（环境工程专业论文）辽河铁岭段水环境容量及总量分配方法研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会和经济的不断发展，人们对生活质量的要求也不断提高，而 计算机技术的发展，使水质模型在环境管理和规划中地位日趋重要。 本文通过收集、整理辽河铁岭段主要监测断面的水质资料，应用主成 分分析法对辽河铁岭段进行水质综合评价，从而深入了解污染物的分布特 点。 通过调查辽河铁岭段企业排污情况，对调查资料进行整理分类。结合 辽河铁岭段的水力、水文和水质实测资料，应用w a s p 7 水质模型模拟辽河铁 岭段的污染物的时空变化规律，以w a s p 7 水质模型为基础，应用经过校正的 w a s p 7 水质模型对辽河铁岭段的污染物进行模拟，分析各支流及排污口污染 物排放对干流各监测断面的影响，计算响应系数矩阵。将线性规划方程与 响应系数矩阵相结合以m a t l a b 为工具计算辽河干流铁岭段的水环境容量。 根据铁岭市的社会、经济和环境情况划分控制单元，以科学性、公平 性和效率性为原则建立层次分析结构，选取相应的评价指标，应用层次分 析法确定控制单元的分配权重。以w a s p 7 为基础计算响应系数百分比，计算 不同分配原贝i 下的最大水环境容量，对不同的水环境总量分配方案进行探 讨分析并确定最佳总量分配方案。 最后探讨辽河铁岭段的主要污染问题和管理措施，根据水环境管理目 标和流域水污染现状，结合水环境容量计算模拟和总量分配结果，提出了 一些防治辽河干流铁岭段水污染的方案，为整个辽河流域及其它支流的水 环境管理提供了科技支撑。 关键词：w a s p 7 模型；水环境容量；总量分配；辽河 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r ac t w i mt h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ) ，a n de c o n o i n y ，p e o p l ea r ec o n t i 肌o u s l y r a i s i n gt h er e q u e s to fl i f eq u a l i t y ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r t e c l l i l o l o g y ，t h er 0 1 eo fw a t e rq u a l i t ) ，m o d e l si ne n v i r o n m e m a lm a n a g e m e n ta j l d p r o g r a m 瑚ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h i sa r t i c l ec o l l e c t e dt h ew a t e rq u “i 锣m a t e r i a lo ft h em a i nm o n i t o r i n g s e c t i o ni nl i a o h et i e l i n gp e r i o d ，u s i n gp r i n c i p a lc o n l p o n e n ta n a l y s i sm e t h o dt o a s s e s st h e 、v a t e rq u a l i 够，a n di n d e p t h u n d e r s t a n d i n g o ft h ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f p o l l u t a m s t 1 1 r o u g hs u l e y i n ga n dc l a s s i f i i n gt h ee n t e 印r i s eb l o w d o w nc i r c u i n s t a n c e o fl i a o h et i e l i n gp e r i o d c o m b i n e dw i t hm e a s u r e dd a t ao fh y d r a u l i c ，h y d r o l o g y a 1 1 dw a t e rq u a l i t ) ，a p p l i c a t e dw a s p 7t h a tw a sc o r r e c t e dt os i m u l a t et i m ea n d s p a c eo fp o l l u 伽1 t s ，a n dt oa n a l y s i st h e i n n u e n c eo ft h em a i ns e c t i o na n d c a l c u l a t e r e s p o n s e c o e f n c i e n tm a t r i x c o m b i n e dt h e1 i n e a u r p r o g r 跗蛐i n g e q u a t i o na n dr e s p o n s ec o e m c i e n tm a t r i xw i