（环境工程专业论文）景观河流水质变化的研究与控制.pdf

摘要 随着城市品味的逐渐提高，奖化环境、恢复城市水生态环境成为许多城市 今后的发展趋势，城市景观河流的治理和维护也将成为许多城市必须面临的问 题。本文以天津市漳河作为研究对象，在对河流水质监测、评价的基础上，建 立了水质模型，进行水质模拟和预测。结合天津市有关景现水体环境保护规划 和津河的实际状况，提出了水污染控制措施。 首先，在调研和原有数据的基础上，重新设置了津河1 0 个监测断面，对津 河进行为期一个月的水质监测，监测指标包括水温、溶解氧、总氮、氨氮、硝 酸盐氮、亚硝酸盐氮、总磷、溶解性总磷、溶解性正磷、离锰酸钾指数和叶绿 素共1 1 项。 第二，以津河的水质脏测数据和津河的单因子分析为基础，用内梅罗 ( n l n e m e r o w ) 污染指数法对漳河水质进行综合评价。在此评价中，采用了两 组评价因子，一组是地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 内的因子，一组除了 标准内的水质因子，还包括了漳河的主要污染物凯氏氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐 氮和叶绿索，这些污染物的标准是经过查阅资料自定的。 第三，根据津河的实际状况，选择了q u a l 2 e 模型作为津河的水质模型。 在模型参数估值中，一部分参数选用经验数掘和经验公式，另一部分参数通过 模型反求的方法对参数进行估值。参数反求的方法是根据津河的现实状况，由 笔者提出的，在尝试的三种方法中模拟效粜是最好的。 第四，以津河三组水质数据为原始数据，通过建立的模型剥漳河水质进行 预测，水质变量溶解氧、b o d 、叶绿素、有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐 氮、有机磷、溶解性磷和温度的预测值与实际监测值均在所设定的误差范围2 0 之内，验证了模型的有效性。 第血，结合津河的实际污染状况以及模型的成果，量化治理措施，提出了 切实可行的水污染控制措施。 本文的研究不但可以用作漳河的水质预测评价，为治理技术的方案优化决 策、水质管理和水质规划提供可靠的科学依据，而且可以为各种治理措施提供 可行性论证。 关键词：滓河水质评价水质模型q u a l 2 e 预测水污染控制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t i e s ，i tw i l tb e c o m ean e wd e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o nt o b e a u tj i f ye n v i r o n m e n ta n dt or e s u m ew a t e re c o l o g ye n v i r o n m e n t a tt h es a m et i m e ， t h ep r o b l e mo f r e g u l a t i o no fs c e n i cr i v e rm u s tb ef a c e db ym a n yc i t i e s t a k i n gt h e j i n h er i v e ra sas t u d yo b j e c ta n db a s e do nm o n i t o ra n da s s e s s m e n tt oj i n h er i v e r ， w a t e rq u a l i t ym o d e lw a sb u i l tt os i m u l a t ea n dp r e d i c tw a t e rq u a l i t yo ft h er i v e r c o m b i n e dw i t hr e g u l a t i o no fs c e n i cr i v e ro ft i a n j i na n dt h er e a lc o n d i t i o no fj i n h e r i v e r , m e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r dt oc o n t r o lw a t e rp o l l u t i o n f i r s t l y , b a s e do ni n v e s t i g a t i o na n dh i s t o r i c a ld a t a ，1 0m o n i t o rp o i n t sw e r er e s e t b e f o r ew a t e rq u a l i t yo fj i n h er i v e rw a sm o n i t o r e df o ro n em o n t h t h em o n i t o r e d w a t e rq u a l i t yt e r m si n c l u d e dt e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e do x y g e n ，t o t a ln i t r o g e n ，a m m o n