泾河平凉段水质变化与模拟

发布时间:2021-12-06 21:01:59 论文编辑:vicky

本文是一篇毕业论文范文,本文以泾河平凉段(崆峒水库断面至泾川断面)为研究对象,基于该段长序列水文、水质监测数据,分析 2011—2019 年泾河平凉段主要水质因子的时空变化特征及其影响因素。利用主成分分析法确定该区主要污染物(化学需氧量、氨氮和总氮),采用 MIKE21 水动力—水质耦合模型对其进行模拟,验证模型在泾河流域的适用性。


第一章   绪论


1.1  研究背景与意义

我国水资源总量约 2.8 万亿 m3,但我国人口众多,人均水资源占有量仅为2300 m3,是世界平均水平的 1/4,水资源相对短缺(刘晶等,2019)。其中,河流作为重要的地表水资源,对人类社会有着至关重要的作用(倪晋仁等, 2006),它能够满足人类需求,为农业、工业和交通运输业等提供淡水(Chaudhary et al., 2017; Singh et al., 2019)。但近年来我国河流水环境的形势不容乐观(魏爱军,2020),全国地表水水质月报显示,2020 年 12 月我国监测的近 2000 个水质断面中,Ⅳ类和Ⅴ类水质共占 14.3%,该类水体已不能作为饮用水源,只能作为工农业用水及一般景观用水,而劣Ⅴ类水体占 1%,该类水体已无使用功能,部分流域水质情况甚至更为严重,比如黄河流域部分支流水质为轻中度污染(如清涧河、湫水河等)或重度污染(如蒲河、徐水河),情势较严峻。河流污染会直接威胁人类健康、影响农业和渔业生产等,同时水质污染也会导致水质型水资源短缺的加剧,因此保持河流良好的水环境、有效控制水污染也是缓解水资源短缺的重要方式。

近年来我国河流水环境受到国家和政府重视,出台了一系列关于保护河流水体环境的政策和措施,同时我国研究者对水质的关注程度也显著增加(Wang et al., 2018)。其中,部分学者依据水质实测数据对于不同河流水质进行评价和影响因素探究(姜兴明等, 2016;  赵耿楠等, 2021;  邢洁等, 2021),Ma 等(2020)也指出,自 21 世纪以来我国水质得到有效改善。此外结合水动力—水质耦合模型来模拟区域水质变化确定水环境容量的研究也在逐渐增加(沈尚荣, 2019;  夏伟, 2019;  郑灿, 2019;  吴凡杰, 2020),这些研究为不同流域的河流污染物排放和水质管控提供了一定的数据支撑。


1.2  国内外研究进展

1.2.1  河流水质研究方法

河流水质是评价河流受污染程度的重要指标,认识其长序列时空变化规律对全面了解河流的水质状况、检验河流治理效果和合理监管水体污染物排放具有重要意义。目前,对河流水质研究主要分两大类,即基于实测数据的水质变化和评价研究以及基于水质模型的模拟和预测研究。

(1)基于实测数据的水质变化和评价研究

河流水质监测最早开始于 19 世纪末,当时只有化学需氧量、生化需氧量、大肠杆菌和细菌总数等几项监测指标(Mooney et al., 2002;邓娟, 2017),进入 20世纪,一些化学指标也逐渐纳入水体水质监测(汤云, 2018)。到目前为止,欧美国家所规定的水质监测项目已达  100 多项(Gueguen et al., 2004)。基于监测数据的水质变化和评价研究,早期多采用直接描述和相关分析等方法,目前则多采用单因子评价法、主成分分析法、污染指数法、模糊评价法和综合水质标识指数法以及聚类分析等对水质进行评价(Hong et al., 2001; Bhuyan et al., 2003;  汤云, 2018),例如:Shrestha 等(2008)使用主成分分析法对湄公河水质进行分析,发现其水质时空变化与矿物盐有一定相关性,Chounlamany 等(2017)通过聚类分析和主成分分析,采用降维的思想,对马里基纳河进行多指标分析。相比国外,我国研究者也开展了大量水质变化和评价的工作,陈静生等(1999)通过对长江、黄河、松花江 50—80 年代的水化学监测数据分析,探究其水质变化规律和调控机理;马溪平等(2011)选取辽河水系的化学需氧量、五日生化需氧量和氨氮等指标,使用综合水质标识指数法对其干流水质进行统计分析和评价,并提取污染物的主要成分;曾庆慧等(2016)基于 1990—2011 年密云水库水质监测资料,采用聚类分析获得汛期和非汛期各水质因子对水质的贡献率。另外,也有部分学者探究了水质变化的影响因素,例如:张爱平等(2010)对黄河宁夏段的水质进行分析,发现河段主要污染物种类为氨氮、化学需氧量、五日生化需氧量,水质的主要影响因素是污水的排放和农田化肥的使用等。


第二章   研究区概况与研究方法


2.1  研究区概况

2.1.1  地理位置

研究区位于甘肃省东部的平凉市境内(34°53'~35°45'N,105°21'~107°50'E)。平凉市地处甘肃、陕西和宁夏三省(区)交汇位置,位于陇山东麓,泾河上游,总面积约 1.1 万  km2。北连庆阳和宁夏,南临天水和宝鸡,西接定西,东邻陕西,(赵晨宇,2018)。平凉属于陇东黄土高原地区,丘陵起伏,平均海拔为 1540 m(艾子贞, 2017),本研究所选泾河河段即为流经平凉市崆峒区、泾川县和崇信县的河段,研究区河流水系及水文、水质站点分布见图 2-1。

