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广西大学硕士学位论文岜江南宁城区段水环境评价的研究 邕江南宁城区段水环境评价的研究 摘要 邕江南宁城区段是一个多功能水体和重要的水源地，在城市供水、 航运、水利及工农业生产等方面都发挥了极其重要的作用，其水体质量 直接关系到南宁市经济建设、社会可持续发展等重大问题。所以，研究 邕江南宁城区段水资源现状及存在的水环境问题，找到一个适合该段的 水质模拟模型，并藉此模型模拟预测邕江南宁城区段的水体质量，为该 段的水体环境评价、污染综合防治和水资源规划管理提供依据具有重要 的意义。 本文通过收集近年来邕江南宁城区段水力、水温、水质以及自然环 境和社会环境现状资料，并对收集的资料加以分析整理，确定出邕江南 宁城区段的污染特征、水质最不利季节和主要污染因子，同时通过对污 染物在河流中迁移转化规律及水质成份的生物化学转化的动力学理论的 分析研究，建立了枯水期二维稳态水质模型，应用e x c e l 数据库及v b 编程 语言编制了模型模拟程序来对数据进行计算机处理，使模拟计算的过程 和结果实现自动化和直观化。 论文最后利用所建立的模型以2 0 0 2 年枯水期的相关资料为依据，进 行了模拟，结果显示，邕江流量和沿岸排污情况对邕江南宁城区段水质 均有较大的影响：在流量减少2 5 及5 0 的情况下，该段水质将超出地 面水i 类标准甚至超出地面水类标准；流量减少2 5 ，而排污量增加 5 0 情况下，邕江水质也将会有较大的下降，这也就是枯水期易于发生水 质型缺水的原因。这两种情况模拟结果可以为环境管理部门及水资源规 划部门的正确决策提供参考。 关键词：邕江南宁城区段；枯水期；环境评价；二维稳态水质模型 广西大学硕士学位论文 邕江南宁城区段水环境评价的研究 s t u d i e so nw a t e re n v i r o n 匝n t a la c c e s s m e n to f y o n g j i a n gr 【v e ri nn a n n i n gu r b a ns e c t i o n a b s t r a c t b e i n gam u l t i - f u n c t i o n a lw a t e rb o d ya n di m p o r t a n tw a t e rs o u r c e ，t h e y o n g i i a n gr i v e ri nn a n n n i n gu r b a ns e c t i o np l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n w a t e r i n g ，s h i p p i n g ，i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e t h eq u a l i t yo ft h ew a t e rb o d y h a sad i r e c ti n f l u e n c eo nt h ed e v e l o p m e n to f n a n n i n gc i t ys u c ha se c o n o m i c s ， s o c i a ls u s t a i n a b i l i t y ，e t c s oi t i s q u i t es i g n i f i c a n tt of i n daw a t e rq u a l i t y m o d e lf i t t e dw i t ht h ee x i s t i n gs t a t u sa n dp r o b l e m so ft h ew a t e rs o u r c ef o r y o n g j i a n gr i v e ri nn a n n n i n gu r b a ns e c t i o nt op r e d i c tt h ew a t e rq u a l i t ya n d p r o v i d eb a s i sf o re n v i r o n m e n t a la s s e s s m e n ta n dp r e v e n t i o n ，a n du t i l i z a t i o n a n dm a n a g e m e n to fw a t e rr e s o u r c e b a s e do nt h ei n f o r m a t i o no fh y d r o l o g y ，w a t e rq u a l i t y ，n a t u r a la n ds o c i a l e n v i r o n m e n to fy o n g j i a n gr i v e ri nn a n n n i n gu r b a ns e c t i o nw h i c hs e a r c h e di n r e c e n ty e a r s ，t h ec o n t a m i n a t i v ef e a