干旱地区河流水动力水质模型及水环境容量的研究与应用
|
摘要
河流水质的恶化已成为我国一个突出的水环境问题。在水污染防治研究过程中,以一维水动力水质模型为基础,根据水体污染现状,研究其水环境容量及剩余环境容量的合理分配问题,对水体污染的防治具有重要的现实意义。
本文首先根据前人研究工作的成果并结合本课题的实际情况,对一维水动力水质模型及水环境容量进行了系统的文献综述。在此基础上,建立了一维水动力水质模型,该模型以Saint-Venant方程组及一维对流扩散方程为基础,分别采用Preissmann四点隐式差分格式和隐式迎风差分格式对一维水动力方程组及水质方程进行离散求解,采用“窄缝法”对动边界进行处理,并利用算例对建立的一维水动力水质模型进行了相应的验证分析。验证结果表明,计算结果与理论分析相符。
在建立一维水动力水质模型的基础上,本文对河流水环境容量的计算及分配进行了系统的研究。主要是对模型参数的率定进行了详细论述,对河流水环境容量的计算模型及计算方法进行了比较,对水环境容量的分配方法及对分配结果的评估进行了相关分析。
在上述工作的基础上,利用建立的一维水动力水质模型对北运河干流进行了数值模拟,并将模拟结果与各断面流量和水位的实测值进行了对比分析。最后本文根据水功能区划及区域的发展情况,对北运河水环境容量进行核算,结合目前的污染状况,提出水环境容量分配的方案,以期为北运河的水质预测、管理和决策提供参考。
The deterioration of the water quality in rivers has become a prominent water environmental issues in our country. In the water pollution control research process, Based on the one-dimensional hydrodynamic and water quality models, studying the water capacity and a reasonable distribution for the remaining water capacity according to the water pollution situation which plays a very important role in the prevention of the water pollution.
First, the thesis gives a systematic literature review for the one-dimensional hydrodynamic and water quality models as well as the water environmental capacity based on the previous research summary and the actual situation of the issue. Then the one-dimensional hydrodynamic are established on the Saint-Venant equations using the Preissmann four-point implicit difference scheme, the water quality models are established on the convection-diffusion equation using the implicit upwind difference scheme, the slot method for dealing with the moving boundary. And the models are validated by some examples. The results show that the calculated values agree with the theoretical analysis.
Based on the established models, this thesis does a systematic study of the water environment capacity calculation and its allocation. In the paper, the rate of the model parameters are discussed in detail, the calculation models and methods of the water capacity are compared, and do some correlation analysis for the distribution methods of the water environment capacity and the results of the assessment.
On the basis, the one-dimensional hydrodynamic and water quality models are applied to simulate the main branch of the Beiyun River, then analyze and compare the change process of the accounted results with the measured results. At last, accounting the water capacity and recommending an distribution program for the water capacity according to the water function zoning, the development of the region and the existing pollution situation, with a view to offer the Beiyun River a reference for the prediction, management and decision-making of the water quality.
本文首先根据前人研究工作的成果并结合本课题的实际情况,对一维水动力水质模型及水环境容量进行了系统的文献综述。在此基础上,建立了一维水动力水质模型,该模型以Saint-Venant方程组及一维对流扩散方程为基础,分别采用Preissmann四点隐式差分格式和隐式迎风差分格式对一维水动力方程组及水质方程进行离散求解,采用“窄缝法”对动边界进行处理,并利用算例对建立的一维水动力水质模型进行了相应的验证分析。验证结果表明,计算结果与理论分析相符。
在建立一维水动力水质模型的基础上,本文对河流水环境容量的计算及分配进行了系统的研究。主要是对模型参数的率定进行了详细论述,对河流水环境容量的计算模型及计算方法进行了比较,对水环境容量的分配方法及对分配结果的评估进行了相关分析。
在上述工作的基础上,利用建立的一维水动力水质模型对北运河干流进行了数值模拟,并将模拟结果与各断面流量和水位的实测值进行了对比分析。最后本文根据水功能区划及区域的发展情况,对北运河水环境容量进行核算,结合目前的污染状况,提出水环境容量分配的方案,以期为北运河的水质预测、管理和决策提供参考。
The deterioration of the water quality in rivers has become a prominent water environmental issues in our country. In the water pollution control research process, Based on the one-dimensional hydrodynamic and water quality models, studying the water capacity and a reasonable distribution for the remaining water capacity according to the water pollution situation which plays a very important role in the prevention of the water pollution.
