钱塘江水环境主要污染物通量研究

论文摘要

钱塘江流域水环境质量事关区域社会经济可持续发展,水环境容量的科学、可持续利用对水环境的保护意义重大,对河流进行氨氮和总磷的污染物排放总量的研究,任务迫在眉睫。而总量控制的方案基于一定水环境功能达标要求的通量研究,鉴于水环境容量具有动态变化的特点,开展不同水文情景/情势下的污染物通量研究尤为必要。本文以钱塘江流域为研究对象,综合运用环境评价技术、系统动力学原理、水环境空间建模技术、情景分析方法等对不同水文情景/情势的水环境流场及主要污染物进行模拟。解析了水环境流场的时空演变规律及其过程的动力学原理,探索了人类活动依存的水环境主要污染物通量的时空演化规律与趋势;研发了基于GIS的流域水环境水质污染预报和污染物通量决策支持系统,实现研究成果的可视化。论文主要研究结论如下:（1）钱塘江流场模拟及其对污染物扩散的影响对监测年（2006年）的研究河段进行水文监测,对计算区域流场的模拟和可靠性进行检验。对丰水期2种工况各断面取左、中、右3个点位进行验证,结果表明,流量的误差在27%以下,平均误差在12%左右,流速误差范围在12.2%以下,平均误差在6%左右。上游段兰江出口汇流区,3个时期均在汇流区近上游方向有回流形成,但以丰水期和平水期的影响为显著,枯水期影响相对较弱;下游段浦阳江出口汇流区,在近浦阳江出口范围,发现丰水期和平水期有回流形成,但水体的扰动作用不显著,对浦阳江污染物进入钱塘江的混合作用不明显。（2）钱塘江主要污染物时空变化规律2001年～2005年,钱塘江水系水质状况总体良好,其中Ⅰ～Ⅲ类水断面占50%以上,整个水系近50%的断面水质能满足水域功能要求。监测年氨氮和总磷的时空变化规律和特征:NH3-N浓度随时问的变化在上游段具有明显的规律,按丰水期—平水期—枯水期浓度递增,3个时期均呈现自开始断面至严陵坞断面升高而后降低的态势,尤以富春江河段为明显;TP浓度随时间的变化在钱塘江富春江段以下呈现浓度丰水期高而枯水期浓度低的特点,在空间上的变化无明显规律。（3）钱塘江主要污染物通量情景模拟与时空变化规律解析本研究提出了基于情景分析法（scenario analysis）的污染物通量研究方案,对不同水文情景氨氮、总磷通量进行模拟,分析了污染物允许通量△T的趋势特点、不同水平年的比例特征、不同水文时期的比例特征。特丰年、丰水年、平水年、枯水年、特枯年5种水文情景年,研究区域河段污染物允许通量△T值:NH3-N依次为11544.49t/a、11250.14t/a、10949.23t/a、10627.72t/a、10208.91t/a;TP依次为3701.96t/a、3625.77t/a、3546.37t/a、3455.59t/a、3303.26t/a。本文基于水环境空间数据挖掘与可视化的研究方法与体系,研究中的主要特色与创新点为:①河流污染物通量测算的技术与方法:提出了基于工况测量/水质分析→流场模拟→污染规律解析→通量情景模拟→时空规律分析的研究方案;②钱塘江水环境模拟系列数学模型:建立了钱塘江干流研究区域流场数学模型的控制方程、主要污染物通量模型的联合控制方程、（研究河段）突发污染事故水质预报模型的基本方程;③基于GIS的水质预报与污染物通量决策支持系统的研发:建立水环境时空数据库,基于MapX和C#.net平台进行系统的构建与开发,为研究的系列成果提供可视化的查询、决策与图形输出。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与论文选题
• 1.1.1 研究背景和意义
• 1.1.2 论文选题与课题来源
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 水资源承载力与水环境容量研究
• 1.2.2 物质通量与污染物通量
• 1.2.3 水环境数学模型
• 1.2.4 水信息与水环境空间数据挖掘
• 1.3 研究方法与内容
