考虑非点源污染影响的水质预测与水污染控制规划研究

摘要

我国面临水资源短缺和水环境恶化的双重危机，非点源污染对流域内水环境的影响日益加重。对流域内污染物进行定量化研究时，有效和直接的方法是建立相关的水质模型，在时间和空间上进行模拟。本文通过建立水库与河流水质模型，以渭河流域黑河金盆水库和渭河关中段为研究对象，研究非点源污染对其产生的影响以及规律，主要研究成果如下:
　　(1)结合黑河金盆水库地形、水文和气象等资料，建立了金盆水库水质模型CE-QUAL-W2，并对模型进行了率定和验证。研究结果表明，该模型预测金盆水库的总磷、总氮较为准确，所得模拟结果能够如实反映金盆水库水质状况。
　　(2)联合应用流域非点源模型AnnAGNPS和水库水质模型CE-QUAL-W2，研究了非点源污染对金盆水库纵向和垂向水质的影响。研究结果表明，洪水期和非洪水期的非点源污染应区别对待，洪水期时非点源污染对金盆水库水质有较大影响，非洪水期时非点源污染对金盆水库水质影响不显著。非点源污染对金盆水库纵向和垂向水质的影响有差异性。金盆水库坝前、库区中游和库区上游水质均受到非点源污染的影响，且这种影响大体相同;水库表层水质对非点源污染较为敏感，库底水质受非点源污染影响较小。
　　(3)结合渭河关中段水文和水质特征，对一维稳态河流水质模型进行了改进，建立了考虑非点源污染影响的渭河关中段改进型一维稳态河流水质模型，并对该模型进行了参数率定和验证。研究结果表明，渭河关中段改进型一维稳态河流水质模型的预测结果与实测水质基本相符。渭河关中段改进型一维稳态河流水质模型可为渭河关中段水质水量响应关系研究提供技术支持。
　　(4)对现状年(2007年)不同频率来水和水期的渭河关中段水质水量响应关系进行了定量化分析研究。研究结果表明，现状年丰、平、枯水期化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)浓度在林家村断面至常兴桥断面相对较小，且优于地表水环境质量标准(V)类水标准。从兴平断面污染物浓度开始升高，兴平断面至咸阳断面污染物浓度增幅较大，后又逐渐增加，至沙王渡断面后污染物浓度开始降低。不同来水频率化学需氧量和氨氮变化规律大体相似，污染物浓度在丰水期时相对较小，在平水期和枯水期污染物浓度较丰水期时增幅较大。
　　(5)对规划水平年(2020年)不同频率来水和水期的渭河关中段水质水量响应关系进行了定量分析研究。研究结果表明，规划水平年丰、平、枯水期化学需氧量浓度在林家村断面至兴平断面较小，且优于地表水环境质量标准(V)类水标准，而后逐渐开始升高，南营断面化学需氧量浓度涨幅较大，至咸阳铁桥断面升至最高，后又逐渐减低;氨氮浓度在林家村断面至兴平断面较小，且优于地表水环境质量标准V类水标准，而后逐渐开始升高，咸阳断面NH3-N浓度增幅较大，至树园断面升至最高。
　　(6)研究了现状年(2007年)枯水期流量经不同方案调控后的渭河关中段水量水质响应关系。包括现状年渭河关中段各断面水质(COD和NH3-N)与枯水期不调控流量、调控后枯水期平均流量、调控后枯水期最小流量、调控后90％基流保证率流量的响应关系。研究结果表明，现状年各断面流量经过调控以后，各断面水质较未调控时水质有所改善，方案一要好于初始方案。
　　(7)研究了规划水平年(2020年)枯水期流量经不同方案调控后的渭河关中段水量水质响应关系。包括规划水平年渭河关中段各断面水质(COD和NH3-N)与枯水期不调控流量、调控后枯水期平均流量、调控后枯水期最小流量、90％基流保证率流量的响应关系。研究结果表明，流量经过调控以后，各断面水质较未调控时水质有所改善，各断面水质从优到劣排序为:方案四、方案三、方案二、方案一、初始方案。
　　(8)提出了一种估算流域非点源污染负荷的新方法—控制断面负荷法，对2007年渭河林家村断面化学需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)污染负荷进行了估算。研究结果表明:1)氨氮月平均点源污染负荷为8.95t，氨氮点源年污染负荷为107.4t;化学需氧量月平均点源污染负荷为402.07t，化学需氧量点源年污染负荷为4824.84t。2)渭河林家村断面全年各月非点源污染排放变化较大，全年氨氮非点源污染负荷为281.55t，占全年排放总量的72.4％;全年化学需氧量非点源污染负荷为10145.11t，占全年排放总量的67.77％。3)在丰、平、枯水期，氨氮非点源污染负荷占全年非点源污染总负荷的比例为82％、9.9％和8.1％，化学需氧量非点源污染负荷占全年非点源污染总负荷的比例为70.5％、22.2％和7.3％。
　　(9)研究了考虑非点源污染影响的渭河关中段规划水平年(2020年)水污染控制规划，根据污染贡献率分配法对渭河关中段规划水平年不同来水频率各河段的点源污染和非点源污染削减量进行了合理分配，P=25％，渭河关中段规划水平年化学需氧量非点源削减量为-32118t，点源削减量为-5889t，氨氮非点源削减量为-1022t，点源削减量为83t;P=50％，渭河关中段规划水平年化学需氧量非点源削减量为-10818t，点源削减量为6682t，氨氮非点源削减量为638t，点源削减量为1703t;P=75％，渭河关中段规划水平年化学需氧量非点源削减量为34214t，点源削减量为30271t，氨氮非点源削减量为3487t，点源削减量为3457t;P=95％，渭河关中段规划水平年化学需氧量非点源削减量为45859t，点源削减量为36225t，氨氮非点源削减量为4114t，点源削减量为3880t。最后，定量分析了渭河关中段水环境改善措施的效果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 相关研究进展

