宁夏典型抽水型水库水质评价及模拟预测研究

摘要

水质评价与水质预测是水环境管理的重要工作之一，是建立科学合理的水质控制方案的主要理论依据，在水环境保护中起着举足轻重的作用。宁夏鸭子荡水库为典型的抽水型水库，本文利用不确定水质评价方法开展库区水质综合评价;并在野外测试的基础上，建立基于非结构网格的平面二维水流水质数学模型，模拟库区流场和水质的时空分布。研究结果表明:
　　(1)实测鸭子荡水库的部分水质指标，水质综合分析表明CODCr、NH3-N和DO达到Ⅲ类水体要求，BOD5、TP存在部分超标现象，而TN100％的超标。采用灰色关联法对水库水质进行评价，结果表明鸭子荡水库的水体类别属于Ⅲ类水体，且(Si)取Ⅲ类标准值比取5类水质标准的平均值时的计算结果更符合实际。
　　(2)鸭子荡水库库区布点采样，利用ArcGIS中的反距离权重法对CODMn、NH3-N、TN、TP四个水质指标进行空间插值分析。结果表明:4月份由于冰刚融化，水体对流混合，此阶段库区污染物空间差异性较小;7月和10月则空间差异较大。库区的CODMn和NH3-N均能满足水体功能要求，但TN在库区100％超过标准限值1 mg/L，部分TP浓度超过标准限值0.05 mg/L。相对于针对各采样点的单点数据分析，空间分布特征更具全面性。
　　(3)利用载波相位差分技术(RTK)定位，采用先进的“河猫”设备实测水库的库底地形和断面流速，采用建立基于非结构网格的平面二维水流数学模型模拟库区流场，结果表明作为典型的抽水型水库，鸭子荡水库在上水和不上水两种运行工况下具有明显不同的水流特征。上水时，从进水口到取水塔形成一条明显主流，取水塔附近由于取水的动力形成一个大环流;进水口和取水塔附近水流流速较大，达到0.02～0.03 m/s，其他区域流速较小，在水库西南区域的流速最低，水流流速仅为0.004～0.008 m/s。不上水时，库区无主流仅在取水塔附近形成环流，环流的流速仍可达到0.02～0.03 m/s，其他区域流速较小，基本处于毫米级。上水时的库区水体流速明显大于不上水时的流速。通过设置不同工况模拟进一步表明，吞吐流和风生流对鸭子荡水库的库区流场影响明显，其中风生流是主动力。
　　(4)建立基于非结构网格的平面二维污染物输移模型模拟库区水质空间分布，结果表明鸭子荡水库在上水和不上水时的水质变化规律不同。上水时，高浓度区域集中在进水口附近，沿库区主流方向污染物浓度逐渐降低;在取水塔附近CODCr和NH3-N的浓度分别为10 mg/L和0.25mg/L左右。不上水时，库区污染物浓度空间差异性逐渐减小;上水时的水质差于不上水时的水质。通过设置不同工况模拟表明，吞吐流、风场和进水水质变化对库区CODCr和NH3-N的空间分布影响显著;各工况下，上水时高浓度区域均集中在进水口附近，可见控制进水水质对于水库的水质管理非常重要。
　　(5)鸭子荡水库存在部分水质指标超标、上水时水质较差、库区污染物浓度时空分布不均等问题。可以从推广水库内生态修复及生物净化技术、水库进水口区域挖掘底泥、进行库底曝气等工程性措施及明确管理部门职责加强管理、完善水源地应急预案和监管制度，防范水环境污染事故等非工程性措施对水库进行水质保护和水污染预防工作。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水质不确定性评价

1．2．2 水动力模拟研究

1．2．3 水质模拟研究进展

1．2．4 水流水质数学模型

1．3 主要研究内容

第二章 水质综合评价及预测方法

2．1 水质评价方法

2．1．1 灰色关联综合评价法

2．1．2 ArcGIS空间插值分析

2．2 二维水流水质数学模型

2．2．1 数学模型

2．2．2 非结构网格生成技术

2．2．3 方程离散格式

2．2．4 离散方程的求解

2．3 小结

第三章 水库概况及水质分析评价

3．1 水库区域概况

3．1．1 区域水文气象概况

3．1．2 鸭子荡水库概况

3．2 鸭子荡水库水质状况分析

3．3 基于灰色关联的水库水质评价

3．4 基于反距离权重的水库水质空间分布

3．5 小结

第四章 水库流场模拟及水动力机制分析

4．1 库底地形实测分析

4．1．1 测量仪器及测量方法

4．1．2 实测断面布设

4．1．3 断面实测结果及分析

4．2 水库地形及网格划分

4．3 初边界条件

4．3．1 鸭子荡水库运行特点

4．3．2 初边界条件设置

4．4．1 水位验证

4．4．2 断面平均流速验证

4．5 典型运行工况下库区流场模拟

4．5．1 上水时的流场模拟及分析

4．5．2 不上水时的流场模拟及分析

4．6 吞吐流对库区流场的影响

4．7 风生流对库区流场的影响

4．7．1 2015年地面气象观测数据

4．7．2 风向对库区流场的影响

4．7．3 风速对库区流场的影响

4．8 鸭子荡水库水动力机制

4．9 小结

第五章 水质对流扩散模拟

5．1 降解系数的测定

5．1．1 实验原理

5．1．2 实验设计

5．1．3 数据分析及处理

5．2．1 初边界条件

5．2．2 模型参数的率定

5．3 水质模拟验证

5．4 水质对流扩散模拟及分析

5．4．1 上水时污染物的时空分布

5．4．2 不上水时污染物时空分布

5．5 吞吐流对污染物对流扩散的影响

5．6 风场对污染物对流扩散的影响

5．7 进水水质对污染物空间分布的影响

5．8 小结

第六章 抽水型水库水质控制对策

6．1 鸭子荡水库存在的主要水质问题

6．2 水库水质控制对策分析

6．2．1 工程J生对策

6．2．2 非工程性对策

6．3 小结

7．1 结论

7．2 主要创新之处

7．3 存在不足

7．4 展望

参考文献

致谢

个人简介

博士期间科研成果