上，对承载系统采用 分层、分级的递阶关联分析，建立相应的框架评价指标体系。以水环境标准或 准则为指导，通过对比分析，判定水环境系统承载状况。依据承载力的评价方 法，发展相应的框架评价模式。为水环境承载能力的实际应用奠定技术基础。 另外，黄河水利出版社出版的由高健磊、吴泽宁著译水资源保护规划理 论方法与实践一书，详细地论述了当今国内外有关水环境保护方面的理论成 果，是作者从事水资源保护教学、科研工作成果基础上，结合全国水资源保护 规划的具体要求，同时吸收国内外相关研究成果和技术实践编著而成的。以水 资源保护规划核心内容为主线，融汇系统分析、可持续发展、生态保护、总量 控制等观点、方法及实用现状，较全面地阐述了水资源保护规划的基础理论、 技术方法。全书共1 6 章，包括总论、基础理论、技术方法三个部分。系统介绍 了水资源保护规划的框架、水功能区划、现状调查及预测评价、总量控制及其 分配、污染防治和生态保护措施及规划方案的优化或优选等内容，理论联系实 际，为保护水资源并促进其永续利用、实现社会经济环境协调可持续发展，提 供了理论与技术支持。 第三章影响北大港水库水质的主要因素 第三章影响北大港水库水质的主要因素 3 1j e 大港水库水质的主要影响因素 北大港水库位于独流减河旁侧，蓄水由马厂减河通过马圈引河到达马圈闸 入库，或由姚塘子扬水站从独流减河提蓄。由于北大港水库是一个比较独立的 封闭区域，没有污水直接排放进水库，外部污染物只有随着蓄水过程进入水库， 鉴于水库功能定位，主要是引蓄黄河水、南水北调东线来水，水质较优，污染 物含量相对较小，所以主要的污染物来自库区本身。影响水质的控制因素也是 和水库自身的状况相关连。北大港水库处于滨海盐碱地貌上，土壤含盐量很高， 加之水库工程原设计没有排咸设旌，水体中的污染物随着蒸发作用，越来越多 地蓄积到土壤中，成为主要的污染源。表现为蓄水后水质氯化物、全盐含量、 c o d 指数上升较快，使水质咸化变坏，其主要影响因素北大港水库蓄水面积 1 5 0 平方公里，5 亿立方米库容的平均蓄水深度为3 5 米，属于浅阔型平原水库， 所处地区年平均蒸发量在1 9 0 0 m m 以上，根据多年运行资料统计来看，推测水面 蒸发量在1 7 亿立米左右，水量损失巨大，这样的蒸发量使水体污染物浓度增 加，经过一个蓄水周期，可以使i i 类水体变为i 类水体，使库区水体降低一个 等级底泥释放较为严重，水体在北大港水存蓄一个周期水质明显恶化，这和 底泥释放有直接的关系。北大港水库富存着浅层空隙咸水，土壤中蓄积了大量 的盐份，最大值达3 ，有机质含量达5 ，对水质的影响起决定性作用。 表3 - 1一个周期水质的监测结果 水质监测地点 日期 氯化物( m g 1 )c o d m n ( m g 1 )氨氨( m g 1 ) 马圈闸 2 0 0 2 1 1 31 3 7 7 5 50 3 0 4 马圈闸 2 0 0 2 1 2 31 3 14 7 40 2 5 7 马圈闸 2 0 0 3 8 。1 93 8 ll o ，8 0 4 1 十号口门 2 0 0 2 1 2 33 3 06 2 90 2 9 9 十号口门 2 0 0 3 8 1 76 9 71 4 40 2 7 从一个周期内两个监测点来看，水质变化明显。( 这里须要说明的是，第 七次引黄，同一时期不同监测点表现的差异和检测点取样点的选取有关系，马 圈闸是进水口，十号口门为出水口，2 0 0 2 年1 1 月3 日水库马圈闸进水，十号 口门还在排除底水，因而水质差异明显；另外十号口门的取样点在船闸闸室内， 第三章影响北大港水库水质的主要因素 水体比较封闭因而2 0 0 3 年8 月1 7 日左右，十号口门点水体还没有和库区完全 混合，这不影响完全混合水质模型的假设，从表中仅反映底泥释放的程度) 水库蓄水深度较浅，达设计蓄水位7 o 米( 大沽) ，平均深度为3 5 米，受日 照充分，风浪扰动明显，升温比较快，受温度影响，风浪扰动作用底泥释放速 率加快，同时日照充分适宜水生植物，相应的植物遗体腐烂使耗氧量增加。因 此蓄水深度浅也是影响水质变化的一方面因素。 3 2 蒸发渗漏量的估算 3 2 。1 水库陆地蒸发实测资料分析 在基本情况，气候特点中介绍到，北大港水库地处华北平原，易受西伯利 亚高压气旋控制空气干燥，相对湿度日平均6 0 。属北温带半湿润大陆型季风 气候，降水主要集中在7 、8 、9 三个月份，多年平均降雨量5 3 3 3 m m ，多年平 均气温1 1 1 1 ，一月份平均最低平均气温为一5 7 ，七月份平均最高气温2 6 4 ，年平均日照2 2 9 4 小时，无霜期2 0 5 2 0 9 天，最大风速2 3 m s ，六级以上风 速曰数年平均9 7 天。