1．2．1 非点源污染模型研究进展

1．2．2 水体水质模型研究进展

1．2．3 河流水质水量响应关系研究进展

1．2．4 河流环境容量研究进展

1．2．5 河流污染控制规划研究进展

1．3 研究内容

1．4 技术路线

2 考虑非点源污染影响的二维纵、垂向水库水质预测研究

2．1 CE-QUAL-W2模型的研究进展

2．2 黑河金盆水库二维水质数学模型

2．2．1 陕西黑河流域概况

2．2．2 黑河金盆水库概述

2．2．3 库区污染源分析

2．2．4 金盆水库水温与水质现状

2．2．5 金盆水库二维水质数学模型

2．3 金盆水库CE-QUAL-W2模型的适用性研究

2．3．1 参数率定

2．3．2 模型验证

2．4 考虑非点源影响的金盆水库水质预测

2．4．1 研究方法

2．4．2 计算结果与分析

2．5 本章小结

3 考虑非点源污染影响的河流水质模型研究

3．1 研究区概况与河段概化

3．1．1 研究区概述

3．1．2 渭河关中段概化图

3．2 改进型一维稳态水质模型适用性研究

3．2．1 改进型一维稳态水质模型

3．2．2 改进型一维稳态河流水质模型参数率定

3．2．3 改进型一维稳态河流水质模型率定结果

3．2．4 改进型一维稳态河流水质模型验证

3．3 本章小结

4 渭河关中段水质水量响应关系研究

4．1 渭河关中段水质水量响应关系计算程序

4．1．1 渭河关中段水质水量响应关系基础资料Access数据库

4．1．2 Visual Basic程序

4．2 渭河关中段现状年和规划水平年的水质水量响应关系研究

4．2．1 现状年(2007年)污染物在不同来水频率下的沿程变化

4．2．2 规划水平年(2020年)污染物在不同来水频率下的沿程变化

4．3 渭河关中段调控后非汛期(枯水期)水质水量响应关系

4．3．1 污染物浓度与现状年枯水期不调控流量响应关系

4．3．2 污染物浓度与规划水平年枯水期不调控流量响应关系

4．3．3 污染物浓度与现状年调控后枯水期平均流量的响应关系

4．3．4 污染物浓度与规划水平年调控后枯水期平均流量的响应关系

4．3．5 污染物浓度与现状年调控后最小流量的响应关系

4．3．6 污染物浓度与规划水平年调控后最小流量的响应关系

4．3．7 污染物浓度与现状年调控后枯水期90％基流保证率流量的响应关系

4．3．8 污染物浓度与规划水平年调控后枯水期90％基流保证率流量响应关系

4．4 规划水平年不同方案调控后水质改善效果

4．4．1 不同调控方案各断面水质达标率

4．4．2 污染物削减20％水质改善效果

4．4．3 污染物削减40％水质改善效果

4．5 本章小结

5 河流控制断面污染负荷估算

5．1 研究方法和思路

5．2 研究结果

5．2．1 2007年渭河林家村断面氨氮污染负荷估算

5．2．2 2007年渭河林家村断面化学需氧量污染负荷估算

5．3 本章小结

6 考虑非点源影响的河流污染控制规划研究

6．1 研究方法和思路

6．1．1 考虑非点源污染影响的河流污染物削减量计算

6．1．2 考虑非点源污染影响的河流污染物削减量分配

6．2 考虑非点源污染影响的渭河关中段水污染控制规划

6．2．1．渭河关中段水环境功能区划分

6．2．2．渭河关中段规划水平年水环境质量分析

6．2．3 考虑非点源污染影响的渭河关中段水污染控制规划研究

6．3 渭河关中段水质改善措施的效果分析

6．3．1 城镇污水处理

6．3．2 工业污染治理

6．3．3 非点源污染治理

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 不足与展望

参考文献

致谢

附录

一、在校学习期间发表的论文

二、在校学习期间参加的科研项目

三、在校学习期间发表的论著