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基于WASP的滏阳河水质模拟分析研究

时间:2018-05-05 22:16来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇环境工程论文,环境工程学是在人类同环境污染作斗争、保护和改善生存环境的过程中形成的。从开发和保护水源来说,中国早在公元前2300年前后就创造了凿井技术。
本文是一篇环境工程论文,环境工程学是在人类同环境污染作斗争、保护和改善生存环境的过程中形成的。从开发和保护水源来说,中国早在公元前2300年前后就创造了凿井技术,促进了村落和集市的形成。后来为了保护水源,又建立了持刀守卫水井的制度。(以上内容来自百度百科)今天大家推荐一篇环境工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景及研究意义
水是人类的生命之源,也是我们赖于生存和发展的物质。近年来,我国水环境一直有着严峻的挑战,如:水体污染、水资源严重短缺和洪涝灾害等[1]。随着人口的迅速增长,经济的不断提高,大小企业如雨后春笋的涌现,工业化、城市化的迅速发展,伴随着是人类在生产、生活中产生的污染物越来越多,由于法律法规的不健全和管理力度不到位导致工业废水和生活污水大量排入河流、湖泊等水体当中,使得水体质量逐渐恶化,生态系统遭到了严重的破坏,这使得本来就短缺的水资源更趋于恶化,人类的生存和可持续发展受到了严重的威胁[2]。邯郸市处于河北省最南端,位于太行山东部,经纬度是东经 114°03'~40',北纬 36°20'~44'之间,东边连接华北平原。邯郸市是一个较为干旱的城市,降雨量少,地表径流流量小,滏阳河是横穿过邯郸市的一条河流,地处邯郸市的腹心地带。滏阳河属于海河流域的一个分支,发源地是太行山山脉峰峰矿区地带。滏阳河有许多支流,因为它处于太行山脉的迎风坡面,坡度较陡,洪水量大,水量量上大下小。总体来说邯郸市比较干旱,年降雨量在 550mm 左右,主要是七、八、九月份下雨较为集中,所以春季降雨稀少,容易造成春旱秋涝的现象。近年来滏阳河的污染较为严重,由于市民的环保意识薄弱,造成的上游河流富营养化严重,下游区域生活垃圾随意倾倒,甚至局部河道已成干涸状态。较普遍地存在传统治河理念的烙印,过分偏重于塑造景观效果,折射出决策者对河流生态修复的漠视。只有科学的评价和管理水资源,才能解决河流问题。因此,对滏阳河进行合理的水质预测、评价和治理是亟待解决的任务。近些年来,随着社会的发展,河流、湖泊等水体日益严重的污染,对水质预测、环境评价的方法和要求逐渐提高,因此水质模型和水质评价方法也得到了突飞猛进的发展,而由 USEPA 研发的 WASP 水质模型不断成熟和广泛的应用为解决滏阳河的水环境问题提供了强有力的理论和技术支持[3]。针对滏阳河流域日益恶劣的水质污染情况,本研究基于 WASP 水质模型对该地区水质污染的时空变化规律和污染成因进行研究评价分析,为滏阳河的污染治理提供研究方法和依据,也为滏阳河的利用开发提供参考[4-5]。
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1.2 国内外水质模型研究进展与发展趋势
水质模型(Water Quality Model)是研究水体污染和解决污染的一种常用方式,它在研究分析评价水环境和水环境模拟中起到重要的作用,而且随着模型的不断开发和完善,它的用途越来越广泛,为水体的污染治理和决策管理提供参考依据[6]。随着社会的发展和工业化的进步,产生的污染物和污染物对水体的污染越来越复杂多样化,因此需要我们对污染物在水环境中的迁移、转化等变化规律的不断深入研究,以及水环境研究中利用数学手段的不断提高,综合因素下促进了水质数学模型的研究发展[7]。从二十世纪二十年代开始,按照时间可将水环境数学模型的研究大致划分为三个阶段[8]。第一阶段:20 世纪 20 年代到 70 年代是水质模型的发展初始阶段。这一阶段,水体的水质是水质模型的研究对象,这个时期的模型主要是简单的氧平衡模型,属于一维稳态模型。第一个水质模型由 Streeter 和 Phelps 提出,此后在其基础上科学家又研发了 BOD-DO 模型等。第二阶段:20 世纪 70 年代到 80 年代这个时期是水质模型高速发展的阶段,在这个快速发展的时期出现了多种模型的研究,如 LAKECO、WRMMS、动态水质模型 WASP 等,这些模型主要是对水体的多维、形态、多介质、动态等特征的研究。这个阶段开始将水动力模型、底泥等作用纳入了水质数学模型;连接了流域模型,这样使得非点源污染纳入初始输入。第三阶段:20 世纪 80 年代至今,这个时期是研究的不断深化、完善和广泛应用的阶段。在这一时期,水质模型对水质特征变化规律可靠性分析和水体中水污染的物理、化学、生物化学等各影响因素相互作用的综合评价能力得到了越来越多人的认可和重视。随着国家对环境保护的重视及人们环保意识的加强,因此非点源污染得到控制,非点源污染减少,但大气当中的污染物却对地表水的水质影响逐渐加强,如有机化合物、氮化合物等。大气沉降负荷落在流域内和污染负荷随着降雨降到流域及雨水对地表的冲刷进入流域,再通过流域转移到水体中,这逐渐成为污染负荷的重要要素。
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第 2 章 基于主成分分析的水质评价方法研究
 