First, the thesis gives a systematic literature review for the one-dimensional hydrodynamic and water quality models as well as the water environmental capacity based on the previous research summary and the actual situation of the issue. Then the one-dimensional hydrodynamic are established on the Saint-Venant equations using the Preissmann four-point implicit difference scheme, the water quality models are established on the convection-diffusion equation using the implicit upwind difference scheme, the slot method for dealing with the moving boundary. And the models are validated by some examples. The results show that the calculated values agree with the theoretical analysis.
Based on the established models, this thesis does a systematic study of the water environment capacity calculation and its allocation. In the paper, the rate of the model parameters are discussed in detail, the calculation models and methods of the water capacity are compared, and do some correlation analysis for the distribution methods of the water environment capacity and the results of the assessment.
On the basis, the one-dimensional hydrodynamic and water quality models are applied to simulate the main branch of the Beiyun River, then analyze and compare the change process of the accounted results with the measured results. At last, accounting the water capacity and recommending an distribution program for the water capacity according to the water function zoning, the development of the region and the existing pollution situation, with a view to offer the Beiyun River a reference for the prediction, management and decision-making of the water quality.
引文
[1]白玉川,万春艳,黄本胜等,河网非稳定流数值模拟的研究进展,水利学报, 2000(12):43~47
[2] Liggett J.A., Cunge J..A., numerical methods of solution of the unsteady flow equations, In Mahmood, K., and Yevjevich, V.(eds).Unsteady Flow in Open Channels, Vol. 1.Fort Collins, Colorado, Water Resources Publications Chapter4, 1975: 89~182
[3] Fread D.L., Technique for implicit dynamic routing in rivers with tributaries, Water Resources Res., 1973, 9(4): 918~926
[4]李岳生,河网不恒定流隐式方程组稀疏矩阵解法,中山大学学报(自然科学版),1977,(3):25~27
[5]张二俊,张东生,李挺,河网非恒定流三级联合解算法,华东水利学院学报,1982,(1):1~13
[6]吴寿红,河网非恒定流四级解算法,水利学报,1985,(8):42~50
[7]荆海晓,河网水动力及水质模型的研究及应用:[硕士学位论文],天津;天津大学,2010
