三峡水库水质模型
三峡库区水质及影响因素的典型相关分析
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三峡工程对库区水流水质影响预测
三峡工程对库区水流水质影响预测摘要：利用开发的三峡水库整体一维水流水质数学模型，对三峡水库建成前后的水流水质变化趋势进行预测分析。
重点介绍三峡工程建成后，库区水流条件巨大变化对污染物输移转化特性和水质分布的影响。
预测结果表明，三峡工程建成后，三斗坪水位175m条件下，回水区断面平均流速比建库前减小4倍左右，平均有机污染物自净降解速率和大气复氧速率比天然河道状况减小1倍。
由于污染物在库区滞留时间成倍延长，有机污染物排入水库后的自净降解总量较天然河道状况增大，因而，建库后回水区内断面平均有机污染物浓度较天然河道状况明显下降，但是，断面平均溶解氧浓度与天然河道状况相比也明显降低，对于守恒类污染物，建库前后水质变化不大。
因此，三峡工程对库区水质影响有利也有弊。
关键词：三峡工程水库水流三峡工程作为人类治理和开发长江的关键性骨干工程，水库蓄水以后，库区水质如何变化一直成为国内外广泛关注的问题。
尽管在三峡工程项目环境影响评价论证阶段，国内外专家已对三峡工程本身带来的环境问题进行了详细的调查、分析与研究，取得了丰富的研究成果，但是，由于受多种复杂因素的影响，迄今为止，有关三峡工程对未来库区水质状况的影响程度，尚没有一个十分明确及定量化的结论[1].随着计算机技术的飞速发展，数学模型已成为河流水文水质预测预报的重要工具。
本文利用作者开发研制的三峡水库整体一维水流水质数学模型，定量预测水库建成前后，库区断面平均水流水质变化趋势，重点分析研究三峡工程对库区水流水质的影响程度，为三峡水库水污染控制对策的制定提供科学依据。
1 研究概述1.1 研究重点三峡水库建成以后对库区江段影响最直接、最显著的是库区河道形态和水流结构将发生很大变化，由此将改变库区污染物质输移转化过程，进而必将引起库区水质变化。
因此，要了解三峡水库建成前后水质变化趋势，关键是了解水流条件的巨大变化对库区水质的影响程度。
1.2 研究范围三峡水库库容随上游来水条件、水库蓄水位的变化而变化，将三峡整个库区江段及其延伸段作为对象体，研究范围包括长江干流和汇入流量占支流总流量90％的两条重要支流嘉陵江和乌江。
三峡大坝施工期水环境三维数值预测方法
＝ 一
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பைடு நூலகம்“
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式 （） 连 续 方 程 ， （ ）～（ ） 动 量 方 程 。式 中 “ 、 分 别 为 、 Ｙ、 方 向 的 流 速 分 量 ； １为 式 ２ ４为 、 Ｐ 为动 水 压强 ；ｌ 水 的 密 度 ； ） 紊 动 粘 性 系 数 ０为 ，
维普资讯
４ ８ ２
水
科
学
进
展
第 １ ３卷
式 中 Ｋ为 紊 动 动 能 ；ｅ为紊 动 动 能 耗 散 率 ；
动 能 的 控 制 方 程 为
：００ ， Ｋ、ｅ采 用 Ｋ—ｅ模 型 求 解 。其 中紊 动 ．９
瓦＋ ＋ ＋ Ｏ『 Ｋ （瓦 一 【 瓦＋筹＋篝＋瓦＝ ＼ Ｋ （Ｏ ＋ ＩＯ ＋ ｅ （ Ｏ ｕ （ ） 责 ） Ｋ Ｋ“ Ｏ ＋ 一 ＼ ＂ ｋ Ｊ 瓦 ６ ） ）
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１ ２ 边 界 条 件 ．
（） 人 流 边 界 Ｉ１ 水 流 边 界采 用 第 一 类 边 界 条 件 ： ｕｌ ＝ｕ ｌ ＝Ｖ ， ｌ ＝ １ １ 几 ， 几 ｍ 几 物 浓 度 ，由水 质 监 测 资 料 插 补 分 析 得 到 。
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ｌ ： ，￡ｌ ＝￡ 几 ｎ ；水 质 边 界 采 用 第 一 类 边 界 条 件 ： ｃｌ ＝ Ｃ ， Ｃ 几 ａ 为 进 Ｉ断 面 各 节 点 污 染 Ｚ ｌ
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譬
（ ５ ）
收 稿 日期 ：２０ —４ １ ；修 订 日期 ：２０ — ７０ ０１０—３ ０ １０ — ２
三峡库区水质及影响因素的典型相关分析
三峡库区水质及影响因素的典型相关分析三峡库区水质及影响因素的典型相关分析引言：水是人类生存和发展的基本需求之一，水质的好坏直接关系到人类的健康和生活质量。
而随着社会经济的发展和人口的增加，人类对水资源的需求也越来越大。
然而，水资源却面临着日益严重的污染问题。
为了保护水资源，科学研究人员对水质进行相关分析，以了解水质与各种因素之间的关系，进而制定相应的保护措施。
本文将以三峡库区为例，进行水质及影响因素的典型相关分析。
一、三峡库区的特点三峡库区位于长江上游，拥有丰富的水资源。
这个地区的水资源对于上游和下游地区的农业、工业和居民生活都起到了重要的支撑作用。
然而，随着三峡大坝的建设和库区的形成，水质问题也逐渐凸显出来。
在水质方面，三峡库区面临的主要问题包括水中重金属、有机污染物和营养物质的超标以及水中微生物的污染等。
二、三峡库区水质的相关分析水质的相关分析是一种常用的研究方法，通过该方法可以揭示水质与各种影响因素之间的关系。
在三峡库区的水质相关分析中，主要涉及以下几个方面的因素：1.水体自身特性：水体的pH值、水温、溶解氧、浊度等参数会影响水质。
通过相关分析可以了解水体自身特性与水质的关系。
例如，研究发现三峡库区水温与水中微生物污染有一定的相关性，水温较高时容易导致微生物数量的增加。
2.人类活动：人类活动是水质变化的主要原因之一。
三峡库区周边居民的农业、工业和生活废水排放都会对水质产生影响。
通过相关分析可以了解这些人类活动对水质的影响程度。
例如，研究发现三峡库区农业面源污染是导致水体养分过高的主要原因之一。
3.气候因素：气候因素对水质的影响也是不可忽视的。
降雨量的增加会导致水中营养物质的增加，从而影响水质。
通过相关分析可以了解气候因素对水质的影响程度。
例如，研究发现三峡库区降雨量与水体营养物质含量呈正相关关系。
4.生态因素：三峡库区的生态系统是维持水质稳定的重要因素之一。
生态系统的破坏会导致水质的恶化。
三峡库区典型支流水质模型及其参数敏感性分析
第48卷第16期2 0 1 7年8月人民长江Yangtze RiverVol.48,No. 16Aug. ,2017文章编号：1001 -4179(2017)16 -0019-06三峡库区典型支流水质模型及其参数敏感性分析李亚军1，程瑶12，王雨永2(1.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸056001;2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京10038)摘要：参数敏感性分析旨在确定水质模塑中各参数对模塑精度的影响，在利用水质模塑分析时，可根据参数的敏感性精简模塑中的大量参数。