2.1 主成分分析
主成分分析(principal components analysis)是二十世纪三十年代初由霍特林(Hotelling)提出。主成分分析是将多个变量通过线性变换以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法。又称主分量分析[10]。主成分分析主要是利用降低维度的思想,将高维度复杂的问题降到低维度去分析,这样就使得问题简单化,更加利于去研究评价[11]。在多个指标变量研究中,每一个指标都多少带有研究对象的部分信息,而且研究对象中的每一个指标都有相关性,因此每个指标携带的研究对象的信息有一定的重复率,因此利用主成分分析法在研究多个指标变量时把多个指标转化成少数几个指标,把多余的重复信息删除,得到两两不相关的指标变量,而这些指标带有研究对象的原有信息,这样会使得复杂的问题简单化,容易捕捉研究对象的主要影响因素,进而得到各变量之间的规律性[12]。主成分分析基本原理如下:主成分分析的原理是在研究多指数变量中,通过少数几个指标变量来揭示多个指数变量间的内部结构,使它尽可能多的携带原研究对象的信息。凭借一个正交变换,将分量相关的原随机变量转换成分量不相关的新变量;从代数方向来说,即将原变量的协方差阵转换成对角阵;从几何方向来说,将原变量系统变换成新的正交系统,对高维度的变量系统降低到低维度,进而去研究分析[13-14]。
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2.2 滏阳河监测区域概述
邯郸市处于河北省最南端,位于太行山东部,经纬度是东经 114°03'~40',北纬 36°20'~44'之间,东边连接华北平原。邯郸市是一个较为干旱的城市,降雨量少,地表径流流量小,滏阳河是横穿过邯郸市的一条河流,地处邯郸市的腹心地带。滏阳河属于海河流域的一个分支,全长 413 公里,是一条防洪、灌溉、排涝、航运等综合利用的骨干河道。同时还是邯郸市目前唯一一条常年有水的天然河流,在中国北方城市十分难得。滏阳河在邯郸市境内段为最上段,自东武仕水库流经峰峰矿区、磁县、邯山区、丛台区、永年区、曲周县、鸡泽县至邯邢边界长约 119 公里,流域面积 2747 平方公里,其中东武仕水库坝下 2407 平方公里。滏阳河地处邯郸市腹心地带,西部为太行山余脉的丘陵区,西高东低,地面纵坡1/400~1/1000,东部为冲积平原。滏阳河发源地是太行山山脉峰峰矿区滏山南麓地带。滏阳河流经邯郸、邢台、衡水,在沧州地区的献县与滹沱河汇流后称子牙河。
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第 3 章 水质数学模型的选取...........28
3.1 水质模型介绍....28
3.2 WASP7.3 水质模型的开发研究..........30
3.2.1 WASP7.3 模型介绍..........30
3.2.2 模型网格概化研究............36
3.2.3 模型参数与输入分析........37
3.2.4 模型执行操作...........46
3.3 本章小结............47
第 4 章 滏阳河水质模拟及分析评价..........48
4.1 滏阳河的环境质量现状......48
4.2 模型参数输入研究.....50
4.3 模型适用性分析.........52
4.4 模型结果输出及分析..........55
4.5 参数灵敏度分析.........61
4.5.1 降雨量的影响...........62
4.5.2 东污水厂排放影响............64
4.6 预防措施............68
4.7 本章小结............69
 