t u r e s ，t h em o s td i s a d v a n t a g e o u ss e a s o na n d t h ep r i m a r yc o m p o n e n t so ft h ep o l l u t a n t sh a v eb e e ni d e n t i f i e d a tt h es a m e t i m et h r o u g ht h er e s e a r c ho nt r a n s p o r t i n g ，d e c a y i n ga n dc o n v e r t i n gl a w so f p o l l u t a n t s i nt h er i v e ra n dt h er e s e a r c ho nd y n a m i ct h e o r yi nw a t e r c o m p o s i t i o nb i o c h e m i c a lt r a n s f o r m i n g ，t h et w od i m e n s i o ns t e a d yr i v e rw a t e r q u a l i t ym o d e l i nt h ed r ys e a s o nh a sb e e nf i n a l l ys e tu p m e a n w h i l e ，ap r o g r a m h a sb e e nc o m p i l e dw i t ht h es o f t w a r ev ba n dm i c r o s o f te x c e lt od e a lw i t h d a t aa n dm a k ei ta u t o m a t i ca n di n t u i t i o n i s t i ct oc o m p u t ea n ds i m u l a t e u s i n gt h ew a t e rq u a l i t ya n dh y d r o l o g i c a ld a t ao fd r ys e a s o ni n2 0 0 2 ，t h e i i 广西大学硕士学位论文 邕江南宁城区段水环境评价的研究 m o d e l i n gr e s u l ts h o w s t h a t ：t h er u n o f fa n da m o u n to fp o l l u t a n t se r i t e r i n gi n t o r i v e rh a dc o n s i d e r a b l ee f f e c t so nt h ew a t e rq u a l i t yo fy o n g j i a n gr i v e ri n n a n n n i n gu r b a ns e c t i o n i nt h ec a s eo fd e c r e m e n to ff l o wc u r v e2 5 o r5 0 。 t h ew a t e rs t a n d a r do ft h ef i v e rw i l le x c e e dt h et h i r do rf o u r t hs t a n d a r do f s u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t y u n d e r2 5 d e c r e a s eo ft h er u n o f fa n d 5 0 i n c r e a s e so fp o l l u t a n te m i s s i o n s ，t h er i v e r sw a t e rq u a l i t yw i l l a l s o d e s c e n dc o n s i d e r a b l y ，w h i c hi st h em a i nr e a s o no fs h o r t a g eo fh i g hq u a l i t y w a t e ri nd r ys e a s o n t h er e s u l t so ft h et r a i l sc a nb er e f e r e n c e dt oar i g h t d e c i s i o nm a d eb yt h ee n v i r o n m e n t a la d m i n i s t r a t i v ed e p a r t m e n t sa n dw a t e r r e s o u r c em a n a g e m e n to 伍c e k e y w o r d s ：y o n g j i a n gr i v e ri nn a n n n i n gu r b a ns e c t i o n ，t h ed r ys e a s o n ， e n v i r o n m e n t a la s s e s s m e n t ，t w od i m e n s i o ns t e a d yr i v e rw a t e rq u a l i t ym o d e l i i i 广西大学硕士学位论文邕江南宁城区段水环境评价的研究 第一章文献综述 众所周知，水是生命之源，是人类赖以生存的最基本物质。