以三峡库区支流草堂河为例，建立相应生态动力学模塑，并对模塑结果进行验证，再进一步采用扰动分析法对模型中26个参数的敏感性进行了计算分析。
研究结果表明：生化参数中浮游植物的最大生长率（R0)、适应温度下限（T1)、死亡线性系数（R D IE1)、光照最低值（I O P T)、消光系数(K C)、遮光系数（K W)及磷酸盐半饱和系数（K P04)是敏感性最高的参数，其他参数敏感性相对较低；对同一参数而言，其敏感性亦会随季节改变发生变化，其敏感性一般在冬春季较低，夏秋季较高。
关键词：水体环境学；水质模型；敏感性分析；生化参数；草堂河；三峡库区中图法分类号：X52 文献标志码：A D O I:10.16232/j.c n k i. 1001 -4179.2017.16.005在过去几十年里，人类的强烈活动导致湖泊和河 流变得更加富营养化[1]，建立水质模型是研究富营养 化问题的有效手段之一，其目的主要是从生态角度研 究水质问题，为解决水质问题提供参考方案[2]。
在目 前的水质模型研究当中，研究者建立了 WASP、EFDC、D e l3D-EC0和PCLake等具有众多参数的复杂水质 模型，但是决定模型精度的往往是对模型输出结果有 较大影响的部分参数[3]。
因此，对生态模型中的参数 进行敏感性分析，确定众多参数对模型输出结果的影 响，可以有效提高模型模拟精度，并方便进一步解析水 体富营养化的关键控制因素。
三峡库区水环境模型系统构建
域水 资源 和水环 境 联合 协 调 管 理 的理 念 ， 才 能 有 效 地
抑制 水环境 恶化 的趋 势 。 流域水 环境 模 型是通 过对整 个 流域 系统及 其 内部 发生 的复 杂污染 过程 进 行 定 量 化描 述 ， 来 识 别 污 染 物 主要来 源 和迁移 途径 的 ， 是 研 究 流 域水 环 境 问题 的 重
三 峡 库 区水 环 境 模 型 系 统 构 建
夏晶 晶 ， 张万 顺 ， 王永桂 ， 蔡 锋 ， 袁 云 霏 ， 万 晶 ， 彭 枫２
（ １ ． 武汉大学 资源与环境科学学院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ９； ２ ． 重 庆 市 环 境 科 学研 究院 ， 重庆 ４ ０ １ １ ４ ７ ）
术 支撑 ， 该系 统在 三峡 库 区得到 了成 功应用 。
面需求 为导 向的专业 化 模 型 ， 难 以综 合 描 述 整 个 区 域 或流域 的各 项水 量转 化 ， 而 宏 观 性模 型 又 缺 乏 水 动力 机理 ， 不能准 确反 映水 体 时 空变 化 过 程 。单 一 的专 业 模 型 以预定 边界 条件 考 虑 其他 相 关 模 块 ， 割 裂 了水 体 中存在 的 内在 联 系 ， 不 能 准 确 模 拟 实 际 水 环 境 。 。 所 以能 反 映宏 观 物理过 程并 满足 实际需 求 的模拟 技术 是 研究 水环境 问 题 的必 然 发 展趋 势 。同 时 ， 高 速发 展
型、 水 生态 模 型 以及 突 发 事 件 的水 环 境 数 值 模 型 ］ ，
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６—１ ０— ０ ８
作者简介 ： 夏晶晶 ， 女， 博 士研 究 生 ， 主要从事环境规划与管理 、 流 域 水 环境 管 理 系统 、 环 境 水 力 学等 方 面 的研 究 。Ｅ—ｍ ａ ｉ ｌ ： ｃ ｒ ｙ ｓ —
三峡水库水环境容量计算
三峡水库水环境容量计算内容摘要：摘要：本文分析了三峡库区的污染状况，提出了三峡水库环境容量的计算原则、设计水文条件和水质保护目标。
利用建立的三峡水库一维水流水质数学模型、库区排污口混合区平面二维和水平分层的三维紊流模型，计算了三峡水库建库前后CODMn和NH3-N总体环境和岸边环境容量及其沿江分配。
根据岸边环境容量计算结果，提出了三峡水库污染混合区的控制标准。
同时，推荐了三峡水库水环境容量的综合方案。
关键词：三峡水库水质模型污染混合区水环境容量环境容量是环境科学的一个基本理论问题，也是环境管理中的一个重要的实际应用问题。
在实践中，环境容量是环境目标管理的基本依据，是环境规划的主要约束条件，也是污染物总量控制的关键技术支持[1,2]。
从环境管理、监测与监督的角度出发，水环境容量是指水体在设计水文条件和规定的环境目标下所能容纳的最大污染物量[4,3]。
由于长江流量大，水流、地形十分复杂，加上三峡工程修建后水文情势发生较大变化。
三峡工程建成后，对库区水质的影响一直是公众十分关心的问题。
由于过去在这方面缺乏深入、全面的研究，对水环境容量的影响一直是众说纷纭。
因此，在制定三峡库区的水污染防治规划时，往往缺乏完整的水环境容量科学依据。
至今为止，尚未对三峡工程建成前、后水环境容量展开深入的研究[4,5]。
计算三峡水库水环境容量，已成为三峡水库水污染控制、水环境管理与规划过程中迫切需要解决的关键性问题。
本文以三峡水库已经开展的一系列水环境保护研究成果为基础，根据库区水体水功能区划和水质保护目标，拟定水环境容量计算设计方案，研究三峡水库水环境容量及其沿江分配，为有效控制水体污染，促进三峡库区水环境与社会经济的协调发展提供科学合理的依据。
1三峡库区水环境状况1.1库区江段污染源现状，库区各类污染源进入长江的CODCr81.9万t，BOD515.1万t，NH3-N1.6万t，TN13.9万t，TP0.9万t，Oil462t，Φ-OH(酚)112t，TCu3.5t，TCr3.8t。
三峡库区次级河流河口回水变动区回水时段水质模型
图 2 狭长水库
文参数对 K1 进行估算 [ 6 ] ,求得每年的 K1 平均值 ,然后采用 K1 - V 坐标曲线估算 2005年的 K1 平均值 ,校 正模型的可靠性 。
4. 1 水质模型参数的估值
(1) 澎溪河水质监测断面及水文参数 。澎溪河河口段有两个水质监测断面 ,分别是双江大桥监测断
面和入江口处监测断面 ,距离约 3. 5 km。根据澎溪河水文站 2002 - 2005年的水文参数 ,计算澎溪河河口
1 回水变动区的定义
当三峡水库蓄水位为水库最低水位 ,即防洪限制水位为 145 m 时 ,从大坝前缘到 145 m 水位水面线的 回水末端 ,叫做常年回水区 ;当三峡水库蓄水位为正常蓄水位 175 m ,上游来水为 5 a一遇时 ,其回水末端 为水库的终点也即水库的长度 。从常年回水区末端至水库的终点 ,称回水变动区 [1 ] 。同理可知次级河流 河口的回水变动区 (图 1) 。
房蓓蓓 , 郑旭煦 , 余成洲 , 於 煌
(重庆工商大学 环境与生物工程学院 ,重庆 400067)
摘 要 :根据三峡库区次级河流“回水变动区 ”的定义 ,以及云阳县澎溪河河口近年来的水 文特征及水质现状 ,采用狭长湖库移流衰减模型模拟澎溪河河口回水变动区回水时段的水质 , 确定模型参数 K1 ,计算了 2005 年污染物浓度值 。结果显示 : 计算值与实测值的相对误差在
三峡水库回水变动区水流、水质演变数值模拟研究
提 供城 镇生 活用 水 、工农 业生 产用 水 的同 时也接 纳 了城镇
生 活污水 、工 业废 水和农 业 面源废 水 。 重 庆市 是 中 国最 大 的工业 城市 之 一 ，位 于三 峡水 库 回
