（水力学及河流动力学专业论文）北大港水库水质安全研究.pdf

摘要 水质安全是经济和社会可持续发展的基础。随着外源污染控制技术的不断发 展和治理技术的不断提高，内源污染治理问题受到了决策者和科研工作者的极大 关注。当底泥上覆水体污染物含量减少或水体受到扰动时，大量的底泥污染物会 被释放出来，对水体造成污染，要解决此问题，需要对水污染防治措施及底泥释 放机理有全面的认识和了解。 本文以北大港水库为例，运用数值模拟方法进行了水质模拟研究，并通过优 化调度方式，确保水库水质安全，并通过对底泥污染物释放的模拟分析得出底泥 释放的影响因素，为水质安全研究提供科学依据。北大港水库存在严重的底泥污 染问题，作为天津市最大的平原水库和南水北调调蓄水库，2 0 1 3 年起将调蓄南 水北调东线来水4 5 5 亿m 3 。 首先，建立三维水动力水质耦合模型，以氯离子为水质模拟指标，对水库水 体氯离子迁移及底泥氯离子的释放进行模拟，并通过对水位及水体氯离子浓度的 模拟值与实测值的比较，验证了模型的可靠性。 其次，通过对底泥释放的模拟分析得出：底泥氯离子的释放量和释放速度与 底泥、水体污染物的浓度差及其上覆水体的流速成正比。 最后，运用上述模型，对北大港水库设置了三种典型蓄供水方案，分别进行 了水动力及水质模拟研究，通过对各运行方式的流场、水质的分析比较，选出了 较合理的方案，即主辅库联合调度方案。 关键词：北大港水库；水质安全；水质数值模型；底泥污染物释放；氯离子浓 度 a b s t r a c t t h es a f e t yo fw a t e rq u a l i t yi st h eb a s i so fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h e e c o n o m ya n ds o c i e t y a f t e r t h ee x t e r n a l p o l l u t i o n h a db e e nc o n t r o l l e d ，t h e e n d o g e n o u sp o l l u t i o nc a u s e db yp o l l u t e ds e d i m e n th a sb e e np a i dc l o s ea t t e n t i o nb y d e c i s i o nm a k e r sa n ds c i e n t i s t s w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ew a t e rp o l l u t a n ti s d e c l i n e do rt h ew a t e ri sd i s t u r b e d t h ep o l l u t a n ti nt h es e d i m e n tw i l lr e l e a s ea n dg e t i n t ot h ew a t e r b e f o r ed i s c u s s i n gh o wt os o l v et h ep r o b l e m ，t h ek n o w l e d g ea b o u t w a t e rp o ll u t i o nc o n t r o la n dt h em e c h a n i s mo fs e d i m e n tr e l e a s ei sn e e d e d t h i sp a p e rt a k e sb e i d a g a n gr e s e r v o i ra sa ne x a m p l e ，a n dd e s c r i b e st h ed y n a m i c p r o c e s si nt h es i m u l a t i o no fw a t e rq u a l i t y , a n dt h eg e n e r a lr u l e sa b o u tt h er e l e a s eo f c o n t a m i n a t i o ni ns e d i m e n tw e r eo b t a i n e d t h er e s u l t so b t a i n e di nt h es t u d ym i g h t p r o v i d es c i e n t i f i cr e f e r e n c e sf o rt h er e s e a r c ho f t h ew a t e rq u a l i t ys a f e t y a st h el a r g e s t p l a i nr e s e r v o i ro ft i a n j i na n dar e g u l a t i n gr e s e r v o i rf o rs o u t h - t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e r p r o j e c t , i t ss e d i m e n tw a sp o l l u t e ds e r i o u s l ya n dt h es t o r a g ec a p a c i t yo fb e i d a g a n g r e s e n ，o i rw i l lc o m et o4 5 0 5 0 0m i l l i o nm 3s i n c e2 0 13 f i r s t l y , a3 - dh y d r o d y n a m i ca n dw a t e rq u a l i t ym o d e lw a se s t a b l i s h e d a n d t a k i n gc i a ss i m u l a t i o ni n d e x ，t h et r a n s p o r t a t i o no fc i ，w h