太湖水环境数学模型建立及排污总量控制研究.pdf

河海大学 硕士学位论文 太湖水环境数学模型建立及排污总量控制研究 姓名 洪晓瑜 申请学位级别 硕士 专业 环境工程 指导教师 逄勇 20050601 摘要 污染物总量控制已成为我国水污染防治的一项重要举措 是实行水资源保护 目标管理的重要依据 也是开展水资源保护规划的基础 本文在M I K E 2 1 模型软 件的基础上建立太湖二维水流水质模型 模拟了太湖2 0 0 0 年水量年变化过程及 水质指标C O D M T N T P 的年变化过程 同时对模型参数进行率定验证 在污染带控制法的基础上 提出根据风向风速频率 取其权重 求解太湖环 境容量的计算方法 并运用该方法 以二维水流水质模型为工具 对太湖的水环 境容量进行计算 本文还用解析解法对太湖的环境容量进行计算 将其结果与污染带控制法的 计算结果进行比较 总结出了两种方法的不同之处及造成计算结果值差异的主要 原因 计算不同风速风向下两者的比值 可以为解析解法的计算值进行修正 此外 本文还对不同风速风向下太湖主要控制断面的水质与主要排污口排污 量的响应关系进行了研究 根据该响应关系 以控制断面的水质目标为依据 控 制排污口的排污量 关键词 太湖 污染带 水环境容量 总量控制值 响应关系 A b s t r a c t C o n t a m i n a t i o nt o t a l q u a n t i t y c o n t r o lh a sb e e no n eo ft h em o s t i m p o r t a n t m e a s u r e st o p r e v e n t i o na n dc u r e t h ew a t e rp o l l u t i o ni n C h i n a F u r t h e r m o r e t h e m a n a g e m e n to f w a t e rr e s o u l c ep r o t e c t i o no b j e c f i v ea n dt h ep r o g r a m m i n go fw a t e r r e s o u r c ep r o t e c t i o na l ld e p e n do nt h et o t a lq u a n t i t yc o n t r 0 1 I nt h i sp a p e r f i r s t l y o n e o ft w o d i m e n s i o n a lf l o w p o l l u t a n tm o d e lw a sb u i l tb a s i n go nt h eM I K E 2 1m o d e l T h e nt h i sa r t i c l es i m u l a t e st h ec h a n g i n gp r o c e s so ft h ec o n c e n 订a t i o no f C O D M n T N a n dT Pi n2 0 0 0 f o r c a l i b r a t i n gt h ep a r a m e t e ro f t h em o d e l S e c o n m y t h ep o l l u t i o nz o n ec o n t r o lm e t h o d w h i c hi su s e dt oc a l c u l a t et h ew a t e r e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yw a sa d v a n c e db yc o n s i d e r i n gt h ea f f e c to fw i n ds p e e da n d n dd i r e c t i o n S o a c c o r d i n gt h e f r e q u e n c yo fw i n ds p e e da n dw i n dd i r e c t i o ni n T a i h uL a k e u s i n gt h eb u i l tt w o d i m e n s i o n a lm o d e l t h i sa r t i c l ec a l c u l a t e dt h et o t a l c a p a c i t yo f T a i h u L a k e T h i r d l y u s ea n o t h e rf o r m u l am e t h o dt oc a l c u l a t et h ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo f t a i h uL a k e T h e nc o m p a r i n gt h er e s n l t sw i t hw h i c ho f p o l l u t i o nz o n e c o n t r o lm e t h o d t h i s a r t i c l es u m m a r i z e dt h em e a nr e a s o n so f t h ed i f f e r e n c ev a l u eb e t w e e nt h et w o m e t h o d s T l l i Sa r t i c l ea l S Oc a l c u l a t e dt h er a t i ob e t w e e nt h e s et w om e t h o d s T h er a t i o C a l lb e u s e dt oc o r r e c tt h er e s u l t so f f o r m u l am e t h o d F i n a l l y t h i sa r t i c l es t u d i e d a b o u tt h er e s p o n s er e l a t i o nb e t w e e nt h ew a t e rq u a l i t y o fc o n t r o la r e ai nT a l h uL a k ea n dt h ec o n t a m i n a t i o n q u a n t i t yo f t h ed i s c h a r g i n gr i v e r W eC a nc o n t r o lt h eq u a n t i t yo f c o n t a m i n a t i o nb yu s i n gt h i sr e s p o n s em l m i o n K e yW o r d s T a l h uL a k e p o l l u t i o nz o n e w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y t o t a lq u a n t i t y c o n t r o lv a l u e r e s p o n s er d a t i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个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 与我一同工 作的同事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 表示了谢意 如不实 本人负全部责任 论文作者 签名 学位论文使用授权说明 年月日 河海大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 中国学术 期刊 光盘版 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 论文全部或部分内容的公布 包括刊登 授权 河海大学研究生院办理 论文作者 签名 年月日 河海大学硕士学位论文 1 1 研究的目的意义 1 绪论 污染物总量控制已成为我国水污染防治的一项重要举措 是实行水资源保护 目标管理的重要依据 也是开展水资源保护规划的基础 太湖是我国的第三大淡水湖 也是太湖流域最大的湖泊 太湖在调节流域水 资源 抗旱防洪 维护生态平衡等方面有着不可替代的作用 同时还是上海市 无锡市和苏州市及其他周边地区的生活和工业水源地 对江浙沪地区的人民生活 和经济社会发展的作用极为重大 近年来随着太湖流域经济的快速发展 太湖的水质污染问题日趋严重 由于 太湖流域产污排污集中 西 北太湖水体交换能力差 使得太湖水污染治理进程 缓慢 尤其是富营养化问题 全湖在1 9 9 8 年和1 9 9 9 年均已达到富营养水平 2 0 0 0 年夏季发生了历史上最严重的蓝藻大爆发 贡湖也第一次出现了蓝藻大爆发的情 况 太湖的水质污染和富营养化问题直接威胁到沿湖及流域下游的饮水安全和经 济发展 控盅4 太湖富营养化和综合治理太湖已是刻不容缓 太湖富营养化的发生发展除了与湖体本身水流运动特性有关外 主要原因是 排入湖体的污染负荷量大大超过了水体本身维持健康 生态平衡的承载容量 因 此 本文建立太湖水环境数学模型 开展以太湖湖体为研究对象的湖泊污染物总 量控制值研究 为太湖水污染防治和太湖流域水资源保护规划提供重要依据 同 时也为其他湖泊的污染物总量控制研究提供参考 通过太湖污染物总量控制值研究可以充分了解太湖允许接纳污染负荷的最 大能力 从而有目的的控制排放量 避免盲目排放 并达到充分利用水环境资源 