质量守恒， 通过单元网格的质量通量采用有限体积法计算。
模 型 基 于二 维 雷诺 数 平 均 （ Ｒ ｅ ｙ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ — ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ ｄ ）的纳 维 斯 托 克斯 （ Ｎ ． Ｓ ）方程 ，应用 布辛 涅斯 克 （ Ｂ ｏ ｕ ｓ ｓ ｉ ｎ ｅ ｓ ｑ ）近似
在得 到水 流 流场 ，包括 水位 、 流速 、 涡粘 系数 等 后 ，
结果用实测水文资料进行了标定和验证。
通过数值化解求污染物输移方程得到水体中污染物质 的浓
度分 布 。
ｌ 模型简介
Ｃ Ｃ Ｈ Ｅ ２ Ｄ是一 个二 维 深度平 均模 型，可 用于 模拟 不规
模型用假定的水深、流速恒定的一维河流中的非保守
１ ７ ５ １ Ｔ Ｉ 和从 三峡 １ ７ ５ １ １ １ 水位 下 降至天 然河 流 ２种状 态下 回水变 动 区的水流 、水 质演 变过程 ； 模 拟 了长 江 、嘉陵 江沿岸 有 ３ ０
三峡库区次级河流水质的模糊综合评价——以临江河为例
第 ４期 （ 第 １３期 ） 总 ９
２ｌ Ｏ １年 ７月
三
峡
Ｖｏ ． ３ Ｎｏ ４ Ｓ ｍ． ． ９ ） １３ ． （ ｕ Ｎｏ １ ３
Ｅｎ ｒ ｖｉｏｎｍ ｅ ｎｄ Ｅｃ ｏｇ ｎ ｔ ｎｔａ ｏｌ ｙ ｉ ｈｅ Ｔｈｒ ｅ Ｇｏｒ ｓ ｅ ｇｅ
ＬＶ ｎ —ｅ ｇ Ｑｉ ｇ ｆｎ ，ＬＵＯ — ｕ ｎ Ｇｕ ｙ ａ ，ＬＩ Ｚ— ａ Ｕ ｉ ｎ ｙ
（ ｙ Ｌ ｂ ｒ ｔ ｒ ｆｔ ｅ Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｒ ｏｒＲｅ ｉ ｎＳ Ｅ ｏ Ｅ ｖ ｒ ｎ ｎ ；Ｍ ｉ ｓ ｒ ｆＥｄ ｃ ｔｏ Ｋｅ ａ ｏ ａ ｏ ｙ ｏ ｈ ｒ ｅ Ｇｏ ｇ ｓＲｅ ｅ ｖ ｉ ｇ ｏ ’ ｃ － ｎ ｉ ｍｅ ｔ ｏ ｉ ｙ ｎ ｔ ｏ ｕ ａ ｉｎ；Ｃｈ ｎ ｑｎ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｏｇｉ ｇ ｉ ｅ ｓ ｙ；Ｃ ｏ ｇ ｉ ｇ ４ ０ ４ ｔ ｈ ｎ ｑｎ ０ ０ ５；Ｃｈｍ ） ；
ｂ ｎｉｎ ｖ ｒ ｔａ ａｙ ｅ ｈ ｉ ａ ｔｒ ａ ｓｎ ｔｒｑ ａｉｙｄ ｔｒｏ ａｉｎ ｏ ｈ ｎｉｎ ｖ ｒａ ｄ ｓ ｌｃｓ ｙ Ｌｉｊ ｇ Ｒｉｅ ，ｉ ｎ ｌｚ ｓｔ ｅｍａｎｆ ｃｏ ｓｃｕ ｉｇ ｗａ ｅ ｕ ｌ ｅｅｉｒ ｔ ｆｔ ｅＬｉｊａ ｇ Ｒｉｅ ｎ ｅｅ ｔ ａ ｔ ｏ
ａｌｆ ｅｓｃｉｎ ｅｏ ｇｔ ｈ ｌｓ— ｗａｅ ｕ ｌ ｙａ ｄｔ ｅｗａｅ ｏｌｔ ｎｉ ｖ ｒ ｅ ｉｕ ．Ｔｈｓｐ ｐ ｒａｓ ｕｓｆｒ ｌ ｉ ｅ ｔ ｓｂ ｌｎ ｏｔ ｅｃａ ｓＶ ｔｒｑ ａｉ ｎ ｈ ｔｒｐ ｌ ｉ ｅｙｓ ｒｏ ｓ ｖ ｏ ｔ ｕ ｏ ｓ ｉ ａ ｅ ｌｏｐ ｔ ｏ —
量研 究 水质 的有 效方 法［ 。本文 利用 基于 模糊 数学 ４ ］ 理论 的模 糊综 合 评价 法作 为库 区次 级河 流临 江河 的
三峡库区氮、磷面源污染负荷模拟及水质评价
三峡库区氮、磷面源污染负荷模拟及水质评价一、本文概述本文旨在深入研究和探讨三峡库区氮、磷面源污染负荷的模拟及其水质评价。
三峡库区作为中国重要的水电枢纽和生态环境敏感区，其水质状况直接关系到库区生态安全及下游地区的水资源利用。
氮、磷作为水体富营养化的主要营养元素，其过量排放已成为库区水质恶化的重要原因。
对三峡库区氮、磷面源污染负荷进行准确模拟和科学评价，对于制定合理的污染防治措施、保障库区水环境安全具有重要的理论和实践意义。
本文首先回顾了国内外关于面源污染负荷模拟和水质评价的研究现状，分析了当前研究中存在的问题和不足。
在此基础上，结合三峡库区的实际情况，建立了氮、磷面源污染负荷的模拟模型，并对模型的参数进行了校准和验证。
采用多种水质评价方法，对库区水质进行了全面、系统的评价。
通过对三峡库区氮、磷面源污染负荷的模拟和水质评价，本文揭示了库区氮、磷污染的空间分布特征、污染来源及主要影响因素，为库区水环境管理和污染防治提供了科学依据。
本文也为类似地区的水质评价和污染防治提供了参考和借鉴。
二、三峡库区氮、磷面源污染负荷模拟三峡库区作为中国重要的水资源储备区，其水质状况直接关系到长江中下游地区乃至全国的生态安全和经济发展。
氮、磷作为水体富营养化的主要诱发因子，其面源污染负荷的模拟与评估对于三峡库区的水质管理具有重要意义。
为了科学、准确地模拟三峡库区氮、磷面源污染负荷，本研究采用了先进的流域模型，结合库区实际地理、气候、土地利用等数据，构建了精细化的面源污染负荷模拟系统。
该系统能够综合考虑降雨径流、土地利用、农业活动、畜禽养殖等多种因素，对库区内的氮、磷面源污染负荷进行动态模拟。
在模拟过程中，我们采用了多种数据处理技术和分析方法，如空间插值、回归分析、敏感性分析等，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
同时，我们还充分考虑了库区内的社会经济因素，如人口分布、农业产业结构等，以确保模拟结果能够真实反映库区的实际情况。
水质模型在三峡库区中的应用研究进展概述
水质模型在三峡库区中的应用研究进展概述三峡水库部分支流富营养化及水华现象备受关注，水质模型对于其水环境的模拟已成为研究热点。
文章阐述了机理性水质模型在三峡水库中的具体研究现状，在模型空间分布上介绍了三类用于三峡水库干支流的水质模型。
标签：水质模型；三峡库区；富营养化三峡水库蓄水运行以来，其水库支流回水区的富营养化和水华已成为当前三峡库区备受关注的生态环境问题之一[1]，多数支流库湾每年均爆发不同水平的水华情势[2]。
鉴于原型观测研究三峡水库水域水环境问题，国内外学者对其做了很多研究，但三峡水库区域面积之大，对于数据的的广泛收集（即空间的连续性和时间上的同步性）难度较大。
为探究三峡水库干支流水环境的科学问题，水质模型作为污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述，能够模拟水体内部因子变化规律，对水体中的污染物进行定性定量的分析，可以有效地弥补原型观测的不足。
水质模型可分为机理性和非机理性水质模型，文章将阐述机理性水质模型在三峡水库中水环境问题的模拟研究情况。
1 机理性水质模型的研究发展自1925年，第一个一维氧平衡河流水质模型出现以来，经过几十年的发展，水质模型从初期的BOD-DO的双线性一维稳态系统模型，继续研究发展BOD-DO模型的多位参数估值问题至六个线性系统，到中期非线性系统模型，至现在发展到多种相互作用系统，并且有毒物质也加入相互作用中。
2 几类主要的水质模型2.1 一维水质模型一维水质模型只考虑河流参数沿纵向发生变化。
李锦秀[3]将三峡库区整体作为研究对象，建立一维非恒定水质模型。
该模型以BOD、DO为例，通过理论及实测资料，确定主要水质参数与水流条件的关系式，并通过四点隐格式有限差分法进行数值求解，最后与实测资料对比，具有较高的精度。