[8]李义天,河网非恒定流隐式方程组的汊点分组解法,水利学报,1997(3):49~57
[9]卢士强,徐祖信,平原河网水动力模型及求解方法探讨,水资源保护,2003,(3):5~9
[10]徐祖信,卢士强,平原感潮河网水动力模型研究,水动力学研究与进展,2003,18(2):176~181
[11]严文武,邹长国,水动力模型在平原感潮河网地区的研究与应用,浙江水利科技,2007,(4):8~10
[12]张明亮,沈永明,河网水动力及综合水质模型的研究,中国工程科学,2008,10(10):78~83
[13]傅国伟编著,河流水质数学模型及其模拟计算,中国环境科学出版社,1987,(07):59
[14]宋国浩,张云怀,水质模型研究进展及发展趋势,装备环境工程,2008,5(2):32~36
[15]周雪丽,孙森林,张宽义等,水质数学模型的研究进展及其应用,科学观察,2011,(2):87~88
[16] Hamrick J.M., Users' manual for the environmental fluid dynamics computer code[M], Spec. Rep. In. Appl. Marine Sci. and Oc. Engrg., Virginia Inst. of Marine Science. Va. 1996
[17]冯启申,朱琰,李彦伟,地表水质模型概述,安全与环境工程,2010,17(2):1~4
[18] Brown L. C., Barnwell T.O., The enhanced stream water quality models QUAL2E and QUAL2E-UNCAS, Documentation and user manual, U.S.EPA, 1987
[19] Drolc A, Koncan J Z. Calibration of QUAL2E model for the Sava River(Slovenia). Water Science and Technology, 1999, 40(10): 111~118
[20]徐明德,师莉红,浅析QUASAR河流综合水质模型,科学情报开发与经济[J],2005,15(2):420~422
[21]徐贵泉,宋德蕃,黄士力.感潮河网水量水质模型及其数值模拟[J],应用基础与工程科学学报,1996,4(1):99~110
[22]王惠中,浅湖与湖泊三维环流及水质数值模拟研究和应用:[博士学位论文],南京;河海大学,2001
[23]李锦秀,廖文根,黄真理,三峡水库整体一维水质数学模型模拟研究,水利学报,2002,12:7~10
[24]徐祖信,廖振良,水质模型研究的空间层次及常用的水质模型软件[J],上海环境科学,2003,22(2):79~85
[25]申满斌,陈永灿,刘昭伟等.岸边排放污染物浓度场三维浑水水质模型研究[J],水质发电学报,2005,4(3):93~98
[26]吴挺峰,周锷,崔广柏等,河网概化密度对河网水量水质模型的影响研究,人民黄河,2006,28(3):46~48
[27]郭磊,高学平,张晨等.北大港水库水质模拟及分析[J],长江流域资源与环境,2007,16(1):11~16
[28]钱小娟,陈海峰,顾爱辉,沿海河网地区水流水质模拟分析,科技论坛,2011.19~20
[29]田一梅,刘扬,王彬蔚,不确定水质模型在城市河流水质模拟中的应用,土木建筑与环境工程,2011,33(3):119~123
[30]王灿发,中华人民共和国水污染防治法阐释[M],北京:中国环境科学出版社,1997
[31]方国华,于凤存,曹永潇,中国水环境容量研究概述,安徽农业科学,2007,35(27):8601~8602
[32]韩进能,河流一维水质模型在水环境容量计算方面的应用,环境科学与技术,1995,(4):43~45
[33]耿庆斋,张行南,地理信息系统与一维水质模型的集成开发,环境科学与技术,2003,26(B12):35~36
[34]张文志,采用一维水质模型计算河流纳污能力中设计条件和参数影响分析,中国西部科技,2007,(5):43~45
[35]朱健,王平,李捍东,贾河纳污能力及排污总量控制分析,水资源保护,2009,(3):48~51
[36]黄淑玲,张勇,宿州市沱河段水环境容量研究,安徽科技学院学报,2010,24(3):22~25
[37]杨国录著,河流数学模型,海洋出版社,1993(10):82~83
[38]冯民权,郑邦民,周孝德,水环境模拟与预测,科学出版社,2009
[39]徐连军,库群—河网系统明渠非恒定流计算:[硕士学位论文],辽宁;大连理工大学,2000
[40]钦文婷,Boussinesq方程数学模型的改进及其工程应用:[硕士学位论文],天津;天津大学,2003
[41] Andrew B. Kennedy, Qin Chen, James T. Kirby, et al., Boussinesq Modeling of Wave Transformation, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 2000, 126(1): 39~47
[42]逄勇,陆桂华等,水环境容量计算理论及应用,科学出版社,2010
[43]褚君达,河网对流输移问题的求解及应用,水利学报,1994,10:14~23