i a n i t r o g e n ，n i t r i t en i t r o g e n ，n i t r a t en i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u s ，d i s s o l v e dp h o s p h o r u s ， o f l h o p h o s p h a t e ，c h e m i c a lo x y g e nd e m a n da n dc h l o r o p h y l l ，w h i c ha l t o g e t h e rw e r e 1 l t e r m s s e c o n d l y , w i t hw a t e rq u a l i t ym o n i t o rd a t aa n db a s e do us i n g l ef a c t o ra n a l y s i st o j i n h er i v e r , c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tt ow a t e rq u a l i t yo fj i n h er i v e rw a sg i v e n w i t hn e m e r o wp o l l u t a n ti n d e x 。i nt h i sa s s e s s m e n t ，t w og r o u p so fe v a l u a t i o nf a c t o r s w e r eu s e d ：o n eg r o u pi ss t i p u l a t e di n ”e n v i r o n m e n tq u a l i t ys t a n d a r d sf o rs u r f a c e w a t e r ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ”；t h eo t h e rf a c t o r si n c l u d e dm a i np o l l u t a n t so fj i n h er i v e r , s u c ha sk j e l d a h ln i t r o g e n ，n i t r i t en i t r o g e n ，n i t r a t en i t r o g e na n dc h l o r o p h y l lg ，a n dt h e s t a n d a r d so f s o m eo f t h e mw e r eg i v e nb yt h ea u t h o ro nt h eb a s i so f r e l a t i v ed a t a t h i r d l y w a t e rq u a l i t ym o d e lq u a l 2 ew a ss e l e c t e d t os i m u l a t em a dp r e d i c t w a t e rq u a l i t yw i t h i nj i n h er i v e ra c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc o n d i t i o n so ft h er i v e r s o m eo f p a r a m e t e r sw e r ef i x e db ye x p e r i e n c ed a t aa n de x p e r i e n c ef o r m u l a ，t h eo t h e r s w e r ee s t i m a t e db yr e a s o n i n gb a c k w a r dt ot h em o d e l a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n t c o n d i t i o n so fj i n h er i v e r , t h em e t h o do fr e a s o n i n gb a c k w a r dt ot h em o d e lw a sp u t f o r w a r db yt h ea u t h o r , w h i c hw a sp r o v e dt h eb e s to n ea f t e rc o m p a r i n gw i t ht h eo t h e r t w om e t h o d s f o u r t h l y ，t a k i n gt h r e eg r o u p so f w a t e rq u a l i t yd a t ao fj i n h er i v e r a so r i g i n a ld a t a ， p r e d i c t i o nt ow a t e rq u a l i t yo ft h er i v e rw a sm a d e c o m p a r e dw i t hr e a l m o n i t o r e d v a l u e ，t h ee