（市政工程专业论文）水厂废水水质特征及污染物在流动水体中迁移规律研究.pdf

武汉理i ：人学硕f ? 学f 节论文 摘要 自来水厂在生产过程中，沉淀池排出的泥水以及滤池反冲洗产生的反冲洗废 水，统称自来水厂的生产废水，约占水厂水量的2 - - - , 8 。水厂废水中不仅含有 较多的悬浮固体，而且含有较高含量的有机物成分。废水中的污染物虽然主要来 自原水，但它们经处理后被显著浓缩，不少指标已是原来的几十甚至上百倍，净 水过程中使用的化学药剂也会对水源造成污染。水厂废水若不经处理就排入江河 湖泊等水体，会成为水体的重要污染源，并淤积抬高河床，影响江河的航运和行洪 排涝能力。 欲研究水厂废水的排放对受纳水体的影响，欲对水厂废水进行处理，首先必 须对废水特征进行全面的研究。本文以武汉宗关水厂的废水为研究对象，对其进 行连续监测。结果表明，废水中的s s 是原水的9 0 多倍、c o d 是原水的3 0 多倍、 f e 是原水的5 8 倍；s s 和浊度并不成线性关系，仅当s s 与浊度都比较低时，近 似成线性关系；f e 和s s 具有较好的线性相关性；行车初期与末期排泥水水质差 别很大：滤池气冲时反冲水流量虽然很小但对废水整体水质影响很大。 本论文亦对污染物在流动水体中的迁移规律做了研究。首先以f e 为示踪物 质，建立了污染物在流动水体中随流扩散的基本方程，又结合汉江的水文特点及 水厂废水悬浮物含量较高的特点，引入沉降项对污染物迁移扩散的影响，从而建 立符合实际情况的数学模型，并对数学模型进行合理简化。通过沉降实验，求得 沉降速率常数k 。为0 1 2 1 9 3 ，可沉降f e 的比例系数f 一0 为0 6 9 3 1 。通过对往年汉 江武汉城区段水力、水文资料收集，确定水深、河宽等模型参数。结合边界条件， 考虑河岸镜像作用的影响，完成模型求解，即f e 在汉江中的浓度分布。并对模型 的解进行计算机模拟，实现：( 1 ) 输入河流水力参数和污染物参数，输出河流污染 带，用不同的颜色来表示不同的污染程度，直观地看出河流的污染情况；( 2 ) 选择横 向、纵向步长，输出河流中一定范围污染物浓度列表，由数字精确表示出污染物 浓度分布：( 3 ) 求出任一给定坐标点的污染物的浓度值。 关键词：水厂，废水，水质分析，数学模型 a b s t r a c t i nt h ep r o d u c t i o nl i n eo fw a t e r w o r k s ，t h es l u d g ed i s p o s a l w a s t ef r o m s e d i m e n t a t i o nt a n ka sw e l la sb a c k w a s hw a s t e sf r o mf i l t e rc h a m b e r , k n o w nt o g e t h e r a st h ew a s t ew a t e ro fw a t e r w o r k s ，s h a r e2 - - 。8 o fw a t e rq u a n t i t yo fw a t e rf a c t o r y a r o u n d n o to n l yi m p l yt os u s p e n d e ds o l i dm o r e l y , b u ta l s ot h e r ei st h eo r g a n i c m a t t e r o fh i g h e rc o n t e n ti nt h ew a s t ew a t e r a l t h o u g ht h ep o l l u t a n tm a i n l yc o m e sf r o m o r i g i n a lw a t e r , t h e ya r ec o n c e n t r a t e do b v i o u s l y , n o ta f e wi n d e xs i g n sa g ea l r e a d yb e e n s e v e r a lo r i g i n a lt e ne v e nl a s tah u n d r e d f o l d t h ec h e m i s t r ym e d i c i n ew i l la l s ob r i n g p o l l u t i o nt oh e a d w a t e r s i ft h ew a s t ew a t e rd i s c h a r g e si n t of i v e r o rl a k ed i r e c t l y , i tw i l l b e c o m et h ei m p o r t a n tp o l l u t i o ns o u r c eo fw a t e rs u b s t a n c e ，s i l tu p t oj a c ku pf i v e rb e d ， i n f l u e n c et h es h i p p i n ga n ds l u i c eo fr i v e r i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to