（环境工程专业论文）苏州河水系水环境数学模型研究及应用.pdf

附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所警交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究j l ：作所取得的成果。除文中已明确注明和引h j 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作品及成果的内容。论文为本人亲臼撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识剑本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：夕们f 年 易御 孑日 i 殇 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使h j 学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权尔华大学可 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h j 影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论丈。 保密d 在丞年解密后适用本版权j i 。 本学位论文属于 不保密口。 糊一虢李荔 日期：脚罗月弓日 指导教师签名： 日期：竹j 目录 摘要l a b s t r a c t “1 1 1 第一章绪论1 第一节研究背景与意义l 一、上海市河网水资源概况l 二、苏州河概况一2 三、苏州河存在的主要水质问题4 第二节研究现状5 一、苏州河水环境治理概述一5 二、水环境数学模型概述“7 第三节研究内容和方法1l 一、主要研究内容11 二、主要研究方法1 2 三、技术路线13 第二章氧平衡机理与m ik e l1 模型理论1 4 第一节氧平衡模型机理“l4 一、耗氧过程14 二、复氧过程l 7 第二节m i k e l1 模型理论2 0 一、模型软件介绍2 0 二、模型理论2 4 第三章河网模型的建立及率定和验证3 1 第一节河网概化”3 1 一、河网水系概况3 l 二、河网概化3 l 三、降雨径流及市政泵站概化3 3 四、污染源概化3 3 第二节河网模型的建立及其率定和验证3 5 一、模型率定验证时段与数据来源一3 5 二、河网水动力模型的建立及率定和验证一3 6 三、水文模型及市政泵站雨天溢流放江量的率定“3 8 四、河网水质模型建立及率定和验证4 1 五、参数讨论4 3 第四章苏州河二期综合治理对水质改善情况模拟研究4 5 第一节苏州河干流下游河段底泥对水质的影响研究4 5 、苏州河底泥研究的回顾4 5 二、底泥需氧量组成4 6 三、底泥需氧量方案模拟4 7 第二节苏州河下游六支流污染负荷削减方案模拟分析5 l 一、污染负荷削减方法5 l 二、模拟结果及分析5 2 第五章结论和研究展望5 5 一、结论5 5 二、研究的不足之处5 6 三、研究展望5 7 致谢5 8 参考文献5 9 附录一上海地区一维河网水动力模型率定结果6 3 附录二上海地区一维河网水质模型率定结果7 3 附录三苏州河干流下游s o d 减小前后水质模拟结果8 3 附录四苏州河六支流污染负荷削减后水质改善模拟结果9 4 亏华走爹硕士研究生毕业论文 摘要 随着经济的快速发展和人口的急剧增长，全球可供人类利用的水资源己严重 不足，且河湖水环境污染，水质不断恶化，水资源短缺已成为一项世界性问题。 同样，在我国水资源短缺以及水环境污染也比较严重，并且水资源存在着显著的 地域差异：南方属水质型缺水，华北及西北地区属水量型缺水。 上海的水资源问题同样严重。上海地区是典型的平原感潮河网地区，境内水 网交织，湖荡众多，主要河流和湖泊有长江河口段、黄浦江、吴淞江( 苏州河) 和淀山湖等。随着城市人口的不断增加，经济的迅速发展，大量工业废水、生活 污水排入河网，导致水环境质量日益恶化。水环境污染的问题已经成为困扰和阻 碍城市建设和经济可持续发展的一个主要问题。因此，上海地区水环境综合治理 工作是一项关系到方方面面的、势在必行的大事。 对于上海这样一个工业发展有着悠久历史，河网错综复杂，河流污染时间比 较久的地区来说，研究整个河网的灌溉、排涝、防洪、水环境规划和水污染控制 等，是一系列复杂的课题。研究这样的课题采用数学模型模拟的方法是一个比较 好的手段。本文通过比较目前应用比较广泛的水动力、水文、水质数学模型的应 用领域和优缺点，利用丹麦水力研究所( d h i ) 开发的m i k e l l 河流水环境一维 模型系统针对上海地区河网复杂的水文、水质特点，提出了平原感潮河网地区水 环境数值模拟的技术路线，对数学模型建立的关键环节进行了详细论述。 本文建立的上海市平原感潮河网水动力模型，充分考虑了上海地区河网强人 工调控的特点，利用m i k e l l 模型系统中的水工构筑物操作模块( s o ) 对河网 范围内7 0 余座闸门、苏州河干流沿线3 7 座市政泵站进行了合理地模拟。