由于三峡水库主要环境问题多出现在其支流库湾，一维水质模型将不能满足库区干支流水环境的问题分析。
2.2 二维水质模型二维水质模型考虑纵向和横向，或纵向和垂向尺度。
基于粗糙集与粗糙元神经网络的三峡库区水质评价模型_李伟湋
第28卷第5期 计算机应用与软件Vo l 128No .52011年5月 Co m puter App lications and So ft w are M ay 2011基于粗糙集与粗糙元神经网络的三峡库区水质评价模型李伟湋(南京航空航天大学高新技术研究院 江苏南京210016)(南京航空航天大学信息科学与技术学院 江苏南京210016)收稿日期:2010-01-16。
李伟湋,博士生,主研领域:数据挖掘,粗糙集理论。
摘 要 粗糙集和粗糙元神经网络相结合进行三峡库区水质评价。
针对评价因子较多,通过粗糙集进行数据预处理,降低模型的复杂性。
对于库区数据非精确值或范围值时,采用粗糙元神经网络建立评价模型,提高了系统的正确性和可理解性,并将其应用在三峡库区水环境安全系统中。
关键词 粗糙集 粗糙元神经网络 水质评价WATER QUALI TY EVALUATI ON MODEL FOR THREE GORGES RES ERVO I R AREABASED ON ROUGH SET AND ROUGHNESS ELE M ENT NEURAL NET WORKLiW e i w ei(Acad e m y of Fron tie r S cie n ce ,Nanjing University of A eronau tics and A st ronautics ,N an ji ng 210016,Jiang su,Ch i na )(C oll ege of Infor m a ti on Sc i ence and T e chnolo gy,Nanjing University of A eronau tics and A st ronautics ,Nan ji ng 210016,Ji ang s u,Ch i na )Ab stract R ough set me t hod and roughness ele m ent neura l ne t w ork are co m b i ned for eva l uati ng w ater qua lit y a i m i ng at t he eva l uation i ssuei n T hree G orges R ese rvo ir A rea .In li ght of the prob l em o f t oo many eva l uati on factors ,the data is processed by rough se t i n order to reduce the co m plex i ty o f t he mode.l Fo r t hose data o f the R eservo ir A rea wh ich a re no t precise or beyond t he range o f va l ue ,the roughness e le m ent neura l ne t w ork is used to set up the evalua tion m ode.l These have i m prov ed the correc t ness and comprehensi on o f the syste m,and a re app lied to the wa ter env i ron m ent secur ity syste m o f Three G org es R eservo i r A rea .K ey words R ough set R oughness e le m ent nerua l net wo rk W ater quality evalua ti on0 引 言三峡库区是全国极为重要的敏感生态经济区,库区的水环境安全问题受到国内外广泛关注。
三峡水库支流小江富营养化模型构建及在水量调度控藻中的应用
三峡水库支流小江富营养化模型构建及在水量调度控藻中的应用杨中华;杨水草;李丹;白凤朋【摘要】三峡水库蓄水以来,支流小江呈富营养化加重的趋势,且多次暴发春季水华.水库蓄水以后支流流速变缓,水体滞留时间增加,是引发支流水华的主要因素之一.基于MIKE软件,建立小江调节坝下游至河口的二维水动力-富营养化模型,考虑碳、氮、磷3种元素在浮游植物有机体、死亡腐屑和无机盐中的循环转化,模拟小江河段的春季水华过程.分析小江生态调节坝的水量调节抑藻作用,即人为制造“洪水脉冲”,增加短时间内的水流流速,对下游流场进行扰动以控制水华.计算结果表明,增大泄水量对调节坝下游的小江河段的春季藻华总体上具有一定的抑制作用.小江上游河段调度作用效果明显,下游高阳至入汇口河段调节作用较小,上游调节坝水力调度可以作为三峡水库支流水华应急治理措施之一.营养盐控制应该是控制支流水华的根本措施.【期刊名称】《湖泊科学》【年(卷),期】2016(028)004【总页数】10页(P755-764)【关键词】富营养化模型;三峡水库;小江;生态调度;水华【作者】杨中华;杨水草;李丹;白凤朋【作者单位】武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;辽宁省水利水电勘测设计研究院,沈阳110006;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072【正文语种】中文水体的营养盐水平一直被认为是影响水体富营养化的主要因素,光照、温度等因素在藻类生长过程中也非常重要. 随着人们对富营养化问题研究的深入,尤其是对于河流、水库等流动性水体,水体动力特征越来越成为富营养化问题的重要因子之一. 水流条件的变化对浮游植物生长的影响主要表现在:改变营养盐在水体中的时空分布,从而改变藻类生长对营养盐的动态响应关系[1];改变底泥向水体中的营养盐释放量,打破水体营养盐平衡[2-4];影响水体内的悬移质和藻类的垂向运动,从而影响水体的透光性[5-6];水力条件的改变导致浮游植物种群竞争关系的改变[7-8];水体的流动性直接影响藻类初级生长速率[9-14].三峡水库蓄水以来,库湾支流频频暴发水华. 初步研究表明,水库蓄水以后,流速变缓,水体滞留时间增加,是引发支流水华的主要因素[15-17],由此引发大量水体动力条件对水华影响的相关研究. 近年来,针对水库水华问题的生态调度被提出并用于实践[11,15,18-20]. 本文拟针对三峡小江支流的水华问题,开展水力调度控藻的研究,主要目的有2个:一是建立能够综合考虑三峡支流小江流域的水流、营养盐、气象条件等的富营养化模型,模拟小江流域的富营养化状态;二是采用数学模型进行生态调度数值实验,研究不同水力调节方案下的生态过程,探讨针对富营养化问题的生态调度的可行性.小江是三峡库区中段、北岸流域面积最大的支流,河口距三峡大坝约247 km,2条主要支流南河和北河汇于开县. 三峡水库蓄水以后,在开县县城形成面积约45 km2、最大消落深度30 m的消落区,为了稳定消落区生态系统,在开县新城下游4.5 km处修建了一个专门的消落区调节坝. 