ft h ed i s c h a r g eo fw a s t ew a t e ro nw a t e rs u b s t a n c e ， a n dt r e a tt h ew a s t ew a t e r , w em u s ts t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ew a s t ew a t e rf i r s t l y t h i sp a p e rt a k e sw a s t ew a t e rf r o mz o n g g u a nw a t e r w o r k sa sar e s e a r c ho b j e c t w e m o n i t o rt h ew a s t ew a t e rc o n s e c u t i v e l y , a n df i n dt h a t ：t h es so fw a s t ew a t e ri sm o r e t h a n9 0t i m e so fw h i c hi no r i g i n a lw a t e r , c o di sm o r et h a n3 0t i m e s ，a n df ei s5 8 t i m e s t h es sa n dt u r b i d n e s sd on o tb e c o m el i n e a rr e l a t i o ne x c e p tt h e ya r el o w e r ；t h e s sa n df ea c c o r dw i t hl i n e a r i t yr e l a t i o nb e t t e r ；t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nw a s t ew a t e r t h a tf r o mo v e r h e a dc r a n ea tt h eb e g i n n i n ga n di nt h ee n di sv e r yb i g a l t h o u g ht h e f l u xo fb a c k w a s hw a s t e si ss m a l l ，b u tt h ei m p a c to fi to v e rt h eq u a l i t yo fw a t e r i sv e r y b i g t h i sp a p e ra l s os t u d yo nt h em i g r a t i n gr e g u l a r i t ya b o u tt h ep o l l u t a n ti nf l o w a b l e w a r e rb o d v a tf i r s t ，b u i l dab a s a le q u a t i o na b o u tt h ed i f f u s e n e s sa n dm i g r a t i o no ft l l e p o l l l j t a n ti nt h ef l o w a b l ew a t e rb o d ya c c o r d i n gf e a c c o r d i n gt o t h eh y d r o g r a p h i c c h a r a c t e r i s t i co fh a n ji a n gr i v e ra n dh i g hl e v e lo fs s ，a n dt h ei m p a c to fs e d i m e n t a t i o n ， b u i l dau s e f u lm a t h e m a t i c a lm o d e l a n dt h e ng e tt h ea b b r e v i a t e dm a t h e m a t i c a lm o d e l b vm e a n so fs e d i m e n t a t i o n ，g e tt h es e d i m e n t a t i o nc o n s t a n t k ci s0 1 2 1 9 3 ，t h e p r o p o r t i o nf a c t o ro fs e d i m e n t e df ef - 0i s0 6 9 3 1 g e tt h ep a r a m e t e r so ft h er i v e rw i d t h a n dd e p t hf r o mt h eh y d r o g r a p h i cc h a r a c t e r i s t i co fh a n j i a n gr i v e r g e tt h er e s u l to ft h e 1 1 1 【a t h e m a t i c a lm o d e la c c o r d i n gt h ei m p a c to fi m a g ei n t e