t hm a t l a bt 0 0 1t oc a l c u l a t et h e w a t e re n v i r o n m e n t a lc 印a c 埘o fl i a o h er i v e rs e c t i o n a c c o r d i n gt ot h es o c i a l ，e c o n o m i ca 1 1 de n v i r o r m l e n t a 王s i t u a t i o no ft i e l i n g c i t ) ，t od i v i d e dc o n t r o lu n i t ，u s i n gt h ep r i n c i p l eo fs c i e n t i ! f i c ，f a i m e s sa n d e m c i e n c yt oe s t a b l i s hl e v e la n a l y s i so fs t m c n l r e ，s e l e c t i n gt h ec o r r e s p o r l d i n g e v a l u a t i o ni n d e x ，c o n f l n 】= 1 i n gt h ec o n t r o lu n i tw e i g h td i s t r i b u t i o n t bc a l c u l a t e t h er e s p o n s ec o e 脯c i e n tp e r c e n t a g ep o i n t so nt h eb a s i so fw a s p 7 ，c a l c u l a t i n g t h e 、v a t e re n v i r o r l r i l e n t a lc a p a c i t yu 1 1 d e rm ed i f f e r e n td i s 仃i b u t i o np r i n c i p l e ， a l l o c a t i n g 出eb e s tt o t a la m o u n ta l l o c a t i o ns c h e m e f i n a l 】yd i s c u s s e st h em a i np 0 1 1 u t i o np r o b l e m sa 1 1 dm a n a g e m e n tm e a s u r e s o fl i a o h et i e l i n gp e r i o d ，a c c o r d i n gt ot h e 、a t e re n v i r o n m e n tm a l l a g e m e n t o b j e c t i v e sa n dw a t e rp o l l u t i o ns i t u a t i o n i nt h eb a s i n ，c o m b i n gm er e s u l t so f e n v i r o n m e n t a lc 印a c i t ) r ，t h i sp a p e rp u t sf o 刑a r ds o m ep r e v e n t i o na 1 1 d c o l l t r o l w a t e rp o l l u t i o no fm a i n s t r e a mf o rl i a o h ep l a l l ，o f f e rs c i e n t i f i cs u p p o r tf o rt h e t h ew a t e re n v i r o 珈m e n tm a n a g e m e n to fw h o l el i a o h er i v e ra 1 1 do t h e rt r i b u t a r i e s 沈阳理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：w a s p 7m o d e l ；w r a t e re n v i r o 眦e n t a lc a p a c i 锣；t b t a l 眦o u n t a l l o c a t i o n ：l i a oh e 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 辽宁省是全国著名的老工业基地，流域内形成了区域行业的特征性污 染。农业面源污染物的排放比重稳步上升，2 0 0 8 年全省废水排放总量为 1 3 9 0 7 亿吨，其中农业废水排放量为1 1 1 1 9 亿吨，占废水排放总量的7 9 8 ， 重点行业为水产和畜禽养殖业。废水中的主要污染物包括化学需氧量、氨 氮、总磷等。 经过“十一五”期间的治理，辽河流域水污染得到了有效控制，水质 得到改善，2 0 0 8 年辽河干流断面c o d 达标率首次达到1 0 0 。但是水质污 染依然严重，氨氮已经成为首要污染因子，水质持续改善面临巨大挑战。 辽河干流断面氨氮浓度达标率较低，2 0 0 5 年到2 0 0 8 年干流氨氮达v 类标 准的断面百分比都不到4 0 。2 0 0 8 年辽河沿程铁岭三合屯断面氨氮污染最 重，超标2 2 倍。 “十一五”期间是辽宁老工业基地全面振兴的关键时期，随着经济的 快速发展，辽河流域将面临更大的水环境压力。根据经济社会发展规划， 到2 0 1 5 年，流域地区生产总值年均增长约1 1 以上，城镇化率达到6 5 以上，c o d 、氨氮排放量将增加约1 5 ，水环境形势严峻。辽河流域水污 染发展趋势是c o d 排放总量降低，水环境质量不高，结构型污染物排放特 征依旧明显，氨氮污染加剧，区域特征污染物排放量大。 因此，水污染治理水平将在很大程度上取决于经济社会发展模式、采 用的控制策、污染治理技术水平与治理措施落实程度。实现从目标总量控 制向容量总量控制的转变，在容量总量控制的制度下调节各控制单元的总 量分配以及实现点源和面源之间进行科学、合理的分配允许排放量，就是 总量控制的核心问题。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 2 水环境容量应用发展概述 1 2 1 国外水环境容量发展 1 2 1 1 美国水环境容量发展过程 美国是较早进行水环境容量研究的国家，1 9 7 2 年美国环保局提出最大 日负荷总量概念，即在满足水质标准的条件下，水体能够接受的某种污染 物的最大日负荷量。因此，在美国，最大日负荷总量的允许排放总量的概 念更注重分配，强调对容量的利用。美国总量控制计划主要分为三个阶段： ( 1 ) 启动阶段为1 9 7 2 年到1 9 8 3 年。这一阶段为总量控制计划的实施奠 定了法律基础。19 7 2 年美国清洁水法要求各州、领地及部落每两年必 须向环保局汇报当地水体的整体情况及水体是否达到水质标准。如果没有 达到所需要的水质标准，则要求州，领地和部族对这类水体制定并实施 t m d l 计划。美国于1 9 8 3 年正式立法，实施以水质目标为限的排放总量控 制。 ( 2 ) 推广阶段为1 9 8 4 年到1 9 9 6 年，美国环保局推出总量分配技术支持 文件总量负荷分配技术指南，并推广了水质计算软件。1 9 9 2 年提出了 制定总量分配计划的规则，为各州及地方政府的总量分配工作提供了明确 的技术指导，使总量分配工作在全国各地全面展开【l 】，其只要控制对象是 b o d 、d o 、氨氮等。i 沁o c h u a n g u 等利用确定性水质分析模拟模型研究了美 国l o w a 州d e s o n i n e s 河沿岸点源和非点源污染负荷的分配。e c k e r 、c o n v e r s e 和a n d e r s o n 等人以区域污水处理费用之和最小为目标函数建立优化模型， 再由线性规划、动态规划和整数规划等优化技术，实现污染物在排污口的 优化分配。而t l m a n n 与s o b e 坝u 将目标函数线性化后，运用线性规划方法对 确定性规划方法对确定性条件下优化模型进行分配计算。 ( 3 ) 提高发展阶段，这一阶段实施总量控制的污染物种类不断增多， 主要有各类重金属和大肠菌群等多种指标，总量控制的范围不断扩大【2 - 3 】。 同时，美国实施了以生态分区为基础的水体富营养化基准的制定，完成了 湖泊、河流等水体的富营养化基准制定工作。开展以控制富营养化为目标 的氮磷总量控制。 1 2 1 2 其他国家和地区 第l 章绪论 2 0 世纪6 0 年代，日本为改善水和大气环境质量，提出污染物总量控制 的问题。成为最早提出环境容量理论的国家。1 9 7 3 年日本明确提出污染负 荷量的总量消减概念，化学耗氧总量的概念，并提出了指定物质消减执导 方案。1 9 7 8 年日本开始实施赖户内海等水域的总量控制计划，经过十年努 力，水质得到一定的改善，此后又制定了第二次总量控制计划。 欧洲各国也都比较早地进行了污染物总量控制研究，英国的泰晤士河， 德国的莱茵河，都采用各种措施消减污染物入河总量，使河水水质得到一 定的改善。 1 2 2 我国水环境容量研究发展 1 2 2 1 我国水环境容量发展过程 我国从2 0 世纪7 0 年代开始对水环境容量计算进行研究，大致可以分 5 个阶段： ( 1 ) 研究启动阶段 2 0 世纪8 0 年代，在北京东南郊环境质量评价、黄海环境质量评价等项 目研究中，应用不同的水质模拟数学方法，分析水体污染物的自净规律并 制定了水质排放标准，从不同意义上提出了水环境容量概念。 ( 2 ) 初步研究阶段 “六五”计划期间，水环境容量研究被列为国家环保科技攻关项目， 国家级科研项目主要有沱江有机物的水环境容量研究，湘江重金属的水环 境容量研究，深圳河有机物的水环境容量研究，黄浦江污染综合防治规划 方案研究，鸭绿江下游水质评价及污染综合防治规划方案研究，苏州河水 网水污染综合防治规划方案研究，京津地区水域有机物污染及防治对策。 在研究中不但对水环境容量的定义及污染物在水体的物理化学反应有了更 深入的了解，并且水质计算及各种参数的试验也均有较大的进展。 ( 3 ) 深入研究阶段 “七五”计划期间，大批科研机构参与水环境容量等研究领域，水环 境容量理论推向系统化和实用化。水环境容量计算技术研究更深入，其主 要用于河流、水库、河口和近海岸等不同水体。该阶段对水环境容量的应 用也有了新的发展，提出了容量总量控制、目标总量控制及行业总量控制 的概念。 