（环境科学专业论文）大连湾海域主要污染物浓度分布及藻类生长模拟.pdf

ab s t r a c t a b s t r a c t s e a s o n a lt h r e e d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i cw a t e rq u a l i t ym o d e lc a ns i m u l a t em o r et h a n 2 0w a t e rq u a l i t yv a r i a b l e so fp h y s i c a l ，c h e m i c a l ，b i o c h e m i c a lr e a c t i o n a tt h es a m et i m e ，i t t a k e si n t oa c c o u n tm a n yf a c t o r s ，s u c ha sg e o g r a p h i c a ll o c a t i o n ，t o p o g r a p h y ，h y d r o l o g ya n d n a t u r a lm a r i n em e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n ds oo n b a s e do nt h eh i s t o r i c a lr e f e r e n c ea n d m o n i t o r i n gd a t a ，t h em o d e lc a nr e p r o d u c eo v e r a l ls i t u a t i o no fw a t e rp o l l u t i o ni nd a l i a nb a y a n da v e r a g er e l a t i v ee r r o ri si n s i d e2 0 a m m o n i u mn i t r o g e na n dp h o s p h a t ea sm a j o rp o l l u t a n t sw a ss t u d i e di nd e t a i l s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a tl o a do fa m m o n i u mn i t r o g e na n dp h o s p h a t ew a sm a i n l yc o n c e n t r a t e do n t h et o po ft h es e w a g eo u t f a l ll o c a t i o ni nd a l i a nb a y w h e nt h el o a do fp o l l u t a n t sa d d e d ，t h e p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nw o u l di n c r e a s er a p i d l y i nw a t e r q u a l i t ym a n a g e m e n t a n do b j e c t i v e s p l a n n i n g ，r e d u c t i o n o fe m i s s i o no f a m m o n i a c a l a ln i t r o g e na n dp h o s p h a t e ，a sw e l la sc h a n g eo fs e w a g eo u t f a l ll o c a t i o nc a n i n f l u e n c et h eg r o w t ho fa l g a l s i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t e dt h a tp h o s p h a t ew a st h em a i n f a c t o rt oi n f l u e n c ea l g a lg r o w t hn e a rt h es e w a g eo u t f a l li nd a l i a nb a y s ot h eg r o w t ho f a l g a lc a nb ec o n t r o l l e db yr e d u c et h ed i s c h a r g el o a do fp h o s p h a t e b u ta w a yf r o mt h e s e w a g eo u t f a l ll o c a t i o n ，t h eg r o w t ho fa l g a lc a nb ec o n t r o l l e db yr e d u c i n gt h ed i s c h a r g el o a d o fa m m o n