南水北调中线工程污染物输移试验模拟研究

摘要

我国水资源供需不匹配，其中南方水多北方水少，调水工程的建设对改善我国北方水资源短缺、优化水资源配置意义深远。南水北调中线多为明渠输水，干渠上桥梁与水工建筑众多，存在发生突发性水污染事故的风险，水污染事故发生时需要对渠道水质进行快速预测。本文以南水北调中线污染物运移特性研究为背景，在现场调查和模型试验模拟的基础上，研究了发生突发性水污染事件下污染物的输移规律，提出了突发性水污染事件发生后的处理措施。主要研究内容如下:
　　(1)对NaCl、红墨水、氨氮、机油4种物质在渠道中进行了输移模型试验。研究结果表明，在通水流量为6.85×10-3m3/s情况下，NaCl、红墨水、氨氮的浓度变化趋势大致相同，四种投放物质在断面2.5m时相对于监测断面0.5m处的稀释度达到90％。
　　(2)在不考虑污染物输移过程衰减的条件下，通过不同示踪剂对渠道的纵向离散系数进行确定。结果显示，在通水流量为6.85×10-3m3/s情况下，通过示踪法计算结果(2.44 m2/s)与爱尔德(Elder)经验计算值(2.41m2/s)接近。利用室内模拟试验的对污染物纵向扩散过程的分析在一定程度上能够反映工程渠道中污染物的输移状况。
　　(3)现场调查的结果显示，渠道中水体的含沙量在0.3～0.5kg/m3之间，浊度在0.8～1.7NTU之间。据南水北调中线局设立的自动水质监测站的检测结果，渠道中水质达到了Ⅱ类饮用水标准。现场测定水面的最大冰厚为0.9cm，且通过拦冰锁后的最大冰厚为0.1cm，冰冻、泥沙对工程输水的影响很小。
　　(4)基于实测的数据结果与理论公式，验证了污染物的纵向离散过程近似服从正态分布。针对于南水北调中线实际渠道中的氨氮污染进行了分析，通过一维水质模型公式推导出污染时长与污染物到达断面的起始时间均为关于断面位置x的二次函数方程，且方程的各项系数关于投放量w的表达式。在工程实际中，对于机油类不溶性污染物可通过过滤、撇油的方式进行处理;对于可溶性污染物，可根据污染物在确定断面的污染时长，对污染水体进行分流处理。
　　(5)根据实验的需求，自行设计了一种多点取样器。该取样器由固定装置、收集装置、控制装置和动力装置4部分构成。具备操作简单、没入体积小、对渠道水体流场扰动小等多方面的优点，并实现了对多个采样点的同时取样，保证了所取的水样的代表性和真实性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状及发展动态分析

1．2．1 调水工程对环境的影响

1．2．2 突发性水污染事件对调水工程的影响

1．2．3 河流污染物输移模型试验研究进展

1．2．4 纵向离散系数的研究进展

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 南水北调石家庄段的渠道结构及其水文、水环境特征

2．1 研究区概况

2．2 南水北调中线石家庄段现状调查

2．2．1 考察地点的选取

2．2．2 现场考察的路线

2．2．3 现场考察内容

2．3 本章小结

3 污染物输移渠道模型试验

3．1 渠道试验的模型概化

3．1．1 模型试验场地布置

3．1．2 模型试验比尺设计

3．1．3 MS-2015B型多点取样器的研制

3．2 试验仪器的率定

3．2．1 模型试验所需仪器与药品

3．2．2 率定实验原理

3．2．3 率定实验过程

3．2．4 率定误差分析

3．2．5 讨论

3．3 渠道模型试验过程

3．3．1 试验场地基本情况

3．3．2 污染物输移试验准备

3．3．3 污染物输移试验内容

3．3．4 结果与讨论

3．4 本章小结

4 水污染的动力学分析及其控制

4．1 明渠模型水流中污染物的离散

4．1．1 渠道中污染物移流离散的几个阶段

4．1．2 渠道离散系数方程的建立

4．1．3 结果分析

4．2 渠道中不同污染物的控制

4．2．1 污染物扩散的影响范围

4．2．2 突发性水污事件的应对措施

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