三峡库区紊流扩散模拟和基于GIS的水污染管理系统研究

论文摘要

水环境管理是一个复杂的系统工程,它涉及包括污染源状况,污染物在水体中的迁移分布,城市分布、经济区划、流域状况、控制断面等在内的海量信息。且这些信息往往随时间改变,是一个动态过程。如何对此海量信息进行高效管理和分析,是当前水环境管理的重要课题之一,迫切需要高水平的管理信息系统作支持。对于自然水体中普遍存在的紊流流动及其中的污染物迁移扩散的模拟也是当前科学研究的一个热点。近年来出现的分形理论等非线性科学为解释和描述随机性很强的紊流现象提供了较好的理论基础。论文在国家“十五”科技攻关课题“三峡库区水环境安全关键技术研究与示范”（2004BA604A01）的资助下,将分形理论引入紊流水质模拟中,提出了分形紊流扩散模型,并与K-ε双方程水力模型相配合,完成了长江万州城区段的三维水力/水质模拟研究,对污染物在紊流流体中的扩散迁移规律进行了较深入的研究,实现了分形理论在紊流水质模拟中的成功应用,并完成了复杂边界条件自然河流中多个污染源复合污染带的三维模拟。同时,将GIS技术与水力/水质数学模型相结合,开发了基于GIS的三峡库区水污染（应急）管理信息系统,可以为三峡库区水环境科学管理提供先进的技术手段和决策支持。以VB为计算机程序开发语言,以ArcGIS Engine为GIS平台,实现了GIS、数学模型、数据库的全面集成,所开发的三峡库区水污染管理信息系统软件拥有自主知识产权。该系统具备了污染源动态管理、污水厂适时监控、水体水质查询及评价、流场和浓度场模拟等水环境管理和决策支持功能。同时,论文根据当前水环境管理的需要,在所开发的系统中强化了突发性污染事故应急管理功能,可自动统计出各种污染事故产生的污染带在不同时间的区位及影响范围,为突发性污染事故的应急管理提供了软件平台。开发了适合GIS系统的三峡库区一维（整个库区江段）、二维（主要城市江段）恒定流动态水质数学模型,能够同时模拟众多点污染源和面源污染产生的污染带和污染物的迁移扩散过程,满足水质模拟和污染事故预警对数学模型的要求。通过实际监测数据,验证了适合长江三峡库区水文条件的模型参数。通过系统对成库后库区一维总体水质的模拟分析,在沿江主要点污染源得到有效治理后,库区长江总体水质状况较成库前好,且水位越高,趋势越明显。从污染物单项指标的模拟结果来看,库区长江COD浓度高峰主要出现在主城至涪陵的城市密集区江段,这一区域是城镇生活污水和工业废水的主要来源。而NH3-N、TN、TP等营养性污染物指标的浓度高峰则主要出现主城至涪陵的城市密集区和万州之后至重庆出境的江段,且越靠近库首,浓度越高,说明在库首区域营养性污染物负荷相对较高,水土流失等面源污染是其主要的污染源。成库后,COD指标在整个库区均处于Ⅰ类或Ⅱ类水质标准;NH3-N指标在库区主要处于Ⅱ类水质指标,在主城区和库首则处于Ⅲ类水质指标;以2003年入境水质作为起始断面水质时,TN和TP指标以湖、库标准来衡量,TN指标浓度则将超标,总体处于Ⅳ类和Ⅴ类水质标准,TP指标也将超标处于Ⅲ类和Ⅳ类水质标准。从系统对库区干流主要城市江段二维模拟结果来看,在库尾的主城区江段,由于成库前后水文条件变化不大和受到水库回水影响,污染带略有扩大。在库中和库首的江段,在输入相同负荷的情况下,污染带有明显减小,特别是在175m水位下,污染带减小趋势最为明显。万州江段的三维水质模拟研究表明,在成库后水流速度显著减小,水体底层紊动掺混能力明显减弱,铅直方向上的水质分布不均匀性非常明显。万州城区江段岸边的表层水质较差,而中层和底层水质则相对较好。库区排污口附近的污染混合区将会由天然河道的狭长型向着短宽型发展。在输入相同污染负荷的情况下,长江表层污染物带的长度略微有所减小,但宽度却增加了一倍。论文以三峡库区长江为研究对象,开展了基于紊流理论的三峡库区典型河段三维水质模拟研究,同时开发了基于GIS的三峡库区水污染（应急）管理信息系统。其研究成果对提高水污染（应急）管理水平具有直接推动作用,对于紊流流动、紊流扩散等“无序”、非线性问题进行了探索性的研究,有着重要的理论意义和实用价值,对相似河流和地区的水污染管理和水质模拟研究也有重要的参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪言
• 1.1 三峡库区概况及问题提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 关于水质数学模型的研究
• 1.2.2 关于突发性污染事故应急技术方面的研究
• 1.2.3 GIS 在水环境管理方面的应用研究