i u mn i t r o g e na n dp h o s p h a t ew i t hac e r t a i nr a t i o i no t h e rw o r d s ，b yt a k i n gi n t o a c c o u n tt h er a t i oo fn i t r o g e nt op h o s p h a t e ，a m m o n i u mn i t r o g e nw a st h em a j o rf a c t o ra n d p h o s p h a t ew a sn e c e s s a r yt ob ec o n s i d e r e di nd a l i a nb a y k e yw o r d s ：w a t e rq u a l i t ym o d e lw a h m o ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a m m o n i u mn i t r o g e n ， p h o s p h a t e ，g r o w t ho fa l g a l l i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可i j , 将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：黄才) 毪导师签名：鞭 日期：p9 7 年夕月1 1 日日期： 知。9 年 ；月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整窒通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做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：首力j j 参 日期：灿口罗年月1 1 日 绪沦 绪论 海洋是人类生存与发展的重要领域，同时也是国际竞争的重要空间。随着陆地资源 的衰竭，世界经济的发展和沿海地区人口的急剧增长，人类对海洋资源的需求日益增加。 沿海地区大规模的经济开发，工业废水和生活污水向海洋排放，造成海水水质下降甚至 呈恶化趋势。此外，过度捕捞引起海洋渔业资源衰退等等一系列问题。海洋开发活动对 海洋环境，特别是海岸带及近海海洋环境造成越来越大的威胁，如大量的海洋哺乳动物、 鸟类、海龟及海洋经济鱼类和贝类受到严重威胁或处于濒危状态。日益j t l r s t l 的海洋环境 危机迫切需要人们采用新的管理措施和手段，以加强海洋环境保护与海洋资源的可持续 开发。 大连市海域辽阔，海岸线曲折绵长，位于辽东半岛南端的大连湾，不仅为大连市提 供了天然海港，丰富的海产品，也成为沿岸工厂的“天然垃圾场”。根据大连市海洋与渔 业局于2 0 0 7 年四月发布的( ( 2 0 0 6 年大连市海洋环境质量公报的监测结果表明，2 0 0 6 年大连市近岸海域环境质量总体形势较严峻。全市近岸海域未达到清洁海域水质标准的 面积为2 2 1 4 平方公罩，约占全市海域面积的7 6 。近岸海域沉积物质量总体良好，部 分区域受到石油类污染；近岸海域贝类质量总体一般；5 7 6 的入海排污口超标排放污 染物；河流携带入海的污染物增高；滨海旅游度假区、海水浴场环境状况良好。 2 0 0 6 年实施监测的5 9 个入海排污口中，有3 4 个排污口超标排放污染物，约占入海 排污口总数的5 7 6 ，低于全国入海排污口超标率。主要超标污染物为磷酸盐、c o d 和 悬浮物。监测的3 4 个市政排污口及排污河中，有2 8 个排污口所排放的污水超标，主要 污染物是磷酸盐、c o d 和悬浮物，其中悬浮物超标率达到7 6 5 ，磷酸盐超标率达到 6 7 6 ，c o d 超标率达到2 9 4 。监测的2 5 个工业排污口中，有6 个排污口所排放的污 水超标，主要污染物是c o d 、磷酸盐和氨氮，其中c o d 超标率达到1 6 o ，磷酸盐超 标率达到8 0 ，氨氮超标率达到4 o 。 2 0 0 6 年监测的入海排污口污水排海总量( 含部分入海排污河径流，下同) 约1 3 2 亿 吨。其中，入海排污口排海的主要污染物总量约6 9 7 9 2 3 吨。具体情况为悬浮物5 8 0 3 0 1 吨，占8 3 1 ；c o d1 1 2 5 4 7 吨，占1 6 1 ；氨氮3 2 1 4 吨，占0 5 ；磷酸盐1 3 2 4 吨，占 0 2 ；亚硝酸盐2 5 吨，b o d 51 9 5 吨，油类1 7 1 i , 电，挥发酚、总氮、硫化物、多氯联苯等 7 4 p 屯。具休分布为约有4 5 2 8 6 0 吨排入港口航运区，占6 4 9 ；1 6 2 1 6 5 吨排入海水增养 殖区，占2 3 2 ；7 6 0 2 4 1 1 9 9 排入排污区，占1 0 9 ；6 8 7 4 吨排入旅游区，占1 o 。 为评价陆源排放对海湾的污染程度，以进一步进行水质规划，实施污染物总量排放 控制，了解污染物在水体中的输送、迁移、转化等行为，建立数学模型是一种有效的研 究办法。