小江调节坝采用水闸及溢流堰联合过水方式,水闸底板高156.5 m,溢流坝堰顶高程168.5 m. 调节坝建成以后,将小江流域分成2部分(图1):调节坝以上为调节坝库区,三峡水位在168.5 m以下时,调节坝闸门关闭挡水,坝上游的消落区形成汉丰湖;三峡水库水位在168.5 m以上时,调节坝闸门开启,汉丰湖水位受三峡大坝控制.调节坝以下至入江口(双江镇)72 km河段属于三峡水库库湾,受到三峡水库水位和调节坝的共同作用. 根据已有水质监测结果[21-22],该河段已有多处暴发水华,且春季水华呈现较高的重现率,该河段的春季水华作为研究的主要问题. 本文的研究时段为2008年1-4月，春季是三峡水库的持续降水时段，三峡水库的水位下降对于加大小江支流的水流流速，增加水体更新时间是有利的. 但是由于春季降雨量少，支流来水少，且三峡水位下降速度缓慢，因此三峡水库的调节作用对于藻类影响很小，水华暴发仍然频繁.建立的富营养化模型包括水动力模块(MIKE 21)和生态模块(MIKE ECO)两部分,通过求解一系列的对流扩散方程模拟各水力要素和理化要素.1.1 水动力模型采用雷诺平均的N-S方程,根据Boussinesq假定和静水压强近似,得到二维浅水方程. 笛卡尔坐标系下的平面二维浅水方程的形式为:其中τsx、τsy分别为水面处x、y方向的风应力:τbx、τby分别为x、y方向的床面应力,由曼宁公式的二维推广来确定:1.2 藻类生长动力学模型富营养化模型主要考虑浮游藻类的生长和死亡、底泥营养盐的释放、光热和营养盐在垂向的传递和分层等过程,主要考虑碳(C)、氮(N)、磷(P)3种元素在浮游植物有机体、死亡腐屑和无机盐中的循环转化. 通过浮游植物碳(PC)、浮游植物氮(PN)、浮游植物磷(PP)、叶绿素a(CH)、腐屑碳(DC)、腐屑氮(DN)、腐屑磷(DP)、总无机氮(IN)、无机磷(IP)、溶解氧(DO)共10个状态变量的物理化学变化来反映小江的生态动力学过程. 对于任一生态学变量随时间和空间的变化均可采用式(6)所示的对流扩散方程来描述.1.2.1 浮游植物浮游植物项主要考虑环境条件对浮游植物体内碳、氮、磷含量变化的影响,反映浮游植物外界环境对浮游植物生命周期的联系. 与浮游植物直接相关的状态变量为PC、PN、PP和CH. 它们的生化反应项考虑浮游植物的生长、沉降和死亡3个过程. 浮游植物的生长考虑光照、温度、氮磷比和流速的影响,沉降和死亡过程中也考虑氮磷比的影响.采用光照、温度和氮磷比的影响函数公式分别为:1.2.2 腐屑腐屑是指浮游植物死亡后悬浮在水体中的部分,是C、N、P在浮游植物、水体和底泥之间循环的重要载体. 腐屑可以认为是浮游植物从死亡到沉降到水底的中间过程,它的减少主要由沉淀和分解矿化2个过程引起. 与浮游植物项类似,将其分为腐屑碳(DC)、腐屑氮(DN)、腐屑磷(DP)3个状态变量进行描述.1.2.3 无机盐水体中无机盐包括无机氮(IN)和无机磷(IP),无机氮的变化主要考虑浮游植物的吸收、腐屑的矿化、浮游植物的矿化以及底泥释放4个过程.F(IN)=F(IP)=1.2.4 溶解氧水体中溶解氧浓度随时间的变化主要与浮游植物产氧、矿化和呼吸过程耗氧、大气复氧相关. 具体关系表示为:1.3 数值计算方法在空间上采用有限体积法对方程进行离散求解,在水平方向采用非结构化网格,垂向采用结构化网格. 计算变量储存在网格中心,在计算出通过每个控制体边界沿法向输入(出)的流量和通量后,对每个控制体分别进行水量、动量和物质质量平衡计算. 法向数值通量的计算采用近似黎曼解的Roe格式,用网格中心估算边界值采用二阶线性重构,采用Van Leer限制器以保证TVD性. 时间积分采用二阶Runge Kutta方法.建模范围包括小江调节坝下游至入汇口的小江河段和部分长江干流河段,水平方向上共划分了53419个计算网格,网格尺度为30 m. 水动力模型的计算时间步长为10 s,生态模块的计算时间步长为120 s.2.1 初始和边界条件各变量在陆地边界法向的通量均认为是0,即在边界处∂Φ/∂n=0,Φ为任一变量. 浅水方程和对流扩散方程的开边界均按第一类边界给出,即给定边界处具体的水位或者流量. 采用实测水文和水质资料作为模型进出口水位和流量边界条件. 同时还考虑了风生流和降雨条件的影响,采用流域最近的万州站的气象资料(图2). 营养盐浓度边界采用实测水质资料. 模拟时段为2008年1月23日-4月30日.营养盐负荷包括点源和面源,其中主要城镇生活和工业污水排放视为点源,农业氮磷排放视为面源. 点源污染物主要有COD、BOD、有机氮磷、无机氮磷、硫化物等,本文主要考虑可以被浮游植物直接吸收利用的无机氮(氨氮和硝态氮)和无机磷(主要考虑磷酸盐)的负荷. 点源流量为城镇生活污水和邻近工业污水的排放量之和,并假设点源以一个恒定的流量连续不断地进入周围水体. 小江面源污染主要来自回水区淹没耕地营养盐的释放[13],其中淹没耕地释放的磷占小江总磷负荷的40%以上,甚至达70%以上,耕地释放负荷与回水长度和淹没土地面积密切相关. 三峡不同蓄水期间各类污染源对支流回水区的污染贡献不同,在小江春季水华暴发的时段为三峡水库消落期,以该时期153.22 m的平均水位计算耕地释放.2.2 参数敏感性分析和模型率定在富营养化模型参数中，按其性质可分成受水域环境影响较小和较大的模型参数两大类. 前者如温度影响系数、浮游植物吸收氮磷的半饱和浓度、饱和光强度等，这些参数对于不同的藻种存在较大差异，但同一藻类的这些参数受地域影响较小，可以借鉴已有研究成果确定. 后者如水体综合消光系数、大气复氧系数等参数受水域环境影响较大，在已有研究成果的基础上确定其取值范围,然后采用单纯形法对参数进行率定和优化，采用2008年春季的实测资料进行参数率定(表1).3月份有1次持续时间较长的藻华过程,实测最大Chl.a浓度达到60 μg/L(渠马断面). 与实测资料对比,高阳和渠马段的Chl.a浓度与实测值比较接近,相对来说，黄石和双江站的峰值差别较大,原因可能是对下游段的营养盐输入存在偏差. 这点从TP、TN浓度的对比结果也能看出,黄石和双江河段的TP、TN浓度偏低,且变化幅度较小(图3). 模拟结果总体上能够反映出计算河段的营养盐条件和浮游植物生产力水平.3.1 调度方案小江调节坝是一座专门的生态调节坝,其主要目的是为了解决开县消落区的生态问题. 调节坝建成以后,形成总库容为5591×104 m3的汉丰湖水库. 因此可以考虑利用调节坝的调节作用,集中下泄一定的水量,增加下游河道流动性[11]. 采用水力调度控藻的作用主要体现在2个方面:一是通过集中加大泄量将藻类冲释并带向下游. 二是通过加大下泄流量增加下游河道流速,对下游的流场进行扰动,创造不利于藻类生长的流动环境,降低藻类初级生长率,抑制藻类生长. 本研究采用率定的水动力和藻类生长动力模型,针对小江春季水华进行水量调节计算,对比分析抑藻效果.根据小江河段水流动力特征以及调节坝可调节性分析[23],初步设计3组水力调度条件进行对比:(1)调度方案1:调节坝上游水位下降1 m,最大泄水流量为600 m3/s,泄水历时3.5 h,总下泄水量为741×104 m3；(2)调度方案2:调节坝上游水位下降2 m,最大泄水流量为1200 m3/s,泄水历时4.5 h,总下泄水量为1791×104 m3;(3)调度方案3:调节坝上游水位下降3 m,泄水流量为2450 m3/s,泄水历时3.0 h,总下泄水量为2691×104 m3. 