（环境工程专业论文）城市河道水环境系统的模拟研究——以济南市玉绣河为例.pdf

城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 摘要 水是生命之源，是人类赖以生存、不可缺少的宝贵资源，又是自然环境的重 要组成部分，是经济社会可持续发展的基础条件。水资源短缺和饮用水水源污染 已成为困扰我国城市发展的重大问题和社会关注的焦点。水资源短缺是我国水资 源问题的主要矛盾，日益成为制约我国经济社会发展的瓶颈，是实现全面建设小 康社会目标所面临的重大挑战之一。而水环境的污染则加剧了水资源短缺的矛 盾。 经济的飞速发展，城市化的不断加剧以及人类的改造，城市河流正在逐渐的 退化成只具有单一的防洪纳污能力的河道。城市河流水环境的污染尤为显得更加 突出，与整体城市环境发展相违背。因此改善城市河流水质，修复城市水环境是 各地生态城市建设的当务之急。本课题来源于济南市科技局立项项目，以济南市 玉绣河综合治理工程为依托，进行城市河道水环境模拟的研究。 本课题依据研究的对象，根据现场评价的结果，选择叶绿素a 作为水体生态 状况的表征指标，根据有机体的生长由最缺乏的营养因子决定，提出采用控制限 制性营养因子的方法达到抑制水体浮游植物生长和繁殖的目的，以此确定污水处 理单元出水水质控制指标。 通过监测玉绣河春、夏、秋季7 个月期间的叶绿素a 、c o d 、氮、磷和溶解 氧等1 0 项水质理化指标值，采用灰关联法分析了长时间尺度动态条件下，5 月 一1 1 月间景观塘出水中叶绿素a 与其他指标间的关联关系，确定n h 3 一n 是玉绣河 水体浮游藻类的限制性营养因子，作为玉绣河水环境模拟研究的水质指标及中水 站出水控制指标。 通过以c h l a 为约束指标寻求适合玉绣河的水质指标后建立一维水质模型， 并利用m a tl a b 工具进行水环境模拟和水污染控制线性规划。设计试验方案模拟 初始断面水质水量的改变对河道沿程水质的影响以及几种不同的削减率下的n h 。 一n 的排放量，对河流水质进行模拟，提出当前玉绣河污水治理上存在的突出问 题：未能很好的控制影响生态的水质指标排放标准，致使工程达不到预期的效果。 利用改进的方法确定研究河段水环境容量，并在不改进已建中水站的基础上 确定了拟建中水站的处理效率。最后采用线性规划法( l p ) 。通过建立污水处理 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 费用模型，以处理费用( z ) 最小为目标函数，求得各个中水站的处理效率。在 满足水质要求下得出分散式处理的最佳效率组合及各站出水水质要求。确定排放 最优化和水污染控制系统规划方案，为城市河道的生态治理和污水分散式处理提 供基础数据和方案。 该课题研究进一步完善了城市河流点源污染分散处理模式，提出的技术路线 和研究成果将为其它城市河流的水污染控制提供重要的技术参考和指导性作用。 关键词：城市河道；叶绿素a ；水质模拟；水环境容量；水污染控制； i l 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 t h es t u d yo fs i m u l a t i o na b o u tu r b a nr i v e r e n v i r o n m e n h ec a s efy u x i ur i v q ；j i n a n 。s h a n d o n g e n v w o n m e ns eof u v e r , j i n a nh a n d o n ghl 。 p r o v i n c e a b s t r a c t w a t e ri st h es o u r c eo fl i f e , i st h ei n d i s p e n s a b l ev a l u a b l er e s o u r c e sf o rt h e s u r v i v a lo fm a n k i n d ，i sa ni m p o r t a n tp a r to ft h en a t u r a le n v i r o n m e n t ，a n di st h eb a s i s c o n d i t i o n sa b o u ts u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f e c o n o m i ca n ds o c i a l t h es h o r t a g eo f w a t e rr e s o u r c e sa n dt h ep o l l u t i o no fw a t e rs o u r c e sh a v eb e c o m eap r o b l e ma n dm a j o r i s s u e so fs o c i a lc o n c e r ni nc h i n a su r b a nd e v e l o p m e n t 。