的目的 这将对切实改善和保护太湖水质 在经济发展的同时 保护水环境 实 现经济可持续发展 以及改善人民的生活环境 提高人民生活质量等诸多方面都 具有极其重要的意义 河海大学硕士学位论文 1 2 湖流水量模型研究概况 1 2 1 湖流水动力数学模型 数学模型在湖泊水动力学研究中起着非常重要的作用 它对水气 水土界面 的物质交换和水体中各种物质 能量的传输及转化过程有着直接影响 是水环境 研究的基础 迄今为止 数学模型在湖泊水动力学研究中的应用已有近3 0 年的 历史 国内外很多研究人员在这方面做了大量的工作 取得了许多可借鉴的成果 常见的湖流数学模型可分为三大类 即整层积分的二维模式 多层模式 三 维模式 f 1 二维模式 二维模式是将三维水流运动方程沿垂向积分后得到的 又称为积分模式或全 流模式 它是由H a n s e n 1 9 5 6 第一个提出 用于计算浅水海域的水位变化过 程及潮流1 2 随后 L e e d e r t e s 1 9 6 7 开发了能计算河口 海域水流流态的二维 模型 2 G a l l a g h e r L i g g e t t c ta l 1 9 7 3 又建立了二维风生环流的数学模 2 1 8 0 年代中期 国内也开始了湖泊水动力学数值模拟的研究工作 吴坚 1 9 8 6 在国 内首次设计了整层积分的二维浅水湖泊水动力学模式 将该模式应用于太湖得到 了太湖风生流 风涌增减水等很有意义的结果 3 王谦谦 1 9 8 7 用二维差分模 式模拟了定常风作用下太湖风生流的各种特征 4 1 刘启峻 1 9 9 3 以守恒形式的 二维水动力学方程组为基础 模拟了太湖 特别是太湖梅梁湾处在各种风状况下 的湖水运动规律 5 吴炳方等 1 9 9 6 用二维非恒定流模型分析了洞庭湖湖流运 动规律和风力对湖流的影响作用 6 2 多层模式 S i m o n 1 9 7 3 提出了计算大面积湖泊环流的多层模式 在用于对安大略湖 进行数值模拟时 将湖体沿水深方向分为4 层 然后 将各层分别处理为二维模 式 2 这稀模式又称为分层模式 推广了二维模式的数值方法和计算程序 是三 维模式的简化运算 适用于实际分层流的计算 姜加虎 1 9 9 1 用一个二维分层 积分和一个二维整层积分的数值模拟方案 系统地探讨了抚仙湖 滇池环流形成 机制 分析了具有温度层结湖泊 抚仙湖 中内波以及上 下层流场的时空变化 特征及其与湖区风场的关系 7 1 杨具瑞等 2 0 0 0 将三维问题 二维化 的分层 河海大学硕士学位论文 迭代计算方法引入滇池湖泊水流计算中 对滇池进行湖流模拟 得到成功应用 8 a 3 三维模式 D a v i e s 1 9 8 2 1 9 8 3 开发了计算分层流的三维模式 S i m o n 1 9 8 5 又开 发了大湖风生环流的三维模式 近年来 湖泊水动力学数值模式的研究又有了长 足的进展 澳大利亚水科学中心利用海洋水动力学数值模式开展了日本琵琶湖的 水动力研究 K r e s i m i t Z i c 1 9 9 3 建立了日本琵琶湖三维斜压水动力学数值模式 详细模拟了湖泊环流结构及内波 但使用的风资料是湖中某一点的 不能代表湖 中实际风场 3 国内 焦春萌 1 9 8 8 提出了一个三维水动力学和悬移质输移的 数学模型 模拟了太湖湖体中的动力过程和泥沙传输过程 9 1 张利民等 1 9 9 4 建立了一个深水湖泊的三维水动力学模型 考虑非均匀局地风场影响 对日本琵 琶湖的环流形成机制进行了比较深入的分析 1 0 1 4 三种模式的比较 发展至今 二维模式比较成熟 已广泛运用于实际工程的计算 分层模式次 之 而三维模式尚处于探索阶段 距实际工程的应用尚有一段距离 二维模式的不足之处是不能得到速度的垂向分布 对湖泊表面风应力及底部 摩擦项常运用半经验关系 多层模式的不足之处是 层数的增加受到限制 层与层之间必须引入内摩擦 系数 该系数没有固定的值 很难精确设定 假定层与层之间是不可透水的 当 流动存在明显的上升或下沉流动时 会导致计算的失稳 三维模式的不足之处是 计算花费时间较多 需要比较完备的基础资料 而 这些资料对于大面积湖泊而言又是很难得到的 模式引入垂向紊动扩散系数 对 该系数值的精确设定是紊动流体力学界长期研究的主要难点之一 目前还未有可 广泛应用的数值 在现有的三维湖流模式中 通常将垂向紊动扩散系数假定为常 量 把复杂问题简化处理 使模型精度受到影响 1 1 1 2 2 数值计算方法 湖泊水动力学数值计算方法与其它水流的计算方法类似 主要有有限差分法 F D M 有限单元法 F E M 有限体积法 F V M 三大类 这三种计算方法 各有优缺点 三者的主要差别在于它们的计算精度和速度不同 对研究对象的适 河海大学硕士学位论文 用性也不同 1 有限差分法 F D M 有限差分法是一种传统的计算方法 其特点是采用矩形网格概化计算域 各 