但由于近海环境是一个复杂的生态系统，污染物在近海环境中所发生的过程往 人选交通人学l j 。7 1 硕十7 ? 何论文 往是化学、生物和物理等过程综合作用的结果，它受各种自然环境因素，水文、气象、 地形地貌以及水体本身物理、化学、生物特性的影响。使得对近岸水流运动和水质状态 变量变化规律的精确描述和模拟十分困难而复杂。现有的水质模型都存在各自的缺陷， 一维和二维的水质模型只适用于河流或湖泊、水库，它们所忽略的因素过多，几何边界 过于简化；有的模型不计算由于气象、水文条件及内陆径流加入而产生的温度、盐度和 密度的变化；有的不计算沉降、挥发、吸附等物理过程的作用；有的不计算化学和生物 转化过程的作用等等，涉及的水质变量很少，模型相对简单、粗糙。总之，还没有一个 统一考虑物理、化学和生物等过程综合作用的近岸水域三维水力学和水质的精细模型。 水质模型的特点和本论文的主要内容 水质模型的特点 本论文所采用季节性三维综合水质模型( w a h m o 水质模型) 1 1 - 3 】。与其他己有的 水质模型相比，具有以下几个方面的特点： ( 1 ) 以水运动模型的模拟为前提，进行水质的模拟，使模型对污染物的扩散过程的 描述更加精细。水运动模型模拟的结果包括海水水位、盐度分布和海水温度，并作为水 质模型的输入数据的一部分，传输给水质模型。水运动模型作为单独的一部分，综合考 虑了内陆径流、降雨量、云量、风速、相对湿度、蒸发量、太阳辐射等自然条件的影响， 考虑了水体受地球白转影响发生的季节性变化，因此对潮流的描述更为精细、准确，成 为提高水质模型模拟结果可靠性的必要前提。 ( 2 ) 水质模型考虑了二十几种污染指标物的各种作用，模拟结果可以为水质研究 提供更为丰富、可靠的信息，水质预报功能更完善。水质模型考虑了基于质量守恒的物 理扩散过程。模型模拟的化学反应包括有机氮和碳的双组分作用系统，有机污染物在大 连湾的挥发、吸附、光解、水解、氧化、生物富集等过程，藻类生长的生态系统对有机 质的利用。多个相互耦合的反应使模型的反应速率参数的率定更为复杂，通过灵敏度分 析的方法，结合过程分析法，简化了这一过程。因此，经过验证的模型可实现对多种污 染物的准确模拟。 ( 3 ) 模拟结果实现可视化。通过对大连湾的具体条件分析，输入相关数据，就可以 得到任意时间、任意地点的任意一种模拟污染物的浓度，模拟的结果初步实现可视，以 浓度等值线或三维立体表达，更加直观。 因此，本文所研究的水质模型理论先进，功能齐全，应用在大连湾对我们今后进行 水质管理和预测具有十分重要的意义。同时，由于该模型考虑因素全面，可以通过对该 水质模型的研究，了解掌握所有类似的半封闭海湾的特点，进而掌握在这一类海湾丌发 水质模型的一般方法。因此，利用综合水质模型评价近岸海域水质不仅仅是简单的计算、 预测过程，它是一种基于系统工程思想的一般方法，是解决复杂问题的有力工具。 绪论 本论文的主要内容 本论文工作围绕以下几个方面的内容展丌： ( 1 ) w a h m o 水质模型应用于大连湾： ( 2 ) 大连湾海域主要污染物氨氮、磷浓度分布模拟； ( 3 ) 大连湾海域藻类生长模拟。 3 人j 尘交通人学i ，硕f 学忙论文 第一章文献综述 污染物进入水体后，随水流迁移，在迁移的过程中受到水力学、水文、物理、化学 等因素的影响，引起了污染物的输移、混合、分解、稀释和降解。建立水质模型的目的 就是力图把这些相互制约因素的定量关系确定下来，从而为水质的规划、控制和管理提 供技术支持【引。利用水质模型进行河流、水库、湖泊及河口的水质规划已经取得成功， 一些在2 0 世纪血六十年代严重污染的河流，如芝加哥河、泰晤士河、莱茵河等利用水 质模型进行规划和管理，使水体有了根本性的好转1 5 j 。 1 1 水质模型的发展历史 描述河流水质的第一个模型是斯特早特( h w ：s t r e e t e r ) 署i 费尔普斯( e b p h e l p s ) 于 1 9 2 5 年研究美国俄亥俄河污染问题时建立的，简称s p 模型1 6 j 。现在已有用于不同用途 的各种水质模型。自s p 模型至今，已有8 0 多年，国际上对水质模型的开发研究划分 为三个阶段l 。 1 1 1 第一阶段( 1 9 2 5 年 - 1 9 8 0 年) 这个阶段研究的主体主要是水体水质本身，模型注重分析水质内部组分之间的规律 关系，主要研究受生活和工业点污染源严重污染的河流系统，输入的污染负荷仅强调点 源。与水动力传输一样，底泥耗氧和藻类光合及呼吸作用都是作为外部输入，而面污染 源仪仪作为背景负荷。该阶段的发展历程简述如下1 6 j ： 1 、1 9 2 5 年1 9 6 5 年：开发了比较简单的生物化学需氧量和溶解氧( b o d d o ) 的双 线性系统模型并成功应用于水质预测。对河流与河口问题采用一维计算方法。s p 模型 的基本方程为： u 祟。