t h es h o r t a g eo fw a t e r r e s o u r c e si st h em a i nc o n t r a d i c t i o ni no r r c o u n t r y s w a t e rr e s o u r c e s ，a n di s i n c r e a s i n g l yb e c o m i n gab o t t l e n e c ka b o u tt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n ds o c i a li n o u rc o u n t r y a n dt h i si so n eo ft h em a j o rc h a l l e n g e st oa c h i e v i n gs o c i a lo b j e c t i v e s a n dt h ep o l l u t i o no ft h ew a t e re n v i r o n m e n tw a sa g g r a v a t e dt h ec o n t r a d i c t i o n sa b o u t t h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e s f o l l o w i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h eg r o w i n gu r b a n i z a t i o na n dt h e t r a n s f o r m a t i o no fh u m a n , t h eu r b a nr i v e ri s g r a d u a ld e p r e d a t i n gi n t o as i n g l e f u n c t i o n a lc h a n n e lo ff l o o dc o n t r o l l i n ga n dp o l l u t a n tc a r r y i n gc a p a c i t y t h ew a t e r e n v i r o n m e n tp o l l u t i o no fu r b a nr i v e ri sp a r t i c u l a r l yb e c o m ee v e nm o r en o t i c e a b l e ，a n d i sc o n 细_ x yt ot h eo v e r a l ld e v e l o p m e n to ft h eu r b a ne n v i r o n m e n t i m p r o v i n gt h ew a t e r q u a l i t yo fu r b a nr i v e r , r e s t o r i n gt h ew a t e re n v i r o n m e n to fu r b a ni sv e r yi m p o r t a n t t h r o u g h o u tt h ee c o c i t yc o n s t r u c t i o n 皱t h em o m e n t t 赫sp a p e rf o c u s e so ny u x i u r i v e r ( j i n a n ，c h i n a ) r e s t o r a t i o np r o j e c ta n dh a sar e s e a r c ha b o u ts i m u l a t i o no fu r b a n f i v e rw a t e re n v i r o n m e n t 。 a tp r e s e n t ，t h ee f f l u e n tp a r a m e t e r sa r ea c c u s t o m e dc h o s e na c c o r d i n gt on a t i o n a l o rl o c a ls t a n d a r d 筏w h i c hh a v et h e i rl i m i t a t i o ni nr e s t r a i n i n gp h y t o p l a n l g o n p r o l i f e r a t i o n c h l o r o p h y l l - ai ss e l e c t e da st h ei n d e xt os h o wt h ee c o l o g ys t a t u so f y u x i ur i v e ri nt h i sp a p e r t h em e a s u r e m e n to fd e c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no f n u t r i e n tl i m i t i n gf a c t o ri st a k e nt or e s t r a i nt h eg r o w t ho fp h y t o p l m “f t o ni nt h e 1 1 1 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 r e c e i v i n gw a t e rb o d ya