n o ro fp r e d i c t e dv a l u eo fa l lo fs i m u l a t i n gt e r m s ，i n c l u d i n gd i s s o l v e d o x y g e n ，b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，c h l o r o p h y l l4 ，o r g a n i cn i t r o g e n ，a m m o n i a n i t r o g e n ，n i t r i t en i t r o g e n ，n i t r a t en i t r o g e n ，o r g a n i cp h o s p h o r u s ，d i s s o l v e dp 1 1 0 s p h o r u s a n dt e m p e r a t u r e ，w e r eb a s i c a l l yw i t h i ne r r o rl i m i to f2 0 ，w h i c hv a l i d a t e dt h e v a l i d i t yo ft h em o d e l ， f i f t h l y , c o u p l e dw i t ht h ec u r r e n tp o l l u t i o n s t a t u so fj i n h er i v e ra n dt h e p r o d u c t i o no f t h em o d e l ，f e a s i b l eq u a n t i t a t i v em e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r d t h es t u d yn o to n l yc a np r e d i c tw a t e rq u a l i t yo fj i n h er i v e ra n dp r o v i d e s c i e n t i f i cp r o o f t om a k i n gd e c i s i o n st ot h eo p t i m i z a t i o nt ot r e a t m e n tt e c h n i q u e s ，w a t e r q u a l i t ym a n a g e m e n ta n dp l a n n i n g ，b u ta l s oc a np r o v i d ef e a s i b i l i t ya r g u m e n t a t i o nf o r w a t e rp o l l u t i o np r e v e n t i o na n dc u r em e a s u r e s k e yw o r d s ：j i n h er i v e r ；w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n ；w a t e rq u a l i t ym o d e l i n g ； q u a l 2 e ；p r e d i c t i o n ；w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o l 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 穿 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，也不包含为获得苤婆盘茎或其他教育机 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做的任何 贡献均已在论文中作了明确的l 兑明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王耨霞签字f i 期：鸩年2 月馏f = | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘堂 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权鑫洼盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库 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i 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王海霰 签字i l = i 期：弘哆年2 - 月z d 日 导师签名 签字f i 期：z d 哆年 墨 ，2 月2 0 日 第一章绪论 1 i 河流水质现状 第一章绪论 1 1 1 国内外河流水质现状 历史上，水资源被认为是取之不尽，用之不竭的，但随着社会的发展，科 技的进步，全球淡水资源( 包括河流、湖泊、水库等) 部受到了不同程度的污 染，水资源危机丁f 严莺成胁着社会的发展和人类的侄j ! 康。 2 l 世纪世界水资源委员会发表报告指出，全世界有一半以上的大河已被污 染，尘态系统遭到严重破坏。