e 尝一k 占 缸缸 u 0 0 ：粤一墨l + k 2 d d xo x ( 1 1 ) 式中：u 为河流平均流速，m s ；l 为河流x 处b o d 质量浓度，m g l ：x 为离排污口( x = 0 ) 的河水流动距离，m ；e 为河流弥散系数，m 2 s ；k 1 为b o d 的衰减系数，s ；k 2 为河水 复氧系数，s ；o 为河流x 处d o 质量浓度，m e d l ；d 为河流x 处溶解氧的质量浓度， m g l 。 在随后的7 0 多年罩，许多学者对s p 模型提出了各种修j 下和补充： ( 1 ) 托马斯( h a t h o m a s ) 于1 9 4 8 年提出b o d 随泥沙的沉降和絮凝作用而减少且 不消耗溶解氧，并认为其减少速率正比于存留的b o d 数量。因此在稳念的s p 生化需 4 第苹文献综述 氧量方程中引入了絮凝系数。 ( 2 ) 奥康纳( d j o c o n n o r ) 于1 9 6 7 年提出将b o d 分为碳化b o d 和硝化b o d 两部 分，并在托马斯方程上进行了修改。 ( 3 ) 多一坎( d o b b i n s c a m p ) 在托马斯模型的基础上，添加了因底泥释放b o d 和地 表径流所引起的b o d 变化速率以及藻类光合作用和呼吸作用以及地表径流引起的溶解 氧速率变化。 2 、1 9 6 5 年 - - 1 9 7 0 年：除继续研究b o d d o 模型的多维参数估值问题外，水质模 型发展为六个线性系统，计算机的应用使水质模型的研究取得突破性进展，计算方法从 一维发展n - 维，开始计算湖泊及海湾问题。 3 、1 9 7 0 年1 9 7 5 年：研究发展了相互作用的非线性系统模型。涉及营养物质磷、 氮的循环系统，浮游植物和浮游动物系统，以及生物生长率同这些营养物质、阳光、温 度的关系，浮游植物与浮游动物生长率之问的关系。其相互关系都是非线性的，有限差 分法、有限元计算应用于水质模型的计算，空间上用一维和二维方法进行计算。 4 、1 9 7 5 年 - 1 9 8 0 年：除继续研究第三阶段的食物链问题外，还发展了多种相互作 用系统，涉及与有毒物质的相互作用，空间尺度已经发展到三维，模型中状态变量的数 目已大大增加。 1 1 2 第二阶段( 1 9 8 0 年 - 1 9 9 5 年) 这一阶段模型在以下几个方面有所发展：状态变量( 水质组分) 数量上的增长；多维 模型系统中纳入了水运动模型；将底泥等作用纳入了模型内部；与流域模型进行连接以 使面污染源能被连入初始输入。 在这一阶段，由于能对流域内面源进行控制，从而使管理决策更加完善；由于将底 泥的影响作为模型内部相互作用的过程处理，从而在不同的输入条件下使底泥通量能随 之改变；由于水质模型的约束更多了，预测的主观性大大减少了。这一时期，人们对一 些系统建立了模型，如美国的大湖、切萨比特湾等。 1 1 3 第三阶段( 1 9 9 5 年至今) 随着发达国家加强了对面污染源的控制，面源污染减少了，而大气中污染物质沉降 的输入，如有机化合物、金属( 如汞) 和氮化合物等对河流水质的影响同趋重要。虽然营 养物和有毒化学物由于沉降直接进入水体表面已经被包含在模型框架内。但是，大气的 沉降负荷不仅直接落在水体表面，也落在流域内，再通过流域转移到水体，这已成为同 益重要的污染负荷要素。从管理的发展要求看，增加这个过程需要建立大气污染模型， 即对一个给定的大气流域( 控制区) ，能将动态或静态的大气沉降连接到一个给定的水流 域。所以，在模型发展的第三阶段，增加了大气污染模型，能够像对沉降到水体中的大 气污染负荷直接进行评估一样，对来自流域的负荷进行评估。 5 人选交通人学- 学硕卜学何论文 1 2 水质模型的应用 1 2 1 污染物在水环境中行为的模拟和预测 水质模型最基本的功能是模拟和预测污染物在水环境中的行为。污染物在迁移的过 程中行为非常复杂。用模型的方法有助于了解污染物的运动规律，而且省时，经济。国 内外的学者在这方面做了很多工作f 8 以到，研究也较为成熟，目前较为通用的思路为：首 先求解连续性方程和动量方程，得到流速场；然后求解水质方程，得到污染物浓度场。 对于求解水质方程，传统方法采用有限差分和有限元法，差分法对于曲线边界拟合不够 理想，而有限元求解对流扩散方程会产生数值振荡，有限体积法结合了差分法和有限元 的优点，是目前较为理想的数值求解方法。c h a u 等1 9j 建立了三维污染物传输数学模型和 水流模型方程耦合求解，水平方向采用正交曲线坐标，竖向采用s 坐标，考虑侧向边界 的影响，模拟了p e a r l 河的c o d 水质变化。z h a n g 和s t a n l e y 纠1 0 j 用四点隐格式差分法 求解圣维南水流方程，采用最近的i w a 水质模型，试验校正水流水质模型参数，模拟 了西班牙e b r o 河长7 5 k m 的河段，得到了较为理想的结果，为河流的治理提供了可靠的 情报。 由于我国本身的环境污染问题，国内学者也作了大量的工作，近年来在数值模拟方 面的研究工作也开展较多，赵棣华等【1 3 j 根据长江江苏感潮河段水流水质及地形特点，应 用有限体积法及黎曼近似解建立了平面二维水流水质模型。应用浓度输移精确解验 证模型算法的正确性，利用长江江苏感潮河段的水流、水质监测资料进行模型率定检验， 并通过对卫星遥感资料的分析检验模型计算污染带的合理性。