c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l et h a to r g a n i s mg r o w t hd e p e n d so nt h e m o s tl a c k i n gn u t r i e n tf a c t o r t h a tn u t r i e n tl i m i t i n gf a c t o rj u s ti st h ee f f l u e n tp a r a m e t e r t ob ec o n t r o l l e de m p h a t i c a l l y t h ep a r a m e t e rw i l lb ea l s ou s e dt oc a l c u l a t ea n dg e t f l o wr e q u i r e m e n t f i n d i n gt h en u t r i e n tl i m i t i n gf a c t o ri so n e o ft a r g e t si nt h i sp a p e r t y p i c a ld a t ao f1 0i n d e x e sf o ry u x i ur i v e rf r o mm a yt on o v e m b e ra r ec o l l e c t e d s u c h 嬲c h l o r o p h y l l - a , c o d ， in ，n h 3 - n ，n 0 3 - n ，n 0 2 。- n ，t p , p 0 4 , d oa n d t e m p e r a t u r eu n d e rt h ed y n a m i cc o n d i t i o n t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc h l o r o p h y l l 口 a n d9c h e m i c a la n dp h y s i c a lw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r si ny u x i ur i v e ra r es t u d i e db y g r a yr e l a t i o na n a l y s i s t h e s er e s u l t si n d i c a t et h a ta m m o n i ai s am o r ei m p o r t a n t n u t r i e n tl i m i t i n gf a c t o rt h a no t h e r sf o rt h eg r o w t ho fp h y t o p l a n k t o n n i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s e sn e e di n t e n s i f i e dt od e c r e a s et h ea m m o n i ac o n c e n t r a t i o ni n e f f i u e n tf o rc u r r e n tw a s t e w a t e ra d y a n c e dt r e a t m e n tp l a n t s c h o o s i n gc h l o r o p h y l l - aa sc o n s t r a i n tt a r g e t , a n ds e a r c h i n gf o ra s u i t a b l ew a t e r q u a l 时o b j e c t i v eo fy u x i u r i v e r a f t e re s t a b l i s h i n gt h eo n e - d i m e n s i o n a lw a t e rq u a l i t y m o d e l ，u s i n gm a t l a b f o rt h ew a t e re n v i r o n m e n ts i m u l a t i o na n dt h el i n e a r p r o g r a m m i n go ft h ew a t e rp o l l u t i o nc o n t r 0 1 d e s i g n i n gs o m et e s tp r o g r a m m e r st o s i m u l a t i n gt h ei m p a c to ft h ew a t e rq u a l i t ya l o n gt h er i v e rw h e n t h ew a t e rq u a l i t ya n d q u a n t i t yi sc h a n g e da tt h ei n i t i a lp i l o t , 嬲w e l la st h ei m p a c to ft h ee m i s s i o na b o u t n h 4 + - no ns e v e r a ld i f f e r e n tr e d u c t i o nr a