3个方案均采用多次调度的方式,库水位恢复后再次集中下泄. 相当于形成一种洪水脉冲,对下游流场进行不定期的扰动. 下泄频率根据水位恢复情况确定,调节后的流量变化见图4.由于在4月中旬发生了1场洪水过程,为便于分析该洪水过程对于藻华的影响,调度时段控制在该洪水过程结束之后. 下泄流量过程如图4所示. 计算边界条件中仅来流量进行调整,其他边界条件均与未调节情况下一致.3.2 调度结果以养鹿、渠马、高阳、黄石和双江大桥5个典型断面上Chl.a浓度变化过程来分析调度效果,可以看出:1)未实施调节方案情况下,在模拟时段内有明显的藻类增殖过程,且整个河段均有发生. 高阳以上河段的Chl.a浓度变化幅度较大,出现多次Chl.a浓度峰值. 在2-4月,养鹿断面Chl.a浓度最大为85 μg/L,最小为15 μg/L;渠马断面同期Chl.a浓度最大为82 μg/L,最小Chl.a浓度为22 μg/L;高阳以下河段2-4月期间的Chl.a浓度也呈现增高趋势,变化趋势相对较为单一,基本上在2月中下旬达到浓度峰值,然后保持一个缓慢持续增长的趋势,在4月中旬达到峰值,4月份洪水以后,浓度迅速下降.2)4月中旬洪水发生以后,全河段的Chl.a浓度普遍下降. 据统计,4月洪水过程历时2 d,洪峰流量为2000 m3/s,2 d累计水量为11650×104 m3,相当于小江调节坝正常蓄水位168.5 m对应库容的2倍. 水量足够把调节坝下游河段藻类直接冲释到长江干流,控藻效果明显. 而人造洪峰过程则无法达到这么大的水量,也就达不到这种抑藻效果.3)调节方案实施以后,各个方案作用下的整体趋势变化表现在:高阳以上河段总体藻类生物量有下降趋势,高阳以下河段生物量变化不明显,且部分时段有所增加. 主要原因是由于下泄水量有限,河段较长,且高阳以下河段的水深较大,下泄水量在该河段的影响很微弱,因此高阳以下河段的Chl.a浓度变化不大.4)以养鹿和渠马2个断面为代表统计各个方案下藻类生物量的变化规律,在2008年2-4月,养鹿断面上3个方案藻类总体生物量分别变化了-0.8%、-4.4%、-3.7%,渠马断面上5个方案藻类总体生物量分别变化了+7.1%、-16.6%、-22.6%. 相对来说水下泄水量越大,控藻效果相对越明显.5)从养鹿和渠马2个断面的Chl.a浓度变化来看,每次下泄均带来Chl.a浓度的下降,最低Chl.a浓度要低于未调节的情况,但是调节过后藻类继续增殖,最大Chl.a浓度与未调节情况下基本相同,也有部分时段出现Chl.a浓度增加的情况.6)从敏感时段上来看,2月控藻效果不明显,抑藻效果明显的时段为3月,以方案3(库水位下降3 m)效果最为明显,渠马段的月平均生物量降低32%.整体来看，采用集中下泄方式对于藻类生物量的下降有一定调节作用，主要体现在时段平均的藻类总生物量有所减少. 在集中下泄的最初时段内释放的大量清水对下游水华的稀释作用明显，藻类密度有明显下降. 由于下游的部分河段的流速增加，藻类生物量的增长速度有所减缓. 但是也有部分河段存在藻类生物量增加的情况，应该是由于下泄带来更多的营养物质或藻类种群，在水流减缓以后重新聚集生长. 因此调度时段和时间间隔的选取对于控制下游藻华十分关键.小江调节坝建成以后,支流水体动力变得复杂,受三峡回水影响很大. 当三峡水库低水位运行时,调节坝下游河段既有部分河段表现出河流特征,也有部分河段表现出湖库特征.通过对比分析表明,本研究建立的模型能够较好地模拟出小江调节下游河段的藻类增殖过程,较准确地反映出该河段的水体动力和环境要素指标. 从设计的控藻调度方案模拟结果来看,对于小江河段的春季藻华总体上具有一定的控制抑藻效果,但作用程度有限. 调节作用主要体现在时段平均的藻类总生物量有所减少. 受调节坝水量调节作用明显的河段为调节坝至高阳河段,其中渠马河段的效果相对较好. 高阳以下河段受三峡水库回水影响,水量调节带来的水体动力特征变化微弱,控藻效果不明显. 小江调节坝形成的水库可调节水量有限，综合考虑抑藻效果以及水量调节对坝上游消落区的影响,建议可以针对下游水华制定相应的应急调度方案,发挥小江调节坝的生态调度作用. 水体的动力减弱是大型水库建成以后的必然趋势,对于由此引起的水体富营养化问题,仍然应当以营养盐输入控制为主.。
三峡库区水环境模型系统构建
三峡库区水环境模型系统构建夏晶晶;张万顺;王永桂;蔡锋;袁云霏;万晶;彭枫【摘要】流域水环境受地形、气象、水文和社会经济等诸多方面的因素影响,其模拟分析是当前的研究热点也是一大难点.基于流域水循环机理,通过识别污染物主要来源和迁移途径,对流域及其内部发生的复杂污染过程定量化描述,构建了包含陆地模型、三维水动力模型和水质水生态模型的空-地-水一体化水环境模型体系,实现了大流域尺度水环境系统的高效模拟.通过模型条件节点和应用节点的协调运作,提升了水环境自动监控能力,实现了对全流域水环境状况实时模拟预测的业务化运行和突发事故的快速预警.将系统应用于三峡库区,验证了模型的有效性.研究成果可以为三峡库区的水环境管理提供可靠的技术支撑,对保障三峡库区水环境安全具有十分重要的现实意义.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2017(048)003【总页数】4页(P19-22)【关键词】水环境模型系统;陆地面源模型;三维水动力模型;水生态模型;三峡流域【作者】夏晶晶;张万顺;王永桂;蔡锋;袁云霏;万晶;彭枫【作者单位】武汉大学资源与环境科学学院,湖北武汉430079;武汉大学资源与环境科学学院,湖北武汉430079;武汉大学资源与环境科学学院,湖北武汉430079;重庆市环境科学研究院,重庆401147;武汉大学资源与环境科学学院,湖北武汉430079;武汉大学资源与环境科学学院,湖北武汉430079;重庆市环境科学研究院,重庆401147【正文语种】中文【中图分类】X171流域水环境问题是社会经济发展、污染排放、气候及水资源循环系统变化等多因素共同作用的结果。
流域水污染问题的控制，必须从流域尺度出发，系统认识流域水环境系统特征，研究各种污染形成机制，遵循流域水资源和水环境联合协调管理的理念，才能有效地抑制水环境恶化的趋势[1-2]。
流域水环境模型是通过对整个流域系统及其内部发生的复杂污染过程进行定量化描述，来识别污染物主要来源和迁移途径的，是研究流域水环境问题的重要工具[3-4]。
长江三峡水库水位预报模型的改进研究
长江三峡水库水位预报模型的改进研究长江三峡水库是中国著名的大型水利枢纽工程之一，位于重庆市奉节县和湖北省宜昌市境内，为长江上游重要的水文水利控制工程。
作为国家的重点水库之一，三峡水库对于保护长江上游的生态环境、调控流域内的洪涝灾害、保障工农业生产和城乡居民生活大有作为。
因此，研究和改进三峡水库水位预报模型对于保障长江流域水安全至关重要。
一、长江三峡水库水位预报模型长江三峡水库水位预报模型是通过数学方法和计算机技术等手段，对三峡水库水位在不同时间段内进行全面预测和分析的模型。