利用 m i k e l l 模型系统中的水文模型n a m 建立全市河网范围内的集总式水文模型。 采用暴雨期间泵站放江数据资料，对苏州河干流沿线3 7 座市政泵站集水域的水 文模型进行了率定。 依据上海地区河流污染现状和治理目标，选用m i k e l l 水质模型( w q ) 的 模拟级别4 ，即b o d - - n h 3 n d o 耦合模型，建立河网动态水质模型。选用了 1 9 9 9 年苏州河第三次综合调水期间的水质资料进行水质参数的率定，率定结果 摘要 与实测数据吻合程度比较高。 在经过合理率定和验证的河网水动力、水质模型基础上，根据以往对苏州河 底泥研究的焦点问题，本文对苏州河干流下游底泥需氧量对水质的影响，利用模 型进行了模拟。模拟结果表明：苏州河干流下游底泥需氧量减小可以显著提高水 体中的溶解氧水平，然而对降低水体中的耗氧型有机物( 如n h 3 - n 、b o d 5 等) 并不十分明显，因此，目前底泥是否是影响苏州河水质的主要原因还有待进一步 研究。 针对苏州河二期综合治理、苏州河六条主要支流截污后的情况，运用已经建 立的水质模型模拟六条主要支流污染负荷削减后水质改善效果。根据治理情况模 拟了污染负荷削减7 0 的效果，模拟结果显示：污染负荷削减后六条主要支流 的水质均有不同程度的改善，改善最明显的是新槎浦。 关键词：感潮河网、苏州河、m i k e l l 、水动力模型、水质模型、底泥需氧 量、污染负荷、方案研究 亏华太亏硕十研究生毕业论文 s t u d ya n da p p l i c a t i o no fw a t e r q u a l i t ym o d e l o fs u z h o uc r e e k a b s t r a c t w i t hf a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dr a p i dg r o w t ho fp o p u l a t i o n ，t h ew o r l d sw a t e r r e s o u r c et h a tm a n k i n dc a l lu t i l i z eh a sa l r e a d yb e e ns e r i o u s l yi n s u f f i c i e n t 。m o r e o v e r ，r i v e ra n dl a k e w a t e re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，c o n s t a n tw a t e rq u a l i t yw o r s e n i n g , a n dw a t e rr e s o u r c es h o r t a g eh a s b e c o m eaw o r l d w i d em a t t e r e q u a l l y , w a t e rr e s o u r c es h o r t a g ea n dw a t e re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n a r er e l a t i v e l ys e r i o u si no u rc o u n t r y , a n dw a t e rr e s o u r c eh a sr e m a r k a b l er e g i o nd i f f e r e n c e ，t h a ti s ， t h es o u t hl a c k sw a t e rb e c a u s eo fw a t e rq u a l i t y , n o r t hc h i n aa n dt h en o r t h w e s tl a c kw a t e rb e c a u s e o fw a t e ry i e l d t h ew a t e rr e s o u r c ep r o b l e mo fs h a n g h a ii se q u a l l ys e r i o u s s h a n g h a ia r e ai sat y p i c a la r e ao f p l a i nt i d a lf i v e r - n e t w o r k sw h e r er i v e r sa n dl a k e si n t e r w e a v e t h em a i nr i v e r si n c l u d ey a n g t z e e s t u a r y , h u a n g p ur i v e r , w u s o n gr i v e r ( s