南水北调南四湖上级湖水质与风险模拟及东平湖水质模拟研究

摘要

南水北调工程是解决我国北方地区水资源严重短缺问题的特大基础设施项目。经过近50年的勘测、规划和研究，在分析比较多种规划方案的基础上，确定分别在长江下游、中游、上游规划三个调水区，形成南水北调工程的东线、中线、西线三条调水线路。南水北调东线工程穿越我国中东部经济发达、人口众多的江苏、山东、河北三省，是我国南水北调工程总体布局的重要组成部分。 本论文引用美国研制的 SMS(Surface Water Modeling System)地表水有限元模型及软件系统，结合湖泊地形特征、设计工况、水文条件、水力学原理和污染物输移扩散规律与混合特性等，对调水后南四湖上级湖及东平湖湖区污染物浓度场进行模拟，并以上级湖为研究对象开展南四湖水质安全风险模拟研究，得出结论如下： 1、上级湖一期正常设计工况下，现状排污出湖口 COD 浓度和氨氮浓度均不能满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002) Ⅲ类水质要求，湖区45％的区域COD 浓度达到Ⅲ类标准，80％左右的区域氨氮浓度达到Ⅲ类标准；控制排污 1出湖口COD和氨氮浓度略高于Ⅲ类标准，湖区70％的区域COD浓度达到Ⅲ类标准，83％以上的区域氨氮浓度达到Ⅲ类标准；控制排污2出湖口COD和氨氮浓度均达到Ⅲ类标准，湖区有80％以上的区域COD浓度达到Ⅲ类标准，87％左右的区域氨氮浓度达到Ⅲ类标准；控制排污 3 湖区污染混合区面积进一步减小，90％以上的区域COD和氨氮浓度达到Ⅲ类标准，调水干线水体水质较好。 2、上级湖特殊干旱工况运行后，出湖口COD浓度比正常设计工况相应排污情况分别提高36％、17％、11％、4％，出湖口氨氮浓度则分别提高了 52％、40％、33％、6％。 3、一期、二期调水现状排污时，东平湖出湖口COD浓度均不能满足Ⅲ类水质要求。各方案控制排污后，出水水质得到明显改善，除了一期调水控制排污 1出水水质不能满足Ⅲ类水质要求外，其他控制排污均能实现出湖口COD浓度达标。东平湖特殊干旱调水水质劣于正常设计调水水质，二期调水水质优于一期调水水质。 4、南水北调上级湖某入湖河流控制排污对调水出湖口COD浓度的影响不大，各条河流对调水出湖口COD浓度的敏感性主要取决于该河流的COD减排量、入湖口位置和调水出湖口之间的距离。某入湖河流突发污染事故对调水出湖口COD浓度及湖区水质恶化明显，距调水出湖口近的河流对整个湖区水质影响相对较小，但是对出湖口浓度影响相对较大，反之亦反。南水北调南四湖上级湖水质与风险模拟及东平湖水质模拟研究，是南水北调东线工程水质控制的关键性课题之一，为南水北调流域水污染控制规划、决策、设计提供科学合理的依据，可极大提高流域水污染控制的效率和管理水平。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1南水北调工程概况

1.2上级湖及东平湖概况

1.2.1上级湖概况

1.2.2东平湖概况

1.3本论文的主要研究内容及预期目标

第2章水环境数学模型的国内外研究综述

2.1水环境数学模型研究概述

2.2水环境数学模型研究的发展阶段

2.3水环境数学模型分类

2.4常用模型软件介绍

2.4.1 QUAL2E

2.4.2 WASP

2.4.3 MIKE模型

2.4.4 CE-QUAL-R1

2.4.5 CE-QUAL-W2

2.4.6 SMS

2.4.7 CE-QUAL-RIV1

2.5水质模型的发展

2.5.1模型的完善

2.5.2基于地理信息系统的研究

2.5.3基于人工神经网络的研究

2.5.4模拟预测不确定性的研究

2.5.5基于可视化技术和VR技术的研究

第3章SMS地表水模拟系统使用开发与说明

3.1水动力模型的建立

3.1.1输入底图

3.1.2定义节点

3.1.3构建网格

3.1.4模型检查

3.1.5定义材质

3.1.6设置边界条件

3.1.7 RMA2模拟控制

3.1.8 RMA2模型检查

3.1.9模型运行

3.2水质模型的建立

3.2.1边界条件的定义

3.2.2参数的定义

3.3模型后处理开发应用

3.3.1计算结果浏览

3.3.2调色板应用

3.3.3创建特征断面作特征值分布曲线

3.3.4生成视频动画

第4章上级湖一期调水二维水质数值模拟

4.1水质模型

4.1.1控制方程

4.1.2边界条件和初始条件

4.1.3计算区域和网格划分

4.2计算条件及参数选取

4.2.1参数选取

4.2.2计算条件

4.3上级湖一期调水COD浓度场模拟结果与分析

4.4上级湖一期调水氨氮浓度场模拟结果与分析

4.5本章小节

第5章上级湖水质安全风险模拟

5.1某入湖河流实施治污控制对调水出湖口COD浓度的影响分析

5.1.1计算条件

5.1.2模拟结果分析

5.2某入湖河流突发性污染事故对调水出湖口COD浓度的影响分析

5.2.1计算条件

5.2.2模拟结果分析

5.3敏感性分析

5.3.1某入湖河流排污对调水出湖口COD浓度的敏感性分析

5.3.2某入湖河流突发性污染事故对湖区COD浓度的敏感性分析

5.4本章小结

第6章东平湖水质模拟计算

6.1水质模型

6.1.1控制方程

6.1.2计算范围和网格划分

6.2东平湖一期调水水质数值模拟

6.2.1计算条件及参数选取

6.2.2计算结果分析

6.3东平湖二期调水水质数值模拟

6.3.1计算条件及参数选取

6.3.2计算结果分析

6.4小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