水环境中的不确定性理论与方法研究——以三峡水库为例

论文题目: 水环境中的不确定性理论与方法研究——以三峡水库为例

论文类型: 博士论文

论文专业: 环境工程

作者: 谢更新

导师: 曾光明,刘鸿亮

关键词: 不确定性,三峡水库,预测,随机理论,二维随机水质模型,有限单元法,岸边污染带,模糊理论

文献来源: 湖南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文首先从不确定性理论与方法的研究综述出发，介绍了不确定性理论与方法在水环境系统中的应用研究进展，指出以不确定性理论与方法来指导环境系统的建模，在本质上可加深对不确定的水环境系统客观规律性的认识。本文以国内外举世瞩目的三峡工程为例，提出基于不确定性理论与方法来研究三峡水库建成运行后的水质变化趋势，以期建立的不确定水质模型更符合客观事实，更具科学性、实用性和可操作性。河流水质预测与评价一直以来都是一个非常重要的研究方向，目前虽已有一定的理论基础和较为成功的实际应用成果，但仍然局限在较为理想化的确定性水质模型的应用上，对复杂河流水质系统中的不确定性考虑不够。本文通过对三峡水库蓄水后的不确定性特征(即三峡库区江段的河道特征、水文形势、污染物排放状况等因素)分析，在前人研究的基础上，大胆突破创新，提出了基于有限单元法的复杂河流二维随机水质预测模型，运用Monte Carlo法抽样计算得到了三峡工程建成后三峡库区水质的概率分布，为三峡库区的管理与发展提供了较为全面丰富的信息。针对三峡工程实例，论文的工作主要分为以下几部分：(1) 重点探讨了二维随机水质模型的建模过程以及随机参数的识别方法，并针对有限单元数值算法，提出了基于信息熵理论求解复杂河段水质模型的单元网格宽度的定量优化模型；(2) 考虑人口、经济发展水平、工农业结构调整力度、环保政策、污染物治理水平等不确定因素，预测了2010年三种污染负荷水平(高负荷、中负荷、低负荷)的各种污染源的排放强度；(3) 确定三种典型水文条件(7Q10设计入库流量、枯水年平水期和丰水年丰水期)，并与三种污染负荷水平进行组合，以期全面地把握不同水期(枯、平、丰)的水文条件对河流水质的影响；(4) 以CODCr、BOD5、 NH3-N、TP为水质预测指标，设计了三峡库区二维随机水质预测的九种方案，对预测结果采用Monte Carlo法进行统计处理；(5) 以重庆、长寿、涪陵和万洲四个重点城市为例，对三峡库区建成后的岸边污染带进行了预测模拟；(6) 采用多指标模糊概率综合评价法，选取三峡库区的20个重点断面进行了水质评价；(7) 根据三峡库区水质及岸边污染带的预测结果，初步的提出了三峡库区的点污染源和面污染源的控制对策。通过以上工作，本文的研究成果和具体创新点总结如下：(1) 提出了基于信息熵的网格优化理论，为确定单元网格的宽度和流带划分提供了理论依据，优化了水质模型，即当单元网格内污染物的信息熵最大时，网格内污染物的浓度将趋水环境中的不确定性理论与方法研究—以二峡水库为例于均匀，网格宽度将达到最优;(2)运用Monte Carfo抽样模拟法，进行数据采集、分析和概率分布统计，使数据处理结果更加客观可靠;(3)提出了模糊概率综合评价法对库区水质进行评价，使结果更加科学，反映客观实际;(4)运用Matlab语言对大量数据、矩阵进行处理，将计算机语言和数学模型进行完美结合，增强了模型的可靠性和可行性。由于水环境系统中客观存在着大量的不确定性，如果要更加准确、真实的反映水环境系统中的各种现象，不确定性理论与方法必然将在水环境系统中得到更广泛的应用。本论文的工作，一方面，成功的将不确定性理论与方法应用于具有复杂河道特征的三峡库区的水质预测、评价、控制与管理，具有一定的实际意义;另一方面，在理论和方法上对其他类似复杂的环境系统行为的不确定性的认识具有一定的借鉴作用，对推动不确定性水环境模拟、预测、控制、管理和规划也有贡献，具有一定理论价值。关键词:不确定性;三峡水库;预测;随机理论;二维随机水质模型;有限单元法;岸边污染带;模糊理论夕