u z h o uc r e e k ) a n dd i a n s h a nl a k ee t c w i t ht h ec o n s t a n t i n c r e a s eo fu r b a np o p u l a t i o na n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , al a r g en u m b e ro fi n d u s t r i a l w a s t e w a t e ra n ds e w a g ee n t e rr i v e r - n e t w o r k s ，c a u s i n gt h ei n c r e a s i n g l yw o r s e n i n go fw a t e r e n v i r o n m e n t a lq u a l i t y t h eq u e s t i o no fw a t e re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a sa l r e a d yb e c o m ea s u b j e c tm a t t e ro fp e r p l e x i n ga n dh i n d e r i n gu r b a nc o n s t r u c t i o na n de c o n o m i cs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t s o ，t h ec o m p r e h e n s i v ea d m i n i s t r a t i o n o fs h a n g h a i sw a t e re n v i r o n m e n t a li sa n i m p e r a t i v e l ym a j o ri s s u ew h i c hc o n c e r n se v e r ya s p e c t s h a n g h a ih a sal o n gh i s t o r yo fi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t ，i n t r i c a t er i v e r - n e t w o r k s , a n dl o n g p e r i o do fr i v e rp o l l u t i o n a st os u c ha na r e a , s t u d y i n gi r r i g a t i o n ，d r a i n a g e ，f l o o dc o n t r o l ，w a t e r e n v i r o n m e n t a lp r o g r a ma n dw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lo fw h o l en e t w o r ka r eas e r i e so fc o m p l i c a t e d s u b j e c t s t oq u e s t i o n sl i k et h i s ，t h em a t h e m a t i c sm o d e ls i m u l a t i o n i sab e t t e rm e a n s b y c o m p a r i n gt h ea p p l i c a t i o na n dp l u s e sa n dm i n u s e so fh y d r o d y n a m i c ，h y d r o l o g y , a n dw a t e rq u a l i t y m a t h e m a t i c sm o d e l su s e dw i d e l ya t p r e s e n t , t h ep a p e ru s e d m i k e11 a c c o r d i n gt ot h e h y d r o l o g i c a la n dw a t e rq u a l i t yc h a r a c t e ro fp l a i nt i d a lf i v e r - n e t w o r k si ns h a n g h a ia r e a , t h e t e c h n i c a lr o u t eo fw a t e re n v i r o n m e n t a lm o d e l i n gf o rs i m u l a t i n gt h i sk i n do fr i v e r - n e t w o r k sw a s p r e s e n t a d d