t e s ，p r o p o s e dt h ep r o b l e m so ny u x i ur i v e r a b o u ts e w a g et r e a t m e n t u s i n g t h ei m p r o v e dm e t h o dt oi d e n t i f y i n gt h ew a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t yo ft h e r e s e a r c hr e a c h i d e n t i f y i n gt h et r e a t m e n te f f i c i e n c yo ft h ep r o p o s e ds t a t i o n0 1 1t h e b a s i so fm a i n t a i n i n gt h et r e a t m e n te f f i c i e n c yo fb u l l i e ds t a t i o n s f i n a l l yu s i n ga w i d e l ya p p l i c a t e dm e t h o dl i n e a rp r o g r a m m i n g ( l p ) a tc u r r e n t l yt or e s e a r c h i n g t h r o u g he s t a b l i s h i n g t h ec o s tm o d e lo fs e w a g et r e a t m e n t s ，u s i n gt h ec o s t s ( z ) m i n i n l u l na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n , g e t t i n gt h et r e a t m e n te f f i c i e n c yo fa l ls t a t i o n s i d e n t i f y i n gt h em o s te m i s s i o n sp l a n , t h e np r o v i d et h eb a s i sd a t aa n dp r o g r a m m ef o r t h ee c o s y s t e mm a n a g e m e n ta n dd e c e n t r a l i z e dt r e a t m e n to fu r b a nr i v e r t h er e s e a r c hi m p r o v e st h ed e c e n t r a l i z e dm o d e lo ft h ep o i n tp o l l u t i o ns o u r c ei n t h eu r b a nr i v e r t h et e c h n i c a ll i n ea n dr e s u l t so ft h er e s e a r c hw i l lb ep r o v i d ea l l l v 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 i m p o r t a n tr e f e r e n c ea n dg u i d a n c er o l eo nt h ew a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yi n o t h e ru r b a nr i v e r s k e yw o r d s ：u r b a nr i v e r ：c h i o r o p h y h - a ；w a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o n ：w a t e r e n v i r o n m e n tc a p a c i t y ；w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o h v 独创声明 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 注；翅遗直墓他盖要挂别直盟的：奎栏亘窒或其他教育机构的学位或证书使 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 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：常祆 签字日期：g 年6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校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，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：蒂数 签字日期：a 两f 年6 月日 导师签字： 纱纱纠，l 签字日期：毋伪年6 月日 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 u 刖置 几乎所有古老的人类文明都发源于某一条河流。