气 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 相对停滞阶段 “八五”“九五”期间，国家重点项目没有容量研究项目，原国家环保局 采取了流域重点污染物c o d 的目标总量控制与达标排放相结合的管理政 策。在该阶段，启动了“三河三湖”等国家重点环保项目；全面推行水环 境功能分区管理，缓解经济发展对环境的压力。 重点污染物c o d 的总量控制，使水环境容量总量控制研究相对停滞。但总 量控制的推行对地表水及海水的水质恶化趋势起到了遏制作用，水环境功 能分区管理保护了一些高功能水体，维持了较好的水质状况。 ( 5 ) 重新研究阶段 “十一五”期间，原国家环保总局将氨氮列入总量控制目标，使国家 推行流域容量总量控制成为可能，开始实施的“渤海碧海行动计划”对流 域排污提出限制要求。随着国家环保政策的不断出台，流域水环境容量研 究列入了国家重点项目计划。 “十一五”“十二五”期间，国家环保部实施水体污染控制与治理科 技重大专项，该专项是根据国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 设立的十六个重大科技专项之一，重点突破工业污染源 控制与治理、农业面源污染控制与治理、城市污水处理与资源化、水体水 质净化与生态修复等方面的示范研究，为流域水环境容量和总量分配问题 的解决与突破提供强有力的科技支撑。 1 2 2 2 研究现状 虽然我国的环境容量研究相对较早，但目前与美国的差距有1 0 多年。 但总量控制项目由c o d 一项已经发展到c o d 和氨氮两项，随着经济的不断 发展和人民生活水平的提高，其他项目的总量控制会逐步提上议程。但是 相对美国王! p a 网站上公布的总量控制项目相比，我国的总量控制项目非常 少，在非点源的总量控制方面，总量控制措施实施比较困难，这些差距都 需要我们不断投入大量的资金，让更多的专业人才参与相关的课题研究， 以缩小与其他发达国家的差距。 本文选取总量控制项目c o d 和氨氮，以国际上较为先进的w a s p 7 水质 模拟软件为核心，计算水环境容量和总量分配中响应系数矩阵和响应系数 百分率矩阵，应用规划方法对辽河铁岭段的水环境容量和总量分配进行实 4 第l 章绪论 际研究，为辽河铁岭段的水污染控制提供科技支撑。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本文应用w a s p 7 水质模型模拟探索辽河铁岭段的污染物分布特点和 规律，通过该模拟各支流及排污口对下游各控制断面的影响程度，计算支 流对干流各个控制断面的响应系数矩阵，然后应用线性规划方法计算辽河 干流铁岭段的水环境容量。最终以科学、公平和效率为原则对辽河铁岭段 的污染物总量进行分配。主要内容如下： ( 1 ) 辽河铁岭段水质现状分析，收集、整理辽河铁岭段主要监测断面 的水质资料，应用主成分分析法对辽河铁岭段进行水质综合评价，从而深 入了解污染物的分布特点。 ( 2 ) 对辽河铁岭段企业排污资料进行整理分类，结合辽河铁岭段的水 力、水文和水质实测资料，应用w a s p 7 水质模型模拟辽河铁岭段的污染物 的时空变化规律，以w a s p 7 水质模型为基础，应用经过校正的w a s p 7 水质 模型对辽河铁岭段的污染物进行模拟，分析各支流及排污口污染物排放对 干流各监测断面的影响，计算响应系数矩阵。将线性规划方程与响应系数 矩阵相结合以m a t l a b 为工具计算辽河干流铁岭段的水环境容量。 ( 3 ) 根据铁岭市的社会、经济和环境情况划分控制单元，以科学性、 公平性和效率性为原则建立层次分析结构，选取相应的评价指标，应用层 次分析法确定控制单元的权重分配比例。以w a s p 7 为基础计算响应系数 百分比，计算不同分配原则下的最大水环境容量，对不同的水环境总量分 配方案进行探讨分析并确定最佳总量分配方案。 ( 4 ) 探讨辽河铁岭段的主要污染问题和管理措施根据水环境管理目 标和流域水污染现状，结合w a s p 7 模型的模拟的水环境容量计算结果和水 环境总量分配结果，提出了一些防治辽河干流铁岭段水污染的方案，为整 个辽河流域及其它支流的水环境管理提供了科技支撑。 1 3 2 技术路线 辽河铁岭段水环境容量及总量分配计算的核心是应用w a s p 7 水质模 拟软件模拟计算响应系数矩阵与响应百分率矩阵，其全文的技术路线见图 5 沈阳理工大学硕士学位论文 1 1 所示。 图1 1 技术路线 f i g 1 1t e c l l n i c a lr o u t 6 第2 章水环境容量模拟方法研究 第2 章水环境容量模拟方法研究 2 1 水环境模型概述 水环境问题的解决离不开表征污染物负荷一水质响应关系的数学水质 模型，水质模型不但可以预测在特定污染条件下的水质浓度，还可以计算 出在特定条件下水功能分区达标所允许排放污染负荷。 应用数学水质模型对流域水环境进行规划和管理是国际发展的主流方 法，如美国特拉华流域是较早在流域规划中使用数学模型的研究之一， 通过应用综合的系统分析方法提高了水环境保护规划的质量。数学模 型应用的不断发展，流域水质管理效果得到很大的进步。如日本采用 数学模型对y o d o 河进行了综合水质管理规划，荷兰对国家水资源管理 计划进行政策分析时建立了全国性的流域水质模型。 与世界发达国家相比，我国的流域水质管理稍显落后，但近年来 发展很快。