i t i o n a l l yt h em a i np a r t so fs e t t i n gu pm a t h e m a t i cm o d e lw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h eh y d r o d y n a m i cm o d e lo ft i d a lr i v e r - n e t w o r k si ns h a n g h a ia r e as e tu pi nt h i sp a p e rf u l l y c o n s i d e r e dt h es t r o n gm a n m a d ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co ff i v e r - n e t w o r k so fs h a n g h a ia n du t i l i z e d s t r u c t u r e so p e r a t i n gm o d u l e ( s o ) t or e a s o n a b l ys i m u l a t ea b o u t7 0g a t e si nr i v e r - n e t w o r k sa n d3 7 m u n i e i p a ip u m ps t a t i o ni ns u z h o uc r e e k r i v e rh y d r o l o g i c a lm o d u l en a mo fm i k e 1lw a su s e d t os c tu pt h ew h o l er i v e r - n e t w o r k sh y d r o l o g i c a lm o d e la sw e l l a d o p t i n gt h ed i s c h a r g e dm a t e r i a l s o ft h ep u m p si ns t o r m ，t h eh y d r o l o g i c a lm o d e lo f3 7m u n i c i p a lp u m ps t a t i o n si ns u z h o uc r e e k w a sc a l i b r a t e d a c c o r d i n gt oc u r r e n ts i t u a t i o na n dm a n a g e m e n tg o a lo fr i v e rp o l l u t i o ni ns h a n g h a ia r e a , 4 t h s i m u l a t i o nr a n ko fm i k e ilw a t e rq u a l i t ym o d e l ( w q ) ，n a m e l yb o d - - n h 3 - n d oc o u p l i n g m o d e l ，w a su s e dt os e tu pt h ed y n a m i cw a t e rq u a l i t ym o d e lo ft h er i v e r - n e t w o r k s t h ew a t e r q u a l i t ym a t e r i a l so f19 9 9w e r eu s e dt oc a l i b r a t ew a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r , a n dt h er e s u l to f a b s t r a c t c a l i b r a t i n gw a sm a i n l yi d e n t i c a lw i t hm o n i t o r i n gw a t e rq u a l i t yd a t u m b a s e do nt h eh y d r o d y n a m i ca n dw a t e rq u a l i t ym o d e lo fr i v e r - n e t w o r k sa l r e a d yd e m a r c a t e d a n dv a l i d a t e d ，t h i sp a p e ru s e dt h em o d e lt os i m u l a t et h ee f f e c to fb e ds e d i m e n t so x y g e nd e m a n d 0 nw a t e rq u a l i t ya c c o r d i n gt ot h ef o c u so fp a s ts t u d yo nb e ds e d i m e n t si ns