北方河流冰封期水质特征及模拟方法研究

论文摘要

河流封冻是我国北方地区常见的一种自然现象。河流封冻后，冰盖的阻隔作用和阻碍作用使得水体的水质特征、流速结构及混合特性发生改变，同时，亦使水质指标的长距离输移扩散特征发生变化。论文分析了冰封河流的污染来源和水质特征，解析了冰封河流控制性污染指标确定问题的层次结构，在此基础上提出了冰封河流控制性污染指标确定的改进层次分析法（IAHP）。IAHP方法的层间权重系数计算客观唯一，评价结果不受未超标水质指标参与的影响，且能很好地反映水质实测资料的特征，因此可以用来进行冰封河流控制性污染指标的确定。论文在概化的抛物线型断面型态的基础上，结合描述冰封河流垂向流速分布的双对数流速分布律，建立了全断面的流速分布，并在此基础上对冰封河流的纵向离散特性进行分析。结果显示，流速垂向分布不均引起的纵向离散和横向分布不均引起的纵向离散均与平均水深、水力坡降和糙率有关。此外，论文还推导出了宽浅型冰封天然河道纵向离散系数的计算公式，提出了基于断面型态和流量资料的冰封河流纵向离散系数的计算方法。论文根据冰封河流的阻力特征和水流特性建立了适用于冰封河流的高精度水流-水质模型。水流模型采用具空间二阶精度的Preissmann格式进行离散；水质模型则在具空间四阶精度的Holly-Preissmann格式的基础上进行离散。针对河流冰封期流量小，流速梯度大所导致的传统Holly-Preissmann格式精度不匹配问题，改进了流速梯度项的离散格式，提高了水质模型对冰封河流的适应能力。论文所提出的分析方法和模拟技术在牡丹江得到实践，揭示了城市江段冰封期的水质特征和混合特性。在此基础上，分析了点源污染减排、排污口布置、背景浓度控制及上游来流量调节等措施对牡丹江城市江段水质特征的影响，并探讨了以石岩电站和三间房电站为代表的径流式电站在冰封期日内间歇性运行的影响。研究表明，石岩电站日内间歇性的运行方式会引起牡丹江城市江段水质指标的波动，而减少运行机组的数量可使波动程度减小，合理调节电站来流量亦可使水质指标的平均值和瞬时值得到改善；三间房电站建成后对牡丹江城市江段水质的影响将更大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 封冻河流污染特征研究进展
• 1.2.1 冰封河流水质研究现状
• 1.2.2 控制性污染指标确定方法
• 1.3 封冻河流流速分布研究进展
• 1.3.1 室内试验法
• 1.3.2 数值模拟法
• 1.3.3 经验公式法
• 1.3.4 小结
• 1.4 封冻河流混合能力研究进展
• 1.4.1 垂向扩散
• 1.4.2 横向混合
• 1.4.3 纵向离散
• 1.5 冰封河流模型方法研究进展
• 1.5.1 糙率系数
• 1.5.2 数值离散方法
• 1.6 论文的研究思路及主要内容
• 第2章 冰封河流控制性污染指标的确定
• 2.1 冰封河流水环境特征分析
• 2.1.1 冰封河流水文特性分析
• 2.1.2 冰封河流污染来源分析
• 2.1.3 冰封河流水质特征分析
• 2.2 冰封河流控制性污染指标确定的问题解析
• 2.3 经典层次分析法概述及分析思路
• 2.4 冰封河流控制性污染指标确定的改进层次分析法（IAHP）
• 2.4.1 IAHP 层次拓扑结构分析
• 2.4.2 IAHP 层次间权重系数确定
• 2.4.3 IAHP 总权重系数确定
• 2.4.4 IAHP 方法的应用与验证
• 2.5 冰封河流控制性污染指标确定的 IAHP 分析
• 2.5.1 IAHP 与参评水质指标
• 2.5.2 IAHP 与层次间权重系数
• 2.6 小结
• 第3章 冰封河流纵向离散特性研究
• 3.1 冰盖对流速分布的影响
• 3.2 冰封河流断面流速分布
• 3.2.1 冰封天然河道断面型态概化
• 3.2.2 冰封天然河道断面流速分布
• 3.3 冰封河流垂向流速分布不均产生的纵向离散
• 3.3.1 垂向流速分布
• 3.3.2 垂向紊动扩散系数
• 3.3.3 流速垂向分布不均引起的纵向离散特性
• 3.4 冰封河流横向流速分布不均产生的纵向离散
• 3.4.1 横向流速分布
• 3.4.2 横向混合系数
• 3.4.3 流速横向分布不均引起的纵向离散特性
• 3.5 冰封天然宽浅河流纵向离散系数取值原则与计算方法
• 3.5.1 冰封宽浅河流纵向离散系数取值方法分析
• 3.5.2 冰封宽浅河流纵向离散系数取值方法验证
• 3.5.3 冰封宽浅河流纵向离散系数计算公式推导
• 3.5.4 基于断面型态的冰封宽浅河流纵向离散系数计算方法
• 3.6 小结
• 第4章 冰封河流高精度一维水流-水质模型
• 4.1 冰封河流一维水流模型
• 4.1.1 控制方程及定解条件
• 4.1.2 冰封河道阻力项计算
• 4.1.3 离散方法选择
• 4.1.4 离散方程组的求解
• 4.2 冰封河流一维水质模型
• 4.2.1 控制方程
• 4.2.2 离散方法
• 4.2.3 冰封河流速度梯度项离散方法的改进
• 4.2.4 冰封河流改进模型的验证
• 4.3 小结
• 第5章 牡丹江城市江段冰封期水质特征模拟分析
• 5.1 牡丹江城市江段概况及模拟范围确定
• 5.2 牡丹江城市江段冰封期控制性污染指标分析
• 5.2.1 牡丹江城市江段冰封期水质超标状况
• 5.2.2 2000-2010 年冰封期控制性污染指标分析
• 5.3 牡丹江城市江段冰封期综合糙率计算
• 5.4 牡丹江城市江段河道特征及冰封期纵向离散特性
• 5.5 牡丹江城市江段冰封期水质模型的验证
• 5.6 牡丹江城市江段冰封期水质特征与改善措施分析
• 5.6.1 点源污染减排
• 5.6.2 排污口布置调整
• 5.6.3 背景浓度降低
• 5.6.4 河道流量调节
• 5.6.5 水质改善措施分析
• 5.7 小结
• 第6章 径流式电站冰封期内日运行的水质影响
• 6.1 牡丹江中游江段电站概况
• 6.1.1 石岩电站
• 6.1.2 三间房电站
• 6.1.3 镜泊湖电站
• 6.2 石岩电站冰封期日内间歇性运行对下游水质的影响分析
• 6.3 石岩电站不同日内间歇性运行模式探讨
• 6.3.1 机组运行数量影响
• 6.3.2 蓄水期下泄流量影响
• 6.3.3 电站来流量影响
• 6.4 三间房电站冰封期运行水质影响预测
• 6.5 基于下游江段水质保护的径流式电站冰封期运行方式分析
• 6.6 小结
• 第7章 总结和展望
• 7.1 论文主要成果与结论
• 7.2 论文主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果