像中国的黄河流域，印度的 恒河流域，古巴比伦的两河流域等等。作为城市发展必不可少的运输体，它在城 市及周边地区的经济发展和生态保护中，都有着十分重要的地位。 在城市形成和发展过程中，河流作为关键的资源和环境载体，关系到城市生 存，制约着城市发展，是影响城市风格和美化城市环境的重要因素n 】。在远古时代， 城市河流为城市提供了稳定的水源和肥沃的土壤，发展到后来，城市河流除提供 水源以外，随着水上交通工具的发展，成为城市物资运输的重要通道：在近代工 业化阶段，城市河流对城市的作用更加重要，成为水源地、动力源、交通通道、 污染净化场所；在现代，城市河流在城市生态建设、拓展城市发展空间方面显示 出不可替代的作用。 但是随着经济发展和人口密度的增加，这些河流受人类活动污染的胁迫以及 城市防洪的需要，大多数逐渐退化成为单一泄洪纳污功能的城市河道，接纳越来 越多的污水，其量已经严重超过河流本身的纳污能力和自挣能力。如何进行城市 河道的生态改造，保持河道的水环境，使排污河成为景观河，实现城市水环境安 全和城市的可持续发展，是城市河道生态改造亟待解决的问题。 城市河道不同于自然的河流，由于流域面积小、下垫面条件改变、河道渠化 硬化等众多原因，除雨期降雨外，基本没有天然来水。非汛期主要是城市生活、 工业污水的排放。目前城市河流污染主要由城市污水直接排放和雨水径流导致， 而点源污染一直是城市河流污染的最主要贡献者。 建立水环境系统的水质数学模型是研究水环境系统的基础。通过与实地监测 的水质数据联合使用，把采样得到的数据内插或外延到其它的时间、地点和状态， 从而进行水质变化的模拟，来拓展对影响水质的各种过程及其相互作用的认识。 最早的水质模型是氧平衡方程，以后的水质模型建立都是在此基础上的改进和完 善。目前进行的系统模拟研究大都以此方程开展的，主要用于模拟b o d 、c o d 。 本课题研究以现场实测数据为依托，以c h l a 为约束指标，寻求与其相关性 最密切的水质营养因子为约束指标建立其一维水质模型，并通过对现场控制点一 植物园景观塘水质监测得到的数据利用最小二乘法的辨识原理确定水质模型参 数，利用监测数据进行模型的验证。建立水污染控制系统数学模型。通过对水质 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 模型的研究，分析河道初始断面水质、水量改变对河道沿程水质的影响问题，确 定水环境系统环境容量和水污染控制系统规划方案。从而为城市河道的生态治理 和污水分散式处理提供基础数据和方案。 玉绣河是济南市区南部的一条城市河流，由南向北贯穿南部城区，下游在济 南市大明湖北岸汇入西泺河，最后经西泺河向北汇入济南市北侧的小清河，小清 河济南段是南水北调东线工程胶东输水干线的一部分。和大多数城市河流一样， 玉绣河在城市化过程中遭遇河流泛洪区被建筑物挤占、河床硬化、堤岸用混凝土 整砌、河道被裁弯取直的工程治理，原来颇具生态功能的融然河流退化为单一泄 洪纳污功能的城市河道。玉绣河两岸以居民区居多，大量城市污水未经处理直接 排入河道，日排污量约为2 。o 3 0 万m 3 ，其中生活污水约占8 0 ，河水污染物 浓度较高，c o d c r 达到4 0 0 1 0 0 0 m g l ，s s 达到2 6 0m g l ，n h 3 一n 达到4 0m g l ， t n 达到5 0m e e t , ，d o 必0 - - - 0 5 m e e t , ，水质严重恶化，水生物无法生存。玉绣 河的水体环境已遭到破坏，河流自身的生态功能完全丧失，严重影响着周围居民 的正常生活。整治玉绣淫，修复河流的生态功能，使河流水环境与人类社会和谐 一致，已成为当地政府部门的当务之急。 2 0 0 3 年6 月2 6 霉啦东省委常委召开扩大会议，原则遥过了济南市城市总体规 划方案，济南市在十年内将实施包括河道整治等内的十大城市建设工程。为恢复 下游泉水常年喷涌，济南市政麝提出玉绣河引水综合治理工程，在城区建造横贯 南北，串连泉、溪、湖、河的“玉绣河。2 0 0 5 年，济南市科技局立足于城市水 环境的改善，立项“城市河道生态治理技术研究，为济南市的河道治理王程提 供科学技术支持。本课题来源于济南市科技局立项项目，以玉绣河引水综合治理 工程为依托，进行城市河流生态修复技术的研究。本硕士论文重点对城市河道本 环境系统的环境容量和水质进行了模拟研究，在城市小流域尺度下，以济南城市 河道中影响生态的关键因子( 獭妇为约束指标，建立适合当地的水质模型。力河 道水环境的生态治理及中水站的建设及运行提供理论和数据支持及是优化模式。 2 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 1 引言 1 1 国内外研究现状 1 1 1 城市河流的演化 随着城市化的快速发展、人类活动的影响，城市河流受到严重的破坏。从水 量和水质两个方面来说：一是由于对天然河流的裁弯取直、修砌石质河床，使天 然河流的糙率度减小、下渗量减少。另外，由于城市化的发展，不透水面积的增 大，降雨径流量增大。最终导致在发生暴雨事件时洪峰流量增大，峰值出现时间 提前，行洪历时缩短，洪水总量变大，洪水过程线变得峰高坡陡。二是由于人口 的密集、工商企业的相对集中，大量生活污水、工业废水、废气、废渣的排放使 受纳水体水质受到严重的污染。 