山地城市重污染河流溶解氧数值模拟研究

山地城市重污染河流溶解氧数值模拟研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：刘洪达指导教师：柴宏祥副教授专业：市政工程学科门类：工学重庆大学城市建设与环境工程学院二O一四年五月NumericalSimulationStudyonDissolvedOxygeninHeavilyPollutedRiverinMountainousCityAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByLiuHongdaSupervisedbyAssociateProf.ChaiHongxiangSpecialty:MunicipalEngineeringCollegeofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2014中文摘要I摘要随着我国工业化、城市化进程的发展，河流污染日益严重，河岸植被也逐渐被破坏殆尽，导致河流生态功能丧失，富营养化现象频发，水体变得黑臭。山地城市河流具有快排、快泄的特点。河道中建有用于蓄水的水工构筑物，使得枯水季节水体流动缓慢，自净能力变差。溶解氧是水体中动植物赖以生存的基础，是衡量水质好坏的重要指标。溶解氧浓度的高低，体现了水体自净能力的大小。了解河流溶解氧的分布状况，掌握外界条件变化对溶解氧的影响是制定措施防止河流黑臭，保证河流水体健康的重要依据。伏牛溪位于重庆市大渡口区，是流入长江的次级河流，具有典型的山地城市河流特点。目前，河流河岸带植被破坏，水土流失现象严重。河流受到生活污水及工业废水的污染，河流水质较差，为劣Ⅴ类水。河道中修建有多处蓄水水工构筑物，河流流动缓慢，水体自净能力较差，夜间溶解氧浓度长时间低于2mg/L，不利于水生动植物的生存。保证河流基本的溶解氧含量是防止河流黑臭，维持水生态健康的重要前提。本研究在分析伏牛溪水动力及水体污染特点的基础上，利用一维河流水质模型MIKE11建立了伏牛溪河流水质模型，用于掌握河流溶解氧的分布状况，为人工强化复氧措施的实施提供依据，并对河流点源截污及调水方案进行了效果预测。研究内容及主要结论如下：①通过对伏牛溪点源污染排放口的调查和监测，掌握河流点源污染现状。对伏牛溪流域的用地类型进行统计，计算流域内的面源污染负荷。根据河流的水动力条件将伏牛溪分成4个河段进行研究，采用单因子标识指数法分析了每个河段的污染主要污染物。结果显示：伏牛溪全河段总氮、总磷污染较重。下游河段氨氮污染严重。高锰酸盐指数能够满足Ⅴ类水的水质要求。②采用MIKE11模型的NAM模块建立伏牛溪降雨-径流模型，采用95-99年实测数据对模型中降雨-径流参数进行率定，并选择丰、平、枯三种降雨典型年进行了相关参数的灵敏度分析。结果显示：上游汇水单元模拟值与实测值的相关系数为R2=0.778，下游汇水单元的相关系数为R2=0.775。模拟期总水量相对误差为8.24%。对于三种降雨典型年，最大地表储水层厚度Umax、Lmax对伏牛溪水量平衡影响较大。Umax是影响枯水年河流总水量平衡的敏感性参数。③采用HD模块与NAM模块耦合运算，对2013年伏牛溪水位和流量进行模拟，采用下游河段3#监测断面的实测数据对模型参数进行率定，并对河流糙率值进行敏感性分析。模拟结果显示：模拟水位与实测水位的相关系数为0.73，Nash-Sufficient效率系数为0.62。流量的相关系数为0.78，Nash-Sufficient效率系数为0.60。对河床糙率值的敏感性分析结果显示：河床糙率不是影响河流水位的重庆大学硕士学位论文II敏感参数，对河流水位影响有限。④采用MIKE11等级4的水质模板，利用AD模块和ECOLab模块耦合运算模拟伏牛溪水质。模拟结果显示：氨氮的模拟值与实测值相对误差为21.6%；BOD5模拟值与实测值相对误差为20.7%；溶解氧模拟值能反映出实际的变化规律。模型能够用于伏牛溪溶解氧的模拟研究，并获得较为满意的效果。对水质参数的敏感性分析结果显示：藻类是影响水体溶解氧的重要因素，动植物的呼吸作用及底泥耗氧作用对溶解氧影响较大。⑤利用构建的水质模型对点源污染治理及调水方案进行效果预测，结果发现：点源污染治理后伏牛溪水质改善效果明显，氨氮和BOD5浓度能够达到Ⅴ类水水质要求，夜间溶解氧浓度有所提高，夏秋季基本能够满足1mg/L。两种调水方案对水体氨氮污染改善效果明显，对BOD5污染改善效果不明显。调水后氨氮浓度能后满足Ⅴ类水的水质要求，夜间溶解氧浓度改善效果不明显。采用综合治理方案，氨氮及BOD5污染改善效果较好，但溶解氧仍