该模型的建立需要通过长期的水文观测和数据分析，以确定水位预报的主要变量和影响因素。
其中，包括水库的实际蓄水量、上游入库流量、下游排放流量、气象因素、水文形态等。
同时，该模型还需要考虑不同时间段内的季节性变化和周日效应等特定因素。
目前，长江三峡水库水位预报模型已经形成了完整的建模体系，并且在实际工作中取得了良好的效果。
具体来说，就是在长期的水文数据分析和模型训练之后，通过计算机数学模型对不同时间段内的水位数据进行预测，将预测值和实测值进行比对，不断调整模型参数，提高水位预测的精度和准确度。
二、现有长江三峡水库水位预报模型存在的问题尽管目前的长江三峡水库水位预报模型已经逐步完善，但是在实际应用中仍存在一些问题。
1. 气象因素的不稳定性气象因素是影响三峡水库水位变化的重要因素之一。
然而，由于气象因素的不稳定性，导致水位预测模型精度的不稳定性。
特别是在气象变化较为剧烈的季节，预测结果与实测结果的偏差较大，影响了预报结果的准确性。
2. 下游排放流量的不确定性长江下游一直都是重要的水文环境，下游排放流量的变化对于三峡水库水位的影响巨大。
但由于下游的复杂性和不确定性，以及不同时间段内的变化，对于水位预测模型的精度和准确性产生了很大的影响。
3. 模型对各种水位预报因素的处理不够合理现有的长江三峡水库水位预报模型，往往将各种水位预报因素简单的视为独立的变量进行处理，对于各种变量之间的复杂关系没有进行充分的分析和建模处理。
三峡水库成库后水体中CODMn、BOD5空间变化
关键词 ： 三峡水库 ；Ｏ Ｍ；Ｏ ５空间变化 Ｃ Ｄ Ｂ Ｄ ； Ｓ ａｉｌｖ ｒａ ｉｎ ｏ ｐ ｔ ａ ｉ ｔ ｆＢＯＤ５ ｎ ａ ｏ ｄ ＣＯＤＭ ｎ ｔ ｅ Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｒ ｏｒ ａ ｉ ｈ ｒ ｅ Ｇｏ ｇ ｓＲｅ ｅ ｖ ｉ
（ ： ａ ｒ ｎｉ ｎ ｎ ｎ ｏｉ ｅ ｅｆ ｒ ｐ ｅ Ｙ ｎｔ ｉ ｒＣ ｏｇ ｉ ０ ７ ６ Ｐ Ｒ Ｃ ｉ ） ２ Ｗ ｔ ｖ ｏｍ ｔ Ｍｏｉ ｒ ｇＣ ｎ ｒｏ ｐｒ ａ ｇｚ Ｒｖ ，ｈｎ ｑ ｇ４０ １ ， ． ｎ ｅＥ ｒ ｅ ｔ ｎ ｔ Ｕ ｅ ｅ ｎ ｈ ａ
Ｂ ＯＤｓ ｒ ｅａｎ ｄ ｌｗ ｌｖ ｌ ｈｃ ｒｃ ｄ ｄ ｓｒａｅ ｗ ｔｒｓａ ｄ ｒ ｎ ＤＭ ｈ ｇｄ ｆ ｍ Ｉ－１ ｎｄｖ ｒｅ ｅ ｒｔｉｅ ｏ ｅ ｅ ｉｈ ｐｅ ｅ ｅ ｕｆｃ ａｅ ｔ ａｄＩａ ｄ ＣＯ ｃ ａ ｅ ｒ ｗｅ ｗ ｎ ｎ ｏ Ｉ Ｖ ｉ ｉｅｓ
⑥ ２０ ｙ ｏｒ ｌｆ ａｅ ｃ ｎｅ ０７ ｕｎ Ｌｋ Ｓｉ ｃ ｂ Ｊ ａｏ ｅ ｓ
三峡水库成库后水体 中 Ｃ Ｄ Ｂ Ｄ 空 间变化 ’ Ｏ Ｍ Ｏ
张 晟 李崇明 ， ， 吕平毓 高吉喜。高群杰 宋 丹 ， ， ，
（： １ 重庆市环境科学研究院 。 重庆 ４ ０ ２ ） ０ ０ ０
污染物停 留时 间变长有关 ， Ｏ Ｍ 主要是与泥沙沉积有关 ．垂直分 布上 ， Ｃ Ｄ 污染物 ３ 个层 次变化 不显著 ， 出现分层 现象． 未
枯水期 、 平水期 、 丰水期颗粒态含量 占总 Ｃ Ｄ Ｏ Ｍ范围分别 为 ５５ 一 ７ ３ ，．％ 一 ８８ 。 ．％ 一 ８３ ．％ ２．％ ９ １ ２ ．％ ４ ６ ８ ７．％．三峡水 库 对 Ｃ Ｄ Ｂ Ｄ 有净化作用 ， 水期成 库区域通 量 Ｃ Ｄ Ｂ Ｄ Ｏ Ｍ Ｏ５ 枯 Ｏ Ｍ 、Ｏ ５比上游 区降低 ４％ 、 ％ ， ４ ７ ６ 平水期 降低 １．％ ， ％ ， ３５ ３ ２ 丰 水期降低 ３．％、９ １ ． １８ １．％ 各采样 站点有 机物通量 和流量有显著 的相关性．大宁河库 湾受浮游藻类生长 的影响 ，Ｏ饱 和 Ｄ
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三峡水库的水质模型随着大型水利水电工程的建设,人类能够对水资源进行更加有效的管理和充分的利用,取得了巨大的防洪、发电、航运等效益。
但是工程建成后,不可避免的带来了一些生态环境问题随着时间的发展,在水库的调度过程中将生态因子作为水库调度的重要目标之一。
同时由于流体运动的复杂性,传统的物理模型试验己很难满足研究的需要,数值模拟成为研究流体力学方便和强有力的手段。
三峡水库建成后,非汛期,三峡水库蓄水至175m,电站采取调峰运行模式。
由于库水位提高和调峰运行,改变了天然河道的流态,引起水库各种环境问题。
另一方面来讲，近年来随着计算机网络和信息技术的发展,环境信息系统的各方面性能取得了很大进步,其中数据传输、资料查询、统计分析等功能都有了明显提高。
与此同时,人们研究了各种环境模型,针对当前的不同环境问题进行了深入的分析和预测,并取得了显著的成果。
所以，使用信息技术与环境模型的方法，来解决三峡水库的各种环境问题也是一个较好的选择。
利用水质模型的知识，对于三峡水库进行一个大致研究。
经过调查可知，三峡水库与一般的湖泊有着显著区别。
首先,其流速分布不均,干流流速与支流流速,干流中心的流速与岸边流速,一般情况下的流速与弯道、回流沱之间的流速之间都有很大差别;其次,流场不同位置间存在巨大的水深差异;另外,不同季节的气温对藻类生长影响也有很大差别。
在对水库的水质模型进行建立的时候,应根据上述建立的水深、流速、温度以及营养盐与富营养化的初步映射关系,在GIS系统的支持下,建立整个水库干流、支流的水体总体富营养化程度的实时监测体系，来相应更好的建立模型。
由于三峡水库水环境管理信息系统针对库区区域水环境问题涉及因素多、信息量大,变化复杂等特点,采用GIS和数据库技术,实现了水库水污染资料的管理和相关数据的统计、查询。
另外,三峡水库蓄水后,库区江段水位抬高,水面变宽,流速减小,水库的污染状况将发生新的变化。
为了预测水库水质的变化,提前作出预警预报,可以选择建立了多个水流水质模型,对水库的水流水质状况进行模拟，然后在三峡水库水环境管理信息系统中集成某些合适的水质模型,提高系统的水质预测能力,对于三峡水库的水质管理和污染事故的预警预报,防治水库水质进一步恶化,具有重要的实用价值。
总体来说,三峡水库蓄水后可能面临的主要水污染问题是近岸水体质量的恶化以及可能出现的库首水体温度分层和意外水污染事故。
所以在此我们设想并大致计算了5个不同的水质模型,实现它们与三峡水库水环境管理信息系统的有效连接,用于预测和分析三峡水库各种的水污染问题。
下面分别对这些模型的功能和应用范围进行简单介绍:(1)库区一维模型。
三峡水库是一个河道型水库,具有典型的河道特性。
采用一维水质模型模拟600多km整个库区水流及污染物的输移扩散,便于人们把握三峡水库的水质整体状况,制定水库水污染控制的整体规划。
另外,一维水质模型还可以为二维、三维水质模型提供必要的边界条件。
(2)岸边二维模型。
三峡水库当前的污染主要表现为岸边污水排放,在一维水质模拟的基础上,采用深度平均的二维水质模型计算岸边排放的污水口附近的水流及污染分布,有利于人们预测三峡水库的岸边污染情况和发展趋势,及时地提出相应控制措施。
(3)(分层三维模型。
三峡水库正常蓄水位达175 m,很大水域的水深将超过100 m,深度平均二维模型难以正确反映污染物浓度的垂向分布,采用分层三维水质模型,可以大大提高水深较大区域岸边污染混合区范围的预测精度。