由于不允许在真实的 河流系统中进行各种状态下人为污染物的试验和研究，特别是对于有毒、有害物质的 临界状态的研究，更是被严格的禁止，同时，也考虑到在实际的河流中进行试验需要 耗费相当可观的人力、物力和财力，因此，人们常用的研究方法是建立河流的水质模 拟模型，并把河流水质模拟模型作为进行河流水体的规划管理和水污染控制的有力工 具。鉴于此方法的种种优点，一直以来河流水质模拟的研究一直是国内外环境工作者 所关注的一个重要课题。 1 1 河流水质数学模型的发展简史 自19 2 5 年s t r e e t e r 和p h e l p s i l l 发表俄亥俄河水污染及自然扩散的研究，建立第 一个水质数学模型以来，经过八十多年的研究和发展，现在，已经提出了许多不同的 模型。对于河流水质模型研究的发展，傅国伟，程声通、姚重华 2 - 4 等学者给出了不 同的阶段划分理论，现将其简要综合归纳为四个阶段： 1 9 2 5 年1 9 6 5 年，开发了较为简单的b o d d o 的双线性系统的耦合模型，即“s p ” 方程，对河流河口采用了一维计算，模型适用于河流，河口和湖泊作水质模拟。 1 9 6 5 年1 9 7 0 年，随着电子计算机的应用及人们对生化好氧认识的深入，除继续 发展b o d d o 模型的多参数估值外，包括d o b b i n s c a m p 、t h o m a s 等人对s p 模型进行 的修正，将水质模型发展为六个线性系统( b o d 、d o 、有机氮、n h 3 - n 、n 0 2 - n 、n 0 3 - n ) ， 计算方法由一维发展到二维，并开始研究湖泊与海湾问题。 1 9 7 0 年1 9 7 5 年，研究开发了相互作用的非线性系统，涉及到营养物的循环过程、 浮游动植物系统以及生物生长率同营养物质、阳光、温度的关系。计算方法一般用数 值解法，空间上用一维和二维方法计算。模型适用于河流、河口、湖泊、水库等水域 的水质模拟。 1 9 7 5 年以后，除进一步研究食物链问题外，还发展了多种相互作用系统，包括水 生态系统生物量和水中有毒物质的积累与转化的交互，水质与底质的交互，水相与固 相的交互等方面。空间维数发展到三维，适用于河流、河口、湖泊和海湾等。 这些已有模型能较好地反映客观实际情况，一些有机物的水质模型已基本成熟。 近年来的研究重点已从点源污染转向面源污染，从一般有机污染物转向有机化合物， 从一般地表水污染转向固体废物和农药对地下水的污染，从一般河流转向河口海湾， 从一般生化模型转向生态模型，从确定性模型转向非确定性模型。随着这样一个各种 广西大学硕士学位论文邕江南宁城区段水环境评价的研究 理论方法不断完善的过程，人们对河流污染机理的认识也在不断深入。 1 2 河流水质模拟的主要研究问题分析 1 2 1 建立水质模型的基本步骤 通常，建立水质模型的基本步骤包括：( 1 ) 资料收集和实验设计。监测数据资料 要有一定的时间系列及代表性，要能反映不同影响因素下水质的差异及其变化动态。 完整而系统的水文、水质等方面的资料是建立水质数学模型的基础。( 2 ) 导出模型形 式【5 1 。主要包括选择适当的模型变量，确定变量之间的相互影响与变化规律，写出 描述这些关系的数学方程或表达式。一个模型只能反映它所描述现象的基本特征，只 是真实状态的一种近似，应使用尽可能简单的模型形式。( 3 ) 研究模型的一般特性。 即研究模型的平衡性、稳定性和灵敏性。( 4 ) 确定模型参数。使得到的参数值在代入 模型后能较好的重现观测数据。当两个模型重现数据的能力相同时，通常选用含有参 数较少的模型。( 5 ) 模型检验【引。经过以上三步已经得到一个能较好重现确定参数时所 用数据的数学模型。但此模型是否能重现其他观测数据还未知。因此必须用独立于确 定参数时所用数据的新观测数据与模型计算值比较，看数值计算结果与理论结果或实 测结果之差是否在一定的精度范围内，计算是否稳定，结果是否合理等。( 6 ) 模型应 用。需要指出，在使用模型时始终要记住导出模型时的条件，不要在应用时超出模型 所适用的范围。 1 2 2 河流水质数学模型空间维数的确定 河流水质模型按维数可分为零维、一维、二维和三维模型。在某些特定条件下， 如对区域性水质进行粗略的规划估算或将所研究的环境单元概化为一个完全混合的 反应器，不涉及有关水动力学方面的信息，则可采用零维模型。如果研究的河段很长， 而水深、水面宽度都相对很小，则可简化为一维问题。一维水质模型是河流水质数学 模拟中最常见最典型的一种模型。二维模型适用于某一坐标方向混合比较均匀如 竖向混合( 一般相对浅而宽的河流) 或横向混合( 如在分层的河口) ，而在其他两个坐标 方向的浓度梯度较大的情况，多应用于大型河流、河1 ：3 。三维水质模型包括水质与水 流参数沿垂向、侧向和纵向的变化，常应用于海湾污水排放问题的研究中，一般河流 水质模拟运用较少。虽然真实系统都是三维的，但在实际应用中往往采用零维、一维 或二维的水质模型就已足够。