• 1.2.4 分形理论在水质模拟中的应用研究
• 1.3 研究目的与内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 2 三峡库区水环境现状及污染负荷计算
• 2.1 三峡库区的水质状况
• 2.1.1 库区干流历年水质状况
• 2.1.2 库区支流水质状况
• 2.2 三峡库区污染源调查分析
• 2.2.1 工业污染源废水排放统计
• 2.2.2 城镇生活污水排放统计
• 2.2.3 库区农药和化肥
• 2.2.4 库区流动污染源监测
• 2.3 三峡库区长江沿岸污染负荷统计分析
• 2.3.1 三峡库区长江主要一级支流污染负荷统计
• 2.3.2 三峡库区重点工业污染负荷统计
• 2.3.3 三峡库区沿江城镇污染负荷统计
• 2.3.4 三峡库区沿江面源污染负荷统计
• 2.3.5 成库后污染负荷预测
• 2.4 三峡库区干流河道特征及水流状况
• 2.4.1 三峡水库河道的自然特征
• 2.4.2 成库前库区江段河道现状
• 2.4.3 三峡水库建成后河道变化趋势
• 2.4.4 水库调度方案
• 2.4.5 水文组合状况的确定
• 3 紊流分形扩散数学模型研究
• 3.1 紊流特性
• 3.2 水力/水质基本方程
• 3.3 传统的紊流流动方程
• 3.3.1 零方程模型
• 3.3.2 单方程模型
• 3.3.3 双方程模型
• 3.3.4 次网格尺度模型（SGS model）
• 3.4 紊流分形模型
• 3.4.1 紊流速度分维数
• 3.4.2 紊流流动分形模型
• 3.4.3 紊流分形扩散模型
• 3.5 数学模型的选择
• 4 基于分形理论的三峡库区典型河段三维水质模拟研究
• 4.1 物理区域的三维贴体网格划分
• 4.1.1 三维贴体网格划分方法
• 4.1.2 三峡库区典型河道的三维贴体网格生成及划分
• 4.2 三维水力学数学模型
• 4.2.1 方程通用形式
• 4.2.2 三维水力数学模型方程的离散
• 4.2.3 离散方程的求解
• 4.3 三峡库区万州段三维水力数学模拟
• 4.3.1 边界条件
• ① 进口边界条件
• ② 出口边界条件
• ③ 固壁边界条件
• 4.3.2 模拟结果
• 4.4 三维水质数学模型及其验证
• 4.4.1 基本方程及其求解方法
• 4.4.2 边界/初始条件
• 4.4.3 模型率定和验证
• 4.5 长江万州段成库后水质模拟研究
• 4.5.1 水文水质条件
• 4.5.2 水质预测及分析
• 5 基于GIS 的三峡库区水污染管理系统研究
• 5.1 系统总体设计
• 5.1.1 系统的设计目标
• 5.1.2 系统的结构设计
• 5.2 系统数据库建设
• 5.2.1 系统数据分析
• 5.2.2 多源数据的集成
• 5.2.3 空间和属性数据的存储
• 5.2.4 数据工作流程
• 5.3 系统模型库建设
• 5.3.1 河流的一维网格概化模型
• 5.3.2 复杂边界的大型自然河道的二维网格概化模型
• 5.3.3 一维水质模型
• 5.3.4 二维水力/水质模型
• 5.3.5 模型库的程序实现
• 5.4 系统集成
• 5.4.1 模型库与GIS 系统的集成方式
• 5.4.2 系统集成的实现
• 5.4.3 水质模拟
• 5.4.4 水质评价
• 5.5 系统GIS 模块设计
• 5.5.1 常见GIS 功能模块
• 5.5.2 污染源查询和编辑模块
• 5.5.3 水质状况查询模块
• 5.6 污水处理厂的动态管理
• 5.7 突发性污染事故应急管理
• 5.7.1 事故污染源的编辑
• 5.7.2 事故污染带的一维动态模拟
• 5.7.3 事故污染带的二维动态模拟
• 5.8 小结
• 6 水污染管理信息系统在库区水质预测中的应用
• 6.1 成库后库区干流总体水质状况预测
• 6.2 三峡库区建成后丰水年丰水期流量＋145 米水位水质预测
• 6.2.1 三峡库区建成后枯水期＋175 米水位水质预测
• 6.2.2 三峡库区建成后枯水期＋155 米水位水质预测
• 6.2.3 成库前后库区水质总体状况的对比分析
• 6.3 成库前后库区主要城市江段污染带变化趋势研究
• 6.3.1 长江重庆主城区段水质状况变化趋势
• 6.3.2 长江长寿段水质状况变化趋势
• 6.3.3 长江涪陵段水质变化趋势
• 6.3.4 长江万州段水质状况变化趋势
• 7 结论与后续研究
• 7.1 结论
• 7.2 后续研究
• 致谢
• 参考文献
• 附录