r f e r e n c eo ft h er i v e rb a n k t h e n s i m u l a t et h er e s u l tb yc o m p u t e ra n dk n o wt h a t ：( 1 ) i n p u tp a r a m e t e ro fh a n j i n ga n d p o l lu t a n t ，c a no u t p u tp o l l u t i o nz o n eo fd i f f e r e n tc o l o r t oc o m et ot h er i v e re x p r e s s i n g h 武汉理i ：人学硕十学f 市论文 c o n t a m i n a t i v ed e g r e e ( 2 ) c h o o s et r a n s v e r s a ls t e pl e n g t ha n dl o n g i t u d i n a ls t e pl e n g t h ， o u t p u te x a c tc o n s i s t e n c yl i s to ft h i sz o n e ( 3 ) g e tt h ec o n s i s t e n c yo fa n y c o o r d i n a t e k e y w o r d s ：w a t e r w o r k s ， w a s t ew a t e r ， w a t e r q u a l i t ya n a l y s i s ， m a t h e m a t i c a lm o d e i i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文1 1 l 特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含， 他人已经发表的和撰写过的研究成果， 也f 、= 包含为获得武汉理j 【大学或其它教厶 机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同1 ：作的同志对本研究所作的贡献均己在论 义中作。j ，明确的说明爿：表示了谢意。 签名：丝望塑：【1 期：型丝：篁：丛 关于论文使用授权的说明 本人完伞了解武汉珲工大学关于保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文破食j 蒯和借阅； 学校叮以公布论文的全部或部分内容，可以采j | j 影印、缩影或其 他复制段保存论文。 ( 保密的论文在解密后戍遵：于此规定) 签名：越铆签名：埠日期：砌多 武汉理i ：人学硕 ：学f 市论文 1 1 水厂废水及其特征 第1 章引言 在我国长期以来废水处理的概念中，仅限于污水处理厂。但面对着短缺的水 资源以及污染日益严重的水源，自来水厂的生产废水也越来越受到人们的重视。 自来水厂在净化过程中，沉淀池或澄清池排出的泥水以及滤池反冲洗产生的反冲 洗废水，统称自来水厂的生产废水，本文简称为水厂废水。水厂废水占水厂水量 的2 8 。 水厂废水中杂质的成分，因水源、季节及水处理工艺的不同而存在较大的差 别。一般来说，废水含有大量悬浮物，其总固体含量一般在0 1 1 0 之间。 这些悬浮物包括来自原水的胶体颗粒、泥沙j 藻类、细菌、给水处理中加入的混 凝剂( 如硫酸铝、氯化铁、聚合氯化铝、聚合硫酸铝铁等) 形成的氢氧化物沉淀 以及水处理中的其它添加物( 如助凝剂、粉末活性炭、硅藻土等) 等。它们在水 处理过程中通过混凝工艺共聚形成可沉淀物，然后在沉淀池( 澄清池) 及滤池中 截留下来，再通过沉淀池( 澄清池) 排泥和滤池反冲洗从水处理系统中被清除出 去，形成大量的排泥水。因此自来水厂的排泥水中含有较多的污染物。据资料报 道口1 ，铝盐混凝排泥水中的总固体含量在1 0 0 0 3 7 0 0 m g l 之间，其中总悬浮固 体占7 5 - - - , 9 0 ，挥发性总固体含量占2 0 - 3 5 之间。排泥水中的生化需氧量 ( b o d ) 相对较低，a l m q i s t 报道1 美国c o n n e c t i c u t 州十三家水厂排泥水的平均 b o d 为3 3 7 m g l 。研究表明排泥水的b o d 。只占总生化需氧量( b o d ) 的3 0 左右， 排泥水的化学需氧量( c o d ) 则较高，在5 0 0 一- - - 1 5 0 0 0 m g l 之间。国内有关自来水 厂排泥水的测定表明h 1 ，排泥水c o d 在5 0 - - 一5 0 0 m g l 之间，和国外记录相比较其 值较低。 1 2 水厂废水研究、处理的必要性 对给水厂生产废水成分的研究可知，废水中不仅含有较多的悬浮固体，而且 有较高含量的有机物成分。也许有人会认为水厂排泥水中的杂质，除水处理过程 中加入的混凝剂和其它可能的药剂外，其余的杂质均来自于原水，将生产废水 直接排入水体不应该产生污染的问题。实际上，水厂废水中的污染物虽然主要来 武汉理j ：人学硕卜学 节论文 自原水，但它们经处理后被显著浓缩，不少指标已是原来的几十甚至上百倍，净 水过程中使用的化学药剂也会对水体造成污染。