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1． 1 不确定性理论与方法

1． 1． 1 不确定性的来源

1． 1． 2 不确定性的分类

1． 1． 3 不确定性的影响因素

1． 1． 4 不确定性信息

1． 1． 5 不确定性的表达

1． 1． 6 不确定性理论与方法的环境应用领域

1． 2 水环境模型的研究进展

1． 2． 1 河流水质模型

1． 2． 2 水环境模型的求解

1． 2． 3 水环境模型参数的识别方法

1． 3 水环境中的不确定性理论与方法研究进展

1． 3． 1 Monte Carlo模拟及区域性灵敏度分析方法

1． 3． 2 灰色理论方法在水环境系统中的应用

1． 3． 3 模糊数学在水环境系统中的应用

1． 3． 4 人工神经网络在水环境系统中的应用

1． 3． 5 随机理论在水环境系统中的应用

1． 3． 6 复合方法在水环境系统中的应用

1． 4 三峡水库的河道特征及水质现状分析

1． 4． 1 三峡库区的河道特征

1． 4． 2 三峡库区水污染现状分析

1． 5 论文的结构

第2章基于最大信息熵理论优化网格的二维随机水质模型理论研究

2． 1 概述

2． 2 河流二维水质数学模型

2． 3 河流二维水质模型有限单元法求解研究

2． 3． 1 有限单元法简介

2． 3． 2 有限单元法求解河流二维水质模型网格宽度优化研究

2． 4 河流二维随机水质模拟研究

2． 4． 1 理论方法

2． 4． 2 模拟结果处理与讨论

第3章大型复杂河段二维随机水质模型的建立

3． 1 水质预测组合状况研究

3． 1． 1 水质预测的基准年和水平年

3． 1． 2 典型水文年确定与水库调度方案

3． 1． 3 水文组合状况的确定

3． 1． 4 模拟水质指标

3． 2 三峡库区污染物排放状况

3． 2． 1 长江上游入库背景水质状况

3． 2． 2 三峡库区污染物排放模型的建立

3． 2． 3 三峡水库二维水质预测方案

3． 3 平面网格划分结果

3． 4二维随机水质数学模型的参数率定

第4章污染物排放强度分析与二维随机水质模型的验证

4． 1 概述

4． 2 入库断面水质背景浓度

4． 3 工业废水污染负荷现状与预测

4． 3． 1 工业废水直入长江(嘉陵江、乌江)的重点工业污染源

4． 3． 2 库区重点工业污染源废水污染负荷估算原则

4． 3． 3 工业废水中的污染指标

4． 3． 4 库区重点工业污染源废水污染负荷现状

4． 4 长江三峡库区城市污水污染负荷现状与预测

4． 4． 1 三峡库区内的城市污水口

4． 4． 2 城市污水中的主要污染指标

4． 4． 3 库区不同时期的城市污水污染负荷

4． 5 三峡库区生活垃圾污染负荷现状与预测

4． 5． 1 库区生活垃圾组成、数量和分布

4． 5． 2 库区生活垃圾估算负荷的污染指标

4． 5． 3 库区生活垃圾污染负荷现状值与预测值

4． 5． 4 库区生活垃圾污染负荷时空分布

4． 6 长江三峡库区船舶污染负荷的现状与预测

4． 7库区内城市地表径流和农田地表径流负荷现状与预测

4． 7． 1 城市地表径流和农田地表径流污染负荷计算范围

4． 7． 2 城市地表径流和农田地表径流中的主要污染物

4． 8 二维随机水质模型的验证

第5章基于二维随机水质模型的三峡水库水质及岸边污染带预测研究

5． 1 三峡水库水质变化趋势预测

5． 1． 1 三峡水库建成后枯水期水质状况预测

5． 1． 2 三峡水库建成后平水期水质状况预测

5． 1． 3 三峡水库建成后丰水期水质状况预测

5． 2 计算结果分析

5． 3 三峡水库建成后岸边污染带预测研究

5． 3． 1 污染带模拟江段平面网格的划分

5． 3． 2 水质背景浓度的确定

5． 3． 3 岸边污染带预测结果分析

第6章基于模糊概率综合评价数学模型的三峡水库水质评价与分析

6． 1 概述

6． 2 评价标准及评价因子

6． 3 评价断面的选择

6． 4 评价方法-模糊概率综合评价法

6． 5 模糊概率综合评价数学模型

6． 5． 1 污染物浓度值水质等级统计概率分析

6． 5． 2 隶属度刻划水质分级界限

6． 5． 3 权重计算

6． 5． 4 单指标模糊概率评价

6． 5． 5 多指标模糊概率综合评价

6． 6 计算结果

6． 6． 1 污染物预测值水质等级统计概率分析

6． 6． 2 用隶属度刻划水质分级界限

6． 6． 3 权重计算

6． 6． 4 单指标模糊概率评价

6． 6． 5 多指标模糊概率综合评价

6． 7 断面水质模糊概率综合评价结果

第7章三峡库区水质控制对策研究

7． 1 库区点污染源的控制对策研究

7． 2 面污染源的控制对策研究

第8章结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读学位期间所承担的研究项目

附录C 攻读学位期间所获奖励与专利

附录D 三峡水库主城区段近岸混合区示意图

附录E SCI和EI检索证明

发布时间: 2005-04-04

参考文献

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