我国最早的流域水质管理是2 0 世纪7 0 年代对北京官厅水 库的评价和治理，渤海、黄海等水域的调查研究。改革开放以后，随 着我国经济的迅速发展，水环境问题愈显突出，一系列有关流域污染 治理的控制方案纷纷出台。进入9 0 年代以后，对淮河、海河、辽河、 太湖、滇池、巢湖的治理，更是集中性的流域水质管理行动。目前， 随着国家环保总局在水质污染控制中由目标总量控制向容量总量控制 的方向回归，污染负荷。水质响应关系数学模型的应用研究无疑成为如 今的热点研究课题。 2 1 1 水质模型的发展 2 1 1 1 水质模型的发展 从s t r e e t e r 和p h e l p s 在1 9 2 5 年建立第一个水质模型开始，以后的 7 0 多年里，水质模型在河流水质模型中普遍采用一级动力学反应，主 要以需氧量和溶解氧作为水质模拟基本变量。 水质模型大致经历了如下阶段： 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 19 2 5 年到2 0 世纪6 0 年代中期。河流水质模型主要对方程 进行大量简化以后，依赖于解析求解。这一时期河流水质模型的研究 进展相对缓慢，主要研究停留在对s t r e e t e r p h e l p s 模型进行修正上 4 】， 从而限制了数学模型的发展和应用。修正初期，主要研究的是b o d - d 0 的一维耦合线性模型在河口或者河流中的应用，模型的改进一般只考 虑b o d 和d o 的双线性系统模型，如1 9 6 2 年的l i s 模型、19 6 3 年的 c a m p s 模型、1 9 6 4 年的d o b b i n s 模型等。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年代中期。1 9 4 2 年美国物理学家 m a u c h l y 和e c k e r t 发明了第一台数字式电子计算机以后较短的5 年内， 线性方程、非线性方程和微分方程的数值求解方法得到广泛的应用。 随着计算机和数学技术的不断发展，环境问题的解决，水质管理的手 段逐渐发生变化。1 9 6 3 年t h o m a n n 等人提出了特拉华河口综合研究模 型。特拉华河口综合研究模型将s t r e e t e r p h e l p s 模型扩展到具有不同强 度污染负荷、狭窄和非均匀断面的河口上，复氧速率和生物降解速率 随空间和时间变化【5 】。 1 9 7 2 年美国环保局开发了q u a l i i 模型，模型可以模拟多个水质 指标，从而使确定性水质模型得到了新的发展。在这个阶段，线性系 统的水质模拟项目从d 0 和b o d 两项发展到d 0 、b o d 、氨氮、有机 氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮等多项，在空间上也从河流河口发展到湖 泊海湾，从一维扩展到二维。模型的主要的理论依据主要为有机物耗 氧与大气复氧的动态平衡。其中最为重要的是o c o n n o r 和d o b b i n s 对 s t r e e t e r i ) h e l p s 模型的修正，底泥和硝化的作用的增加使模型在参数形 式和求解技术上较原始模型有较大改进( 6 】o 这一阶段非线性系统研究发 展最为突出，如氮磷循环系统、浮游动物和浮游植物系统等。 ( 3 ) 2 0 世纪7 0 年代中期到9 0 年代。这一阶段研究重点是以多 系统相互作用的为主，模拟的空间尺度达到三维，模型模拟的参数甚 至需要考虑几十个状态变量。如食物链及有毒物质的相互作用模拟。 ( 4 ) 2 0 世纪9 0 年代至今。随着3 s 技术的发展，地表水体水质 模型逐渐与流域模型进行集成，地表水地下水流域水文系统的整合使 流域非点源、大气污染源的汇集过程与点源污染统一玉f 衡分析模拟， r 第2 章水环境容量模拟方法研究 使流域水污染的控制管理进入到可视化实时化。 总体而言，水环境模型朝着更复杂的数学模型发展，从而使人们 对水质变化机理有更形象、更直观的理解，从而为水质管理提出更好 的对策【7 】。另一方面，我们还需要收集和监测更多更详尽的模拟数据， 这需要花费大量的人力和财力。 2 1 1 2 国内水质模型研究现状 目前，我国开发的水质模型主要是环保科研部门、大学、水利部门等 事业单位，虽然都有自己的模拟程序，但是在模型选择、参数确定方面还 不规范，能够商品化的程序较少。“六五”期间主要是以开发枝状河流一 维稳态模型为主，“七五 期间的主要是以网状感潮一维模型为主，湖 泊、海湾的二维模型也较多。如中国环境科学研究院开发的有限体积法网 状感潮一维稳态模型；华南环境科学研究院开发的有限体积法模型；清华 大学开发的k e 紊流等。 水质模拟采用解析法具有解法简单、便于应用的特点。而水质模拟软 件开发均采用数值方法，与解析法相比，预测的精度较高。由于枝状河流 的稳态水质模型比较简单，水质模拟采用解析法也有部分环境科研人员利 用e x c e l 对水质模型进行求解。 2 1 2 水质模型的类别 要定量地研究水环境容量并加以开发利用就必须应用水质模型来定量 表述污染物在水环境中的迁移转化过程。