u z h o uc r e e k t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e da sf o l l o w s ：r e d u c i n gt h es e d i m e n t so x y g e nd e m a n di ns u z h o uc r e e k i n f l u e n c e se v i d e n t l yd i s s o l v e do x y g e ni nw a t e r , b u tt h ei n f l u e n c eo nr e d u c i n go r g a n i cp o l l u t a n t si s n o tv e r ye v i d e n t s o ，w h e t h e rt h eb e ds e d i m e n t si st h em a i nr e a s o nt h a ti n f l u e n c ew a t e rq u a l i t yi n s u z h o uc r e e kt os t i l lr e m a i nt os t u d yf u r t h e ra tp r e s e n t a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o n a f t e rt h es e c o n dc o m p r e h e n s i v ea d m i n i s t r a t i o na n dc u t t i n g p o l l u t a n tl o a do f t h es i xm a i nt r i b u t a r i e so fs u z h o uc r e e k ，t h ew a t e rq u a l i t ym o d e la l r e a d ys e tu p w a su s e dt os i m u l a t et h ei m p r o v e m e n to fw a t e rq u a l i t ya f t e rc u t t i n gp o l l u t a n tl o a d a f t e rt h e p o l l u t a n tl o a do ft h es i xm a i nt r i b u t a r i e so fs u z h o uc r e e kw e r ec u td o w n 7 0 ，s i m u l a t i o nr e s u l t s h o w e dt h a tt h ew a t e rq u a l i t yo fs i xm a i nt r i b u t a r i e sw a si m p r o v e m e n ti nv a r i o u sd e g r e e s ，a n d x i n c h a p ur i v e rw a st h em o s to b v i o u so n e h o n g x i a n g _ l i ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y ) 型曼i g i 壁2 坠i 望 k e yw o r d s ：t i d a lr i v e r - n e t w o r k s ，s u z h o uc r e e k ，m i k e l1 ，h y d r o d y n a m i c m o d e l 。w a t e rq u a l i t ym o d e l ，s o d ，p o l l u t a n tl o a d ，s c e n a r i os t u d y i i 亏华大学硕十研究生毕业论文 第一章绪论 第一节研究背景与意义 随着经济的快速发展和人口的急剧增长，全球可供人类利用的水资源已严重 不足，且水质不断恶化，水资源短缺和水环境污染已成为一项世界性问题。因此 有人预言：2 1 世纪是个“环保世纪，更是个“打水仗”的世纪。 我国水资源短缺和水环境污染问题更是严重。全国淡水资源人均占有量仅为 世界人均水平的四分之一，且存在着显著的地域差异：南方属水质型缺水，华北 及西北地区属水量型缺水。全国主要水系和湖库普遍存在不同程度的污染和富营 养化，7 0 以上的城市河段已不宜作为饮用水源，5 0 的城市地下水受到污染。 紧迫的水资源形势迫使我们进一步加大截污、治污力度。 一、上海市河网水资源概况 上海市地处长江三角洲前沿，太湖流域的下游，北靠长江，东临东海，南濒 杭州湾，三面环水。境内地势低平，环水部分地势稍高，在地貌单元上，这里属 太湖碟形洼地的东缘。上海是著名的江南水乡，现有水域面积6 8 7 7 k m 2 。