排泥水的直接排放对环境的影响 是肯定的。 水厂废水若不经处理就排入江河湖泊等水体，会成为水体的重要污染源，并 淤积抬高河床，影响江河的航运和行洪排涝能力。搞好自来水厂废水处理，在改善 水环境的同时，还可回收利用占水厂供水量2 4 的水量，在一定程度上可缓解 水资源紧缺的矛盾。对目f ； 水资源同益紧缺的现状来说弥足珍贵，是不容放任流 弃的水资源，尤其是对一些严重缺水城市的自来水厂来说更是如此。从节约水资 源和节约长距离引水的基建投资及日常输水电耗等方面考虑，也不容许任意排放 排泥水。保护人类的生存环境，珍惜同益紧缺的水资源，走可持续发展的道路，是 目前水处理各项工作的主题工作。 净水过程中使用的絮凝剂等化学药剂也会对水体造成污染。自来水废水的水 体流速较慢，废水中大量的悬浮物就会在水体底部沉积，形成一层污泥层。该污 泥层可能在水体底部产生厌氧环境，使污泥中和土壤中的金属离子溶解出来，还 会使水域底层水体的p h 值降低，甚至释放出臭味。l a m b 和b a i1 e y 对铝盐混凝 污泥对底栖生物的影响进行了研究，发现底栖生物的死亡率随氯氧化铝浓度上升 而升高。 经生物医学研究认为，铝对环境的危害主要体现在对生物、植物及人体的危 害畸1 。水体中铝的毒性容易导致大批鱼类死亡，土壤中铝的含量偏高会严重干扰 植物代谢的正常进行，引起一系列代谢紊乱，出现细胞组织伤害的综合症状，导 致植物出现铝害。近代医学表明人体过量摄入铝会引起老年痴呆症、记忆力衰退 骨质疏松软化、肾功能失调、。肾衰竭及尿毒症、血液和心血管疾病、体细胞及生 殖细胞突变等。而有研究表明净水厂中铝盐混凝剂处理原水后产生的生产废水中 铝的含量大大增加并且其中相当多的铝是易被人体吸收和结合的铝。所以，给水 厂废水中的铝比其它来源的铝对人体的危害程度更大。 除水厂废水中活化铝可能存在的环境影响外，自来水排泥水中还存在许多其 它的污染物，如有机物、重金属离子、氟、硝酸根、总固体和放射性物质等，也 对水环境质量存在影响，或者超过了国家污水综合排放标准。 自来水厂排泥水处理和污泥处置两项工作的重要意义越来越被人们所认识 和重视。近年来，世界上大多数国家和地区都己积极研究和进行自来水厂排泥水 的处理和污泥处置工作。 武汉理l ：人学硕十。位论文 1 3 国内外水厂废水研究历史与现状 随着经济的发展和人口的不断增长，近几十年来，城市自来水厂的数量和规 模显著增多和扩大，自来水厂集中排入水体的排泥水也越来越多。据上海市的粗 略统计，各自来水公司所属水厂通过排泥水进入江河的悬浮物达l o 1 0 4 t a 以上 ( 干固体计) ，耗氧有机物以c o d 。，计算达6 1 0 4 t a 以上。 2 0 世纪6 0 年代以前，世界上先期建造的一些自来水厂排泥水处理设施，很大 程度上是沿用了污水厂的污水和污泥处理方法来设计，没能结合自来水厂排泥水 的特点综合考虑。 2 0 世纪6 0 年代，有人开始着手认真研究自来水厂排泥水处理和污泥处置工 作。各国研究人员调查了自来水厂的排泥水处理与水厂净水工艺之问的关系，探 讨了自来水厂排泥水与污水厂污水处理之间的相同点和不同点，在总结已建成的 自来水厂排泥水处理设施的运行经验和教训基础之上，根据自来水厂排泥水的有 关特点，设计了许多自来水厂排泥水处理和污泥处置的有效工艺、方法和设备。 7 0 年代以来，一些发达国家的自来水厂排泥水处理和污泥处置工作在经济蓬勃 发展的带动下得到了迅速发展。日本于1 9 7 5 年6 月颁布了水质污浊防止法。 规定设有沉淀池和滤池的自来水厂，其排水必须经处理至符合水质排放标准才能 排出，从而在法律上规定了自来水厂必须进行排泥水处理。 近年来，美国、日本和欧洲等国的较大规模自来水厂，一般均配置有较完善 的、自动化程度高的排泥水处理和污泥处置设施，而离心机脱水、加压过滤脱水 等机械脱水方法更是得到了普遍应用。在欧洲某些水源较好的自来水厂，由于排 泥水中含泥量少，往往将排泥水排入市政下水道，输送到就近的污水厂统一进行 污泥处理。据资料介绍，欧洲许多国家的自来水厂经过浓缩和脱水处理的污泥量， 占全部自来水厂污泥量的7 0 ：同本自来水厂经过浓缩和脱水处理的污泥量，占 全部自来水厂污泥量的8 0 以上哺3 。 在我国，丌展水厂排泥水处理试验研究最早的是上海市自来水公司。8 0 年 代末9 0 年代初，主要对污泥脱水机械用于自来水厂污泥脱水进行了小型实验研 究，以找到适合上海水厂污泥处理的机械脱水方式。 最早将水厂污泥处理的研究理论较为系统的引入国内的专家是谢志平。在 给水厂的污水和污泥处理一书中，他综合了西方发达国家的研究成果，对自 来水厂污水和污泥的种类、数量和组成成分、污水和污泥的处理方法、各种处理 构筑物的结构、设计与管理、污泥中混凝剂的回收和脱水泥饼的最终处置与利用 3 武汉理i i 人学硕十学f 节论文 等进行了较为系统的阐述。 随着我围对环境保护和整治力度的不断加强，许多省市的环保部门近年来积 极督促各地自来水公司在改建、扩建、新建自来水厂的同时，要筹措资金同步实 施水厂的排泥水处理工程。1 9 9 6 年以来，北京市第九水厂、石家庄润石水厂、 深圳梅林水厂、上海闵行水厂、河北保定二水厂、厦门杏林水厂等几个水厂的排 泥水处理工程的先后建成投产，标志着我国水厂排泥水处理研究开始了生产性研 究阶段h 1 。 