正如报告所述，现在世界各地每天都有数以百万 吨、千万吨计的城市污水平u 工业废水流入江河湖沼，使得许多国家的内陆水域 都受到严重污染，水资源短缺和严重污染成为许多囤家共同面临c | 勺问题。在美 国，五寸二条主要河流邵遭到不同程度的污染，最脏的i 条河流，有的污染面 积达到总长的百分之九十；苏联被称为“母亲河”的伏尔加河，因含油污水的 排入，曾引起过火灾事件；流经德国和荷兰的莱茵河，曾一度被称为“欧洲最 大的下水道”；日本曾经没有一条干净的河流，各大河流的污染物都超过了日本 规定的标准，【界上有名的水俱事件就发生在日奉。1 。在全球范围内，睹如此类 的污染现象和出于污染引起的许多灾害还有很多，严重阻碍了社会和经济的发 展，威胁着人民的健康。 2 0 0 2 年，国家环保总局根据七大水系7 4 1 个重点监测断面数据得出结论； 2 9 1 的断而满足i i i i 类水质要求，3 0 o 的断面屈、v 类水质，4 0 9 的断 面属劣v 类水质。其中七大水系干流及主要一级支流的1 9 9 个国控断面中，i i i i 类水质占4 6 3 ，、v 类水质断面占2 6 i 劣v 类水质断面占2 7 6 。主 要污染指标是石油类、生化需氧量、氨氮、高锰酸盐指数、挥发酚和汞等。相 对于2 0 0 1 年，水质属于恶化趋势，水质状况不容乐观。 1 1 2 我国城市河流水质现状 随着经济的发展和城市化进程的加快，许多城市水环境遭到了严重破坏， 城市河流水质也f i 趋恶化。】9 9 6 年国家环保局对我国的河流城市段进行了监测 分析，在统计的城市河段中，有8 7 左右的河段受到不同程度的污染。其中有 1 6 的城市河段属严重污染，11 的城市河段属重度污染，1 5 的城市河段属中度 第一章绪论 污染，3 3 的城市河段属轻度污染，2 3 t ”j 城市河段水质较好。从污染特征束看， 城市河流呈有机型污染，主耍污染物为石油类、氨氮和挥发酚。1 9 9 9 年，在14 1 个国控城市河段中，3 6 2 的城市河段为i - - i i i 类水质，6 3 8 的城市河段为 劣v 类水质。其中2 9 8 为劣v 类水质。各城市媳型水域仍以氮氦和有机污染为 主，主要污染指标为氨氦、高锰酸捕指数和生化需氧量等。 在全国整体城市河流不断受到污染的同时，一些省市的河流污染尤其严重。 2 0 0 2 年云南省监测的1 3 个城市1 7 条河流中。监测断面水质符合i 类标准的占 3 1 ，符合】i 类标准的占6 2 ，符合i i i 类标准的占2 1 9 ，符合i v 类标准的占 1 8 8 ，水质劣于v 类标准的占5 0 ，达到水质功能要求的断面占4 6 9 ，影响 城市河流水质的主要污染指标是高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮和总磷。监 测数据表明，在大力治理河流水质的情况下，云南省的水质污染程度仍然成上 升趋势，这、龅明治理城市河流污染刻不容缓。 1 2 国内外河流水质的研究状况 河流是水环境的重要组成部分，水质模型作为研究河流水质的一个重要手 段，它的机理研究和应用研究近几十年柬都有了很大的发展。 1 2 1 水质模型的研究进展 水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学 描述，它既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研究的重要工具1 。其数 学模型的发展是一个描述水环境的状态参数和空间维数不断增加、求解技术不 断进步、设计内容越柬越广泛复杂的过程。它的发展在很大程度上取决于污染 物在水环境巾的迁移、转化和归宿研究的不断深入，以及数学手段在水环境研 究中应用程度的不断提高。= ”。 近几十年来，许多国内外的专家学者对水质模型有了广泛深入的研究。叶 常明把它分为三个发展阶段，即简单的氧平衡模型阶段、形态模型阶段和多介 质环境综合生态模型阶段“。 最早的模型氧平衡模型源于1 9 2 5 年两位美国工程师s t r e e t e r 和p h e l p s 在 o h i o 河上建立的世界上第一个河流有机污染的水质模型，称为s - p 模型”。5 0 年代水质模型的发展仅限于s 。p 模型的改进。初期改进的模型一般比较简单，只 考虑生化需氧量( b o d ) 及溶解氧( d o ) 耦台的双线性系统模型；6 0 年代术， 计算机的发展和人们认识的不断深化，考虑的因素也愈来愈多，模型结构多为 第一章绪论 线性的，比如有名的o c o n n e r 模型( 1 9 6 7 ) 等。在此期问，出现了许多类似的 氧平衢模型，主要的理论依据都是有机物降解耗氧和大气复氧的动态平衡关系， 其中以o c o n n e r 模型和d o b b i n s 模型比较具有代表性，他们在模型中增加了氮 化物和底泥的作用，无论是模型参数形式还是求解技术方面都较以往有了很大 的改进。1 ；g r e n n e y ( 1 9 7 8 ) 在他们的工作基础上研制出了美国环保局推荐使用 的q u a l - i i 河流有机污染综合水质模型，这是一种较为复杂的非线性氧平衡生态 模型。与别的许多水质模型相比较，它可以按照使用者所希望的任意组合方式 模拟以下1 3 中水质成分：水温，溶解氧d o ，生化需氧量b o d ，藻类( 以叶绿 素a 计) 氨氮，亚硝酸氮，可溶性磷，大肠杆菌，任选的一种可降解物质和三 种任选的非降解物质“1 。