(4)垂向水温模型。
根据经验判断,三峡水库蓄水后将成为弱分层水库,可能在夏季出现水温分层,水库分层对水库水质以及下游生态的影响很大。
垂向水温模型将用来预测水库水温分层结构和下泄水温过程。
(5)污染事故预警模型。
污染事故预警模型采用简单的解析解,实现对三峡水库库首污染事故的快速预警预报,以便采取紧急的必要措施,防止污染事故的进一步扩散。
而污染事故的精确预报可以由二维或三维模型完成。
在此选择第一种模型即库区一维模型的大致介绍以及部分应用，如下所示：基本原理：描述明渠一维渐变非恒定流的基本方程式为:0C g x gA A a x t q xt 22=+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂+∂∂AR Q Q Z Q Q Q A式子中:x,t 一距离和时间的坐标;Q 一流量(m3/s);Z 一水位(m);q 一旁侧人流流量(ms/s);C 一谢才系数(mo'/s);R 一水力半径(m);a 一动量校正系数;g 一重力加速度(耐52);此基本方程组称为圣维南方程组。
圣维南方程组可以有多种形式,取决与变量形式的不同,据水力计算的不同要求和初始、边界条件来选用不同变量的方程组,并用数值方程求解。
圣维南方程组属于一阶拟线性双曲线型偏微分方程组,一般情况下无法求得其解析解,目前只能采用数值解和简化方法求其近似解。
随计算机技术的发展,数值解成为了求解该方程组的主要方法。
对圣维南方程组的离散按时间离散方法分为显格式和隐格式两种。
由于隐格式具有稳定性好、精度高的特点,在河网计算中得到了广泛的应用。
隐格式解法又分为直接求解法和分级求解法两类。
(1)直接解法是直接求解由关于河道内断面处未知量的方程和边界条件所 对应的方程组成的方程组。
常用的方法如下:用Preissmalm 格式对圣维南方程组。
常用的方法如下:用Preissmann 格式对圣维南方程组进行差分,用循环系数法,结合边界条件根据线性关系式就可求出各断面的流量以及污染物浓度。
但由于直接解法是早期河网计算中的方法, 在求解方程组时存在存储量大,计算量大的问题,从而直接影响了计算速度的提高。
（2）二级解法的基本思想是将所有的边界方程和河段方程一起构成一个封闭的方程组,即是级连接方程组,求解这样的方程组,便可以求得河网各河段未知量,然后再利用微段方程,求出全部内部计算断面的未知量。
(3)三级解法是在二级解法的基础之上提出来的,它的基本思想是在二级解法的基础上,将各河段的圣维南方程组隐式差分得河段方程,然后依次消元求出首尾断面的水位流量关系式,将上步求出的关系式代入汉点连接条件和边界方程得到以各汉点水位为未知量的求解矩阵,求解此矩阵得各汉点的水位,将汉点水位代入方程得汉点各断面的流量,回代河段方程得所有的断面水位流量。
根据水库水力特征采用一维推流式模型，设水流为推流流动，并存在弥散作用，根据质量守衡原理，注水流体内某污染物浓度变化的微分方程为：R E +∂∂=∂∂kc -x c x c 22μ c —水中某污染物浓度 mg/L ；t —时间 d ；µ —水流平均速度 m/d ；x —水体平均距离 m ；E —流水流向的弥散系数 m2/d ；K —某污染物衰减速率系数 d-1；R —系统内部因素引起的某污染物变化率 mg/(L.d)。
稳态时，即在任一断面 x 处，水质不随时间变化。
在实际中，尤其当考察水质的平均浓度时，稳态是相对存在的。
此时， ∂c/∂t=0，上述公式变为常数方程： R E +∂∂=∂∂kc -xc x c 22μ 许多科学工作者用水质数学模型来描述水体自净过程，根据物质平衡原理建立连续模型的基本方程为：()t z y x c s z c z y c y x c x z c w x c v y c t c z y x ，，，，E +⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂ςςςμ式中 c —河中某点给水某成分的浓度；µ、 ν、ω—分别为河中某点在x (纵向)、 y （垂向）、z （横向）方向的流速分量；εx 、 εy 、εz—分别为 x 、 y 、z 方向的扩散系数；t —时间；s —由于污染物化学和生物作用引起的衰减、沉降、吸附或增加。
这个方程很复杂。
在 1925 年斯特里斯特-费尔普斯在研究俄亥俄河水质时，提出了反映生物需氧量溶解氧变化的水质数学模型。
其基本形式：-kl xl =∂∂μ l 、O —分别为距起始断面距离 x 处的 BOD5的溶解氧浓度（ mg/L ）；µ —断面平均流速（m/L ）；x —距离起始断面的距离。
这个公式简单明了，较好的反映了水体有机污染和规律，至今较广泛的使用。
后来许多水质模型都是在这个基础上补充和发展的。
水质模型是按照一定的程序建立起来的，虽然按照模型建立的目的、期限与考虑的因素不同，建立的过程也有所不同，但一般来说建立模型的程序有以下几个步骤：（1）模型的构思；（2）数学表达；（3）修正（如由于计算的需要进行差分或有限元分段等）；（4）标定；（5）检验；（6）定型；（7）应用。
在实际工作中，一般都应用已经开发的水质模型。
此时，只需要对所选用的水质模型进行结构的识别和参数的估值。
模型的标定：是利用一组或几组已观测到的输入和输出数据，对所选用的模型的参数和结构进行调整、修改和定型。
模型的检验：是利用另外一组独立的输入和输出的数据，试验已标定过的模型，验证模型的预测结果与实测数据是否符合要求。
水质模型的标定与验证，也可统称为水质系统的识别。
其目的和任务就在于确定水质模型的结构和参数，后者也称为参数估值。
水质模型的识别与一般工程系统有所不同，一般工程系统可以较自由地选择它的输入函数，并借助于各种精密器对其输出进行测量以取得标定和验证模型所必须的各种数据。
水环境系统分析是指对水环境各个要素进行单项及综合分析。
对于库区污染源的调查与监测主要包括以下几个方面：1、富营养化污染；2、金属与非金属毒物；3、病原微生物污染；4、需氧有机污染物。
在水库库区水质现状分析中，需要依据实际情况调查和了解各类污染及其来源。
除了上述四种类别外，还可能有其他种类，如放射性污染源等。
总之，在可能的条件下，尽可能多地从环保部门、水资源环保部门、水利部门和水质监测站收集各方面的数据和资料，加以整理、归纳和分类。
水环境质量标准是国家和地方水环境规划的目标和方向，是环境管理的基础。
迄今，国家颁布了一系列水环境质量标准，他们是开展水环境质量底泥质量标准、水生物生态质量标准以及结合到地面水体质量标准的选择与分析问题。
本文讨论了三峡水库水质的数学模型，对该模型的具体应用情况及其相关问题都给予了介绍和详细的分析。
水质模型是按照一定的程序建立起来的，虽然按照模型建立的目的、期限与考虑的因素不同，建立的过程也有所不同，但一般来说建立模型的程序有以下几个步骤：1、模型的构思；2、数学表达；3、修正（如由于计算的需要进行差分或有限元分段等）；4、标定；5、检验；6、定型；7、应用。
水库在建成以后，因改变河流天然状况及水库内外水力条件而可能引起额外的水量损失，主要包括蒸发损失和渗漏损失，在寒冷地区还有可能有结冰损失。