计算变量布置在网格节点上 有限差分法的优点是数学概念清晰 编程及基础资 料的整理比较简单 占用内存少 计算的收敛性和稳定性理论比较成熟 其最大 缺点是网格布置不灵活 难以概化不规则的边界 为了克服其局限性 许多学者 都致力于不规则边界处理问题的研究 如美国的J F T h o m p s o n 等人提出的边界 拟合坐标系 B o u n d a r yF i t t e dC o o r d i n a t eS y s t e m 方法 l l L 谢利曼所提出的任 意网格差分法 1 2 1 等 利用这些方法在原则上可以把任意复杂的几何边界变成规则 的几何边界求解 但计算区域的规则化是以控制方程的复杂化为代价的 而且当 边界存在尖角时 会出现局部奇异现象 使计算不能收敛 有限差分法适合与各 种类型的偏微分方程 是目前应用最多和最成功的一种方法 2 有限单元法 F E M 有限单元法在1 9 6 0 年被完整的提出 其特点是采用局部近似的低阶多项式 函数离散偏微分方程 它最大优点是能灵活划分网格 准确拟合自然边界 程序 通用性强 灵活性好 精度较高 其缺点是占用内存大 程序编制比较复杂 对 基础资料的整理比较繁琐 有限单元法一般适用于方程较简单 但计算边界比较 复杂的情况 常用的有限单元法通常有R i t z 方法 G a l e r k i n 方法以及迎风有限元 法I 3 有限体积法 F i n i t eV o l u m eM e t h o d 有限体积法 F V M 又称有限控制容积积分法 该方法与有限元法一样 把计算区域离散为若干点 以这些点为中心 把整个计算区域划分为若干互相连 接但不重叠的控制体 跨越控制体间界面运输的通量 对相邻控制体来说 大小 相等 方向相反 对于整个计算区域 沿所有内部边界的通量相互抵消 所以整 个计算区域 都严格满足物理守恒定律 不存在守恒量的误差 有限体积法适于 处理对流占优的输运问题 且在矩形网格上相当于守恒逆风有限差分格式 4 有限分析法 F i n i t e A n a l y t i cM e t h o d 有限分析法是2 0 世纪7 0 年代美籍华人陈景仁提出来的 该方法是在局部单 元上线性化微分方程和插值近似边界的条件下 在局部单元上求微分方程的精确 4 河海大学硕士学位论文 解 而构成整体的线性代数方程组 有限分析法有较高的计算精度 并具有自动 迎风特性 计算稳定性好 收敛较快 在我国有了较多的研究和应用 但由于有 限分析系数中含有交错级数 这给实际计算和理论分析都带来了一些困难 1 3 1 3 水环境容量研究概况 1 3 1 水环境容量的基本概念 环境容量的概念首先是由曰本学者提出来的 1 4 六十年代 日本为了改善水 和大气的环境质量状况 提出污染物排放总量控制的问题 欧美等国家的学者较 少使用环境容量这一术语 而是用同化容量 最大容许排放量和水体容许污染水 平等概念 1 5 J 水环境容量源于环境容量 国内外很多研究者提出过多种水环境容量的定义 1 4 L 6 这些定义可大致分为以下几类 n 水环境容量是污染物容许排放总量与相应的环境标准浓度的比值 f 2 水环境容量是水体的自净同化能力 3 水环境容量是指不危害水体环境的最大允许纳污能力 4 水环境容量是指环境标准值与本底值确定的基本水环境容量和自净同化 能力确定的变动水环境容量之和 现在学术界对于水环境容量比较公认的定义为 某一水环境单元在特定的环 境目标下所能容纳污染物的量 也就是指环境单元依靠自身特性使本身功能不 至于破坏的前提下能够允许的污染物的量 1 7 环境目标 水体环境特性 污染物 特性是水环境容量的三类影响因素 以环境基准值作为环境目标是自然水环境容 量 以环境标准值作为环境目标是管理水环境容量 严格的自然水环境容量是很 复杂的 不是短期所能解决的 当前水环境容量研究的主要对象是管理水环境容 量 管理水环境容量不仅和自然因素有关 而且考虑了各种社会和经济因素 1 5 1 9 目前对水深较浅的大型水体的水环境容量计算主要采用污染带控制法 该方 法的基本思路是 通过控制排污口产生的排污量面积和长度来求得各主要排污口 的允许排污量值 对各主要排污口的允许排污量值求和得到研究水域的水环境容 量值 河海大学硕士学位论文 1 3 2 水环境容量的研究方向 综合国内外对水环境容量的研究 今后该领域的热点及问题主要有以下几个 方面 1 7 f 1 数学模型的进一步发展 水质数学模型是进行水环境容量计算的基础 水质数学模型精确程度直接影 响计算结果的准确性 目前 越来越多的模型向生态动力学方向发展 使之更好 地描述水体中各种物质之间的关系 但生态系统的运行机理十分复杂 其影响因 素也很多 而且是非线性的 1 9 因此 如何进一步完善生态动力学水质模型 使 之更准确地描述水体中的生态变化 更好地反映水体中污染物的迁移 转化和富 积规律 仍是今后的研究方向和重点 2 