城市河流除了有引、排、蓄、航四大基本功能外，还应负担美化城市环境、 促进生态平衡、调节城市小气候等特殊功能【2 】。因此研究其在人类影响下的变化， 并对其进行治理越来越引起人们的关注。 ( 一) 水文特征 人类的活动对自然河流进行改造和治理，如截弯取直，疏浚整治，布设边沟 及下水道系统，由此增加了河流汇流的水力效应，汇流速度增大，汇流时间缩短， 加之天然河流的调蓄能力减小，使得城市区内产汇流过程发生变化，进而导致雨 洪径流洪峰流量增大，峰现时间提前，行洪历时缩短、洪水总量增加，洪水过程 线呈现峰高坡陡，据e s p e y 等口1 的研究，城市化地区洪峰流量为城市化前的3 倍， 涨峰历时缩短1 3 ，暴雨径流量的洪峰流量为城市化前的2 - - 4 倍，这取决于河流 的整治情况和城市的不透水面积的比重及排水设施等城市化后，由于河流漫滩 被挤占，河槽过水断面减小，行洪能力削弱，易产生洪灾 ( 二) 污染特征 向城市河流中直接排放生活污水、工业废水，向大气中排放含有大量s 0 2 、 n o x 及其化合物的气体，并在一定条件下形成酸雨下降，都会使河流水质恶化。 当进入水体的污染物质数量超过了水体的自净能力，则会造成生物循环和生态平 衡的破坏，危及人们的生活和生产。尤其是在枯水季节，河道基流量小，稀释能 3 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 力最低，水质更容易恶化，高温季节，有机质被厌氧细菌分解的生化过程弓l 起水 体黑臭。故通常城市化水平较高的水体下游一般均受到污染。天然水体的水质恶 化进一步加剧了城市水资源紧缺的危机。 根据1 9 9 8 年全国2 2 2 2 个监测站的监测结果表明，我国七大水系重点评价河 段，符合地面水环境质量标准i 、i i 类的占3 2 2 ，符合类标准的占2 8 9 ， 属于、v 类标准的占3 8 9 5 。与以前相比，七大水系的水质状况没有好转， 水污染程度在加剧，范围在扩大。在有关部门统计的1 3 8 个城市河段中，有1 3 3 个河段受到不阚程度的污染，占统计总数的9 6 4 。属于超v 类水质的有5 3 个 河段，属于v 类水质的有2 7 个河段，属于类水质的有2 6 个河段，属于i l 、 类水质的有3 2 个河段1 4 1 0 造成城市河流污染的主要原因是由于不适当的城市生活和工业生产活动所 引起，特别是由于城市生活污水和工业废水等点源污染的任意排放；其次是由城 市地表径流污染以及上游农业面源污染所致，见图1 1 。生活污水中主要含有有 枫物翻氮、磷等营养物质，并含有大量细菌和病原体；工业废承中的主要污染物 有：不溶性、难溶性和可溶性固体致浊物，无机有毒有害物( 氰、铬、铅、汞、 福等) ，有机物( 分为可生物降解有棍物和难生物降解有机物) 以及油类物质和放射 性物质等；它们对天然纳污水体和人类可持续用水都具有很大的危害性 5 1 。2 0 0 2 年中孱环境状况公报显示，我匿潭流污染主要指标为石油类、c o d 、翊嘎+ 忒、 高锰酸盐指数、挥发酚等。 图1 - 1 城市河流的主要污染源示意图 f 酶1 - 1p o l l u t i o nr e s o u r c e st ou r b a ns t r e a m 4 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 ( 三) 生态系统功能 河流中的生物与其周围的环境共同组成了一个天然的生态系统。生物与环境 相互影响，相辅相成。城市水环境问题的产生即水体污染主要是水在作为物质和 能量传输介质发生循环的过程中，大量的有毒有害物质( 能量) 进入到水体中， 使水体的水质和水体底质的物理、化学性质和生物群落组成发生变化，从而降低 了水体的使用价值和功能【6 1 。 城市河流作为城市生态系统中的一种自然地理要素，对城市生态建设起到了 很大的决定性作用：包括为城市生活和生产提供就近水源，可以减弱城市热岛效 应和洪涝灾害，为城市绿地的建设提供基地，丰富城市景观多样性和城市物种多 样性，为市民创造文体娱乐、亲近自然的空间等【刀。但是随着经济的发展和城市 化进程的加快，以及人类对河流生态功能认识的不足，城市河流的这些生态功能 遭到了严重的破坏。 引起河流生态破坏的原因主要包括河流的水质恶化、人水争地导致的城市河 流水面急剧减少天然调蓄功能严重萎缩、时空状态的改变( 河流裁弯取直、渠化 硬化引起物理结构的改变及断流) 、河岸土地的不合理开发利用( 城市建设、农田、 牧场、林场开发等) 以及外来物种的引入等【8 】。其中工业废水、城市污水、垃圾 倾倒、农田废水、暴雨径流、大气沉降等导致的河流水体水质恶化是其生态系统 功能退化的主要因素。当排入水体的污染超过水体自身的纳污能力时，将造成河 水黑臭、鱼虾绝迹、水生植物枯萎，而代之以适应污染的各类微小底栖生物类群， 城市河道及其两岸的生物多样性下降，特别是一些对人类有益的或有潜在价值的 物种消失。 1 1 2 水质模型研究 进行水质模拟的目的不在于研究污染物在河流中的迁移转化机理，而是从 水质规划管理的角度确定污染源源强与水质之间的定量关系。计算在一定设计流 量下河流所能容纳污染物的负荷量，以预测河流水质的变化哼1 。而水质模型的建 立是开展水质模拟的关键。是水环境污染治理规划决策分析中不可缺少的重要工 具1 。 