水质模型从不同的角度可以划分 的不同的分类：根据水体可以分河流模型、湖泊水库模型、河口模型和海 洋模型；根据时间可以分稳态模型、准动态模型和动态模型；根据空间可 以分零维、一维、二维和三维模型；根据性质可以分确定性模型和不确定 性模型根据过程可以分输移模型、扩散模型、反应模型、输移扩散模型、 输移反应模型、扩散反应模型、对流扩散反应模型和生态模型。 目前，天然河流上多采用一维稳态模型2 】，小型湖泊采用零维模型或 箱模型较多，多维模型、动态模型和河网模型也有研究和应用，如海湾水 域环境质量预测研究中广泛采用二维水质模型【1 3 - 1 7 】，三维模型【1 8 _ 1 9 也有一 定的应用；在河口感潮河段的水污染研究中，也开发了不同形式的动态水 质模型。在模型的解法上有解析解及数值解的不同。 0 沈阳理工大学硕士学位论文 水质模型现在已经广泛应用在水环境管理，具体包括污染物在水环境 中的模拟和预测、水环境管理规划与水质评价等方面，如美国环保局推荐 使用的q u a l 2 e 水质模型，该模型已经被成功地广泛应用于河流水质预测和 水质管理规划中。利用数学模型来对河流水污染控制是十分有效的，它可 以分析各种污染物在水环境中的状态和演变规律，计算水环境容量和反演 水污染物的削减负荷，为流域水环境优化管理提供决策依据。 2 1 3 国际常用的水环境模型软件介绍 国外河流水质模型的研究起步相对我国较早，自1 9 2 5 年出现了第一个 河流水质模型s p 模型以后。经过几十年的发展，水质模型的研究已日趋成 熟，相继开发了一批水动力模型、水质模型和功能强大、通用性好、准确可 靠的综合：水质模型。 ( 1 ) 一维稳态水质模型主要适用于宽度和深度都较小的河流，污染物以 点源的形式排入河流后能够迅速在全断面均匀混合。模型的优点是计算量 小且公式简单，但是外部条件过于理想化，没有根据实际情况考虑到水质 的不均匀性、点源排放的间断性等因素。 q u a l 2 k 【2 0 2 1 】是模拟小溪与河流水质的一维稳态河流水质模型，模型 可以按用户需要模拟传导率、无机悬浮物、富营养化的各种表征参数( 包 括氨氮、硝氮、无机磷、浮游植物、c b o d 、d o 、有机氮、有机磷等) 、病 原菌、碱度、总无机碳，底泥藻类等1 5 种水质指标，参数较复杂，几乎对 每个小时的数据都要实时监测。软件以1 l v i n d o w s 为界面，采用了宏语言： s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n s ( 姬) 。并以e x c e l 为图像使用界面。 s s t e m p 2 2 - 2 3 】模型是由u s g s 开发模拟水体水温的水力模型。主要用 以模拟维稳态的水流水体的温度情况。可以用来评价水库的蓄水量、分 析水滨带的遮荫状况以及河流的相关物理性质。它不同于大的河网模型可 以模拟一个大的河网体系，只能一次如一个月、一天、一年模拟一个支流， 模拟方法适用性很强，可以一些简单的情况下应用非常的广泛，同时还可 以作为很好的教学工具和灵敏度分析工具。 ( 2 ) 二维水质模型主要适用于河流较宽，水深较深，混合不均匀等水 文条件相对复杂，靠近入海口的河流以及河网。此方法主要用于感潮河的 水环境容量的计算。其优点在于考虑的因素全面，计算结果相对精确，但 10 第2 章水环境容量模拟方法研究 计算量很大，经常用到离散数学、高阶偏微分方程、迭代法等，需要掌握 编程语言通过计算机编程求解。 f e s w m s 2 4 - 2 5 】模型是一种模拟稳态、动态的两维水动力学模型。由f h a 用f o r r t r a n 语言编写开发。主要包括数据水流模块、输入准备程序、数据输 出程序和图像转化程序。f e s w m s 整个模型不但可以分析水力条件相对复 杂水流状况，还可以应用在各种稳态和动态的水流过程中。如低浅的河流、 水域平原，河口和沿海岸都。 并入f e s w m s 的s m s 模型，应用f o i 凡蝌编写，s m s 为预处理提 供程序，可以表示两维格栅。模型的后期处理可以表示为图像显示，可以 模拟结果的显示以及绘制矢量图等高线图。 r m a 4 【2 6 - 2 7 】是由u sa r i n y 工程研究开发中心、w 缸e a y se x p e r i m e n t s t a t i o n 、c o a s t a la n dh y d r a u l i c sl a b o r a t o 巧共同开发完成，主要在水动力模 型r m a 2 的基础上进行水质模拟。 i 洲a 4 主要模拟一维或二维水体中包括保守性物质和非保守性物质在 内的六种物质组分的迁移转化情况。如水生植物对温度的影响、海湾的水 力停留时间、水平面上盐度的分布规律、识别油泄漏及其它污染物扩散的 潜在关键区和水流分析。主要模拟指标有b o d 、d 0 、保守性物质、非保 守性物质、盐度等。 m i k e 2 1 【2 8 _ 2 9 】研发适用于河流、河口、湖库及海湾等二维水动力学、富 营养化、水质、石油泄漏等计算模型。 ( 3 ) 三维水质模型 m i k e3 【3 0 3 l 】是由d h i 开发的，它是一个对自由表层水进行模拟的三维 水质模型，包括水流的水平对流离散，水质，热交换，重金属，富营养化， 沉积物等各种指标的模拟。