水质模型的空间维数主要取决于所研究的范围、水动力 学状况及水体中污染物的混合情况。研究中应根据实际情况及研究目的，把握关键因 素，对真实系统进行适当简化。并非维数越高、模型越复杂才是最优。 广西大学硕士学位论文 崴江南宁城区段水环境评价的研究 1 2 3 参数估计 参数估计通常是根据已有的河流水质信息及污染物在河流中的变化规律，选定初 始模型和初始参数值后，进行的一个有尝试又有主观判断的模拟计算和迭代的过程。 水质模型中的参数是河流水体物理、化学和生物化学过程中的常数。参数估计是水质 模型研究中非常重要的一环。很大程度上，水质模型应用的成败取决于参数估计是否 正确。所研究问题的性质，所建水质模型的种类和用途，可获得的数据的范围和可靠 性，以及主观经验等均是它的主要影响因素。 1 2 3 1 模型参数的估算方法 模型参数的估算方法有单参数估算法、多参数同时估值法、经验公式法等。单参 数估算法常用有最j p , - - 乘法、图解法、实测估算法、两点法等【6 l 。多参数同时估值法 常用有梯度法、计算机扫描计算图解一梯度搜索法、单纯形法、复合形法等。多参数 同时估值法从模型的整体出发求得参数值，使水质模型可靠性提高。但其中的梯度法 不能保证获得全局最优解，往往会引起较大的误差，算法稳定性不好；计算机扫描计 算图解梯度搜索法是对梯度法的改进，但该法程序复杂、计算繁琐：单纯形法对模 型结构、参数数目、优化准则要求比较严格，受初始搜索条件影响较大，通常只可得 到局部最优解；复合形法不必计算梯度，不用一维搜索寻求最优，程序简单，但该法 不是单调收敛的，适用于一维河流水质差分模型和一维稳态河口有限元水质模型，用 于二维则需求解大型线性方程组。 2 3 2 参数估值法的改进 传统的最小二乘法在模型变量具有较强的多重相关性或当系统中样本容量少于 变量个数时，参数估计式就会失效。偏最小二乘法则克服了这些缺陷，可适用于多变 量少样本点系统，另外此法还可作为一种模型变量筛选的有效工具【7 j 。采用紊流动 力学大涡体模拟理论，可用于求解一维动态水质模型中的参数e y 【8 】。迭代降维一梯度 搜索法【9 】针对梯度法误差较大和计算机扫描计算图解一梯度搜索法计算复杂、直观性 差的问题进行了改进。遗传算法( g a ) 可直接在优化准则的引导下进行参数全局自适应 优化，但该法运行耗时较长，应用中会产生早熟现象和搜索效率低的问题。关于g a 法的改进算法如遗传单纯形法【1 0 】、快速搜索遗传算法】、模拟退火算法【1 2 】等，这些 算法在一定程度上能提高优化性能，减少迭代次数和运行时间，其中模拟退火算法在 计算效率和搜索整体最优能力方面明显优于传统g a 算法【l3 1 。h s y 算法1 1 4 懈决了稀疏 数据条件下的参数识别问题，它通过求得模型参数的分布代替求解单一最优参数，从 而在一定程度上避免了最优参数失真i 坫】。根据常微分方程反问题理论和算法确定水质 模型中的参数法在同时识别多个参数时，只要观测数目大于待求参数个数就可在不用 广西大学硕士学位论文邕江南宁城区段水环境评价的研究 赋初值的情况下同时确定多个参数。 1 2 4 水质模型的计算方法 水质模型求解分为解析解和数值解。在河床形状规则、水量稳定的条件下，采用 解析解可满足计算精度的要求且简化计算过程。该法物理概念清楚，数字推导严密。 但一般情况下，解析解所需资料多，对方程和条件的概化要求程度高，而现实中河床 非常不规则，解析解的应用受到限制，所以常采用数值解。数值解求解时的离散方法 有：有限差分法( f d m ) ，有限单元法( f e m ) ，有限体积法( f v m ) ，边界单元法( b e m ) ， 特征线法( m o c ) ，有限分析法( f a m ) 和特征有限元法等。 ( 1 ) f d m 建立在经典的数学逼近理论的基础上，简单且易为人们接受，处理效率较高。 该方法能适用于各种类型的微分方程，原理清晰，便于编写程序。其精度随差分格式 选择可高可低，收敛性和稳定性理论也趋于成熟，是应用最多和最成功的一种方法。 ( 2 ) f e m 【l ”o j 的优点是网格划分灵活，易于处理不规则的区域边界。但在误差估计、 收敛性和稳定性等方面的研究不及差分法严密和完善，而且计算所需的内存多，工作 量大。f e m 存在两大问题：一是为使计算量不致太大，主要应用于模拟恒定流，否则 每一计算时段都要求解庞大的方程组；二是基于加权残差极小化原理的f e m 主要适用 于求解椭圆型边值问题。 ( 3 ) f v m l 2 “2 2 1 署i i f e m - - 样将计算区域划分成若干规则或不规则形状的单元或控制体， 与f d m 和f e m 的数值逼近方法相比其物理意义更直接明晰。设计f v m 格式的关键在 于如何计算跨控制体界面的通量。发展完善至今的f v m 已经是经典的f v m 与其他数 值法的结合，借鉴了f e m 的几何灵活性、m o c 的精度和f d m 的效率和守恒性。 ( 4 ) b e m 实质上是数学物理方程的格林函数法，可以看作是格林函数法与有限元法相 结合的产物。b e m 是计算椭圆型问题的有效方法，可以使求解问题的空间维数降低 一维，从而使计算工作量和所需内存明显减少。