[44]刘新铭,侯素霞,钟秦等,基于两种不同计算模型的丹河水环境容量分析,环境科学与管理,2006,31(7):53~56
[45]张明亮,河流水动力及水质模型研究:[博士学位论文],辽宁;大连理工大学,2007
[46]熊风,罗洁,河流水环境容量计算模型分析,中国测试技术,2005,31(1):116~117
[47]熊风,杨立中,罗洁等,我国西部内陆河流水环境容量研究,干旱区资源与环境,2007,21(10):88~92
[48]范丽丽,逄勇,孙丽萍等,徐州市水环境容量研究,水资源保护,2007,23(1):57~59
[49]黄峻桢,洛阳江水环境容量与污染物总量控制方案研究,海峡科学,2008,(3):21~23
[50]黄学平,乐安河水环境容量及总量控制分析,南昌工程学院学报,2008,27(6):45~50
[51]马欢,李亚强,松花江哈尔滨江段水环境容量计算对比研究,哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2007,23(4):415~418
[52]戴本林,杨立中,贺玉龙等,四川省茶坪河水环境容量及总量控制,湖泊科学,2008,20(1):39~44
[53]王忠训,曹华英,孙娟等,区域环评中北方河流水环境容量计算方法研究,中国环境管理干部学院学报,2009,19(3):22~26
[54]马文敏,李淑霞,王淑巧,银川市水环境容量的计算与分析,宁夏农学院学报,2003,24(1):51~53
[55]彭进平,逄勇,李一平,湛江市区域水环境容量的计算研究,中国给水排水,2006,22(16):98~102
[56]刘新铭,侯素霞,钟秦等,基于两种不同计算模型的丹河水环境容量分析,环境科学与管理,2006,31(7):53~56
[57]徐祖信,卢士强,潮汐河网水环境容量的计算分析,上海环境科学,2003,22(4):254~257
[58]秦格赏,平乐河段水质现状评价及其水环境容量探讨,人民珠江,1997,(3):61~63
[59]徐鸿德,区域污染物分配协调模型及其应用,环保科技,1991,(1):5~7
[60]李小平,徐鸿德,总量控制下的污染物区域协调政策研究[J],上海环境科学,1990,9(1):5~9
[61]徐华君,徐百福,污染物允许排放总量分配的公平协调思路与方法[J],新疆大学学报,1996,13(3):86~89
[62] Burn D. H., Yulianti J. S., Waste load allocation using genetic algorithms[J], Journal of Water Resources Planning and Management, 2001, 127 (2): 121~129
[63] Hathhorn W. E., Tung Y. K., Waste load allocation in stochastic stream environments[R], WWRC-8709. Laramie, Wyoming, Wyoming Water Research Center, 1987
[64]傅国伟,水污染物排放总量的分配方法与原则[A],见:国家环保局.环境背景值及环境容量研究[C],北京:科学出版社,1993.444~455
[65]林巍,傅国伟,刘春华.基于公理体系的排污总量公平分配模型[J],环境科学,1996,17(3):35~37
[66]李如忠,钱家忠,汪家权.水污染物允许排放总量分配方法研究[J],水利学报,2003(5):112~115
[67]林高松,李适宇,江峰,基于公平区间的污染物允许排放量分配方法,水利学报,2006,37(1):52~57
[68]胡康萍,许振成,水体污染物允许排放总量分配方法研究,中国环境科学,1991,11(6):447~451
[69]罗彬,卢龙,王毛兰等,江西袁河流域水环境容量分配研究,人民长江,2011,42(5):47~50
[70] USEPA. Overview of Impaired Waters and Total Maximum Daily Loads Program, http://water.epa.gov/lawsregs/lawsguidance/cwa/tmdl/intro.cfm, 2011-10-01
[71]叶兴平等,TMDL计划在污染物总量控制中的应用初探,环境科学与管理,2008,33(8):13~16
[72]潘术香,北京市地表水环境质量评价:[硕士学位论文],北京;中国农业大学,2004
[73]丁淮剑,北运河流域沉积物重金属污染状况分析:[硕士学位论文],北京;首都师范大学,2009
[2] Liggett J.A., Cunge J..A., numerical methods of solution of the unsteady flow equations, In Mahmood, K., and Yevjevich, V.(eds).Unsteady Flow in Open Channels, Vol. 1.Fort Collins, Colorado, Water Resources Publications Chapter4, 1975: 89~182
