考虑模糊性的长江重庆主城区段突发市政污水主干管破损水污染事故模拟研究

摘要

近年来突发水污染事故频繁发生，严重威胁社会生产和城镇居民生活用水。“山城”重庆因其特殊的地势，主城区沿长江和嘉陵江两岸分布的排水主干管形式多样，一旦发生污水主干管断裂将会引发市政污水直排长江、嘉陵江的突发水污染事故，进而危及下游给水厂取水口处的水质安全。本研究构建基于模糊参数的长江重庆段水动力和水质数学模型，应用所构建的模型，以BOD5、CODMn、NH3-H、TP为特征污染物，针对丰水期、枯水期突发市政污水主干管断裂引发的水质污染过程进行数值模拟，分析突发事故对下游水厂取水口水质的影响。该研究成果可为重庆主城区污水主干管断裂的应急预案优化提供参考，具有重要的意义。本研究的主要内容和成果为　　①建立长江重庆段的水动力和水质模型，对模型参数进行敏感性分析，将敏感参数作为模糊变量，融合三角模糊理论和?-截集方法考虑模型参数的模糊不确定性，结果表明，不同隶属度下参数取值的变化会导致模拟结果出现不同程度的不确定性，当?≥0.9时，研究河段在丰、枯水期水动力模拟的评价指标NSE、R2均大于0.85，水质模拟中各水质指标BOD5、CODMn、NH3-H、TP的NSE、R2均大于0.90，模拟效果较为理想。　　②采用模型参数敏感性分析和不确定性分析率定的最佳参数对长江重庆段进行水动力进行模拟，对季节性流量输入、三峡库区175m试验性蓄水及支流汇入等影响下的河段流速、水位等的模拟结果进行分析，将寸滩水文站的逐日实测水文数据与模拟结果进行对比，结果显示，丰、枯水期水动力模拟的NSE、R2均大于0.95，平均相对误差均小于1%，表明模型和模拟结果合理。　　③应用已构建的水动力和水质耦合模型，分别在不同水文时期、不同事故发生地、不同工况下（污染物持续泄漏24h、48h、72h）进行长江重庆段突发水污染事故模拟，从下游水厂取水口处污染物浓度超地表水Ⅱ类水质标准时间、超标持续时长、断裂污水主干管修复后受污染取水口处水质恢复Ⅱ类水时间及污染物浓度峰值等方面分析对下游水厂取水口处水体的影响。　　④水质模拟结果表明，丰水期因上游来水量大、流速快，污水主干管断裂事故发生后，污染团在较短的时间内到达下游水厂取水口处，并在断裂主干管修复后可快速恢复Ⅱ类水；在枯水期，受上游来水量小、三峡水库175m蓄水影响，流速缓慢，导致污染团迁移较慢，各给水厂取水口处污染物浓度超标时间较丰水期晚，且持续时长及完全修复后水质恢复时间较长。综合分析，枯水期突发水污染事故对下游水体的影响更为严重，建议相关部门针对丰、枯水期不同水文特点，分别制定合适的应急抢险方案。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 水环境模型发展及研究现状

1.2.1 水环境模型发展历程

1.2.2 水环境模拟软件介绍

1.3 水环境模型不确定性研究进展

1.3.1 水环境模型不确定性来源

1.3.2 水环境模型不确定性方法研究

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

2 模型原理及研究区域概况

2.1.1 水动力模型控制方程

2.1.2 水动力模型数值解法

2.2 水质模型及其数值解法

2.3.1 地理位置

2.3.2 自然环境

2.3.3 地形地貌

2.3.4 径流输沙量

2.4 本章小结

3 长江重庆主城区段水动力模拟

3.1.1 主城区河段冲淤变化

3.1.2 研究河道河底地形处理及网格划分

3.2.1 水动力模型边界条件

3.2.2 水动力模型参数率定

3.3.1 涡动粘滞系数敏感性分析

3.3.2 河床糙率敏感性分析

3.4 水动力模型不确定性分析

3.4.1 模糊不确定分析

3.4.2 模拟效果不确定分析

3.5 水动力模型验证

3.6 水动力模拟研究分析

3.7 本章小结

4 突发水污染事故时长江重庆主城区段水质模拟

4.1.1 初始条件设定

4.1.2 参数率定及模型启动

4.2.1 扩散系数敏感性分析

4.2.2 衰减系数敏感性分析

4.3 水质模型不确定性分析

4.4 本章小结

5 长江重庆主城区段不同工况下突发水污染事故模拟

5.1 工况概述

5.2 丰水期突发水污染事故模拟

5.2.1 寸滩码头事故发生地

5.2.2 李子坝事故发生地

5.2.3 九滨路事故发生地

5.2.4 南滨路事故发生地

5.3.1 寸滩码头事故发生地

5.3.2 李子坝事故发生地

5.3.3 九滨路事故发生地

5.3.4 南滨路事故发生地

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