这是b e m 的最大特点。 ( 5 ) f a m 的基本思想是将上世纪出现的解析法汇集到偏微分方程的数值解法中去，是 一种局部精确求解的方法。它能使得方程中的对流扩散特性确切的反映到计算过程 中，其优点是计算工作量少，稳定性好，精度高。 ( 6 ) m o c 与f d m 的主要不同在于利用沿特征线成立的特征方程，而不是利用普通空间 坐标中的原始方程，是一种更合理的逆风格式，具有优良的精度。不足之处是特征方 程常为非守恒形式，用差分法离散特征方程时会带来守恒误差。 ( 7 ) 当用有限元法求解水质模型时不可避免的会产生数值弥散和波动现象。特征有限 元法1 2 列克 j g t f e m 求解以对流为主的溶质运移方程时无法克服的浓度出现负值f 或超 过最大值) 和数值波动问题，提高了数值预报的精度。该方法原理是把对污染质转移 的贡献分解为对流贡献和弥散贡献，然后用特征线法求对流贡献，用有限元法求弥散 贡献。 4 广西大学硕士学位论文甾江南宁城区段水环境评价的研究 1 2 5 河流水质模型软件介绍 计算机科学的发展为水质模型的应用提供了有力的工具，并为水质模型开发了相 应的应用软件。河流水质模型软件较多，这些软件的适用范围和特点各不相同，现将 常用的河流水质模型软件归纳如下，见表1 1 所列2 4 川l 。 表1 - 1 常用河流模型软件 t 曲l e1 lm a i nr i v e rs o f t w a r e 1 3 水质模型的应用 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，还因为在某 广西大学硕士学位论文鬯江南宁城区段水环境评价的研究 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下面将对其应用情况作简要介 绍。 1 3 1 污染物水环境行为的模拟和预测 污染物进入水环境后，由于物理、化学和生物作用的综合效应，其行为的变化是 十分复杂的，很难直接认识它们。这就需要用水质模型( 水环境数学模型) 对污染物水 环境的行为进行模拟和预测，以便给出全面而清晰的变化规律及发展趋势。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 对这一方面的报导很多，1 w a n e 【3 4 1 研究了处理过的污水排入河流后，对河流中的对 抗生素有免疫作用的细菌的可能影响，b a e z a 【3 5 l 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( 3 h ) 浓度水平的时空演变进行了分析研究。a n b o 【3 6 l 在细菌 的细胞组织聚合体存在的条件下，对菲在土壤中的动态解析行为进行了观察和模型预 测。但由于模型本身的局限性，以及对污染物水环境的行为的认识的不确定性，计算 结果与实际测量之间往往有较大的误差，所以模型的模拟和预测只是给出了相对变化 值及其趋势。 1 3 2 水质管理规划 水质规划是环境工程与系统工程相结合的产物，它的核心部分是水环境数学模 型。确定允许排放量这类水质规划，常用的是氧平衡类型的数学模型。求解污染物去 除率的最佳组合，关键是目标函数的线性化。而流域的水质规划是区域范围的水资源 管理，是一个动态过程，必须考虑3 个方面的问题：水资源利用利益之间的矛盾；水 文随机现象使天然系统动态行为( 生活、工业、灌溉、废水处置、自然保护) 预测的 复杂化；技术、社会和经济的约束。为了解决这些问题，可将一般水环境数学模型与 最优化模型相结合，形成所谓的水质管理模型，近几年来开发了许多新的水质管理模 型，m u h a m m a d ”7 j 用模拟优化方法来求河流的农业废水和生活污水负荷的优化管理， s a s i k u m a r1 3 8 】用模糊优化方法来进行河流系统的水质管理，d o n a l d1 3 9 1 用模拟优化方 法来进行河流系统水质管理，通过结合模拟一优化方法来建立水质管理模型。 c h a n d r a m o u l i1 4 0 】结合神经网络和动态规划方法来建立水库体系的水质管理模型， a l i r e z a l 4 l j 用非线性规划法进行地下水质管理。水质管理模型已有很成功的应用。 1 3 3 水质评价 水质评价是水质规划的基本程序。根据不同的目标水质模型可用来对河流、湖泊 广西大学硕士学位论文邕江南宁城区段水环境评价的研究 ( 水库1 、河i z l 、海洋和地下水等水环境的质量进行评价。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 在水环境浓度和总量的时空分布。水污染评价的重点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。如利用贝叶斯概念( b a y e s i a nc o n e e p t s ) 和组合神经网络来预测集水流域的 径流量f 4 2 1 。研究的对象也由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 3 1 。 