在q u a l i i 模型的基础上，美国环保局又开发了 q u a l 2 e 模型，它模拟的成分在q u a l 1 1 模型的基础上又增加了有机氰和有机 磷，总共可以模拟1 5 种水质成分”1 。该模型目前已被广泛应用于河流水质预测 和水质规划管理工作中。 形态模型是指表征污染物在不同状态和不同形态下水环境行为的模型。随 着污染物水环境行为和水质标准制定工作研究的不断深入，传统的氧平衡数学 模型已不能满足实际工作的需要，因此需要另一种模型，即形态模型柬描述同 一个污染物山于它在水环境中存在的状态和化学形态的不同而表现出的完全不 同的环境行为和生态效应。8 0 年代初，随着形态分析的发展，一些研究者开始 了形态模型的探索和研究，这一研究的关键是模型设计时所考虑的化学反应的 真实性、污染物形态识别的准确性和输人数据的司靠眭，研究已经取得了一定 的成果。目前这种模型还不太成熟，有待于进一步的研究和发展，但其在水质 评价和污染物的水质标准确定中具有重要的应用自h 景。 随着污染物水环境行为和水质标准制定工作的不断深入，以及科学的不断 发展和各学科的相互渗透、相互激励，水质模型的研究进入到了多介质环境综 合生态系统模型。所谓多介质环境是指大气、水体、土壤、生物等组成的庞大 系统，其中水是核心”1 。模型内部结构为多种相互作用的非线性系统，空间维数 已经发展到三维。1 9 8 5 年c o h e n 提出该模型以来，主要集中在理论模型的探讨 方面等，这方面的工作近年来已有很大的发展”。 目前，国外有关河流水质模型方面的研究仍然比较多，如m a i e r 和d a n d y 采用人工神经网络进行传统水质模型的参数预测；s t e w a r t 和b a t e s 提出了一种 洪泛区污染物迁移的分布模型，可在河水达到一定范围内( 1 - 6 0 k i n ) 进行沉积 和渗漏污染物的立体分布预测；a n d r e w skt a t y i “”剥模型进行的不确定性研究等 等，都取得了很大的进展。 我国在水环境数学模型方面的研究起步比较晚，但通过引用国外的经验， 第一章绪论 仅二、三十年来就有很大的发展。如叶常明的有机污染物水质模型理化参数测 定和计算，水环境有机污染非确定性分析和水动力与水质变化耦台求解方面都 有了很大的发展；叶守泽等( 1 9 8 9 ) 将确定性b o d d o 模型中的参数取为概率 分布参数、狄色参数和模糊化后，建立了河流水质不确定性数学模型：雒文生 等( 1 9 9 5 ) 以确定性水质模型为基础，与随机过程模拟方法结合，建立了确定 与随机耦合的水质不确定预测方法“，后又将湍流、温度、生态相互耦合，建 立了二维水动力学生态综合模型“；邓建龙建立了灰色理论系统等等。近来， 随着计算机的发展，很多人丌始研究将神经网络和遗传算法应用于水质的研究 与预测等等。 1 2 2 水质模型的应用研究发展 水环境数学模型作为研究水环境的 环境保护的许多方面得到了广泛的应用 ( 1 ) 污染物质的模拟和预测 个重要手段，在水环境科学研究和水 主要包括以下五个方而。 污染物进入水环境中进行物理、化学以及生物反应，除此之外，水动力 和气象因素对于污染物也起着一定的作用，所以很难直接认识它们。这就需要 水质模型对污染物的浓度进行模拟和预测，以便了解污染物的变化规律以及发 展趋势。用模型的方法进行模拟和预测，既经济又省时，是水环境质量管理科 学决策的有效手段。目前这一方面的报导比较多，如a b a e z ae ta 1 ”对塔霍河 从西班牙的c a c e r e s 到葡萄牙的a l e n t e j o 河道中氚浓度水平的时空演变进行了分 析研究。但由于模型本身的局限性，以及对污染物水环境行为的认识的不确定 性，计算结果与实际测量之问往往有较大的误差，所以模型的模拟和预测只是 给出了相对变化值及其趋势。 ( 2 ) 水质管理规划 水环境数学模型是水质管理蚬划中的一个重要工具，它能够描述水体中污 染物随空间和时间的迁移转化规律，建立水体中污染物排放量与水质指标值删 的输入口目应关系。其目的在于协调水污染控制系统各组成部分之间的关系，根 掘水环境的实际容量确定区域水体允许排污总量和各段水体中污染物的削减 量，从而对水体中污染物实行总量控制；或者合理利用水体的自然净化能力和 水环境容量，充分发挥污水处理系统的技术性能与经济效能，在水体水质要求 的约束下，使得整个系统的基建费用或总费用最低。 4 第一章绪论 确定允许排放量，水质规划常用的数学模型是氧平衡类型的水环境数学模 型。求解污染物去除率的最佳组合，问题的关键是目标函数的线性化。水质规 划管理是一个比较复杂的问题，必须考虑诸多方面的因素，如水资源的使用( 生 活、工业、灌溉、废水处簧和自然保护) 利益之涮的矛盾；水文和气象随机现 象使天然系统动态行为预测的复杂化：技术、社会和经济的约束等。为了解决 这些问题，必须将一般水环境数学模型与壤优化模型相联合，即形成所谓的水 质管理模型网1 。近几年开发了许多新的水质管理软件，如a m i t k ，s i n h ae t a l “” 用行为分析算法柬优化确定非线性多目标水库体系的规模。sa l i t e z at a g h a v ie t a 1 t l g 用非线性规划法进行地下水质管理等。 ( 3 ) 水质评价 水质评价是水质规划的前提。