水质模型之所以受到科学工作者的高度重视，除了其应用范围广外，还因为 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 在某些情况下它起着重要作用。例如，新建一个工业区，为了评估它产生的污水对 受纳水体所产生的影响，用水质模型来进行评价就至关重要n 。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国很多大江、大河多开展了水环境规划，建立了各自 的水质模型。随着水环境规划的进一步发展和深化，与各大流域直接或间接贯通 的中小型河流的水环境规划也曰益提上网程。因此，随着水环境规划发展和深化， 建立中小型河流水质模型已提上日程川1 。 把计算机技术应用在水质模型模拟上来对河流水质进行预测和控制是十分 有效的。计算机庞大的计算功能可以使研究者对各种组分在各种条件下的状态和 演变规律进行分析，可以考察河流系统对各因素或参数的灵敏度和系统的稳定性， 可以根据各种需要和可能作出多方案的模拟和比较臼。 1 1 2 1 水质模型的发展 水质模型是水体中污染物随空闻和时闻迁移转化规律的描述，是一个用于描 述物质在水环境中的混合、迁移过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间、 空间的定量关系n ”。水质模型是在分析发生的物理、生物和化学的各种反映的 基础上，根据物质的质量、能量和动量守恒定律，应用数学方法建立的。因此除 了要考虑物理作用外，还应考虑到污染物的生物化学反应。通过模型模拟可以预 报水质在时间或空间的变化，从而为水环境质量预报、水污染控制规划、环境影 响评价以及水赘源的规划、管理和控制提供数据和技术上的支持。 水质模型依据不同的分类方式分为很多种类。 ( 一)依据空间维数，可分为零维、一维、二维、三维模型。零维水质模 型是一种特殊情况，直接认为污染物在空间各个方向上完全混合。维水质模型 是最常用的一种模型，水质及水流参数被认力只沿纵自发生变化。空闻模型的维 数，主要取决于所研究的范围及其水体中污染物的混合情况。 ( 二)依据是否含有时阀变量，可分为动态和稳态模型。主要区别在于水 文情况和排污条件是否随时间变化。 ( 三)依据模型的数学特征可分为随枧性、确定性模型和线性、j 线性模 型。 ( 黯)依据箍述盼水体对象，可分为河流、湖泊、游翻、海湾、地下永模 型。 ( 五)依据描述的对象可分为溶解氧、温度、重金属、有毒有机物、放射 6 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 性等模型；水质的组分有有机的、无机的、放射性的、热的和生物的几种。 ( 六)依据反应动力学性质，可分为：对流、扩散模型以及迁移、反应、生 态学模型等1 1 4 | 。 从1 9 2 5 年美国的两位工程师s t r e e t e r 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开始，水 质模型开始了它的迅速发展。最早发展的水质模型是简单的氧平衡模型。谢永明 把水质模型的发展分成5 个阶段1 5 1 ： 1 ) 1 9 2 5 - 1 9 6 0 年为水质模型发展的第一阶段，以s t r e e t e r p h e l p s 水质模 型( s - p 模型) 为代表。后来科学家在其基础上成功地发展了b o d - d 0 耦合 模型，并应用于水质预测等方面； 2 ) 1 9 6 0 1 9 6 5 年，在s - p 模型的基础上又有了新的发展，引进了空间变量、 物理的、动力学系数、温度作为状态变量也被引入到一维河流和水库( 湖 泊) 模型，水库( 湖泊) 模型，同时考虑了空气和水表面的热交换，并将其 用于比较复杂的系统； 3 ) 1 9 6 5 - 1 9 7 0 期间进行的把不连续的一维模型扩展到其他输入源和漏源， 其他输入源和漏源包括硝化需氧量( n o d ) 、光合作用、藻类的呼吸以及沉 降、再悬浮等等，计算机的成功应用使水质数学模型的研究取得了突破 性的进展； 4 ) 1 9 7 0 一1 9 7 5 年期间，水质模型己发展成相互作用的线性化体系、生态水 质模型的研究初见端倪，有限元模型用于两维体系，有限差分技术应用 于水质模型的计算： 5 ) 最近的2 0 多年中，科学家的注意力已逐渐地转移到改善模型的可靠性和 评价能力的研究上。5 0 年代开始，由于电子计算机技术的应用和水环境 科学的发展，氧平衡数学模型有了较大发展，尤以o c o n n o r 和b o b b i n s 的工作最为重要。他们在模型中考虑了氧化物和底泥的作用，从而在包 括模型的参数和模型的求解技术方面都有了较大的发展。在此基础上， g r c n n e y 开发了美国环保局推荐使用的q u a l - i i 水质模型。这是一种较 为复杂的氧平衡生态模型，该模型己经被成功地广泛应用于河流水质预 测和水质管理规划中。 1 1 - 2 2 河流水质模型 7 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 河流水质数学模型分为确定性模型和不确定性模型。 确定性模型是指对予一组给定的输入条件( 包括水力、入污状态、河流水质 状态等) ，模型可以输出组确定的对应值。 在河流水质系统中，污染物质在水中的扩散、输移、降解过程都是在物理、 化学、生物等多方面因素综合作用下发生的。