水环境容量由确定性研究向非确定性分析方向发展 水体污染过程是一个复杂的过程 废水或污染物进入水体后 在水体中的稀 释 扩散 分解或沉淀是受水体的物理 化学 生物及其综合因素影响的结果 使得水质变化既有某种确定性的趋势 又具有许多非确定性的起伏变化 研究这 些非确定性的特性有助于提高我们对水环境容量认识和计算的精度 而研究水环 境容量的非确定性的基础是非确定性水质模型 因此 使非确定性水质模型进一 步理论化 完善化和实用化 使水环境容量的非确定性分析从理论走向真正意义 上的实践中来 是今后的研究重点之一 3 建立各环境要素的综合水环境容量理论 水环境容量的研究正处于发展阶段 目前主要研究水体的单污染物质的水环 境容量 如何对各种单污染物质加以组合 提出通用的计算方法 然后向多污染 物质的综合水环境容量过渡 是今后的一个研究重点 4 其它 继续探讨环境容量的概念 环境容量的地带性和非地带性研究 环境容量的 经济价值问题 环境容量理论的应用问题 这些都是今后的研究方向和重点 1 S J 9 河海大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 创新点及技术路线 1 4 1 主要研究内容 1 本文从水量 水质 气候等对太湖流域进行了较全面的描述 2 本文对M I K E 2 1 模型的计算原理进行了阐述 并在该模型的基础上 以 太湖湖区为研究对象 根据湖区水动力特性和水污染状况 建立太湖二维水流水 质数学模型 以2 0 0 0 年为研究背景 通过对水质指标C O D M T N T P 浓度的 年变化过程的数值模拟对模型参数进行率定验证 3 运用污染带控制法计算不同风速风向下各排污口的纳污能力 提出根据 风速风向频率 取其权重 计算太湖总环境容量的计算方法 4 运用解析解法计算太湖的水环境容量 研究其计算结果与污染带控制法 计算结果的差别及原因 5 研究不同风速风向下太湖主要控制断面水质与主要排污口排污量的响应 关系 1 4 2 创新点 1 在污染带控制法的基础上 提出根据风速风向频率 取其权重 求解太 湖总环境容量的计算方法 2 对不同风向风速条件下 太湖主要控制断面水质与主要排污口排污量的 响应关系进行研究 3 在建立太湖二维水流水质模型时 考虑了太湖的降雨蒸发量及降雨水质 I N T P 的底泥释放 并对2 0 0 0 年C O D M T N T P 浓度的年变化过程进行了 模拟 4 对M I K E 2 1 模型的计算原理进行了较全面的阐述 1 4 3 技术路线 本文研究的技术路线见图1 1 7 河海大学硕士学位论文 了解湖泊水动力学模型进展 环境容量研究进展及太湖流域概况 i 课题的提出 收集太湖相关地形 水文 水质 风场 降雨等详细资料 建立太湖二维水流水质模型 l 模型参数的率定验证 1 l i 模拟2 0 0 0采用污染研究太湖主要 年C O D M 带控制法控制断面水质 T N T P 浓计算太湖与主要排污口 度的年变的水环境排污量的响应 化过程容量关系 l l 结论与展望 图1 1 技术路线图 河海大学硕士学位论文 2 1 自然概况 2 1 1 地理位置 2 太湖流域概况 太湖流域地处我国东部长江河口段南侧与钱塘江 杭州湾之间 位于东经 11 9 0 8 1 2 1 o5 5 7 北纬3 0 0 0 5 3 2 0 0 8 之间 流域北滨长江 南濒钱塘江 东 临东海 西以天目山 茅山等山区为界 行政区划分属江苏 浙江 上海和安徽 三省 市 包括江苏省苏州 无锡 常州三市全部与镇江市 南京高淳县的一部 分 浙江省嘉兴市 湖州市全部与杭卅f 市的一部分 上海市大陆部分 不含崇明 长兴 横沙三岛 以及安徽省宣城市的部分地区 流域总面积3 6 8 9 5k m 2 其中 江苏1 9 3 9 9k m 2 占5 2 6 浙江1 2 0 9 5k m 2 占3 2 8 上海5 1 7 6k m 2 占1 4 0 安徽2 2 5k m 2 占0 6 2 1 2 地形地貌 太湖流域地形特点为周边高 中间低 里碟状 其西部为山丘区 属天目山 及茅山山区的一部分 中间为平原河网和以太湖为中心的洼地及湖泊 北 东 南周边受长江口和杭州湾泥沙堆积影响 地势相对较高 形成碟边 流域地貌大致以丹阳一溧阳一宜兴一湖州一杭州为界分山地丘陵与平原 平 原区又分为中部平原区 沿江滨海平原区和太湖湖区等三类 西部山丘区面积 7 3 3 8 k m 2 山区高程一般为2 0 0 5 0 0 m 镇江吴淞高程 下同 丘陵高程一般 为1 2 3 2 m 约占总面积的2 0 中部平原区面积1 9 3 5 0k m 2 高程一般低于5 m 约占总面积的5 2 沿江滨海平原区7 0 1 5k m 2 高程一般在5 1 2 m 约占总面 积的1 9 A i 太湖湖区3 1 9 2k m 2 占总面积的9 2 1 3 气候特点 太湖流域属亚热带季风气候区 呈现冬季干冷 