全市境 内每1 0 0 一- , 3 0 0 m 之间就有1 条较大的河港，河网密度为6 7 k m k m 2 。上海是全国 水面积比重最大、河网密度最密的地区之一位1 。 上海市境内水网交织，湖荡众多。主要河流和湖泊有长江河口段、黄浦江、 吴淞江( 苏州河) 和淀山湖等。长江流经本市北部，接纳黄浦江后，东流入海。 江口呈喇叭形向外展宽，最宽处达8 0 k m 。黄浦江源于淀山湖的淀峰，上溯连通 太湖，贯串上海市区，在吴淞口汇入长江，全长1 1 3 4 k m 。下游流经市区的江段 3 9 k m ，江面一般宽约5 0 0 m ，在吴淞口宽达8 0 0 m ，江深5 1 5 m ，最深处约2 0 m ， 具有通航、锚泊、供水、引灌、排涝、游览等多种功能。吴淞江源于太湖瓜泾口， 全长1 2 5 k m ，流经上海境内5 3 1 k m ，在市中心外白渡东侧流入黄浦江，是上海一 条重要的内河航道。淀山湖地处淀泖地区，所属上海部分位于青浦区，西部与江 苏交界，上海市境内面积4 7 5k m 2 ( 总面积6 2k m 2 ) ，是上海市最大的湖泊，平 第一章绪论 均水深2 1 1 m ，最大水深3 5 9 m ，蓄水量1 1 1 0 8 m 3 ，多年平均调蓄是0 6 9 1 0 8 m 3 ， 是上海市重要的水源地之一1 。上海境内水资源总量丰富，水资源多年平均总量 为5 9 6 6 亿i l l 3 ，人均水资源占有量4 5 0 0m 3 ，相当于全国和长江流域人均占有量 的2 倍，世界人均占有量的1 2 n 1 。 上海既有水量丰富、取水方便、地势平坦、水利工程便于布置等有利因素， 也有水量年内分配不均、年际变化较大、地势低洼、排水不畅、地面沉降、天然 水资源遭受污染等不利因素。地处中纬度，位于环球两条主要自然灾害带，每年 都遭到不同程度的台风、暴雨、潮汐、洪、涝等灾害的侵扰。同时，随着上海地 区人口不断增长、向国际化大都市目标逐渐迈进，以及高科技、生命线工程密集 化，台风等自然灾害带来的直接和间接的经济损失就不断增长，对这些灾害的敏 感性就会提高。 由于上海江海河湖相通，地势低平，在海潮和季风影响下，热带风暴、梅雨、 暴雨、上游洪水下泄、东海潮汐上溯会给上海地区带来较多的洪涝灾害璐3 。 灾害一般分2 种情况： 1 地区暴雨型。每年6 - 9 月多暴雨，多次暴雨或长历时暴雨后，河道渲泄 不及，河水高涨，农田内涝、城镇街巷积水。若发生流域性洪水，经太湖排洪主 要通道黄浦江下泄的洪水将直接影响青浦和松江低洼地区的防汛安全。 2 风暴潮型。主要由热带风暴或台风造成，风雨大作，并在天文潮的基础上 形成高潮位，直接威胁东海沿线海塘和市区主要河段的防汛安全。 综上所述，上海是一个典型的湖源型平原感潮河网地区。上海虽然水资源丰 富( 多年平均总量为5 9 6 6 亿m 3 ) ，远远超过全市用水需求量，但是由于水资源 总量中将近9 7 为过境客水，且水质和水量易受外界影响，水体污染严重，可 以使用的水量并不多，所以上海目前还属于一个水质型缺水城市。 二、苏州河概况 苏州河曾被称为吴淞江，源自太湖的瓜径口，经江苏苏州后曲折东流，横贯 上海市区，并在外白渡东侧流入黄浦江，全长1 2 5 k m 。在上海境内由赵屯至外白 渡口约5 3 1 k m ，下游流经市区段长2 3 8 k m ，河面平均宽5 0 - - 一6 0 m ，上海市内河面宽 4 0 - - - - 5 0 m 。苏州河上海段内曲折多弯，河底宽度1 5 - - 2 0 m 。河底比降十分平缓：黄 东年天擘硕士研究生毕业论文 渡至河口，河底比降只有万分之0 8 5 ；北新泾至河口，河底高差仅0 4 m ：平均比 降为万分之0 2 4 。沿线干支流纵横交错，南岸及北岸各有8 条主要支流与苏州河 干流相汇。 苏州河是潮汐往复流，既受来自太湖的径流影响，也受黄浦江上溯潮流的影 响，此外还受沿岸支流及农田灌溉引水和市区段沿岸工厂废水、企事业单位、居 民生活污水排放的影响。潮流界在黄渡附近，距河口3 5 k m ，潮区界在青浦赵屯 附近，低潮位时平均水深约2 - - - , 4 m ，高潮位时平均水深7 一- , 8 m ，年平均净泄流量 为6 一, , 9 m s 。据黄渡水文站实测资料，多年平均净泄流量为6m 3 s ，在河口外白 渡桥附近的净泄流量虽可达1 0m 3 s 以上，但净泄流量中约有4 0 6 0 的水是 来自沿岸入汇的工业废水和生活污水。 苏州河下游段受黄浦江潮汐影响，水文条件复杂。涨潮时来自黄浦江经外白 渡桥上溯苏州河的同进潮量可达1 1 0 万m 3 。苏州河潮差沿河向上游逐渐减小，在 黄浦公园平均为1 9 3 m ，至曹家渡已减至1 0 9 m 。河口处涨潮历时4 小时1 2 分， 落潮历时8 小时8 分，沿河口往上游则涨潮历时渐短，落潮历时渐长。大潮期间， 涨潮流速大于落潮流速，小潮期间，落潮流速大于涨潮流速，苏州河流速的变幅 大致为0 1 0 8 m s 。 