根据水资源使用的不同目的，可以使用水环 境数学模型对河流、湖泊、水库和地下水等进行水环境质量评价。现在的水质 评价不仅给出水体对各种不同使用功能的质量，而且还会给出水环境对污染物 的同化能力以及污染物在水环境浓度和总是的时空分布。 水污染评价已由传统的点源污染转向非点源污染，这就需要用农业非点源 污染评价模型来评价水环境中营养物质和沉积物以及其它污染物。例如利用贝 叶斯概念( b a y e s i a nc o n c e p t s ) 和组合神经网络柬预测集水流域的径流量3 。研 究的对敦也出过去的污染物扩展到现在的有害物质在水环境的积累、迁移和归 宿“。 ( 4 ) 污染物对水环境及人体的暴露分析 由于许多复杂的物理、化学和生物归宿以及迁移过程，在多介质环境中运 动的污染物会对人体或其它受体产生潜在的毒性暴露。这对于采取坑埋和海洋 以及土地处理系统进行有害废物处理工程的评价与设计是十分重要的。 污染物对水环境( 包括像鱼这样的水生物) 和人体的暴露分析是通过暴露 分析模拟系统( e x p o s u r ea n a l y s i sm o d e l i n gs y s t e m 或e x a m s ) 模型或具有水质 分析模拟程序的食物链模型( w a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a mf o o d c h a i nm o d e ) 来完成的。这种分析可给出在已知化学品情况下长期促性毒害、 2 4 小时及9 6 小时急性毒害的浓度水平，化学物在水生系统的浓度分布和停留时 间，食物中化学品对人体和生物体的暴露，以及被生物能控制的污染物在生物 体内吸附、消化、解吸、代谢和排泄等过程。这些过程的综合作用结果，导致 了有毒物质在生物体内的浓度水平。但暴露分析模型的研究比较单一，范围也 不广，还有待于进一步的研究。 第一章绪论 ( 5 ) 水质监测网站的设计 水质监测数据是水质评价、研究和管理的基础，水质监测数据的可靠性和 是否具有代表性，直接影响着是监测数据能否客观真实的反映水质状况，这就 要求要建立合理的监测网站。 对于水环境系统，正确合理的监测网站设嚣的原则应当是在最低限量监测 断面和采样点的前提下获得最大限量和具有代表性的水环境质量信息。水环境 数学模型的数学计算和技术人员的经验判断相结合，可以较好地解决这个问题。 一般来说，采样断面或采样点设在从污染源排放流出之后，污水和河水完 全混合的区域内，是正确的方法，而河流混合模型则能在理论上解决该问题。 r u t h v e n 使用稳态的二维平流和弥散方程的解推导出计算混合距离的表达式，利 用这个距离所确定下来的监测断面上，各个采样点所测污染物浓度的变化一般 不超过l o 。 目前这方面的研究也比较多，例如对于河流或水系的取样点的最新研究采 用地理信息系统( g i s ) 和模拟的退火算法等来优化选择河流采样点，r i c h a r de t a 1 。”曾经使用修f 的经典容量技术来优化水质监测网络，通过引入修币的梯度搜 索算法束实现。结果表明，该方法能够适用于多种实际情况并且比由s h a r p ” 发表的河流取水点规划的拓扑忧化方法更优。 在水质模型广泛应用的现在，随着社会的发展，科学的进步，作者认为水 质模型研究的发展趋势为模型的非线性解析方法的研究，可能会有以下几个主 要的方面：1 ) 包括水生食物链在内的多介质环境生态综合模型；2 ) 模型不确 定性的研究；3 ) 基于人工神经网络的水质模型的研究；4 ) 基于地理信息系统 的水质模型的研究；5 ) 数学在水环境数学模型中的应用等。 近年来，我国很多学者在水质模型的应用研究方面也有了很大的进展。其 中大多是将国外现有的模型，结合当地水环境实际情况，稍加修丁f 后加以应用， 大部分只是在求解技术和参数估计方面具有特色，而在模型结构方面改进不大。 目前，水质模型应用的水环境系统有京杭运河“，汉江“，海河1 等。 1 ，3 课题的提出和研究内容 1 3 1 课题的提出及研究意义 景观河流是随着社会的发展和城市环保意识的提高而相应出现的。随着城 6 第一章绪冷 市化进程的加快与可持续发展的实施，城市综合治理与城市水环境保护已逐渐 提到日程上来。许多城市为了美化市容建立城市水环境，于是将一些原来污 染的或者轻度污染的城市河流或者流经城市的河流段进行整治，再配以风景， 从而形成景观河流。像我国上海的苏州河，北京的护城河、通惠河、亮马河、 小月河等，天津的卫津河、津河、南运河、北运河、子牙河等都是典型的景观 河流。 大部分的景观河流都是投入了巨额资金实施了污水截流o ”、河道清淤，河 底硬化、堤岸砌石等治理工程，它有利于城市的美观，对气候调解、城市规划、 水资源环境也都起着良好的改善作用。但在治理之后，由于一些城市周边可利 用的地表水资源较为匮乏，往往臭水河变成了无水河。或者为了保持城市景观 的游览水面，在河道中设置了多道橡皮坝截流或引流蓄水，甚至打深井汲水或 引入自来水来维持治理后的河道，然而截流水体经过一段时问后，出于景观河 流自身的这些特点： ( 1 ) 河道窄，河床浅，河流短，环境容量小，自净能力比较差； ( 2 ) 许多景观河流因为流经城市的地面高差小，水流速度缓慢； ( 3 ) 有的景观河流经过河底硬化、堤岸砌石等治理工程之后，其底部和堤 岸出于经过人工处理，与自然的交换能力变弱，水质更容易变差； ( 4 ) 景观河流一般是城市河流或者流经城市的河流段，由于流经区域人为 活动比较多，受到的人工污染比较多，接收的污水成分也比较复杂； ( 5 ) 许多城市为了维持景观河流的景观效果，通过加药、曝氧“”、换水等 人为的作用控制河流的水体水质，比一般的河流具有更多的人工痕迹。 