模型主要模拟保守性物质或者是线性降解的物 质组分，富营养化的模拟过程包括营养物质循环，浮游植物，浮游动物， 和底质植被的生长情况，影响d 0 的过程，重金属在河床沉积物和水体重 的交换，底质的传输、沉降和侵蚀。 ( 4 ) 综合水质模型 e f d c 【3 2 - 3 4 】模型是由美国环保局组织开发的模型，在世界应用较为广 泛。e f d c 是一个源程序公开的地表水模拟系统，它可以系统地模拟水动 1 1 沈阳理工大学硕士学位论文 力、水质、富营养化和沉积物输移的动态变化及其相互影响。与其它模拟 系统相比较具有极强的问题适应能力，根据问题可以用于零维、一维、二 维和三维水环境模拟。因为e f d c 采用的数值方法和系统开发方法能够解 决水质、) k 动力、沉积物模型的耦合问题，在河流、河口、湖泊、港湾以 及湿地等水环境系统应用也较为成功，所以成为国际上水环境模拟系统研 究开发的主流方向。美国环保局正在支持开发基于e f d c 的地表水模拟工 具库。e i r d c 源代码完全公开。e f d c 中所包括的多种水动力过程、水质 与富营养化模型以及沉积物输移模型。e f d c 本身还提供多种模拟计算方 案。e f d ( ：模拟的指标主要有：温度、磷、大肠杆菌、藻类、盐度、总活 性金属、溶解有机物、二氧化硅、泥沙、c o d 、d 0 、粘性沉积物、氮、非 粘性沉积物、保守性痕量物质、岩化沉积物等。 e f d ( ：的运行界面为w i n d o w s ，一般采用有限差分法求解。e f d c 的程 序图形显示功能为动态实时显示，程序语言为f o r t r a n 。e f d c 的普适性好， 操作性强，用户界面友好。 w a s p 【3 5 - 3 9 】是由美国环保局( e p a ) 负责开发的一个综合型水质模拟模 型，可模拟河流、水库及湖泊的水质变化，可研究点源和非点源问题。模 型能够模拟保守物质，底质，富营养化的各种表征参数( 包括氨氮、硝氮、 无机磷、浮游植物、c b o d 、d o 、有机氮、有机磷等) ，简单有毒物质，有 机化学物质等1 2 种指标。同时，它既可用作为稳态模型，也可作为动态模 型使用。目前应用较多的为w a s p 7 版本，完全基于w i n d o w s 界面操作。 2 2w a s p 7 水质模型 2 2 1w a s p 7 水质模型 w a s p 7 水质分析模拟软件，是美国国家环保局开发的专业水质模拟软 件。它主要包括两个独立的计算子程序：d y n h y d 5 和w a s p 7 ，其中 d y n h y d 5 是水力学计算程序，它为w a s p 7 水质模拟分析提供所需要的 水力学参数。w a s p 7 提供水质模拟程序分两类：e u t r o 子模板和t o x i 子模板。e u t r o 子模板解决传统的水质问题，其中包含有生化需氧量、溶 解氧、氨氮、硝酸盐氮、叶绿素a 、有机氮、有机磷和无机磷等。t o x i 子 模板解决的是有毒物污染问题，其中包含有有机污染物、重金属和底泥等。 1 2 第2 章水环境容量模拟方法研究 2 2 2 1w a s p 7 水质模型水动力学原理 ( 1 ) 质量守恒方程： w a s p 7 水质分析模拟模型的基本方程式是一个平移扩散质量迁移方 程，它描述任一水质指标空间和时间上的变化【4 0 1 ，方程见式( 2 1 ) ： 筹= 一去( 以c ) 一号( c ) 一鲁( 也c ) + 去b 篆) + 导一爹 + 亳( 臣篆) + s f + s r + sc ( 2 1 ) 其中： c 一水质组分浓度，g m 3 。 f 一时间步长，d ； 巩一纵向对流速度，1 1 1 d ； 巩一横向对流速度，m d ； 殴一垂向对流速度，m d ； 晟一为纵向扩散系数，m 2 d ； b 一横向扩散系数，m 2 d ； 巴一垂向扩散系数，m 2 d ； 一点源和面源，g m 3 d ； 一边界负荷，m 3 d ； 一源漏项，m 3 d ； 2 2 2 2w a s p 7 水质模型e u t r o 计算方程 w a s p 7 水质模拟主要分为e u t r o 模拟程序和t o x i 模拟程序，其中 e u t r 0 模拟程序由四个相互作用的系统构成，即浮游植物作用系统、磷循 环系统、氮循环系统和溶解氧系统。e u t r 0 模拟程序模块主要模拟8 个常 规水质指标，即为n h 3 n ( c n h 3 - n ) 、n 0 3 n ( c n 0 3 n ) 、无机磷( c 无机磷) 、浮游植 物( c 浮游植物) 、b o d ( c b o d ) 、d o ( c d o ) 、有机氮( c 有机氮) 和有机磷( c 有机磷) 。本文 主要研究n h 3 n ( c n h 3 - n ) 、c b o d ( c c b o d ) 和d o ( c d o ) 。其水质浓度计算见式 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ： ( 1 ) n h l n 1 3 沈阳理工大学硕士学位论文 争= ”u c 物喁吼彘峙盯。c 湫物一 媚。2 0 i 荛) c n h 3 一n 其中： c n h ，一n 一氨氮浓度； d 。一浮游植物死亡速率； 。：一浮游植物氮碳比； 。