1 4 水厂废水处理方法概述 如果自来水厂附近有城市污水处理厂，且在污水厂处理能力许可的情况下， 污泥可以直接排入下水道同城市污水一道处理并处黄。这种情况只适合于某些中 小型水厂，否则污水厂将不堪重负。将水厂污泥排入下水道，水厂内的污水和污 泥处理设施可以全部或部分省略。但是必须认真考虑污泥在下水道中可能沉积阻 塞的问题。还有一种做法是通过专门管路输送到污水厂后，不经过污水处理工艺， 而直接与污泥混合脱水一道处置。由于给水污泥脱水性能远优于污水污泥，它可 以起调节作用，提高污泥的可脱水性n 1 们。 如果不具备以上条件，给水厂应有自己的废水回用及处理构筑物。目前生产 废水的处理方法分为以下几种： ( 1 ) 滤池反冲洗水与沉淀池排泥水的混合水共同处理后回用或外排； 滤 包反 沉淀池 图卜1滤池反冲洗水与沉淀池排泥水混合处理工艺 ( 2 ) 滤池反冲洗水与沉淀池排泥水分开处理，沉淀池排泥水处理后的出水与滤 池反冲洗水混合后处理，再回用或排放； 4 武汉理l ：人学硕 ：学位论文 溏池反冲洗水 沉淀池排泥水 混凝、反应、沉淀 上清液j 沉泥 污泥浓缩、脱水 回用或排放 污泥最终处置 图1 - 2 滤池反冲洗水与沉淀池排泥水单独处理工艺 ( 3 ) 滤池反冲洗水直接回用，沉淀池排泥水处理后回用 沉淀 滤池反冲洗水回用 终处理 图1 - 3 滤池反冲洗水直接回用，沉淀池排泥水处理工艺 给水厂废水可有多种处理方式供选择，对于特定的水厂具体采用何种工艺， 最好的方法就是先进行初步的可行性研究，然后通过小规模试验来选择合理的工 艺。 1 5 水力传质数学模型研究的意义 近年来，突发性污染事件频发。这些事件来得突然，防不胜防，事态严重， 如不当机立断正确处置，会造成严重后果。例如2 0 0 5 年1 1 月1 3 日中国石油吉 林石化公司发生爆炸事故，据专家估算约有1 0 0 吨左右苯类污染物进入松花江水 体，松花江发生重大水污染事件，给沿江人民带来了极大的恐慌和不便n 。对上 述这些连续的或突发性的排污情况进行水质影响的描述和评价，以及在制订区域 水污染控制系统规划或进行污染控制的系统分析，都会涉及到水环境质量在空间 和时i 日j 上的变化问题，都需要解决水质的定量预测问题。 武汉理l ：人学硕 ：学位论文 如果在某- n 流系统内，通过实测直接获得有关各种水质变化预测的资料， 一般地说是不可能的。因为在一条清洁的或者轻微污染的河流中进行各种状态下 人为污染物的测量和研究，需要倾倒大量的污染物，还需要停止污染物的排放， 以取得预测所需的边界条件，而这样做会造成长期难以恢复的破坏，因此原则上 是不允许的。特别是对有毒有害物进行这种临界状态试验更是被严格禁止的，更 何况在自然状态下进行这类试验，因其规模巨大，将消耗相当的人力、财力和物 力。通过“模拟”的方法来研究河流水质的变化规律就能很好的克服实地试验的 局限性。这种研究方法是根据实际监测资料所提供的部分信息，通过逻辑推理， 数理分析或者实物模型实验建立起能代替真实系统的模型，然后用模型进行水质 变化规律的研究。 河流水力传质模型提供一种预测自然过程和人类活动对河流水库系统中水 的物理特性、化学特性和生物特性影响的手段，广泛应用于评价来自废水处理的 废水负荷的影响，或者来自其他各种点源和非点源污染物负荷的影响。水力传质 模型可以与水质监测联合使用，以便把采样的数据内插或外延到其他的时间和地 点。水力传质模型还可以当作研究工具来丌拓对影响水质的各种过程及其相互作 用的认识。 1 6 水力传质数学模型研究的分类 影响受纳水域污染物浓度分布的因素主要有水域的物理性质、人工污染源强 度、废水排放流量和方式、水文气象条件、水域的地形条件和水工建筑物的布置、 结构等。这些因素相互作用使得流动相当复杂。根据侧重点不同，水力传质模型 做了相应的简化，形成了不同的类别。 水力传质数学模型分类方法很多，除了根据异重水体中流体流动及密度变化 的区域特性分成近区、远区模型外，还有根据数学模型所能描述的因变量空间分 布的维数又分为零维模型、一维模型、二维模型和三维模型，也可根据对湍流封 闭的情况分成零方程模型、单方程模型和二方程模型等引。现从废水排放工程的 应用出发，按近区、远区两类对各种常用数学模型的模拟机理、使用范围、优缺 点作如下的评述。 1 6 1 近区模型 近区模型足用于预测排水口附近区域的水流特性和污染物浓度分饰的数学 6 武汉理i ：人学硕十学位论文 模型。其中最经典的是射流积分模型，它始于2 0 世纪6 0 年代后期，7 0 年代有较 快的发展，提出的模型有2 0 多种n3 1 。射流积分模型的基本思路是：首先假定沿射 流各个断面上的流速分布、浓度( 温度) 分布等存在自相似性，通常将射流近区分 为初始段和主体段，初始段是射流流态形成区，沿程侧向断面上各因变量的变化 多用椭圆分布近似，主体段是射流流态发展区，沿程侧向断面上各因变量的分布 多用高斯分布逼近。其次必须对射流的厚度作线性扩展假定或对射流从侧边卷吸 流体的流量作出一个卷吸假定，常用卷吸系数又可近似认为是常量。对有环境来 流的情况还应确定绕流阻力系数。射流积分模型是在上述假定的基础上，根据质 量、动量和物质守恒的原理，对与射流轴线垂直的横断面积分获得的n 盯。 