从2 0 世纪2 0 年代开始苏州河受到污染，随同上海的开埠和经济的不断发展， 沿岸居民以及各类工厂、作坊、码头、仓库、商业店铺迅速密集，并不断向两岸 腹地扩展，她在孕育上海经济发展的同时，也接纳了两岸的污水，积淀了大量的 污染底泥，水体污染逐渐加剧。黑臭的苏州河和两岸杂乱简陋的建筑不仅严重制 约了沿河的经济发展，恶化了市民的居住环境，同时也损害了上海市成为国际大 都市的形象，整治苏州河是全市人民的迫切愿望，也是上海市政府的重大决策1 。 8 0 年代以来苏州河治理工作陆续展开。1 9 8 5 年9 月，国务院批准了苏州河 合流污水工程项目建议书。1 9 9 8 年上海市政府提出了“以治水为中心，全面规 划，远近结合，突出重点，分步实施 的基本方针盯3 ，工程第一期到2 0 0 0 年， 目标是基本消除河道黑臭；第二期到2 0 1 0 年要达到干流及支流与黄浦江的水质 同步改善、色差完全消除，市区河内有鱼类生存，水面清洁，两岸绿色走廊全面 建成。 第一章绪论 三、苏州河存在的主要水质问题 根据上海市环境质量报告书( 2 0 0 3 年度) 第二章地表水部分关于苏州河各 断面2 0 0 3 年全年监测数据结果统计，如表卜l 。 表1 - 12 0 0 3 年苏州河水质监测结果统计表”( m g l ) 1 ) 数据引自参考文献。 在各个监测项目中，超标情况最为严重的是氨氮和总磷，8 个断面全部劣于 v 类水质标准。其次是溶解氧，有5 个断面未能达到相应的水质要求，其中有4 个断面劣于v 类水质标准。石油类和五日生化需氧量各有1 个断面未能达到相应 的水质要求。 2 0 0 1 - 2 0 0 3 年苏州河全河重点项目的年均值变化情况见表1 - 2 。 从2 0 0 3 年苏州河全河重点项目的年均值可见，高锰酸盐指数、化学需氧量 达n i i i 类水质标准，石油类达到类水质标准，溶解氧和五日生化需氧量达到v 类水质标准，总磷和氨氮劣于v 类水质标准。 与2 0 0 2 年相比，这几个重点项目中，溶解氧有所转劣，高锰酸盐指数、化 学需氧量、五同生化需氧量有所下降，石油类、总磷和氨氮浓度有所上升。 孽华大学硕士研究生毕业论文 表1 - 22 0 0 1 2 0 0 3 年苏州河全河水质监测结果”( m g l ) 1 ) 数据0 l 自参考文献”1 在劣于v 类水质标准的2 项指标中，与2 0 0 2 年相比，总磷平均浓度上升 1 8 0 ，氨氮平均浓度上升2 7 7 。 通过以上的数据分析可以看出苏州河的主要水质问题是水体中大量好氧型 有机污染物降解消耗水体中的溶解氧，导致河水溶解氧量减少，最终河水中的污 染物质在缺氧，甚至厌氧的环境下降解，使水质恶化。归根到底，这种问题就是 河流水体中溶解氧的动态平衡问题。 一、苏州河水环境治理概述 第二节研究现状 在现代运输方式发展之前，吴淞江作为天然水道，承担着上海与苏州等地的 商业交通运输功能。可以看作是上海近代手工业及商业发展的一个标志，苏州河 在上海城市发展以至中国工业发展过程中起了重要作用。相当长的一段时期，苏 州河两岸基本为码头、仓库和工厂，苏州河主要承担工厂的原材料和产品的运输。 在苏州河沿岸的工业区周围，又迅速形成了廉价的工人居住区。由于大量工厂废 水、居民生活污水和垃圾等不经处理直接向苏州河排放，又由于潮汐作用使河水 外泄时间延长，苏州河水逐渐遭到污染，且越来越严重。1 9 2 0 年，苏州河部分河 段出现了黑臭，1 9 4 9 年建国前夕，从外白渡桥到曹家渡河段已终年黑臭，苏州河 沿线地区成为环境较差的区域。 新中国成立后至改革开放前，上海承担了我国恢复和发展经济的重任，把工 第一章绪论 业生产放到了重要位置。在上海发展成为功能单一的中国最大的工业城市这个时 期，尽管对苏州河进行过一些治理，但由于种种原因，河水的黑臭状况并没有改 变，而且逐渐加剧并向上游发展。苏州河沿线的发展日益落后，两岸陆域环境越 来越差。 改革开放以后，特别是2 0 世纪9 0 年代以来，我国社会经济形势发生了巨大的 变化，上海也进人了新的发展时期，把上海建设成为2 1 世纪的世界经济、金融、 贸易、航运中心成为城市发展的目标。上海的社会经济迅速发展，产业结构得到 全面调整，已部分地进人到以信息和服务业为主导的后工业化社会阶段。同时， 新的发展思想，如生态思想和可持续发展思想等越来越被人们所认同和运用，人 们终于重新审视苏州河的作用，认识到通过改善苏州河的环境、发挥苏州河的综 合功能，进而促使苏州河沿线地区的复兴，可以实现城市的健康协调发展。于是， 苏州河水环境综合整治拉开帷幕嘲。 苏州河水环境综合整治是上海有史以来规模最大的水环境治理工程，也是上 海实现“天更蓝、水更清、地更绿、居更佳环境建设的标志性工程。1 9 8 5 年9 月国务院批准了苏州河合流污水工程的项目建议书，1 9 8 6 年上海市政府批准了工 程的初步设计，1 9 8 8 年8 月投资1 6 7 亿元的苏州河合流污水工程正式开工。这 个服务范围为7 0 5 7 k m 2 、服务人口2 5 5 万、全长3 4 2 8 k m 的合流污水总管，地跨 长宁、普陀、闸北、静安、黄浦、虹口、杨浦、宝山和浦东新区，至外高桥竹园 排入长江口。