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2.2   MIKE21 模型概况

2.2.1 MIKE21 模型简介

MIKE21 模型是由丹麦水力研究所建立的用于模拟河流、湖泊、海洋等水体运动过程的数值模拟软件,主要包括水动力模块、水质模块、泥沙模块等,水动力模块为核心模块,其他模块需以该模块为基础进行耦合计算,本研究模拟泾河水质变化采用 MIKE21 水动力—水质耦合模型,即将 MIKE21 水动力模块和水质模块结合使用,模型模块与对应参数详见图 2-2 所示。其中,MIKE21 水质模块共分为两个部分:对流扩散模块(AD)和 ECOLab 模块,前者主要用于模拟简单水质变化问题,例如悬浮物或溶解物的对流扩散和一维降解规律;而后者则主要用于模拟复杂水质变化问题,例如污染物降解过程、水体富营养化情况和重金属污染等,本研究主要采用的水质模块是 ECOLab 模块。

2.2.2  水动力模块原理

水动力模块是 MIKE21 模型最基础也是最重要的模块,它可以模拟水体在各种外力作用下的动力变化,水体动力变化情况是其他各过程模拟计算的基础环节。构建水动力模型时,需要准备初始数据和地形文件、建立输入方式、确定输入参数并对模拟结果进行检验等。

MIKE21 水动力模块是以数值求解方法的二维浅水方程组为基础(见下式 2-1 至 2-3,其中式 2-1 表示水流连续方程,式 2-2 表示笛卡尔坐标系 x 方向动量方程,式 2-3 表示 y 方向动量方程)。由于河流的水力参数在水平方向上远大于垂直方向,因此沿垂直方向积分,获得沿垂直方向不可压缩流体的雷诺值平均分布的 Navier-Stokes 方程,即流体低速运动时,不考虑压强对水体密度的影响,仅考虑温度对其影响。同时模型还符合静水压力假设和 Boussinesq 假设(郭雪蕊, 2018; 陈成成, 2020;  王忠昊, 2020)。


第三章   泾河平凉段水质时空变化及其影响因素 .............................. 19

3.1  水体常规离子指标 ................................ 19

3.2  水质有机化学指标 ........................................ 21

第四章   泾河平凉段水质时空变化模拟 ................ 38

4.1 MIKE21 水动力模型构建 ................................. 38

4.1.1  地形网格构建 ............................................. 38

4.1.2  初始条件及边界条件 ..................................... 38

第五章   泾河平凉段水质预测与水环境容量确定 .............................. 50

5.1  不同情景下水质变化预测 ................................... 50

5.1.1  不同情景下预测方案设定 ....................................... 50

5.1.2  不同情景下水动力预测 ........................................... 51


第五章   泾河平凉段水质预测与水环境容量确定


5.1  不同情景下水质变化预测

5.1.1  不同情景下预测方案设定

由第三章水质分析结果可知,泾河平凉段干流及支流来水水质主要以Ⅲ类和Ⅳ类水质为主,所以本节依据泾河平凉段不同水平年(丰水年、平水年和枯水年)和不同来水水质(Ⅲ类、Ⅳ类来水水质)设定六种情景方案,各情景细节见表 5-1。

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采用泾河干流和支流的多年径流量数据确定其不同水平年来水流量,其中干流流量采用崆峒水库站、平凉水文站和泾川水文站的多年的月径流数据;但是就支流流量而言,仅颉河、大路河、汭河三条支流上有水文站,因此这三条支流采用其上的三关口水文站、窑峰头水文站和安口水文站多年的月径流量资料,其余支流采用水文比拟法、降雨径流法和径流系数法综合确定。


第六章   结论与展望


6.1  结论

以泾河平凉段(崆峒水库断面至泾川断面)为研究对象,基于该段长序列水文、水质监测数据,分析 2011—2019 年泾河平凉段主要水质因子的时空变化特征及其影响因素。利用主成分分析法确定该区主要污染物(化学需氧量、氨氮和总氮),采用 MIKE21 水动力—水质耦合模型对其进行模拟,验证模型在泾河流域的适用性。同时,根据不同的情景方案,使用 MIKE21 模型对其进行模拟预测,并综合采用二维水质模型法(即基于 MIKE21 水质模拟确定)、段首控制法和功能区末控制法确定泾河水体在不同水平年污染物的水环境容量。主要结论如下:

(1)泾河水体常规离子中阳离子主要以 Ca2+和 Mg2+为主,  阴离子以 HCO3-和 SO42-为主,水体化学类型为 HCO3-SO4-Ca-Mg。2011-2019 年四个断面溶解氧含量均较高,达到Ⅲ类水质标准,但年内 7、8 月较低;化学需氧量浓度在 2011年达到最大,而 2012 年后经治理被控制在较低水平;氨氮浓度在崆峒水库、八里桥和泾川断面基本符合Ⅲ类水质标准,在平镇桥断面略超标;而总氮各年均大于Ⅲ类水质标准,且各断面呈增加趋势,尤其是泾川断面。就水质无机化学指标而言,河段水体呈弱碱性,属于较高矿化度硬水和高矿化度极硬水。整体而言,近年来泾河平凉段水质较良好,基本符合Ⅲ类水质标准,其中,溶解氧、化学需氧量、矿化度和总硬度等有向好发展的趋势,但是总氮浓度超标并呈增加趋势需要关注。

(2)MIKE21 模型在泾河平凉段具有较好的适用性,水位、流速、化学需氧量、氨氮和总氮的模拟值除起始时间段模拟效果一般外,其他时间段模拟值与实测值较为一致,模型结果可以较真实地反映研究区水质变化。此外,各断面污染物浓度的模拟值较实测值整体偏低,表明模型可能低估了污染物浓度,后续可能需要改进和优化。

参考文献(略)

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