[3] Fread D.L., Technique for implicit dynamic routing in rivers with tributaries, Water Resources Res., 1973, 9(4): 918~926
[4]李岳生,河网不恒定流隐式方程组稀疏矩阵解法,中山大学学报(自然科学版),1977,(3):25~27
[5]张二俊,张东生,李挺,河网非恒定流三级联合解算法,华东水利学院学报,1982,(1):1~13
[6]吴寿红,河网非恒定流四级解算法,水利学报,1985,(8):42~50
[7]荆海晓,河网水动力及水质模型的研究及应用:[硕士学位论文],天津;天津大学,2010
[8]李义天,河网非恒定流隐式方程组的汊点分组解法,水利学报,1997(3):49~57
[9]卢士强,徐祖信,平原河网水动力模型及求解方法探讨,水资源保护,2003,(3):5~9
[10]徐祖信,卢士强,平原感潮河网水动力模型研究,水动力学研究与进展,2003,18(2):176~181
[11]严文武,邹长国,水动力模型在平原感潮河网地区的研究与应用,浙江水利科技,2007,(4):8~10
[12]张明亮,沈永明,河网水动力及综合水质模型的研究,中国工程科学,2008,10(10):78~83
[13]傅国伟编著,河流水质数学模型及其模拟计算,中国环境科学出版社,1987,(07):59
[14]宋国浩,张云怀,水质模型研究进展及发展趋势,装备环境工程,2008,5(2):32~36
[15]周雪丽,孙森林,张宽义等,水质数学模型的研究进展及其应用,科学观察,2011,(2):87~88
[16] Hamrick J.M., Users' manual for the environmental fluid dynamics computer code[M], Spec. Rep. In. Appl. Marine Sci. and Oc. Engrg., Virginia Inst. of Marine Science. Va. 1996
[17]冯启申,朱琰,李彦伟,地表水质模型概述,安全与环境工程,2010,17(2):1~4
[18] Brown L. C., Barnwell T.O., The enhanced stream water quality models QUAL2E and QUAL2E-UNCAS, Documentation and user manual, U.S.EPA, 1987
[19] Drolc A, Koncan J Z. Calibration of QUAL2E model for the Sava River(Slovenia). Water Science and Technology, 1999, 40(10): 111~118
[20]徐明德,师莉红,浅析QUASAR河流综合水质模型,科学情报开发与经济[J],2005,15(2):420~422
[21]徐贵泉,宋德蕃,黄士力.感潮河网水量水质模型及其数值模拟[J],应用基础与工程科学学报,1996,4(1):99~110
[22]王惠中,浅湖与湖泊三维环流及水质数值模拟研究和应用:[博士学位论文],南京;河海大学,2001
[23]李锦秀,廖文根,黄真理,三峡水库整体一维水质数学模型模拟研究,水利学报,2002,12:7~10
[24]徐祖信,廖振良,水质模型研究的空间层次及常用的水质模型软件[J],上海环境科学,2003,22(2):79~85
[25]申满斌,陈永灿,刘昭伟等.岸边排放污染物浓度场三维浑水水质模型研究[J],水质发电学报,2005,4(3):93~98
[26]吴挺峰,周锷,崔广柏等,河网概化密度对河网水量水质模型的影响研究,人民黄河,2006,28(3):46~48
[27]郭磊,高学平,张晨等.北大港水库水质模拟及分析[J],长江流域资源与环境,2007,16(1):11~16
[28]钱小娟,陈海峰,顾爱辉,沿海河网地区水流水质模拟分析,科技论坛,2011.19~20
[29]田一梅,刘扬,王彬蔚,不确定水质模型在城市河流水质模拟中的应用,土木建筑与环境工程,2011,33(3):119~123
[30]王灿发,中华人民共和国水污染防治法阐释[M],北京:中国环境科学出版社,1997
[31]方国华,于凤存,曹永潇,中国水环境容量研究概述,安徽农业科学,2007,35(27):8601~8602
[32]韩进能,河流一维水质模型在水环境容量计算方面的应用,环境科学与技术,1995,(4):43~45
[33]耿庆斋,张行南,地理信息系统与一维水质模型的集成开发,环境科学与技术,2003,26(B12):35~36
[34]张文志,采用一维水质模型计算河流纳污能力中设计条件和参数影响分析,中国西部科技,2007,(5):43~45
[35]朱健,王平,李捍东,贾河纳污能力及排污总量控制分析,水资源保护,2009,(3):48~51
[36]黄淑玲,张勇,宿州市沱河段水环境容量研究,安徽科技学院学报,2010,24(3):22~25
[37]杨国录著,河流数学模型,海洋出版社,1993(10):82~83
[38]冯民权,郑邦民,周孝德,水环境模拟与预测,科学出版社,2009
[39]徐连军,库群—河网系统明渠非恒定流计算:[硕士学位论文],辽宁;大连理工大学,2000