由于气候特点决定了，北大港水库蒸发量大，总的水量损 失巨大，占水量损失绝大部分是水库规划，水质管理规划不可忽视的因素。 图3 - 1 大港地区陆地蒸发量年内分布 图3 - 2 大港地区年内降水月份分布图 第三章影响北大港水库水质的主要因素 从以上图表中可以看出，大港地区水量蒸发最强烈的月份是4 、5 、6 三月， 主要是这段时间里气候比较干燥、气温高、大风天气多的原因造成。7 、8 、9 三月正值夏季，南下暖风势力比较强，气温高，但空气湿度大，其蒸发量比较 3 、4 、5 三个月份反而有所降低。冬季四个月份蒸发量占全年蒸发总量的1 3 ： 北大港水库地区蒸发量远大于降水量，降水年内分配极不均匀，降水主要集中 于夏季，其中7 、8 两个月份占全年降水量的5 3 9 ，6 、7 、8 、9 四个月的降水 量占全年的7 7 7 。 3 2 。2 水量蒸发的统计及分析 对于一个地区多年系列的蒸发量、降雨量资料需要估计计算，以便满足对 北大港水库蒸发量损失的估算。目前，水文上计算各种水文特征值的分布线型 主要是p 一型曲线，在数理统计中，常用的估算方法有矩法、极大似然法 及适线法，由于适线法计算精度较高。方法简单，在计算中采用适线法，对蒸 发资料进行统计计算。 一、理论频率曲线的计算 对于p 一型曲线，其分布概率密度函数为 厂) = 为+ 留一6 ) “盯州， ( b x o 的分布函数为： x 删2 篙p 广一觑卜谁 2 ) 以上热。= 厨( t 鲁卜= 笼：p = 去 其中：e x 为数学期望；cv 为偏差系数；c s 为偏态系数 对随机变数x 进行标准化，即。：x - e x 盯为方差，盯22 ： 得至0 ：x = 中+ 盯+ e x = 仲c r + o * e x ( 3 3 ) 其中m 值可由p 一型曲线m 值表中查出。 二、经验颇率曲线的计算 第三章 影响北大港水库水质的主要因素 把一个地区系列的蒸发资料作为样本，按从大到小的顺序排列，得到 五x 2 x 3 工0 - - z 然后采用经验公式匕2 + 1 ) ，肼= 1 ”n ，计算样本的显示频率这样就得到 一组( “，) ，这就是经验的蒸发量频率曲线。通过把经验频率曲线与理论频 率曲线结合起来的现行适线法，就可以观察到不同频率蒸发量成果见表3 - l 。 表3 - i大港地区不同频率蒸发量计算表( m m ) 月份 l234 567 p = 2 5 5 6 9 68 0 2 31 5 0 63 0 6 33 7 8 03 2 5 62 7 5 1 p = 5 0 5 0 1 07 0 0 61 3 6 22 7 1 i 3 1 6 32 9 6 12 4 9 9 p = 7 5 4 3 2 35 9 8 91 2 l - 92 3 5 92 5 4 62 6 6 52 2 4 8 多年平均 5 0 1 07 0 0 61 3 6 22 7 1 1 3 1 6 32 9 6 12 4 9 9 月份 8g1 01 11 2 p = 2 5 2 3 5 32 1 4 11 7 6 61 0 5 26 0 22 3 6 4 2 p = 5 0 2 1 8 11 9 7 01 6 0 7 9 4 5 5 4 22 1 1 4 3 p = 7 5 2 0 0 81 7 9 81 4 4 88 3 74 8 11 8 6 4 0 多年平均 2 1 8 11 9 7 01 6 0 79 4 55 4 22 1 1 4 3 3 2 3 北大港水库库面蒸发折算系数及蒸发量的确定 根据9 4 年北大港水库地区陆地蒸发观测资料以及库面蒸发观测资料，推算 出陆地蒸发与库面蒸发的折算系数e x ，由此可以推算出北大港水库多年平均月 蒸发量值。 表3 - 2蒸发系数与多年平均库面蒸发量计算表 月份3456789l oe 陆地蒸发 1 5 l _ 52 5 9 33 5 1 83 3 8 3 2 5 0 7 2 0 2 52 5 8 51 7 9 82 2 9 0 库面蒸发 7 2 7挖4 51 5 8 31 5 5 61 5 0 41 5 2 81 7 01 0 2 31 2 4 9 e xo 4 80 4 80 4 50 4 60 6 o 7 5o 6 60 5 70 6 3 多年陆地 1 3 5 82 7 0 83 1 6 42 9 5 82 4 8 92 1 8 91 9 7 31 6 1 1 多年库面 6 5 21 3 01 4 2 41 3 6 11 4 9 31 6 4 21 3 0 29 1 8 第三章影响北大港水库水质的主要因素 由于1 月、2 月、1 2 月三个月库区蒸发量实测资料没有，并且蒸发量仅占 全年总蒸发量的1 3 ，比例较小，因此这三个月的库面蒸发折算系数以平均折 算系数替代。 表3 - 3北大港水库库面蒸发量值( m i l l ) 3456