水环境因子如水温、水流态、河道 边界条件等都会影响水质状态的变化。假使河流的纳污条件恒定，由于上述因子 偶然变化的影响而产生的不确定性的输移速率和降解速率，在下游断面得到的浓 度过程也是波动的。不确定性模型的输入条件是非确定的，其输出也是不确定的， 反映了水质系统的不确定因素的作用1 1 6 1 。 ( ) 确定性模型 1 、零维水质数学模型 当水体处于完全混合状态的时候，可以根据质量平衡原理建立水质数学模型 的基本方程： 咝a , = 鳊一西墨e ( 王王) 式中v 为水体体积，q 为流入污染物流量，c 。为流入污染物浓度，c 为流出 污染物浓度，k 为污染物衰减速率系数。 c = 鳃( q - k i y ) ( 卜2 ) 2 、一维水质数学模型 稳定状态下，一维水质模型的基本方程： 。 o c o t = d 0 2 c & x 2 一材i o x 一墨c + s ( 1 - 3 ) 巍k l - 0 时( 对于难降解的污染物质进入水体，其衰减系数l ( ：可认为等予0 ) ， 于是上式可简化为 a c o t = d a 2 c ，苏2 一u a c l o x + s ( 1 - 4 ) 式中c 河流中污染物浓度， u 河流流速， d 弥散系数， ” s 源和漏， 当河流污染物输入量、断面平均流速、流向离散系数是不随时间发生变化的 8 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 常数时，可认为a c a t = o 。，此时上式可写为 材加o x = d a 2 c o x 2 + s ( 1 5 ) ( 二) 不确定数学模型m 1 从目前的研究来看，不确定水质数学模型基本上有三种类型：1 ) 美国控制 论专家查德的模糊数学：2 ) 以概率论和数理统计理论为基础的随机方法；3 ) 我 国专家邓聚龙建立德灰色系统理论。虽然这三者之间有交叉，各具特色，但从本 质上说，这三种理论又是一致的，只是处理不确定性的手段不同而己：模糊数学 归结为隶属度：随机理论以概率论形式表述；灰色系统理论则表现为灰色度。值 得一提的是，三种方法中以随机方法的理论最为雄厚，使用最广泛，方法也较为 完善。 但是，水质模型也存在一些局限性。在河流水质系统中，有许多反应机理还不 太清楚，有很多过程目前还不能或难以用数学方法表达，因此，对这类问题也就难 以进行数学模拟。特别是对一些客观条件认识还不够全面和充分时，则首先必须 深入研究和分析当时当地具体条件，考虑社会、政治、经济、技术各方面的需要 和可能，否则若盲目应用河流水质模型就会使研究工作不切实际加。 1 1 3 水环境系统研究 1 1 3 1 水环境系统概述 水环境系统包括自然循环和人工循环两个部分。自然循环是指水体通过蒸 发、降水和地面径流与大气联系起来，地表水与地下水通过土壤渗透及地下补给 运动联系起来的循环过程。人工循环指由区域的供、排水系统组成的循环过程， 在这个过程中，除了有部分水量的消耗外( 如被人体和产品吸收) ，主要发生的是 水质的变化，即清水一污水一清水的水质循环。因此，对污水的处理在此水循环 中起着决定性作用。污水处理达到一定水质要求后，通过中水系统实现污水的再 次回用。其对下游水资源的再利用有着重大影响。另外在水环境系统的边界上还 存在着上下游的输入、输出，通过水质、水量与整体流域和大气联系起来。因此 水环境系统是个复杂开放的生态系统，生态链上的任何一个环节发生问题都会引 起生态失调t l s i 水污染控制系统是水环境系统中一个重要的予系统。对一条河流或一个河流 9 城市河道水环境系统的模拟研究以济南市玉绣河为例 流域范围，水污染控制系统一般分为污染源子系统、污染物的输送予系统、污水 处理子系统和接受污水的水体予系统。可以用图卜2 表示l l g l 。 蠢带漶t 隶霹 ， i 1 2 3 ； t i ，。s 泰楚瑷麓叁 一 与9 1 黝污瘩楚囊厂 ：。污采薄纛蓑就藿 谚一睁人工曛气 。图i - 1 菜潺流流域污染控铡系统缎戏结构示意图 f i g 1 - 2t h em a pa b o u tt h ep o l l u t i o nc o n t r o ls y s t e mc o m p o n e n ts t r u c t u r eo far i v e rb a s i n 1 1 3 2 水环境容量概述 我国排放水污染总量控制技术规范中，对水环境容量作如下定义：将给 定水域和水文、水力学条件，给定排污口位置，满足水域某一水质标准的排污口 最大排放量，蟊q 做该水域在上述条件下的所能容纳的污染物质总量，通称水域允 许纳污量或水环境容量! 国内研究者也有如下定义【2 0 1 ：水环境容量是一定水体在 规定环境目标下所能容纳污染物的量，容量大小与水体特征、水质舀标及污染物 特性有关，同时水环境容量还与污染物的排放方式及排放的时空分布有密切的关 系。 根据不同的应用机制，水环境容量分类如下【2 1 】： 1 ) 按水环境目标可分为自然水环境容量和管理水环境容量。两者都是将水 体的允许纳污量作为水环境容量的，只是前者是以污染物在水体中的基 准值为水质目标，后者则是以污染物在水体中的标准值为水质目标。很 明显，管理环境容量不仅反映出了水体的自然属性，而且还反映出入为 的约束条件和社会因素的影响。 2 ) 按污染物性质可分为可降解有机物水环境容量、难降解有机物水环境容 量