1 3 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，因此，出现了用水质模型进行污染物对 水环境即人体的暴露分析( e x p o s u r ea n a l y s i s ) 。d a n i e lm 】对水生物有机体在有氨和无 氨存在的条件下，连续或间断暴露于氯和溴下的相对准确的毒性进行了研究。d a v i d 4 5 1 就苯三唑和苯并三唑衍生物对三种水生生物的毒性进行了研究此外，污染物对人体或 生物的暴露分析的文献报道还有很多，但许多研究都是在实验室条件下的模拟，研究 对象也比较单一，范围也不广泛，如何才能够建立经济有效的对多种生物体的综合的 暴露分析模型，还有待于环境科学工作者们去探索。 1 3 5 水质监测网络的设计 水质监测数据是进行水环境研究和科学管理的基础，对于一条河流或一个水系， 准确的监测网站设置的原则应当是：在最低限量监测断面和采样点的前提下获得最大 限量的具有代表性的水环境质量信息，即既经济又合理、省时。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 d 【4 6 j 曾经使用修正的经典容量技术来优化水质监测网络，通过引入修正的 梯度搜索算法来实现。结果表明，该方法能够适用于多种实际情况，并且比f l | s h a r p t 4 7 】 发表的河流取水点规划的拓扑优化方法更优。 1 4 河流水质模拟研究的主要发展趋势 1 4 1 现有研究的局限性 局限性表现在：水质污染机理还有许多不清楚之处，很多过程还难以用数学方法 表达、模拟：建模必须经过一定程度的概化，失真在所难免；建模的基础是水质资料， 资料数据的真实性、系统性、完整性直接影响模型精度，尤其是外延预报精度：数学 广西大学硕士学位论文岜江南宁城区段水环境评价的研究 模型求解时方程的离散及边界条件的处理等问题；现有研究多是针对某一研究对象特 点建立模型，其模型的应用拓展性较差；海量数据的分析、计算、查询与显示能力欠 缺：模拟结果的可视化程度较差，缺乏交互性等。 1 4 2 河流水质模拟研究进展 一方面模拟范围及内容从局部发展到流域乃至整个生态和资源模型系统。例如在 国外，水质模型软件的开发从点源模型、非点源模型到综合生态模型的研究：国内河 流水质模型的研究也从最初针对水体水质本身的研究到开始一些水系水动力水质模 型的研究，如长江江苏段4 8 1 、上海苏州河m5 0 】和黄浦江【5 l l 、珠江三角洲河网1 52 1 ，以 及在一维与多维模型间耦合计算的问题研究5 4 】等均取得了一定的成果。另一方面， 未来研究中需完善的重点是在水质模型的基础上进一步提出相应的最佳管理措施及 环境经济性分析。 在模拟方法上模糊灰色系统理论及其他一些不确定性数学分析方法h t 5 甜、人工 智能( 常用的有专家系统和神经网络5 7 5 9 1 等) 运用于河流水质模拟的研究已取得一 定进展，但目前这些应用仍多限于对水质模拟过程中某些数据分析或数据综合过程加 以处理，如何发挥各自优势仍有待于进一步研究。 应该说水质模拟新方法中的热点之一是3 s 地理信息系统( g i s ) ，遥感( r s ) ， 全球定位系统( g p s ) 在河流水质模拟中的应用。3 s 与河流水质模型相结合，其强大的 数据采集、存储、管理、查询和检索功能使得传统水质模型难于收集、处理海量数据 的问题得到解决。另一个是虚拟现实( v r ) 在河流水质模拟中的应用。虚拟现实特有的 “3 i ”特性( 沉浸i m m e r s i o n 、交互i n t e r a c t i o n 、想象i m a g i n a t i o n ) 可为研究者创造一个四维 动态真实再现，人能沉浸其中，从而启迪思维，并可实时交互、反馈，达到人机和谐。 目前虽然已有越来越多的研究者关注于这一领域，但国内外有关v r m l 与河流水质数 学模型集成运用的成果报告尚不多见。可以预见，v r - 一3 s 在水质模拟中的运用将是 今后这一领域的发展趋势和研究热点，并将朝着w e b _ _ v r - 一3 s 河流水质模拟方向发 展【6 0 】。 随着河流水质模拟方法的不断提高和完善，建模精度也不断提高。新方法实时、 动态，可视化水质模型的推广应用，必将会对污染控制、资源与环境的规划和管理提 供更加有力的支持。 1 5 课题的提出 南宁是广西壮族自治区的首府，位于广西南部，地处亚热带。市区主要河流是邕 江，她是南宁工农业、生活用水的主要水源地。但曾几何时，这条母亲河已不复往日 的清澈。南宁市2 9 7 7 万人的生活污水、大大州q 0 0 0 多家工厂的废水，绝大部分最 广西大学硕士学位论文邕江南宁城区段水环境评价的研究 终汇入邕江。据2 0 0 3 年我区水利部门提供的资料显示，近年来，在邕江心圩段以上， 水质达到国家二类水的标准，但在邕江南宁段，水质降为国家标准三类水( 三类以下 水质属于劣质水) 。对此，业内人士指出，邑江的污染再得不到有效控制，在不久的 将来，邕江就会面临水质性缺水的威胁。 治理和管理岜江已成为区政府和广大市民关心的环境问题，而到目前为止，用数 学模型模拟邕江南宁城区段的水质这方面的研究工作却做的远远不够。