一浮游植物氮死亡和呼吸转化为有机氮比例 岛，一2 0 条件下溶解有机氮矿化速度； 岛，一岛，温度系数； c 一浮游植物半饱和常数： 1 帆一氨氮选择系数。 向z 一2 0 条件下消化速度常数； q ：一毛：温度系数； k 肿一硝化氧限制半饱和系数； ( 2 ) b o d 等诅物+ 懈2 。c 一掣c 啪。一 2 9 蚜。c 寒) c n 0 3 一n 其中：c 删) 5 一b o d 5 浓度， 吃- c 一浮游植物氧氮比； 一2 0 条件下b o d 降解速率； 皖，一水体中b o d 降解温度系数 1 4 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第2 章水环境容量模拟方法研究 k b o d b o d 降解氧限制半饱和常数； 厶s 一溶解b o d 比例； ( 3 ) d o 鲁吲c 。屯o ) - 蜊。2 0 ( 彘b 旷静铲c 物一 嚣槭2 0 ( 蒜蠢) c n h 3 圹警啦( 詈+ 4 ( 一训c 物 ( 2 4 ) 其中：k z 一2 0 条件下水体的大气复氧速度常数； 乙。一饱和溶解氧浓度； s d d 一2 0 条件下底泥耗氧量 d 一底泥耗氧量温度系数 2 2 2w a s p 7 模型参数的选择 水质模型中有许多重要参数，包括水体物理、化学和生物动力学过程 的常数。模型参数与区域的气候、地理、水文、和生物等因子相关。因此， 需要研究不同污染物的稀释白净过程变化规律，根据总量控制指标及模型 要求，对所需参数的适用条件进行比较，其中包括参数的理论公式估算及 依据经验公式由实测数据统计的技术方法，选取适合辽河铁岭段水环境容 量计算模型系统的参数。 水质模型中的参数通常是指物理、化学和生物化学过程中的常数 4 1 1 。 由于河流特征各不相同，因此水质模型中的参数因河而异，其参数需要通 过一定的方法进行估算，而后进行模型的率定。模型参数的估值通常是根 据已有的流域水质信息及污染物变化规律。因此模拟参数的估值是水质模 型研究中特别重要的一步。在很大程度上，水质模型应用的精确程度直接 取决于参数率定是否正确。 水质模型的参数主要包括水质参数、水动力学参数和环境参数等，它 们是用来表征河流水体所发生的物理、化学和生物过程的动力学常数。参 数的估算就是对这类参数的确定。目前比较常用的参数估值方法主要有经 沈阳理工大学硕士学位论文 验公式法、实验法和野外实测法等。本文主要应用经验公式法或者参考相 关文献的经验值选取适合辽河铁岭段现状的参数。 2 2 2 1 水力参数 水动二勺学参数主要是用来确定河道的水力特性，对于它的计算准确度 一般要求较高。因为它在很大程度上关系到模型的模拟精度，所以我们通 常把水动力学参数的率定作为w a s p 7 模型中很重要的一个环节。水动力学 参数主要包括水力学因子参数a 、b 、c 、d 等，它们是用来确定流量、流速、 水深等水动力因子之间的关系的，而流量、流速和水深之间的关系见式 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 来表示，即： u = 口 ( 2 5 ) h = c ( 2 6 ) 式中：q 一河流流量，m 3 s ； u 一河流的平均流速，州s ； 彳一河流的过水断面面积，m 2 ； 日一河流的平均水深，m 。 通过对式( 2 5 ) ( 2 6 ) 两边取对数，然后由最小二乘法便可得到水动力学 参数。 l g u = 6 1 9 9 + 1 9 口 l g 日= d l g q 十1 9 c 令x = l g qy = l g uz = l g 日 由最小二乘法计算得： # m 一t 誓 1 9 口= _ 门薯m 一葺m 6 = 蔓l 鱼l l n 门# 一( z ) 2 1 6 第2 章水环境容量模拟方法研究 2 2 2 2 糙率度和坡度 # 乙一蕾葺z f l g c = 旦 卫 门# 一( z ) 2 f = 1f - 1 胛t 乙一t z f ，一 l 二!f = !生! 一 n” 即# 一( 工) 2 ，= lf = 1 天然河道糙率是三个方面因素的综合作用结果，具体情况如下表2 1 ： 表2 1 滩地特征描述 t a b 2 1t h ed e s c r i p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb e a c h 如实际情况与本表组合有变化时，糙率值应适当变化。上表适用于稳定 河道，对于含砂大的冲淤变化较严重的砂质河床，由于其糙率值有其特殊 性，此表未能包括其特殊性，所以不宜用此表。影响滩地糙率很重要的一 个因素是植物，植物对水流的影响随水深与植物高度比有着密切的关系。 河流的坡度是一个比例式，即两点的高程差与其水平距离的百分比。 1 7 沈阳理工大学硕士学位论文 2 2 2 3 模型参数 由于水环境系统内在的不确定性和水文、水质等资料的不完全性，使 得根据不确定性水质模型进行水质模拟预测存在着明显的局限性。本文应 用搜集、整理辽河铁岭段的水文和水质资料进行模拟，应用当年实测数据 和参考文献上的参数范围进行参数率定，其率定取值如表2 2 ： 表2 2 辽河铁岭段w a s p 7 水质模型参数率定 ，i h b 2 2p a r a m e t e r si d e m i f i e do fl i a o h et i e l i n gs e c t i o n