模型在长江江苏段主要地 区区域供水规划及实施决策支持系统中得到应用，为该江段水质规划提供了依据。 1 2 2 水质管理规划与评价 河流水质规划的基本课题是根据河流预定的基本功能所要求的水质及河流的自净 能力来确定允许排入河流的污染物量1 1 4 1 。对于已经污染的河流来说，则是如何削减各污 染源的污染物排入量，以最低费用且在规定时间内使河流水质达到预定目标。它是水质 模型与系统工程结合，寻求最优解的过程。 2 0 世纪7 0 年代，由于非点源污染问题突出，水质管理模型由单一的水质数学模型 发展为一个包含流域水文模型、非点源模型和水质模型的复合模型系统。8 0 年代后期， 地理信息系统丌始与上述的数学模型有机耦合在一起，构成一个比较完整的流域水质管 理系统1 1 5 , 1 6 l 。实践表明，利用系统方法进行水质规划，可以节省1 0 以上的基本建设投 资和运行费用。 在水质评价中，水质模型多用于温排水对水体环境富营养化的环境评价。温排水多 为火、核电厂的冷却水。温排水进入水体后，促使排水口附近局部区域水温提高，加快 了有机物的氮、磷分解速度，促使藻类繁殖生长，产生富营养化，因此温排水是一种特 6 第一章文献综述 殊形式的污染。根据目自订的研究情况，温排水对于水体富营养化的评价主要分为两个阶 段：首先根据动量方程、连续方程和温度方程求解流场和温度场，其次通过物质输运方 程及各生化反应函数，计算出叶绿素a 、总磷、总氮的浓度分布。李平衡等l l7 j 利用二维 守恒型浅水环流方程和能量方程求解陡河水库的流场和温度场，在此基础上利用生态动 力学模型求解叶绿素a 的分布，模拟了温排水对陡河水库的富营养化影响。 1 2 3 水环境容量计算 水环境容量为一定水体在规定的水环境目标下所能容纳的污染物最大负荷或纳污 能力，研究对象是水体的自净能力。在实践中，环境容量是环境目标管理的基本依据， 是环境规划的主要环境约束条件，也是污染物总量控制的关键参数；河流的污染物总量 控制，也是以河流的水环境容量为依据，把动态水质模型和线性规划结合进行水环境容 量计算，具有自动化程度高、精度高等特点，主要思路是1 1 8 , 1 9 l ：在水动力模型和动态水 质模型的基础上，建立所有河段污染物排放量和控制断面水质标准浓度之间的动态响应 关系，以河流总排放污染负荷最大为目标函数，约束集为：各河段都满足规定水质目标； 各河段容量约束，即每个河段都要有一个最小容量约束，以满足进入河道的面污染源总 量要求。运用最优化方法，求解每一时刻河流水质浓度满足给定水质目标的最大污染负 荷。 1 2 4 水质预警预报 水质预警是指在一定范围内，对一定时期的水质状况进行分析、评价，对水环境发 生的影响变化进行监测、分析，并对其容量进行评价，通过生态环境状况和人为行为的 分析，对其发生及其未来发展状况进行预测。确定水质的状况和水质变化的趋势、速度 以及达到某一变化限度的时间等，预报不正常状况的时空范围和危害程度，按需要适时 地给出变化或恶化的各种警戒信息及相应的综合性对策，即对已出现的问题提出解决措 施，对未出现或即将出现的问题给出防范措施及相应级别的警戒信息1 2 0 。 水质预警的技术方法主要是运用计算机技术、环境科学和系统科学等理论1 2 1 , 2 2 l ，主 要是g i s 和e i s 的耦合技术，尤其是利用g i s 的空间数据管理功能和模型分析能力，将 水环境质量、水质数学模型、水污染状况及地理信息等集合在一起，用先进的技术手段， 对其进行综合分析、计算、评价，解决了传统的数据库结构缺乏空间性、不能实现空间 管理和空间分析的问题，使水质信息从单一的表格、数据中走出来，以生动的图形、图 像方式呈现给决策者、管理人员及研究人员1 2 。同时，利用g i s 技术建立的预警信息图 形库，实现数据和图形的交互表现，增加系统的可视性，提高分析决策能力。 7 人选交通人学i 学硕十“丫伊论文 1 3 水质模型的发展趋势 1 3 1 新模型的开发 应用新技术，加深对污染物扩散输移机理的认识，不断改进和完善已有模型，并开 发具有通用型的、理论依据峰实可靠的、操作性较强的新型水质数学模型，同时还要具 有良好的用户界面、易操作性及可灵活扩展的程序接口p m j 。 目前国际，k 最新的水质模型是i w a ( 早期国际水质协会i a w q ) 于2 0 0 1 年推出的 r w q m l ，此模型用以碳、氧、氮、磷为特征的循环代替传统模型中的生化需氧量作为 水质基本组分和转化过程，并且能与m 7 q 提出的a s m 系列活性污泥模型很好相容弘纠。 目前国内与国外的研发差距，主要不在建立模型的方法上，而是在于丌发的通用性、全 面性、界面以及开发工具、平台、建立模型所需资料方面。 1 3 2 不确定性水质模型的研究 在湖泊富营养化研究领域，人们对富营养化机理的认识还比较肤浅，特别是缺乏对 藻类生长机理和磷沉积机理等过程更深入的认识，致使富营养化数学模拟还远未达到令 人满意的程度。由于磷输入浓度、光照等因素实际上都是随机变化过程，并不是确定过 程，因此用确定性的微分方程模拟会产生较大的误差，而应用随机微分方程进行描述， 则克服了确定性微分方程的缺点，取得了较满意的效果1 2 酬。 