研究邕江的水 质问题和污染物的迁移转化规律，从时间、空间、强度等方面优化污染物排放，合理 利用水环境容量，同时可为邕江的水环境污染防治和水环境管理决策以及在邕江建立 水排污权交易提供理论依据，具有重大的现实意义。 1 6 基于v b 6 0 的数学模型模拟研究的可行性 v i s u a l b a s i c 是m i c r o s o f t 公司于1 9 9 1 年推出的基于w i n d o w s 平台的开发工具，它继 承了原b a s i c 语言简单易学的优点，同时又吸收了近年来最先进、最优秀的编程技术， 改变了传统的程序设计模式，它具有使用方便、简单易学、功能丰富等特点，是目前 最为流行的w i n d o w s 应用程序的开发工具之一。 v b 的主要特点：面向对象的可视化程序设计方法；事件驱动的程序设计机制； 简单易学，功能丰富；交互式的集成开发环境( i d e ) ；支持动态数据交换，动态链 接库和对象的链接和嵌入技术。这些特性加上v b 本身固有的简单易学的特点，使 v b 6 0 成为最受软件开发人员欢迎的一个工具。 本文在邕江水质模拟过程中v b 6 0 编程计算，得出了枯水期邕江南宁城区段排污 口污染带模拟图，并对邕江南宁城区段的水质状况进行了两种假定情势下的模拟分 析，这两种情况模拟结果可以为环境管理部门及水资源规划部门的正确决策提供一定 意义的借鉴和参考作用。 广西大学硕士学位论文邕江南宁城区段水环境评价的研究 2 i 自然概况 2 1 1 地理位置 第二章邕江南宁段流域简介 邕江是珠江流域西江水系最大支流郁江自宋村经南宁至邕宁蒲庙段的别称，起于 南宁市郊江西乡同江村左、右江汇合点( 俗称三江口) ，止于邕宁县伶俐镇那车村。 地处亚热带，介于东经1 0 7 。1 9 一1 0 9 。3 87 ，北纬2 2 。1 2 - - 2 4 。27 ( 地理坐标东经 1 0 8 。2 2 ，北纬2 2 。4 8 ) ，全长1 3 3 8 k m ，流域面积6 1 2 0 k m 2 ，水面面积2 6 7 6 k m 2 。如 下图2 1 所示。 图2 1 邕江南宁城区段地理位置图 f i g 2 - il o c a t i o no f n a n n i n gu r b a nr e a c ho f y o n g j i a n gr i v e r 广西大学硕士学位论文邕江南宁城区段水环境评价的研究 2 1 2 气象条件 该流域位于北回归线南侧，属湿润的亚热带季风气候，阳光充足，雨量充沛，霜 少无雪，气候温和，夏长冬短，无霜期长，年平均有霜日数仅4 3 天。 年太阳总辐射量为每平方厘米1 1 1 9 千卡，年平均日照时数为1 8 2 7 d 、时，日照百 分率3 9 。年平均气温在2 1 6 度左右。气温及日照时数统计结果如表2 1 所示： 表2 1 南宁市1 9 9 6 2 0 0 0 年气温及日照时数统计表 t a b l e2 - ls t a t i s t i c so f t e m p e r a t u r ea n ds u n l i g h to f n a n n i n g d u r i n g1 9 9 6 - - 2 0 0 0 注：资料来源于南宁市气象局 由于受地形和植被的影响，邕江流域各地降水量有一定的差异，降水量一般是北 部高峰岭 南部丘陵地区 邕江河谷。近五年降水情况统计结果如表2 2 所示。 表2 - 2 南宁市1 9 9 6 2 0 0 0 年降水情况统计表 t a b l e2 - 2s t a t i s t i c so f p r e c i p i t a t i o no f n a n n i n gd u r i n g1 9 9 6 - 2 0 0 0 注：资料来源于南宁市气象局 2 1 3 地形地貌及地质构造 南宁市地貌分平地、低山、石山、丘陵、台地5 种类型。平地是南宁市面积最大 的地貌类型，占全市面积5 7 7 8 ；低山总面积8 2 6 4 平方公里，占全市面积4 6 ：石 山面积4 6 7 平方公里，占总面积2 6 1 ；丘陵总面积2 7 9 8 6 平方公里，占全市面积 1 5 5 9 。台地多为第三系的侵蚀面，海拔在1 2 0 米以下，一般呈缓坡起伏而顶面齐平 的地貌。 南宁地区地质构造古老，多以泥盆纪，二叠纪和三叠纪为地质基层，崦性以石灰 岩占优势，页岩、砂岩次之，第四纪红土层为地表盖层。 广西大学硕士学位论文邕江南宁城区段水环境评价的研究 2 1 4 土壤和森林生态环境现状 南宁市区土壤类型有赤红壤、水稻土、菜园土、冲积土、紫色土、石灰土、沼泽 土共七个土类，1 8 个亚类。 o 南宁市郊区的森林覆盖率为2 2 0 5 ，邕宁县为3 5 9 9 。森林多以人工林为主，且 大多数为中、幼林，天然原始森林已不多见。总的来说，岜江流域生态功能不高，保 水性不够强，生态作用不够明显。 2 1 5 水系及水文溉况 南宁市主要河流属珠江流域西江水系，其中面积在5 0 k m 2 以上的河流共4 2 条，总 长1 7 7 1 9 k m ，其中面积在1 0 0 0k m 2 以上的河流有邕江、右江、左江、五鸣河、八尺江 共5 条，总长4 7 9 k m 。邕江及上游左江、右江河段是南宁境内最大河流。 