第 4 章 滏阳河水质模拟及分析评价
 
4.1 滏阳河的环境质量现状
滏阳河是横穿过邯郸市的一条河流,地处邯郸市的腹心地带。滏阳河属于海河流域的一个分支,发源地是太行山山脉峰峰矿区地带。滏阳河有许多支流,因为它处于太行山脉的迎风坡面,坡度较陡,洪水量大,水量量上大下小。总体来说邯郸市比较干旱,年降雨量在 550mm 左右,主要是七、八、九月份下雨较为集中,所以春季降雨稀少,容易造成春旱秋涝的现象。近年来滏阳河的污染较为严重,由于市民的环保意识薄弱,造成的上游河流富营养化严重,下游区域生活垃圾随意倾倒,甚至局部河道已成干涸状态。较普遍地存在传统治河理念的烙印,过分偏重于塑造景观效果,折射出决策者对河流生态修复的漠视。只有科学的评价和管理水资源,才能解决河流问题。由上图 4-1 和 4-2 可以看出:氨氮的浓度基本上是由上游到下游逐步增长,大部分断面的浓度都在 4mg/L 以上,在东污水厂断面达到了最高值;COD 浓度全年中在五、六月份达到了各段的高峰期,大部分段 COD 都在 30mg/L 以上,甚至达到 200mg/L 以上。通过滏阳河流域的氨氮和 COD 的浓度现状分析,可以知道滏阳河的氨氮和 COD 浓度远超国家水质标准,水体严重污染。
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结论
 
本文以邯郸市滏阳河为研究对象,查询和收集了滏阳河流域的地形地貌、水文和水利工程等资料;利用主成分分析法对滏阳河的水质进行了初步的分析,以及基于 WASP7.3 模型对滏阳河的主要污染物氨氮和 COD 进行了模拟分析,并对WASP 模型的适用性进行了验证;最后对滏阳河水环境的污染治理和管理提出预防措施。根据本文的分析和研究可以得出以下结论:
(1)根据滏阳河的水质资料,以及利用主成分分析对水质进行初步分析可以看出,滏阳河有机污染比较严重,尤其是总磷、总氮、氨氮和 COD 所占比重较高,其河道水体功能已丧失。
(2)基于 WASP7.3 模型对滏阳河水质中氨氮和 COD 进行了模拟研究。模拟了各断面的各月份污染物的时间和空间上的变化规律,模拟的结果达到了预期目的。从上文模拟结果可以看出,滏阳河在一月、二月份、三月份河流污染严重,各断面的氨氮和 COD 指标已远超 V 类指标;六月份到十月份,氨氮和 COD 的浓度呈下降趋势,这是由于滏阳河流域降水多集中在夏秋两季,六月至十月集中了全年降水的 70%多,污染物浓度被流入河流的雨水所稀释,因而在此期间氨氮和COD 浓度呈下降趋势。由此可见,如果滏阳河流域有充足的水量补给,就可以减轻污染程度。
(3)滏阳河流域的气候干燥和河水流量的减少是滏阳河水质污染的客观原因;沿岸的工业废水和居民生活污水的大量排放是造成滏阳河水质污染的直接原因;工业、农业的大量用水也是滏阳河水质污染的主要原因。
(4)基于对模拟结果的研究分析,针对滏阳河的水质管理和污染治理,提出了一些相关的对策及措施,如依法治理加强管理、确保滏阳河的生态需水量、完善排放设施、实施污水资源利用、加强环保宣传力度,提高民众的环保意识等。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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