1 6 2 远区模型 远区模型主要描述热量或污染物随水流的输运规律，估计大范围内的浓度 ( 温度) 及流速分布情况。在水厂厂址选择、工程投标和初步可行性研究阶段，往 往不需要进行详细的污染浓度预报，只要求初步估算受纳水域与周围水、气的热 交换总量和水体的降解能力，分块模型和网格法模型就可以达到此目的。这些方 法一般从水流的连续性和物质的守恒出发建立控制方程组，物理意义明确，计算 工作量小，基本上是零维模型5 。 1 6 2 1平面二维浅水环流模型n 町 对于大范围江河、湖泊及海湾的水环境预报问题，由于水深相对较小，且多变 化，加之岸线形状复杂，为了简化计算，往往忽略物理量沿水深方向的变化，从深 度平均的平面二维水流运动方程出发进行计算。该类模型未涉及分层问题，一般 假定密度不随温度发生变化，同时假定自由面变化非常缓慢，不计由于流动非恒 定( 潮汐) 、地形变化、风应力等作用而产生的动水压力，压力服从静压分布。对 湍流的模拟一般采用粘性系数为常数的扩散模型或者粘性系数和速度相关的零 方程模型。 上述既实用又比较合理的假定，使得平面二维浅水环流模型在水环境工程中 获得了广泛应用，工程需求又反过来促进了模型的发展，使其更加通用化。它可以 考虑惯性力、重力、湍流粘性应力、风应力和底部摩擦力的作用，还能考虑水下 地形、自由液面变化的影响，温度方程中考虑了温度随水流的输移、扩散和表面 扩散等物理现象，模犁既可用于恒定流动也可用于非恒定流动。 7 武汉理i x 学硕f ：学何论文 浅水控制方程组的数值计算方法主要有：( 1 ) 分布杂交法，该方法采用三角形 网格系统，将计算的每一时间步长分成两步进行。前半步采用特征线法，主要考虑 对流效应：后半步采用集中质量的有限元法，主要考虑扩散效应。由于三角形网 格便于逼近各种复杂边界，此法被广泛应用于平面二维浅水环流问题：( 2 ) 有限差 分法，它是广泛应用于流体流动的经典方法，该方法多采用交错网格系统，其精 度、稳定性直接和差分格式有关，很多学者致力于这方面的研究。 1 6 2 2 准三维远区模型 在大范围分层水流运动中，有必要开发三维模型。在远区计算中，一般垂向速 度远远小于水平方向的速度，把水深方向动量方程中所有包含垂向速度的项省掉， 变成静压方程，垂向速度通过连续方程求出，同时考虑密度随深度的变化，这种 假定压力服从静压分布的三维模型通常称为准三维模型。 准三维模型多用常系数的湍流模型，称为准三维远区模型。最初的三维远区 模型一般采用分层求解的方法，随着计算机和计算技术的发展，目前多采用整体 联立求解的方法。从湍流模拟上讲，平面二维浅水环流模型和准三维远区模型是 相当粗糙的，为了克服扩散系数取值上的不确定性，人们自然想到用更精细的湍 流模型。 1 6 2 3 深度平均的模型 wr o d i 于1 9 8 0 年n 7 1 首先提出了深度平均的模型。它的基本思想是：用模型 封闭雷诺时均方程，仿照平面二维浅水环流模型的思路，不仅对速度、浓度等时均 量沿水深取平均，而且对湍动能、湍流耗散率也取水深平均，同时考虑水体近底流 区的垂向速度梯度引起的附加湍动能产生项和耗散项，使得平均的湍动能、湍流 耗散率能较好地反映水深平均效应。 1 6 3 近区模型和远区模型的区分 近区模型和远区模型在模型处理上有明显的不同，主要体现在：近区问题多 数是三维的，模型采用静压分布会带来较大的误差，它要求比较精细的湍流模型； 远区模型一般假定静压分布，采用的湍流模型比较粗糙。 近区模型和远区模型是人为的区分，本身近区和远区没有比较严格的界限， 8 武汉理l ：人学硕十誓化论文 数学模型发展的最终结果必然是将二者统一起来，而实现统一的重要步骤是应用 精细的湍流模型，进行完全三维的数值模拟。 1 7 国内外研究现状与分析 从上个世纪2 0 年代中期开始，国内外的学者就开始研究河流中污染物扩散 输移规律的数学模型，经过将近8 0 年的探索和研究，河流水质模型研究已取得 显著的进展，相继出现了一大批功能强大、通用性好、准确可靠的综合水质模型， 特别是一维河流水质模型更是有了长足的发展。 1 7 1 国外研究概况 第一个水质模型是1 9 2 5 年由美国的工程师s w e e t e r 和p h e l p s 提出的氧平 衡模型n 引，由p h e l p s 在1 9 4 4 年总结和公布，即经典的s t r e e t e r p h e l p s 水质模 型。这个模型的基本原理是相当合理的，所以模型及其某些修正形式至今仍被用 于模拟水质引。自该模型问世之后，水质模型丌始从单一组分的研究转向多组分 相互作用的综合模型开发上m 1 。污染物质进入河流水体后，将在复杂的物理、化 学及生物过程综合作用下发生输移、转化、沉淀、吸附及复杂的生化作用。对水 体及相关环境单元产生影响，水体中的污染物之间也会发生相互作用，这也会降 低未考虑这些作用影响的单一水质模型的模拟精度。随着对污染物污染机理的深 入研究，很多科研组织已开发了不少综合水质模型。 