此外，污染物在水中的迁移、扩散、分解或沉淀是水体的物理、化学、生物及其综 合作用影响的结果。这些综合作用使得水质变化既有基本的确定性规律，又具有很多不 确定性的变化。在实际的应用当中，我们主要是对输出的结果进行分析，而输出的不确 定性主要受到输入的不确定的影响。所以，在研究过程当中，主要研究的是输入的不确 定性。而这种输入的不确定性来源于四个方面1 2 7 】：输入数据的不确定性，模型结构的不 确定性，参数的不确定性和模型技术的不确定性。 目前不确定性水质模型主要有三种类型1 2 8 j ：基于概率论及数理统计的随机方法、灰 色系统理论、模糊数学。它们之间虽然形式不一，但是本质是一样的。随机理论以概率 表述，模糊数学则归结为模糊度，而灰色理论表现为灰色度。其中以随机方法的理论使 用最为广泛，方法也较为完善，包括基于马尔可夫链和平稳时间序列的离散随机过程类， 在确定型模型中加入随机噪声项的实时估计及预测类和随机微分方程类。离散随机过程 类由于仅仅考虑某一方面的不确定性，其缺点也是明显的，目前研究已大大减少。实时 估计及预测类主要用于参数的实时估计及修萨和状念变量的实时估计与预测。带随机系 数的微分方程，结构型式简单，计算结果信息量大，便于决策机构决策，在国外己被广 泛应用，但其参数认别方法仍有待改进1 2 引。 8 第一苹文献综述 1 3 3 水质模型与“3 s ”的结合 “3 s ”指地理信息系统g i s 、遥感系统r s 、全球定位系统g p s 。g i s 技术可把复杂多 变的自然、社会变化以及变化过程以图形、图像的方式进行数字化处理。在其空问和属 性库中输入河道基本数据、水文及污染源数据，利用其空间数据库采集、管理、操作和 分析能力，可使水质监测与评价产生全新的面貌。通过水流水质模型计算，可得出反映 水域水流、水质变化特性的断面位置，并以逼真的图像显示水域水流水质变化的空间特 征、统计特性和未来趋势等【3 0 - 3 4 l 。 随着计算机和空间技术的发展，r s 与g p s 技术已能够同时获取大量的不同分辨率 多谱段的可见光、红外、微波辐射和测视雷达的数据，目前与g i s 结合，已能快速即时 提供多种对地观测的具有整体性的动态资料，并对这些资料进行分析与处理。2 0 世纪 8 0 年代以来，国内外学者己应用“3 s ”技术为水资源与水质保护做了大量的工作，如应用 彩红外投影、热红外及多光谱技术研究河湖水污染；用多波段遥感影像研究一定水探的 悬浮物和泥沙分布；用微波遥感进行河口近海水域盐度与温度研究；用卫星遥感技术估 算水体叶绿素浓度；应用多谱段扫描仪研究近海及河口初级生长率及赤潮等。在流域级 水流水质生态模型中引入“3 s ”技术也正在成为环境水力学发展的一个重要趋势。 1 3 4 多介质环境生态综合模型 多介质环境是指与大气、水体、土壤、生物等组成的总环境体系，其中水体是核 心1 3 5 。环境中的污染物是在多环境介质中进行分配的，而多介质环境模型可将不同环境 单元内部的污染物变化过程与导致污染物跨过介质边界的过程相联系，构成了一个能描 述在多介质坏境中污染物转化和介质问物质迁移的表达式。t a n n e r e r t a l l 3 6 l 对饱和盐水蒸 发池中的生物群食物链进行了研究，z h o u i 了7 】研究了沉淀物中所吸附的多氯联苯( p c b s ) 量与罗非鱼体内多氯联苯( p c b s ) 的富集量之间的关系。由于还没有充分认识污染物在各 种介质之问的迁移过程，现有的多介质环境模型在处理实际问题时只能对污染物在介质 问的迁移过程作近似假设，许多参数的随机性给模型处理实际问题带来不确定性。所以， 这类模型目前还只能给出一种趋势预测，而不是状态的精确预报。 1 3 5 人工智能和水质模型的结合 目前，人工智能和水质模型的结合存在于两个方面：利用遗传算法、模拟退火算法 进行参数识别1 3 8 4 0 l 与利用神经网络进行水流水质预测【4 1 埘l 。 传统的水质模型参数识别使用图解法、单纯形法、复合形法等，这些参数识别方法 都存在受初始条件影响、算法过于复杂、运行效率低等特点。近年来，遗传算法、模拟 退火算法等新型随机非数值优化方法为水质模型参数识别提供了新途径。遗传算法是基 于达尔文进化规律的一种群体优化算法，它同时从多个状态出发，通过选择、交换、变 异等手段，不断逼近最优解；模拟退火算法是基于热力学原理建立起来的随机优化算法。 9 人j 士交通人i ￥7 ，页卜孚：何论文 智能算法的引入，大大提高了参数识别的准确度和运行效率。神经网络方法是一种基本 上不依赖于模型的方法，它比较适用于那些具有不确定性和高度非线性的对象，并具有 较强的适应和学习功能。传统的水质数学模型具有一定的局限性，这是由于环境的水文 条件具有很大的随机性，会导致模型输出的不确定性，很多反应机理还不清楚，反应过 程无法用数学表述。将神经网络用于水质预测，只要有充足的采样数据，就可以利用神 经网络的自学习能力来进行水质的建模和预测，这种方法考虑的因素较少，并且结果准 确，适用范围很广。 