[40]钦文婷,Boussinesq方程数学模型的改进及其工程应用:[硕士学位论文],天津;天津大学,2003
[41] Andrew B. Kennedy, Qin Chen, James T. Kirby, et al., Boussinesq Modeling of Wave Transformation, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 2000, 126(1): 39~47
[42]逄勇,陆桂华等,水环境容量计算理论及应用,科学出版社,2010
[43]褚君达,河网对流输移问题的求解及应用,水利学报,1994,10:14~23
[44]刘新铭,侯素霞,钟秦等,基于两种不同计算模型的丹河水环境容量分析,环境科学与管理,2006,31(7):53~56
[45]张明亮,河流水动力及水质模型研究:[博士学位论文],辽宁;大连理工大学,2007
[46]熊风,罗洁,河流水环境容量计算模型分析,中国测试技术,2005,31(1):116~117
[47]熊风,杨立中,罗洁等,我国西部内陆河流水环境容量研究,干旱区资源与环境,2007,21(10):88~92
[48]范丽丽,逄勇,孙丽萍等,徐州市水环境容量研究,水资源保护,2007,23(1):57~59
[49]黄峻桢,洛阳江水环境容量与污染物总量控制方案研究,海峡科学,2008,(3):21~23
[50]黄学平,乐安河水环境容量及总量控制分析,南昌工程学院学报,2008,27(6):45~50
[51]马欢,李亚强,松花江哈尔滨江段水环境容量计算对比研究,哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2007,23(4):415~418
[52]戴本林,杨立中,贺玉龙等,四川省茶坪河水环境容量及总量控制,湖泊科学,2008,20(1):39~44
[53]王忠训,曹华英,孙娟等,区域环评中北方河流水环境容量计算方法研究,中国环境管理干部学院学报,2009,19(3):22~26
[54]马文敏,李淑霞,王淑巧,银川市水环境容量的计算与分析,宁夏农学院学报,2003,24(1):51~53
[55]彭进平,逄勇,李一平,湛江市区域水环境容量的计算研究,中国给水排水,2006,22(16):98~102
[56]刘新铭,侯素霞,钟秦等,基于两种不同计算模型的丹河水环境容量分析,环境科学与管理,2006,31(7):53~56
[57]徐祖信,卢士强,潮汐河网水环境容量的计算分析,上海环境科学,2003,22(4):254~257
[58]秦格赏,平乐河段水质现状评价及其水环境容量探讨,人民珠江,1997,(3):61~63
[59]徐鸿德,区域污染物分配协调模型及其应用,环保科技,1991,(1):5~7
[60]李小平,徐鸿德,总量控制下的污染物区域协调政策研究[J],上海环境科学,1990,9(1):5~9
[61]徐华君,徐百福,污染物允许排放总量分配的公平协调思路与方法[J],新疆大学学报,1996,13(3):86~89
[62] Burn D. H., Yulianti J. S., Waste load allocation using genetic algorithms[J], Journal of Water Resources Planning and Management, 2001, 127 (2): 121~129
[63] Hathhorn W. E., Tung Y. K., Waste load allocation in stochastic stream environments[R], WWRC-8709. Laramie, Wyoming, Wyoming Water Research Center, 1987
[64]傅国伟,水污染物排放总量的分配方法与原则[A],见:国家环保局.环境背景值及环境容量研究[C],北京:科学出版社,1993.444~455
[65]林巍,傅国伟,刘春华.基于公理体系的排污总量公平分配模型[J],环境科学,1996,17(3):35~37
[66]李如忠,钱家忠,汪家权.水污染物允许排放总量分配方法研究[J],水利学报,2003(5):112~115
[67]林高松,李适宇,江峰,基于公平区间的污染物允许排放量分配方法,水利学报,2006,37(1):52~57
[68]胡康萍,许振成,水体污染物允许排放总量分配方法研究,中国环境科学,1991,11(6):447~451
[69]罗彬,卢龙,王毛兰等,江西袁河流域水环境容量分配研究,人民长江,2011,42(5):47~50
[70] USEPA. Overview of Impaired Waters and Total Maximum Daily Loads Program, http://water.epa.gov/lawsregs/lawsguidance/cwa/tmdl/intro.cfm, 2011-10-01
[71]叶兴平等,TMDL计划在污染物总量控制中的应用初探,环境科学与管理,2008,33(8):13~16
[72]潘术香,北京市地表水环境质量评价:[硕士学位论文],北京;中国农业大学,2004
[73]丁淮剑,北运河流域沉积物重金属污染状况分析:[硕士学位论文],北京;首都师范大学,2009