从第一次建立水质模型以来，国际上对水质模型的研究可分为四个阶段瞳俭羽： 第一阶段为1 9 2 5 一1 9 6 5 年，开发了比较简单的生物化学需氧量和溶解氧( b o d - - d o ) 的双线性系统模型，对河流和河口采用一维计算方法；第二阶段为1 9 6 5 一1 9 7 0 年，随着电子计算机的应用及人们对生化耗氧过程认识的深入，除继续 发展b o d - - d o 模型的多参数估值外，水质模型发展为6 个线性系统，计算方法从 一维进到二维，除河流、河口问题外，开始计算湖泊及海湾问题：第三阶段为 1 9 7 卜1 9 7 5 年，研究发展了相互作用的非线性系统模型，涉及到营养物质氮、 磷的循环过程、浮游植物和浮游动物系统，以及生物生长率同营养物质、阳光、 温度的关系，浮游植物与浮游动物，长率之间的关系，其相互关系都是非线性的， 一般只能用数值法求解，空| 日j 上用一维和二维方法进行计算：第四阶段为1 9 7 5 年以后，除继续研究第三阶段食物链问题外，还发展了多种相互作用系统，空间 武汉理i j 人学硕 ：。学位论文 尺度发展到三维，模型更为复杂，模型中状念变量数目大大增加，有2 0 个或更 多状态变最的水质模型己不少见。 目前使用比较成熟的水质模型主要以下几种心叫： ( 1 ) 斯特里特一菲尔普斯( s t r e e t e r - p h e l p s ) 模型该模型的建立基于两条假 设，即考虑好氧微生物参加b o d 衰减作用，反应符合一级动力学；从溶解氧而占， 耗氧的原因是由b o d 反应引起，复氧由大气引起，使用的模型要求时间上均匀稳 定，系统参数不变。s t r e e t e r p h e l p s 属一维水质模型。 ( 2 ) 托马斯( t h o m a s ) 模型 该模型在斯特罩特一菲尔普斯模型的基础上，考 虑了悬浮物对b o d 的影响，增加了因悬浮物的沉淀与上浮所引起的b o d 变化速率。 ( 3 ) 奥康纳( 0 c o n n o r ) 模型该模型在托马斯模型的基础上除考虑c b o d 外， 还考虑n b o d 的衰减作用。 ( 4 ) 宾斯一坎普( d o b b i n - c a m p ) 模型 该模型在托马斯模型的基础上，增加了 两项因素，即底泥释放和地表径流引起的b o d 变化速度；藻类光合作用与呼吸作 用、地表径流所引起的溶解氧变化速率。 ( 5 ) q u a l 系列模型美国环保局于1 9 7 0 年推出了q u a l i 系列一维综合河流 水质模型；1 9 7 3 年美国环保局又在q u a l - i 的基础上推出q u a l - i i 、q u a l 2 e 模型， 经过几次修订和增强，该模型已日趋成熟和稳定。2 0 0 0 年美国环保局又推出了 q u a l 2 e 模型的增强版q u a l 2 k ，该模型克服了q u a l 2 e 模型的缺陷，对计算功能进 行扩展，增加了新的反应因子。 ( 6 ) w a s p 模型w a s p 模型是美国环保局提出水质模型系统，可用于对河流、 湖泊、河口、水库、海岸的水质进行模拟。w a s p 最原始的版本是于1 9 8 3 年发布 的。它综合了以前其他许多模型所用的概念。之后w a s p 模型又经过几次修订， 如i f a s p 4 晗4 | 、w a s p 5 乜5 1 等。w a s p 包括两个独立的子系统：d y n i t y d 和w a s p ，它们可 以联合运行，也可以独立运行。d y n h y d 是水动力学系统，它模拟水的运动；w a s p 是水质系统，它模拟水中各种污染物的运动与相互作用。在w a s p 模型模拟的过 程中反映了对流、离散、点杂质负荷与扩散杂质负荷以及边界的交换等随时间变 化的过程心引。 ( 7 ) b a s i n s 模型b a s i n s 模型体系是由美国环保局发布的多目标环境分析 系统，基于地理信息系统( g i s ) 环境，可对水系和水质进行模拟。它最初用h s p f 作为水动力和水质模型，后来集成了河流水质模型q u a l 2 e 和一些别的模型，同时 使用了土壤水质评价工具w e a t 和a r c v i e w 界面，可使用g i s 从数据库抽取数据。 该系统由6 个相互关联的能对水系和河流进行水质分析、评价的组件组成，它们 分别是【暂家环境数掘库、评价模块、工具、水系特性报表、河流水质模型、非点 l o 武汉理i ：人学硕f ：学化论文 源模型和后处理模块。b a s i n s 模型系统是当今最常用的水系模型之一1 。 另外还有非常著名的o t i s 模型体系旧1 和m i k e 模型体系【2 引，以及其它国家 如德国、荷兰等也分别丌发了比较有效的水质模型，在水质模拟和环境管理中发 挥了重要的作用。近年来，水质模型的研究取得了很大进展，如多介质环境综合 生态模型、模型不确定性的研究、污染负荷分配的模糊数学模型、与人工神经网 络相结合水质模拟优化模型汹1 及水质模型与g i s 的结合啪川等等。 1 7 2 国内研究概况 国内水质模型研究工作起步较晚，并且主要在确定性模型方面进行了比较深 入的研究和应用。近年来，国内有关单位先后在长江口2 儿3 3 1 、呼和浩特市地表水流 域3 、沱江、青岛市大沽河心5 1 ，漓江、松花江、图门江、黄河兰州段、伊洛河洛 阳段、淮河蚌埠段汹1 、浑河抚顺段、小清河口 、云南洱海、汉江呻1 、昆明滇池、 江苏太湖等地建立或应用了水质数学模型，并取得了一大批成果。