• 1.3.1 研究目的与方法
• 1.3.2 技术路线与研究内容
• 第二章 河流污染物通量及水环境测量的技术与方法
• 2.1 水环境容量与污染物通量的关系及钱塘江流域水环境容量
• 2.1.1 水环境容量的内涵
• 2.1.2 水环境污染物通量的内涵及其与水环境容量的关系
• 2.1.3 钱塘江流域水环境容量研究的方法
• 2.2 河流污染物通量计算方法
• 2.2.1 常用的河流污染物通量估算方法
• 2.2.2 本文的河流污染物通量测算原理与方法
• 2.3 河流水环境测量的技术与方法
• 2.3.1 水环境测量的材料与方法
• 2.3.2 基于ADCP的流量/流速测量与数据处理
• 2.3.3 氨氮的水质测定方法
• 2.3.4 总磷的水质测定方法
• 第三章 钱塘江水环境模拟数学模型
• 3.1 钱塘江流场模型
• 3.1.1 模型的控制方程
• 3.1.2 模型的定解条件
• 3.1.3 模型的计算方法
• 3.1.4 模型的稳定性条件
• 3.2 钱塘江污染物通量模型
• 3.2.1 通量模型基础
• 3.2.2 通量模型的控制方程及解法
• 3.2.3 关键参数的处理
• 3.2.4 模型的参数取值和定解条件
• 3.3 钱塘江污染物预报模型
• 3.3.1 预报模型的选择及原因
• 3.3.2 模型的基本方程
• 3.3.3 模型的定解条件及解法
• 第四章 钱塘江不同工况下流场工况测量与模拟
• 4.1 钱塘江流域概况
• 4.1.1 自然环境概况
• 4.1.2 社会环境概况
• 4.1.3 水文概况
• 4.2 流场测量与监测数据获取
• 4.2.1 测量断面布设
• 4.2.2 测量断面情况与测量数据
• 4.3 不同工况流场的模拟
• 4.3.1 计算区域及其网格划分
• 4.3.2 初始条件与参数设置
• 4.3.3 流场的验证
• 4.4 流场模拟结果及其对污染物扩散的影响分析
• 4.4.1 上游段流场模拟结果与分析
• 4.4.2 兰江口汇流区模拟结果与分析
• 4.4.3 下游段流场模拟结果与分析
• 4.4.4 浦阳江口汇流区模拟结果与分析
• 4.4.5 汇流区流场变化对污染的重要作用
• 第五章 钱塘江主要污染物时空变化规律与通量模拟
• 5.1 钱塘江流域水质概况
• 5.1.1 研究区域水环境污染调查
• 5.1.2 水环境监测的指标与标准
• 5.1.3 流域水质评价结果
• 5.2 氨氮、总磷浓度时空变化规律解析
• 5.2.1 项目监测年不同时期水质监测数据
• 5.2.2 上游段时空变化规律解析
• 5.2.3 下游段时空变化规律解析
• 5.2.4 氨氮、总磷浓度的时空变化特征
• 5.3 通量模拟的水环境与水文概况分析
• 5.3.1 研究区域水环境功能区概况
• 5.3.2 通量模拟的水文情景概况
• 5.4 不同水文情景氨氮、总磷通量模拟与分析
• 5.4.1 氨氮通量达标预测与分析
• 5.4.2 总磷通量达标预测与分析
• ※第五章 附表部分
• 第六章 基于GIS的水质预报与污染物通量决策支持系统
• 6.1 系统基本情况
• 6.1.1 系统河流分段情况
• 6.1.2 基于MapX和C#.net的系统开发
• 6.1.3 系统数据库的结构与特点
• 6.1.4 系统的功能与技术特点
• 6.2 水环境模拟数学模型及通量决策的GIS集成
• 6.2.1 水质预报模型与GIS集成
• 6.2.2 污染物通量决策与GIS集成
• 6.3 系统功能操作与案例应用
• 6.3.1 系统主界面与功能模块
• 6.3.2 环境水质污染预报应用
• 6.3.3 污染物通量决策支持应用
• 第七章 结论与建议
• 7.1 主要结论
• 7.2 本文特色与创新之处
• 7.3 进一步研究的建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文及参与科研情况
• 致谢