夏季湿热 四季分明 降雨 充沛和台风频繁等气候特点 冬季受西北冷气团侵袭 盛行西北风 气候寒冷干 9 河海大学硕士学位论文 燥 夏季受海洋气团的控制 盛行东南风 水汽丰沛 气候炎热湿润 太湖流域多年平均气温1 5 1 7 C 全年无霜期2 3 0 天左右 多年平均降水 量为1 1 7 7 m m 其中约6 0 集中在5 9 月的汛期 多年平均水面蒸发量为8 2 2 m m 其中约6 0 集中在5 9 月的汛期 春夏之交 大多在每年的5 7 月 暖湿气流北上 冷暖气流遭遇形成 梅 雨 易引起洪涝灾害 盛夏受副热带高压控制 天气晴热 大多在每年的7 4 1 0 月 常受热带风暴和台风影响 形成 台风雨 易出现暴雨狂风的灾害天气 如遇干早年份 流域供水矛盾也十分突出 2 1 4 流域水系 1 问流 太湖流域河流水系纵横交错 湖泊星罗棋布 是全国河道密度最大的地区 河道总长约1 2 万k m 河道密度达3 2 5 k m k m 2 流域内河道水系以太湖为中心 分上游水系和下游水系两个部分 上游主要为西部山丘区独立水系 有苕溪水系 南河水系及洮涌水系等 下游主要为平原河网水系 东部主要有以黄浦江为主干 的黄浦江水系 包括吴淞江 北部沿江水系和南部沿杭州湾水系 京杭运河穿 越流域腹地及下游诸水系 全长31 2 k m 是流域的重要航道 2 湖泊 太湖流域内湖泊众多 现有水面面积在0 5k m 2 以上的大小湖泊共有1 8 9 个 水面总面积3 1 5 9 k m 2 蓄水量为5 7 7 亿m 3 湖泊占全流域面积的8 6 湖泊面 积大于1 0 k r a 2 以上的大中型湖泊有8 个 太湖 涌湖 阳澄湖 淀山湖 洮湖 澄湖 昆承湖 元荡 占湖泊总面积的9 0 本流域的湖泊由于受到自然和人为 因素的影响 湖盆形态大致相似 都是浅水碟形湖盆 属三角洲浅水湖泊类型 3 水库 太湖流域内现有2 0 座大 中型水库 主要集中在流域西部 其中大型水库 7 座 江苏省3 座 沙河水库 大溪水库 横山水库 浙江省4 座 青山水 库 对河口水库 赋石水库 老石坎水库 中型水库1 3 座 江苏省6 座 浙江 省7 座 此外还有小型水库3 8 6 座和众多塘坝 太湖流域大中型水库总库容为 1 3 0 亿m 3 其中兴利库容4 7 亿m 3 河海大学硕士学位论文 由于太湖流域的独特地形和气候条件 加上受潮汐影响 河道泄水不畅 易 受洪涝灾害 将经过多年以来的水利建设 特别是1 9 9 1 年以来开展的以十一项 治太骨干工程为主要建设内容的流域综合治理 大大提高了流域防洪除涝能力 流域己初步形成洪水北排长江 东出黄浦江 南排杭州湾 充分利用太湖调蓄 蓄泄兼筹 以泄为主 的流域防洪骨干工程体系框架 初步建立了以治太骨干 工程为主体 依靠流域上游水库 周边江堤海塘和平原区各类圩闸等工程组成的 流域整体防洪工程体系 同时 流域引水 水环境和航运条件也得到较大改善 初步具备防洪减灾 水资源合理调度的基本条件 2 0 2 2 社会经济概况 太湖流域自然条件优越 物产丰富 交通便利 历史上是著名的富庶之地 有 上有天堂 下有苏杭 之美誉 改革开放后 流域内凭借良好的经济基础 强大的科技实力 高素质的人才队伍和日益完善的投资环境 经济社会得到了高 速发展 成为我国经济最发达 大中城市最密集的地区之一 流域内除特大城市 上海 杭州外 还有苏州 无锡 常州 嘉兴和湖州等大中城市以及迅速发展的 众多城镇 2 2 1 人口与耕地 据统计 2 0 0 0 年流域总人口3 8 8 7 万 其中城镇人口2 5 8 3 万 城镇化率为 6 6 5 人口密度为1 0 5 4 L k i n 2 1 9 8 0 年 2 0 0 0 年的2 1 年间 太湖流域总人口净增7 1 8 万人 年均增长率 1 0 3 城镇人口净增1 4 5 8 万人 年均增长率高达4 2 4 0 农村人口净减7 4 0 万人 年递减率为2 2 2 o 2 0 0 0 年太湖流域总耕地面积2 4 3 9 万亩 人均耕地面积0 6 3 亩 约为全国人 均耕地面积的2 5 粮经比为6 1 3 9 其中水田1 7 3 2 9 万亩 流域土地利用以耕 地为主 占4 4 河海大学硕士学位论文 2 2 2 主要经济指标 2 0 0 0 年太湖流域实现国内生产总值9 7 1 7 亿元 占全国国内生产总值的 1 0 9 流域人均G D P 2 5 0 万元 是全国人均水平的3 2 倍 2 0 0 0 年太湖流域实 现工业总产值1 8 6 0 2 亿元 工业增加值4 7 1 0 亿元 分别占全国的1 3 2 和1 2 0 火核电装机容量1 9 8 4 万千瓦 农业总产值7 8 7 亿元 占全流域工农业总产 值的4 1 粮食总产量9 7 9 万t 第三产业增加值在流域G D P 中的比重稳步提 高 形成了 二 三 一 的产业结构模式 达4 6 5 0 亿元 一 二 三产业比 重分别为3 7 4 