1 3 6 地下水与地表水转换的水质模型 地f 水与地表水的相互作用是自然晃中普遍存在的一种自然现象。联合幽环境规划 ( u n d p ) 、联合国教科文组织( u n e s c o ) 、国际水文地质学家联合会( 认h ) 、国际地下水 基金会( i g f ) 、美国环境保护局、美国地质调查局、联合国环境规划署( u n e p ) 等组织和 机构都将地表水与地下水的相互作用作为目前研究的重要热点和前沿课题。目前的水质 模拟中地下水与地表水基本上是独立的，彼此问的影响只作为一种边界条件来体现，没 有作为一个相互影响的综合系统来考虑【4 5 郴j 。 其实，无论是从水量还是从水质来说， 地下水与地表水之间都存在着转化关系。例如，对面污染源来说，若土地的入渗能力强， 则地下水受到污染的程度将更大，反之则地下水受到的污染可能较小。水域污染情况不 能单看地面水的水质，需将地面水和地下水进行综合考虑。目前，在地下水与河水的耦 合模型中，如何计算地下水与河水两者之间转化量是数值模拟模型的难点，如何更好地 表示两者之i 日j 的转化量、确定河流的边界条件以及考虑河流以线状或面状补给将是研究 的重点。 1 0 第i 幸w a h m o 水质 c ：! 刑 第二章w a h m o 水质模型 根据物质守恒原理用数学的语言和方法描述参加水循环的水体中水质组分所发生 的物理、化学、生物化学和生态学诸方面的变化、内在规律和相互关系的数学模型我们 就称之为水质模型。研究水质模型的目的主要是为了描述环境污染物在水中的运动和迁 移转化规律，为水资源提供保护服务。它可用于实现水质模拟和评价，进行水质预报和 预测，制订污染物排放标准和水质规划以及进行水域的水质管理等，是实现水污染控制 的有力工具。 水质模型的优点： ( 1 ) 所有条件可以用数值给出，不受实验条件限制，可以严格控制并随时改变边 界条件和其他条件； ( 2 ) 随着计算机升级换代和计算机技术的发展，计算速度越来越快，数值分析速 率和效率不断提高，水质模型构建耗时越来越少，所用费用也就越来越少； ( 3 ) 水质模型具有通用性，只要研制出合适的软件，就可以应用于不同的实际问 题； ( 4 ) 水质模型具有理想的抗干扰性能，重复模型可以得到完全相同的结果。 但它也具有局限性： ( 1 ) 水质模拟要实现，就必须为它建立整套的控制方程、封闭的边界条件和有效 的计算方法； ( 2 ) 对于一些运动特征或反应机理不是很清楚的问题，就很难准确建立控制方程， 那么模拟的结果就不可避免地与实际问题会有较大的误差； ( 3 ) 模拟的结果会受所选用的数值计算方法的影响，只有在选用了合适的数值计 算方法、能过实测数据的充分验证之后，才能够得出正确的计算结果。 2 1 水质模型建立的一般方法 在确定了需要解决的问题后，如何建立与确定有关的相互关系，如何用数学方程来 定量的描述它们之间的关系，这是建立水质模型的核心问题。一般地，我们可以用图2 1 中所示的步骤来建立相应的水质模型1 4 9 j 。 第一步：概念化这一步包括有关变量的选择，这些变量如何变化以及相互作用， 模型结构概念的形成等。一个模型只需能表现其特性的有关变量，模型只是真实事件的 一个近似表达而并不是完全真实。为了解数学方程，一定要使所建立的模型尽可能简单。 第二步：模型一般性质的研究它包括模型的平衡性、稳定性和灵敏性研究。灵 敏性是指模型中参数的变化对模型产生的影响。如果其研究结果不令人满意，则回到第 人连交通人。1 7 ：硕卜学何论文 一步重新选择变量。 如 果 结 果 不 满 意 是敏性卜_ - l 水质攫型的股性质研究 图2 1 水质模型的建立 f i g 2 1 s e t t i n gu po f w a t e rq u a l i t ym o d e l 第三步：参数估计一个数学模型通常含有称为参数的数学常数。这些参数必须 用有关数据来确定。如果估值不理想，则必须重新考虑模型的结构等等。如果所选择的 两个模型具有同等程度的可靠性，则宁可选择参数较少的那一个模型，所以参数估计是 水质模型建立的重要一环。 第四步：模型的验证如果只用一套数据来确定模型，则该模型还不具备预测功 能。为了建立一个具有预测能力的模型，通常用另一套观测而获得的数据来检验所建立 的模型。如果检验结果具有良好的一致性，通常被认为模型具有预测功能，否则需要重 新进行模型结构和参数估计，直到结果满意。 第五步：模型的应用模型要能够解决最先提出的问题。研究水质模型的目的是 控制水质、防止污染以及改善人类赖以生存的环境质量。如果建立的模型能成功地用于 水质管理和其他目的，我们可以说建立水质模型的方法是令人满意的。反之，必须再一 次认真考虑各步骤是否j 下确，以便解决这个问题。 2 2 w a h m o 水质模型的基本结构 季节性三维综合水质模型( s e a s o n a lt h r e e d i m e n s i o n a lw a t e rh y d r o d y n a m i cm o d e l s ， w a h m o ) 是1 9 9 2 年6 月由英国h y d r a u l i c s r e s e a r c hw a l l l i n g f o r d 和香港w a t e rr e s e a r c h c e n t e r 为香港“战略污水处理计划”共同开发的。