所以景观河流比一般的河流水体更容易恶化而变得黑臭，常常需放水重新 蓄水。这在社会、经济与环境效益等方面都是极其不合理的。 天津作为中国一个大城市，在城市发展的同时，对城市水环境也进行了综 合治理。2 0 0 0 年，天津市政部门对市区的臭水河丌始进行整治，治理工程之后， 天津市区的河道成为市内道亮丽的风景。但作为景观河流的津河水体来说， 维持其景观需要良好的水质。现今的滓河，其源水取白海河，流入海河，海河 水质的变化直接影响律河的水质，再加上津 i i i 自身的特点，水体很容易变为黑 臭，需要不定期的从北大港水库调水来维持和改善津河的水体景观。这在水资 源水质的严重恶化、淡水资源极其匮乏的时代，大量的使用珍贵的淡水资源来 维持律河景观水体的水质，在经济上是极其不合理的。 但随着城市品味的逐渐提高，美化环境、1 跌复城市水环境生态成为许多城 市今后的发展趋势，城市河流景观水的治理和维护也将成为许多城市必须面临 的问题。天津市也需要一套合理的治理方案束改善和维持津河的水质。近年来 第一章绪论 国内外逐渐开始研究影响景观水水质变化的因素，并通过各种方法来减轻水体 的污染。但因景观河流有其独有的特点，再加上有人为的控制因素存在，所以 到曰前为止还没有一套有效实用的解决方案，尤其在水质处理方面，其技术措 施还处于经验摸索阶段。因此，景观河流水质的研究是一个很有价值的课题， 它不但可以用来进行水质预测评价，为治理技术的方案优化决策、水质管理和 水质规划提供可靠的科学依据，而且可以为各种治理措施提供可行性论证起 到事半功倍的作用。 1 3 2 课题的研究内容 本课题的主要任务是根据律河水质的监测数据和景观河流的特殊性，参照 国内外相关的模型，结合津河自身的情况，建立津河水体水质模型，模拟和预 测津河水质的变化状况，为津河的治理和维护提出合理的方案。主要内容包括： ( 1 ) 首先，通过调研一些景观河流( 上海的苏州河和津河) ，对国内的景 观河流水质有一个初步的了解，并考察国内景观河流的治理方案和措施；其次。 通过对津河的调研，基本了解津河的基本概况( 包括津河的地理概况，水利概 况) ，水质状况和污染物来源； ( 2 ) 津河水质监测。对津河的水质监测包括两部分的内容，一部分是天津 市排水管理处2 0 0 1 年对津河的水质监测数据，另一部分是作者在2 0 0 1 年监测 数据的基础上，又重新设置津河的监测断面和监测项目，进行了为期一个月的 水质监钡4 ； ( 3 ) 根据津河的监测数据，依照国家地面水环境标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，对 津河进行水质评价，其中包括： 1 ) 津河水体水质的单因子分析。包括两方面的内容：津河水体水质的达标 分析和重要指标的变化规律分析； 2 ) 津河水体综台水质评价。在本节中，作者采用内梅罗( n l n e m e r o w ) 污染指数法分别对津河两组评价因子进行综合评价。一组是标准内评价因子， 包括溶解氧、高锰酸钾指数、总磷和氨氮4 项；另一组是包括标准外的评价因 子，包括有溶解氧、高锰酸纠指数、总磷、凯氏氮、硝酸捕氮、氨氮、亚硝酸 盐氮和叶绿素8 项，其中凯氏氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氨和叶绿素的水质标准 是作者查阅些相关资料自定的。 ( 4 ) 模型的建立。其中包括： 1 ) 分析津河现有的水质监测状况，制定出模型模拟的变量； 2 ) 比较国内外各种水质模型，结合漳河的实际情况，最后选定所用水质模 第一章绪论 型： 3 ) 根据所选定模型的原理和方法，并结合津河的实际情况，初步建立模型； 4 ) 对模型的参数进行估值。 ( 5 ) 使用建立的水质模型，对现在的水质进行模拟，并与现有的监测数据 进行对比，并对模型进行反复修改，直至最后达到较好的效果。 ( 6 ) 在已有模型的基础之上，对津河的污染控制提出合理有效的治理措施。 本课题的研究为津、河水体水质的规划管理以及控制和治理措施提供了理论 基础。 9 第二章津河水体概论及水质评价 第二章津河水体概论及水质评价 2 1津河水体的自然环境概况 滓河服名墙子河，是天津市中心5 条臭水河的代称，至今有1 0 0 多年的历史， 它是经过疏通之后改名而来的。经过疏通之后的墙子河，全妖约1 8 6 k m ，其功 能也发生了本质的变化。山挖掘初期的航运和灌溉到后来演变成为排泄城市硝 水和污水的河道，现今成为天津市内的景观河道“。 改造后的津河，其水体的主要功能是景观用水和娱乐用水。其源头位于天滓 北面的海河三前口，流经天津市区，最后与海阿汇台，是一条活水河。