8 4 和4 7 9 1 9 8 0 年 2 0 0 0 年的2 1 年间 国内生产总值1 9 8 0 年的1 0 8 1 亿元到2 0 0 0 年 9 7 1 7 亿元 年均增长1 1 6 经济 社会快速发展 城市人口 经济总量剧增 农村人口 耕地面积锐减 城市化进程加快 对流域水资源产生重要影响 2 2 3 水资源分区 为提高治水效果 减少洪灾损失 根据流域水系 地形及洪涝特点 对流域 进行水利分区 因地制宜设置控制线 根据需要分别进行控制 合理安排各分区 洪涝水出路 防止洪涝矛盾 目前流域防洪分成8 个水利分区 分别为浙西区 湖西区 太湖区 武澄锡虞区 阳澄淀泖区 杭嘉湖区 浦西区和浦东区 其中 浙西区 湖西区和太湖区3 区为流域上游区 其他为下游区 2 0 0 5 水资源评价中 太湖流域为水资源一级区长江区中的二级区 流域三 级与四级水资源分区的划分在各省市分区的基础上分为4 个三级区和8 个四级 区 4 个三级区分别为湖西及湖区 武阳区 杭嘉湖区和黄浦江区 8 个四级区 分别为浙西区 湖西区 太湖区 武澄锡虞区 阳澄淀泖区 杭嘉湖区以及浦东 区 浦西区 其中浙西区 湖西区 太湖区隶属湖西及湖区 武澄锡虞区 阳澄 淀泖区隶属武阳区 浦东区 浦西区隶属黄浦江区 三级水资源分区中 湖西及湖区总面积1 6 6 7 2k m 2 占流域总面积的4 5 2 武阳区8 3 2 1k m 2 占2 2 5 杭嘉湖区7 4 3 6k m 2 占2 0 2 黄浦江区4 4 6 6k m 2 占1 2 1 2 0 1 河海大学硕士学位论文 2 3 太湖概况 2 3 1 水量状况 太湖位于太湖流域的中心 是流域内最大的湖泊 也是流域水资源调度中枢 太湖兼有防洪 排涝 供水 航运 旅游及养殖等多种功能 随着流域内经济的 迅猛发展和人民生活水平提高 太湖的梅粱湖区 贡湖区 胥湖区已成为无锡 苏州等城市的主要供水水源地 太湖作为重要饮用水水源的地位越显突出 太浦 闸泵站建成后 太湖还承担枯水期向上海黄浦江松浦大桥水源地供水的任务 太湖是一个大型浅水湖泊 湖泊面积2 3 3 8k m 2 其南北长6 8 5 k m 东西平 均宽3 4k r n 湖岸线总长4 0 5k m 分布有贡湖 梅梁湖 竺山湖 漫山湖 胥湖 及东太湖等湖区 太湖是一座天然的调蓄水库 正常水位下容积为4 4 8 1 0 m 3 平均水深1 8 9 m 最大水深约2 6 m 多年平均年吞吐量5 2 1 0 9 m 3 水量交换系 数1 2 换水周期约3 0 9 天 湖盆地势由东向西倾斜 深水区位于湖心略偏西 即大约在平台山以北水域 湖中岛屿和暗礁很多 最大的岛屿是洞庭西山 通常 以洞庭东山的东胶咀为界 其西为广阔的太湖湖面 俗称西太湖 其东为东北向 的湖湾 俗称东太湖 太湖水源主要有三路 南路来自苕溪水系 西路来自南溪水系 北路来自江 南运河 其出水口多分布于湖的东部和北部 主要有沙墩港 胥口 瓜泾口和太 浦河等港渎下泄 再经吴淞江 黄浦江 望虞河 浏河等排入长江 2 2 3 2 水质状况 近2 0 年来 随着太湖流域经济的迅速发展 入湖污染物急剧增加 污染治 理工程的相对滞后 太湖的水污染和富营养化问题目趋严重 据2 0 0 0 年统计资料显示 太湖出入湖河道水质 全年期8 0 的断面超标 其中 类占3 7 V 类占9 劣于V 类占3 4 汛期8 9 超标 其中 类 占4 3 V 类占9 劣于V 类占3 7 非汛期8 0 超标 其中 类占3 1 V 类占2 3 劣于V 类占2 6 主要超标项目为T P C O D M T N 等 太湖湖区水质 全年期2 9 为中 富营养水平 7 1 为富营养水平 汛期4 河海大学硕士学位论文 为中营养水平 4 2 为中 富营养水平 5 4 为富营养水平 非汛期2 9 为 中 富营养水平 7 1 为富营养水平 汛期好于非汛期口J 太湖各湖区中 竺山湖 五里湖 梅梁湖 贡湖等西北部湖区水质污染尤为 严重 富营养化评价表明 在太湖各湖区中除东太湖和胥湖为中 富营养水平 其他湖区均为富营养水平 中度富营养及富营养面积占7 5 以上 尤以五里湖 与梅梁湖富营养程度最为严重 夏季时常有蓝藻爆发 在近1 0 年中 太湖富营 养化程度已经上升了一个半至两个等级 相应地 随着水体的富营养化 太湖的 生物种群 组成也发生了变化 蓝藻门中的微囊藻 主要是铜绿微囊藻和水华微 囊藻 己成为藻类的优势种 浮游动物和底栖动物大量减少 鱼类趋于小型化 2 河海大学硕士学位论文 3 1 引言 3 太湖二维水流水质模型建立 太湖污染物总量控制研究中 水流水质数学模型的建立是进行水环境容量研 究的关键技术之一 利用建立的数学模型 可以模拟太湖水流水质输移转化规律 太湖水面面积2 3 3 8k m 2 其南北长6 8 5 k m 东西平均宽3 4k m 平均水深 1 8 9 m 最大水深约2 6 m 是一个大型的浅水平底型湖泊 水流和污染物质垂向 