用于考察沿岸工厂排污对维多利亚港水 流运动和水质的影响。它能够模拟近海水域三维水动力学和水质的详细状况。该模型可 第+ 币w a h m o 水质梭犁 同时模拟二十多个水质状态变量及其相互作用，统一考虑了多种物理、化学和生物过程 的综合作用，其功能齐全、理论先进，已被成功地应用于香港的维多利亚港、英国卡的 夫湾、日本的博多湾等许多国家海域的水质模拟1 1 3 1 。综合水质模型w a h m o 由两个相 互独立又彼此联系的子模型t i d e m e a n 3 d s l ( 季节性水运动模型) 和 p o l l f l o 、- 3 d s l ( 季节性水质模型) 构成。 一： 水运动模型用来预测由于重力循环和海水分层导致的潮流季节性变化，包括计算潮 流运动、盐分的输送、温度分布以及重力循环，其计算结果输送给水质模型，由水质模 型完成具体污染物的物理、化学、生物等反应的计算。水运动模型的输入文件包括控制 数据、地理数据、初始条件、淡水流入( 源与汇) 、降水、云遮量、气温、风数据、相 对湿度、海水温度、蒸发数据共计1 2 个文件，充分考虑了各种影响。输出计算结果包 括海水水位、水温、盐度的分布。水运动模型是水质模型的基础。 水质模型考虑并计算整个海域范围内年之间的污水排放、输送、各种转化等作用， 分别模拟计算不同的污染物在海湾中各自发生的反应。水质模型的输入文件除了由水运 动模型提供的水力学数据外，还包括水质边界条件、地理数据、参数表、海底需氧及径 流负荷、排污口污染负荷、水力学数据、太阳辐射等共9 个输入文件。目前，输出的计 算结果包括1 3 种污染物的浓度分布，形成有关浓度时空分布的p l o t 文件，可直观地 提供任意时点的污染物浓度分布图。 2 3 季节- 性水运动模型 2 3 1 运动万丰呈 质量守恒： o s + a u s + o v s + a w s ；0 u ( 2 1 )+ + + ；l z 1j o to x a y o z 但对于不可压缩流体： 丝+ 翌+ 型；o( 2 2 ) a x a y a z 动量方程： x一方向：塑+丝+等+业+望=(窘+矿02uat o xo zo x+ 窘) + q v ( 2 3 ) a y一缸。 却 a z “ v 旒等+ 警+ 等+ 警+ 等吲导+ 矿a 2 v + 地 4 ， 砸缸 a y a z a y 一缸2 a y 2 把“ z-方向：业+塑+塑+型+竺+pg=voto x o y o zo z( 害+ 害+ 害) ( 2 5 ) 、缸2a v 2a z 2 式中：u ，v ，w 分别为x ，y ，z 方向上的速度分量：s 为盐度；p 为水的密度：p 为压力； 人连交通人2 i + 。学硕十学何论文 u 。为水的黏度；g 为重力加速度；o 为地球自转偏向参数，其中o = 2 w 。s i n f ，f 代表纬 度，w 。为地球自转角速度。 在运动方程的描述中，密度是随着盐度和温度变化而变化的。密度方程可定义为： p = 1 0 0 0 + ( o 7 9 7 0 0 0 1 8 7 5 t ) s l o o o ( o 5 6 2 ( t 一4 ) 2 7 7 ) l 8 5 ( 2 6 ) 盐度方程可定义为： 詈+ 去x ( u s ) + 专( v s ) + w s ) 一k 萨0 2 s + 巧萨0 2 s + k 窘 ( 2 7 ) 在实际问题中遇到的复杂液体运动方程时，需要对z 方向上的动量守恒方程进行一 定的简化。假设压力是流体静力学，垂直方向上的重力加速度可以忽略并且任何一点的 压力可以用水的质量求解，所以z 方向上的方程简化为： _ o p + p g ；0 ( 2 8 ) o z 考虑潮汐流动情况，可将速度、密度和盐度等三个变量分成两部分：潮汐平均部分 ( 比、v 、w 、p , s ) 和潮汐变化部分( u 、v 、w 、p 、s ) 。其公式可表示为： 一 u ；u + u 一 ，= y + v w=w+w p = p 七p 一 s=s+s ( 2 9 ) 将上式代入式( 2 1 ) ( 2 5 ) 中，并在潮汐周期间积分，可得考虑潮汐周期的运 动的方程： o so u so v so w s o f ,o f ,o f , + + 一+ = 一+ + 一 a ta x a y 8 za x a y a z 塑+ 丝+ 坐；o a ) c a y a z 一一2 塑+ 塑+ 一o u v + 一o u w + 一1o e ：一1 亟+ t 一2 一v+ + 一+ + = = = 二+ m缸 妙o z pa xpo z ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 业+ 塑+ 竺+ 一o v w + 一1 一o p ：三堕一面 ( 2 1 3 ) + + + + 一一= 一二一s 2 “ l z 1 j j a t酞 曲 a z po ypo z