其整体 河流情况如图2 1 所示： 吲2 1 律河地形幽及监捌断面的位置 作为景观河流的滓河，除了其有一般景观河流的特点，还具有自身的特点： ( 1 ) 天津地势平坦，地面高差小，所以流经天律市区的滓河水体流速小，水动力 比较差，基本靠上游和下游泵的灌水和抽水柬形成：( 2 ) 天津河道较多，津河沿 途中与南运河、卫津河有交叉点；( 3 ) 近年柬m 于水源水海河水质不断下降，因 此导致津河水质也不断下降；( 4 ) 出于津河一段时间之后水质不能够迭标- 故会 不定期的由本市北大港水库调水来改善津河的水质，维持其景观用水和娱乐用 不定期的由本市北大港水库调水来改善律河的水质，维持其景观用水和娱乐用 第二章泮河水体概论及水质评价 第二章津河水体概论及水质评价 2 1 津河水体的自然环境概况 滓河原名墙子河，是天津市中心5 条臭水洞的代称，至今有1 0 0 多年的历史， 它是经过疏通之后改名而来的。经过疏通之后的墙子河，全长约1 8 6 k r a ，其功 能也发生了本质的变化。山挖掘初期的航运和灌溉到后来演变成为排泄城市雨 水和污水的河道，现今成为天津市内的景观河道”1 。 改造后的津河，其水体的主要功能是景观用水和娱乐用水。其源头位于天津 北面的海河三俞口，流经天津市区，最后与海河汇合，是一条活水河。其整体 河流情况如图2 1 所示： l 垫l2 1 津弼地形幽及监测断面的何置 作为景观河流的津河，除了具有一般景观河流的特点，还具有自身的特点： ( 1 ) 天津地势平坦，地面高差小，所以流经天津市区的津河水体流速小，水动力 比较差，基本靠上游和下游泵的灌水和抽水来形成；( 2 ) 天津河道较多，津河沿 途中与南运河、卫津河有交叉点；( 3 ) 近年束由于水源水海河水质不断下降，因 此导致津河水质也不断下降；( 4 ) 由于津河一段时削之后水质不能够达标- 故会 不定期的由本市北大港水库调水来改善津河的水质，维持其景观用水和娱乐用 第一章泮河水体概论及水质评价 水；( 5 ) 改造后的津河，不再作为天津的排污河，其主要的污染源来自于非点源 污染，尤其是降雨造成1 i , 3 - - 1 f - 点源污染。 2 2津河水质监测状况 水质监测数据是水质评价、水质模拟以及水质管理的基础，所以在对津河概 况调研的基础之上，获取可靠完善的水质监测数掘是非常必要的。本研究中的 监测数掘分为两部分，一部分来源于2 0 0 1 年天津市排水管理处对津河的水质监 测数据，另一部分是作者在第一部分数据的基础上，根据研究课题的需要。重 新稚景监测点，缩短监测的时间间隔，完善监测项目，获取研究课题所需要的 比较完普的水质监测数据。 2 2 1监测点的布置以及取样情况 水质数据是否其有代表性，是否能够真是的反应河流的水质状况，监测点的 表2 1 泮河水质监洲项目和监测方法 监洲项目监洲方法 预处理 监测。 水温水渝针法 现场 溶解氧便携式溶解氧仪涟 现场 总氮过硫酸钾氧化，紫外分光光度法 实验室 氦氮纳氏试剂光度法 絮凝沉淀法预处理实验室 硝酸盐氮离子色谱法 实验室 瓶硝酸盐氮离子色谱法 实验室 总磷钼锑分光光度法 ：i 解 实验宣 可溶性总磷铝锑分光光度法 04 5um 微孔a e 麒过滤消解实验空 可溶性i e 磷铝锑分光光应浊 0 4 5ui l l 微孔滤膜过滤预处理实验室 高锰酸钾指数 酸性法 实验宝 叫翻 索紫外分光光度法 抽滤、放苴、离心实验宝 选择是非常重要的。根据律河的地理状况，作者沿途设立了l o 个监测点( 见图 2 1 ) ，从入口到出口依次为：三前口、大丰桥、三元桥、长江道、鞍山道、复 康桥、八里台、西南楼、湘江道和北洋闸。取样时间是2 0 0 3 8 1 2 0 0 3 8 3 1 第一章津河水体概论及水赝评价 每天早上的6 ：3 0 8 ：0 0 ，为期一个月。 2 2 2 监测项目及方法介绍 监测项目的选定主要是为研究目的而定，作者研究津河的主要目的在于分 析律河的生态转化过程，根掘此目的，作者选定的监测项目主要包括水温、溶 解氧、总氮、氨氮、硝酸扑氮、亚硝酸盐氮、总磷、可溶性总磷、可溶性正磷、 有机磷、尚锰酸钾指数和叶绿素l l 项，监测方法见表2 i ： 23 津河水质现状评价 为了能够更好的了解津河的水质现状，建立一个适合于津河的水质模型， 在建立水质模型之前对津河的水质进行评价，对其有一个全面详细的认识是非 常必要的。 2 3 1 水质现状评价概述 水质现状评价是揭示水环境质量的时空变化规律，分析造成这种时空变化的 原因，并要找出造成水体污染、引起水质恶化的主要污染源和主要污染物，了 解水体污染对水生生奄和人群健康的影响，即水体污染的生态效应= 。 一般水质现状评价包括：确定评价范围、资料调查评估、确定评价参数、建 立评价模式，进行模拟计算、确定评价结论等六个步骤。自6 0 年代以来，国内 有许多的水质现状的评价方法，大致分为，水环境指数法、生物学评价方法和 概率统计方法等。 ( 1 ) 水环境指数法 1 ) 单指数法 单指数法是目前最简单的评价方法，其评价采用标准指数法，公式为 ：旦( 2 一1 ) 。 s 式中；p i j ：i 污染物的水质评价指数； c ；i 污染物的浓度； s i ：i 污染物的地面水质评价标准。 p i 是无量纲数，p i ， l ，表明水体该污染物超标，p i ，愈大，水体的这项水质 第一章津河水体概论及水质评价 指标愈差。单指数法简单明了，能迅速了解水环境系统中某种污染物的状况， 但不能反应水体的整体状况。 2 ) 叠加型指数法 该方法是在北京西郊环境质量评价中提出来的，计算公式为： 川= y l( 2 2 ) 一s ： 式中：p l ：污染物的水质评价指数： c i ：i 污染物的浓度； s i ：i 污染物的地面水质评价标准。 叠加型指数计算简单，忽略了少量超标污染项目及环境富集残存大的污染项 目对水环境影响更大的污染特征，对不同参数的水体缺乏可比性，不能区别不