如长江水资源 保护局自1 9 8 0 年以来，以武汉江段为重点，对长江干流岸边污染带进行了大量 的检测工作，探讨了污染带的紊动扩散和离散的内在机理，提出了二维模型。并 以武汉、宜昌、重庆等江段大量实测资料验证，结果与实际基本相符。1 9 8 5 年 1 1 月，上海环保局对黄浦江污染综合治理研究，建立了具有潮汐作用的水力水 质数学模型，并采用了一维稳态潮汐离散型水质模型作为规划工作的基本工具， 研究了黄埔江有机污染物定量及在各江段的合理分配。 而对于普遍承受有机污染的中小河流，河流之中的溶解氧及生化需氧量是评 价水体质黾的主要指标。因此，一般认为综合考虑这两项能反映河流的污染程度 及自净能力，这种模型结构简单，在中小河流的水质管理与规划中得到广泛应用。 通常采用的是s - p 模型或其改进模型。如小清河济南段，第一松花江及图门江采 用t h o m a s 模型，螳螂川采用了d o b b i n s c a m p 模型。 可见，目前国内水质模型的发展有两大方向：( 1 ) 通过应用新技术，在对污 染物扩散输移机理不断深入认识的同时，不断改进和完善已有的模型，同时根据 国内需要开发和引进新的水质模型。( 2 ) 随着人们认识水平的提高，根据客观水 质系统具有随机性与偶然性的特点，应用概率论及数理统计理论、灰色系统理论、 随机微分理论等建立和应用不确定性水质模型，从而更好的模拟实际水质系统， 为决策者提供大量的高可信度的水质信息。 武汉理i ：人学硕f ：学位论文 1 7 3 存在的问题 水力传质数学模型虽然具有诸多的优点，但在水质数学模型的发展过程中， 仍存在很多问题： ( 1 ) 因为数学模型是建立在一系列的控制方程基础上的，所以对于一些运动特 征或反应机理不清楚的问题，很难建立准确的控制方程，使得数学模拟结果与实 际问题有较大的误差。 ( 2 ) 数学模拟结果受到数值计算方法的限制。另外，只有经过实测资料的充分 验证才能得到正确的计算结果，对于精度要求较高的水质模型应有充分的实测资 料，因此水质模型的精度还受到实测资料的限制m 1 。 ( 3 ) 目前水质模型在河流和河口模型应用上比较成熟，湖、海模型比较复杂， 可靠性小h 。 ( 4 ) 对于模型中微量的难降解的有机物，由于其迁移转化过程的特殊性，目i i 对它的认识还不充分，模拟预测还有一定的困难h 别。 ( 5 ) 在水质模型中多组分的水生生态模型，反映了各种组分相互作用的非线性 系统，模型详细和综合地描述了水体中存在的各种因素的关联，这种模拟比较有 用，但需要更多的数据和计算时间，模型难以建立。 1 8 课题的目的、意义及主要内容 1 8 1 课题的目的及意义 自来水厂的生产废水主要来自沉淀池或澄清池排泥水和滤池反冲洗废水，其 中包含了原水中的杂质以及水厂投加的药剂残留物，其水量一般约占水厂总制水 量的2 8 。近年来，随着人们环境意识的增强，特别是强调走可持续发展道路以 来，自来水厂排泥水处理以及污泥处置问题越来越受到重视，环保部门对自来水 厂生产废弃物的排放和处置要求也逐渐提高。许多水厂都建立了水厂废水的处理 设施，使水厂废水得以处理，不仅节约水资源且削减了水厂废水对水环境的污染。 而欲建设水厂废水的处理设施，必须首先应对水厂废水的水质特征有全面准确的 掌握，才能建设和水厂本身相匹配的废水处理设施，在达到处理目的的同时又可 大大节约资金。 随着计算机技术的发展，数学、计算机知识越来越多应用于实际生产中。 通过对污染物在流动水体中的迁移规律进行数学建模，得出关于污染物在流动水 武汉理i ：人学硕 ：学f 节论文 体迁移规律的数学模型。不仅可以全面掌握污染物在流动水体中的迁移规律，还 可对水质特征进行预测，对水体环境的保护有重要意义。 通过对宗关水厂生产废水开展了针对性研究，全面掌握水厂废水水质特征， 为废水的后续处理工程提供参考。并为周边地区以汉江下游段作为水源的给水厂 的生产废水处理工程设计提供参考。 通过建立数学模型，对污染物在流动水体中的迁移规律进行研究，掌握其迁 移规律，进而预测宗关水厂废水的排放对汉江水质的影响。 1 。8 。2 课题的主要内容 本课题的主要研究内容分为两个部分： ( 1 ) 宗关水厂废水特征研究。对宗关水厂的运行情况进行全面调查，掌握水厂 运行的基本规律。特别对各生产构筑物废水的排放方式、规律、排放量有了全面 掌握。 在废水排污口进行连续监测，掌握排污口废水排放规律。并对排污口排放废 水水质特征进行检测，掌握了c o d 、s s 、f e 等几个重要水质指标。进一步对各项 指标之i 日j 的关系进行分析研究，得出相关结论，并分析了原因。最后对生产废水 的处理提出了建议。 ( 2 ) 污染物在流动水体迁移舰律研究 根据污染物在流动水体的迁移扩散基本规律，结合宗关水厂废水排放特点， 以f e 为示踪物质，对宗关水厂废水排入汉江进行水质模拟，建立了切合实际情 况的水力传输模型。 1 3 武汉理i 人：硕f ：学何论文 第2 章宗关水厂废水水质特征研究 2 1 宗关水厂的概况 武汉市自来水公司宗关水厂位于研口区中部的宗关地区，距汉水长江汇流处 6 4 公罩，整个厂区总占地面积1 8 4 万平方米，取汉江水源。该厂始建于1 9 0 6 年，1 9 0 9 年建成，初始规模2 7 万立方米同。解放前4 3 年中，水厂发展缓慢， 至解放前夕，日综合生产能力仅为9 3