郁江在南宁及邕宁县境内称邕江，邕江也是西江水系一级最大支流域。多年平均 天然径流量4 1 8 亿立方米，地表径流总量8 6 4 亿立方米，地下水量6 8 2 亿立方米，地面 水资源总量3 8 4 亿立方米。岜江南宁市河段实测最大水深2 3 米，最大流速2 8 m s ，河 床宽约4 8 5 m ，最大河面宽1 0 0 0 m ，平均水面宽3 0 7 m ，正常水位宽3 0 0 m 4 0 0 m ；最高 水位达7 9 1 0 m ，大洪水涨落变化范围为1 5 m 1 8 m 。汛期为每年的5 1 0 月，其水量占全 年的8 5 3 ，连续4 个月( 6 - 9 月) 最大径流占全年7 0 4 ；月最小径流出现在3 月，只 占全年的1 7 。；枯水河床平均坡降为0 1 ，流速0 3 m s ：多年平均含沙量为 o 2 4 k g m 3 ，多年平均悬移质输沙量为9 3 7 万t 。 2 1 6 河道现状 邕江河床由砂、砂卵石、沙砾及淤泥组成。邕江河谷属壮年期u 型对称河谷；形 成两级明显阶地及超漫滩内迭阶地，两岸岸坡为一级阶地前缘，属第四纪地层，为粘 土、亚粘土或砂卵石组成，天然坡角4 0 度至4 5 度，坡高1 5 m 至2 0 m 。侧蚀作用明显， 西乡塘段两岸为黄色亚粘土或亚砂土，凸岸有河漫滩砂堆积，凹岸塌岸严重。 2 2 邕江南宁段流域社会经济状况 南宁市面积1 8 3 4 k m 2 ，人口1 4 5 7 7 2 6 刀- ，人1 3 稠密，人口密度每平方公= 暇7 9 5 人。 流域内居住有壮、汉、瑶、苗、回、侗等三十多个民族。 改革开放以来，南宁工业获得了较快发展，形成了食品、化工、机械、纺织、造 纸、建材、医药、电子等门类比较齐全，具有一定规模和地方特色的工业体系。2 0 0 4 年该地区生产总值达n 5 8 8 8 6 亿元，三次产业比重为1 7 4 5 ：3 1 4 l ：5 1 1 4 ，其中第二 广西大学硕士学位论文 岜江南宁城区段水环境评价的研究 产业增加值占g d p 的比重提高了1 8 7 个百分点。 耕地总面积3 7 1 4 万公顷，农业人1 4 7 3 3 万，土地广袤，劳力丰富。南宁优越的 气候条件和环境使南宁成为“天然温室”，造就了种类繁多并富有南亚热带特色的名优 农产品，是优质稻、蔗糖、木薯、南亚热带果蔬、畜禽、乳品、水产品、速生丰产林、 花卉、桑蚕，食用菌、香料、中药材等农产品重要的生产基地。 2 3 邕江南宁段水环境状况 根据监测数据，邕江进入南宁市区前的水质良好，在评价河段长3 6 7 公里中，符 合饮用水标准的河长占评价河长的6 0 8 ，符合国家地表水g b 3 8 3 8 2 0 0 2 中i 类标准； 经过市区时，受市区各支流排污的影响，水质变差，各条支流的控制断面水质超标严 重，特别是c o d m 。和b o d 5 超标0 1 1 1 6 倍之间；市区尾间的水塘江断面水质监测表明， 2 0 0 2 2 0 0 4 年间溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、悬浮物、石油类超标，年超标率在5 6 7 2 2 之间，表明城市污水不加处理地排放是造成邕江污染的主要原因。 鉴于面源污染因其污染物类型、自净机理、排放量等难以确定，因此我们主要收 集了2 0 0 2 年度沿江排放的工业废水和生活污水。 工业污染源现状数据以2 0 0 2 度当地企业的排污申报数据( 广西环科所) ，以环境监 测部门对水污染源的监督性监测数据为基础，结合工业污染源废水排放系数，经过分 析核对后进行统计。 生活污染源以2 0 0 2 年度环境统计数据年报和广西统计年鉴中的统计数据为基 础。 2 3 1 排水状况 2 3 1 1 南宁市污水排放总量 邕江流域水环境污染主要来自沿江城镇工业废水、生活污水以及农村农业、畜牧 养殖业的面源污染等。邕江是接纳南宁市污水的唯一水体。南宁市废水及水污染物排 放情况见表2 3 所示。 广西大学硕士学位论文 邕江南宁城区段水环境评价的研究 废水排放量( t ) 2 1 9 4 0 万2 3 1 4 1 万 2 2 8 1 2 万2 2 4 0 4 万2 4 3 1 7 万3 5 6 5 0 4 6 万 生活污水排放量( t )1 7 4 7 7 万1 4 1 7 0 万1 4 5 6 2 万 1 4 5 8 9 万1 4 9 4 5 万2 0 3 3 5 0 0 万 城市生活污水处理率( ) 2 6 8 82 7 4 3 工业废水排放量( t ) 8 4 5 1 5 万8 9 7 1 万8 2 5 0 万 7 8 1 3 万9 3 7 2 万1 5 3 1 5 4 6 万 工业废水达标率( ) 4 9 2 5 8 96 8 4 2 8 5 39 3 4 1 c o d 排放量( t ) 6 5 0 万8 3 7 万1 3 名2 万 生活废水排放c o d ( t ) 3 5 1 万3 6 1 万4 8 0 万 工业废水排放c o d ( t ) 2 9 9 万4 7 6 万9 0 2 万 注：资料来源于广西统计年鉴和1 9 9 3 , - - 2 0 0 3 年南宁市环境公报，“”表示未收集到该数据。 从表中我们可以看出，排放入邕江南宁段的污水呈逐年上升趋势，其