混合相对比较均匀 在进行太湖水污染治理规划过程中 人们普遍关心的是太湖 水流水质平面分布特征 因而 从模拟技术精度和实际需求两方面因素考虑 采 用垂向平均的平面二维水流水质数学模型 模拟研究太湖总体水流水质运动特 性 本文主要是在M I K E 2 1 模型的基础上建立太湖二维水流水质模型 3 2M I K E 2 1 模型简介 M I K E 2 1 模型系统软件是集成了水动力 水化学 水生态等多个子模型 供 用户针对不同水体特点 进行二维模型系统构建和模拟研究的一种商业软件 丹麦水利学所1 9 7 0 开始研制该软件 1 9 9 0 年正式发布 商业化的运作模式 使得丹麦水利学所在研制软件时首先考虑的是 该软件应能适合各类客户的需 要 所以 他们没有在一开始就设计一个非常庞大的系统 而是根据应用的需要 进行功能模块设计 然后再组合 即形成了各个子模型 水动力模型 水动力加 传输扩散模型 水动力加水质模型 水动力加富营养化模型 水动力加重金属模 型和水动力加底泥传输模型 作为商业化软件 M I K E 2 1 还具有非常直观且方便 的用户操作界面 辅助数据和图象处理工具 以及普遍的兼容性 运行可靠性和 计算精确度 M I K E 2 1 模型系统软件的使用许可归水利部太湖流域管理局所有 下文中的基本方程及差 分方法等模型的核心技术部分参考自M I K E 2 1 的技术手册 3 3 二维水流模型 3 3 1 基本方程 描述风生湖流的平面二维水流运动基本方程如下口3 笪 塑 盟 o 3 1 O t 撖砂 詈 昙 鲁 面0 p q j 劝芸 翌皿C 2 C h 2 一蚴一形2 c 国 鲁 昙降 旦a x f L 盟h 办蒡 丝近C 2 C h 2 一形2 c 甸 式中 h x Y 水深 m 善 工 Y f 自由水面水位 m p g x Y f x 一 y 一方向的流量密度 即单宽流量 m 3 咖n 2 向 V V 为x 一 Y 一方向平均水深流速 c x Y 1 C h c z y 阻力系数 m 1 Z s g 重力加速度 耐s 2 v 风摩擦因素 力 眈 疙一风应力系数 成一空气密度 y x Y r 风速及x 一 y 方向的风速分量 州s Q x y C o r i o l i s 系数 2 s i n 地球自转角速度 V 湖泊 所处纬度 根据太湖所处经纬度 计算得到太湖柯氏力系数Q 6 1 x l O 1 s 五Y 空间坐标 m f 时间f s 1 6 河海丈学硕士学位论文 3 3 2M I K E 2 1 有限差分原理 1 空间差分 模型采用A D 逐行法 A l t e r n a t i n g D i r e c t i o nt m p t i e t 对质量及动量方程分别进 行时空上的积分 每个方向及每个单独的网格线产生的方程矩阵用追赶法f D s D o u b l eS w e e p 求解 各个差分项在交错网格中的分布如图3 1 所示 图3 1 交错网格示意图 2 时间中心差分 时间中心差分示意图见图3 2 将一个时间步长中心差分 分为x s w e e pf t 从n 到n l 2 和y s w e e p t 从n l 2 到n 1 方程组采用一维的推进方式 x s w e e p 方向求解X 连续方程和X 动量方程时 芎从n 到n l 2 P 从n 到n l q 为已知的n 一1 陀到n l 2 的值 y s w e e p 方 向求解y 一连续方程和y 动量方程时 等从a l 2 到n 1 q 从n l 2 到n 3 2 p 采用在x s w e e p 中得出的n 到n 1 的值 图3 2 时间中心差分示意图 河海大学硕士学位论文 时间中心差分形式是在x s w e e p 之后立刻进行y s w e e p 的循环求解 然而对 于动量方程中的交叉求导项很难找到一个合适的时间中心点 为此 对动量方程 中的交叉求导项采用s i d e f e e d i n g 2 4 差分方式 见图3 3 图3 3 s i d e f e e d i n g 差分方式示意图 在一个时间步长 x s w e e p 采用沿Y 轴负方向求解 称为 d o w n s w e e p 在 下一个时间步长 x s w e e p 采用沿Y 轴正方向求解 称为 u p s w e e p 在 d 啪 s w e e p 的时候 交叉微分考在上方可以表示为椎 下方可以 表示为兢 而在 u p s w e e p 中正好相反 用这种方法 对于考项 以n 1 尼 为时间中心是可取的 S w e e p 计算循环见图3 4 图3 4 S w e e p 计算循环示意图 1 8 河海大学硕士学O i t 文 3 3 3 方程离散 按照3 3 2 的离散原理对方程 3 1 3 2 3 3 进行离散 1 方程 3 1 按x 一离散为 z 学州 譬卜 警m 珥 学H 学n 3 4 按y