截流区内有大小工厂一千多家，包括纺织、化工、医药、造纸、食 品、冶金等行业。整个工程沿线接纳4 4 个泄水区、5 2 座截流泵站的合流污水， 并包括了当时亚洲规模最大的彭越浦污水泵站，其旱流污水量为17 0 万m 3 d ，雨水 合流污水量为3 8 8 万m 3 d 。1 9 9 3 年1 2 月2 9 日主体工程通水运行，目前日截流排 放能力已达1 4 0 万m 3 d ，有效地削减了苏州河8 0 的有机污染物。苏州河综合整 治一期工程全面建成，苏州河干流黑臭基本消除，基本达到了苏州河水要变清的 阶段目标。 苏州河环境整治二期工程规划以截污治污和生态建设为中心，同步推进水环 境整治和两岸开发建设。根据上海市政府确定的苏州河环境综合整治“目标高一 点，要求严一点，力度大一点，步子快一点的基本方针，苏州河综合整治将分为两 个阶段：近期( 1 9 9 6 - - , - , 2 0 0 0 年) 为苏州河水体主要功能复苏阶段；远期( 2 0 0 1 - - 2 0 1 0 亏华太学硕士研究生毕业论文 年) 为苏州河水体各项功能恢复实现阶段n 们。 二期工程将通过截污治污、综合调水、底泥疏浚、两岸整治、支流治理等五 大工程措施，继续改善苏州河干流和支流水质，使干流水质基本稳定达到国家景 观水标准。 二、水环境数学模型概述 2 0 世纪5 0 年代以前，数学模拟的基本理论已经建立，运用这些理论也曾解 决过一些简单的工程问题。但是，这些基本理论真正应用于解决工程问题却是在 电子计算机发明以后。1 9 5 2 - - - - 1 9 5 4 年，i s a a c s o n 和t w e s e h 首次建立了俄亥俄河 和密西西比河部分河段的数学模型，并进行了实际洪水过程的模拟口。 1 河流水动力模型 水动力模型是其他水环境模型( 如水质模型、水环境容量模型等) 的基础和 前提。水动力模型的建立涉及控制方程组的简化、方程组的离散和求解、边界条 件的确定、模型的率定和验证等一系列问题。 平原感潮河网模型由于河流错综复杂以至于模型方程组离散和求解比一般 单一河流要困难和复杂。平原河网水动力数学模型目前大体可以分为：节点一河 道模型、单元划分模型、混合模型以及人工神经网络模型四类，其中最常用的是 节点一河道模型n 。常用的求解方法有：特征线法、有限差分法、有限元法和有 限体积法，其中应用最广泛的是有限差分法。 常用的一维水动力学模型主要有： 1 ) m i k e ll h d m i k e l1 是丹麦水力研究所( d h i ) 开发的一维河流模型系统，其核心是水 动力模块( h d ) ，h d 模块利用a b b o t t 六点隐式差分格式求解一维河流非恒定流 方程组( 圣维南方程) ，可以处理分汊河道、环状河网以及冲积平原的准二维水 流模拟n 2 1 3 1 。m i k e l1 系统除了h d 模块外，还包括其他五个模块：洪水预报模 块( f f ) 、溃坝模块( d b ) 、城市排洪模块( u d ) 、降雨径流模块( n a m 和u h m ) 和水力构筑物控制模块( s o ) 。 2 ) f e q f e q ( f u l le q u a t i o n sm o d e l ) 是美国地质调查局( u s g s ) 开发的用于求解明渠 第一章绪论 一维非恒定流的完整水动力方程的计算程序“引。其扩展模块f e q u t l 可以用来模 拟计算洪泛区的水动力特性，包括渠道、溢流堰以及所有控制水流流动的构筑物。 3 ) b r a n c h 河网水动力模型b r a n c h 是用来模拟单一明渠河流或一系列枝状或环状连 接的河网n 朝。b r a n c h 广泛适用于各种复杂水文和水动力条件的模拟，以及规 则或不规则断面的单一河道和复杂河网的水流模拟。 4 ) f l d w a v f l d w a v 是由美国国家气象局研究开发的通用洪水演算模型n 引。该模型可 广泛用于水文、水利工程中的各种非恒定流模拟，包括河网水系的实时洪水预报、 旱流污水管道的溢流分析、洪水漫顶及溃坝分析，河道整治规划、洪泛区洪水演 进分析、灌溉系统设计，泥石流模拟以及雨水管分析和设计等。 5 ) c e q u a l r i v 1 c e q u a l r i v l 是美国水道实验室开发的一个动态的一维水流水质模拟模 型“ 。该模型早期的版本主要用来模拟和预测与暴雨径流有关的水质问题，最新 的版本可以模拟水工构筑物的运行。 6 ) d y n h y d 5 w a s p 是美国环保局开发的水质计算程序n 引，它包括两个独立的程序：水动 力计算程序d y n h y d 和水质计算程序w a s p 。d y n h y d 用来模拟河口、河流 的一维非恒定流问题，它采用显式差分格式离散圣维南方程组，并用修正的龙格 一库塔方法进行求解。 2 河流水文模型 水文数学模型是运用数学的语言和方式来描述水文原型的特征和过程。按照 模型研究的方法和途径