i c hi si nw a t e rb o d ya n d s e d i m e n t ，w a ss i m u l a t e d i na d d i t i o n ，t h r o u g hc o m p a r i n gd a t ac o l l e c t e df r o m f i e l d b a s e dm e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h em o d e lw a sc a l i b r a t e d s e c o n d l y , t h r o u g hs i m u l a t i n gt h e c o n c e n t r a t i o nv a r i a t i o n so fc i i nt h es e d i m e n t ， i ti sc o n c l u d e dt h a tt h eq u a n t i t yo fc o n t a m i n a t i o nr e l e a s e df r o mt h es e d i m e n ta n dt h e r e l e a s er a t ei sd i r e c t l yi np r o p o r t i o nt ot h ef l o wv e l o c i t ya n dt h e c o n c e n t r a t i o ni n t e r v a l o fc o n t a m i n a t i o nb e t w e e ns e d i m e n ta n dw a t e r f i n a l l y , u s i n gt h em o d e le s t a b l i s h e da n dc a l i b r a t e da b o v e ，t h r e eo p e r a t i n g c o n d i t i o n so ft h er e s e r v o i rw e r es i m u l a t e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef l o wf i e l da n d c o m p a r i n gt h eq u a l i t yo fw a t e rs u p p l y , t h eb e s to n ew a ss e l e c t e d k e y w o r d s ：b e i d a g a n gr e s e r v o i r ；w a t e rq u a l i t ys a f e t y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f w a t e rq u a l i t y ；s e d i m e n tc o n t a m i n a t i o nr e l e a s e ；c o n c e n t r a t i o no fc l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：共觞 签字日期： 御9 年影月p z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗塞堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：鼻篷荔 签字目期：研年汐占月o z 日 导师签名：二；t 辛幸 签字日期： oe 年6 月1 日 第一章绪论 第一章绪论 随着工业化的发展和人民物质生活水平的不断提高，人们对水的需求逐渐增 多，如何在保证水的供应量的前提下满足水质要求己成为当今世界普遍关注的热 点问题。我国是一个严重缺水的国家，淡水资源人均占有率仅为世界水平的1 4 ， 且时空分布极不均衡。水污染降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺 的矛盾。水质安全关系到人类身体健康和生态安全，逐渐成为制约我国经济和社 会可持续发展的“瓶颈”。 1 1 研究背景及意义 水是人类社会得以生存和发展的基础和命脉，联合国教科文组织公布 ( 1 9 9 8 1 1 ) 近2 0 年来世界饮用水源减少了5 0 ，河流、湖泊、地下水的质量受到 了严重的威胁。目前多数江河湖泊受到一定程度的非点源污染，且有逐年加重的 趋势。据美国、日本等国报道，即使点源污染得到全面控制，江河的水质达标率 仍仅为6 5 ，湖泊水库仅为4 2 。我国水环境也存在着严重的非点源污染问题， 在北京密云水库、江苏太湖、天津于桥水库、安徽巢湖、云南滇池、上海淀山湖 等水源地，非点源污染已成为水质恶化的重要原因之一。非点源污染是指污染物 以广域的、分散的、微量的形式进入地表及地下水体，包括大气干湿沉降、暴雨 径流、底泥污染和生物污染等诸多方面，其特点是：具有随机性、潜在性、模糊 性、滞后性和广泛性，因此不易得到有效控制。其中，底泥污染一直是水质安全 研究中比较受关注的问题，也是治理的难点。 北大港水库是北大港湿地的部分核心区，北大港湿地属于天津市自然保护 区。由于底泥含盐量高，威胁水库的水质安全。作为天津市南水北调工程的配套 水库，其水质安全对天津市城市安全供水具有重要作用。 1 2 水质安全研究发展及现状 水污染防治规划是以水质安全为目标，主要根据环境科学的基本原理和原 则，分析和协调水污染系统各组成因素间的关系，并综合考虑与水质有关的自然、 技术、社会、经济等方面，对排污行为在时、空上进行合理的安排，达到预防水 质问题发生，促进环境与经济、社会可持续发展的目的。 第一章绪论 我国的水污染防治规划工作始于2 0 世纪7 0 年代，由于非点源污染问题突出， 水质管理模型由单一的水质数学模型发展为一个包含流域水文模型、非点源模型 和水质模型的复合模型系统。8 0 年代后期，地理信息系统开始与上述的数学模 型有机耦合在一起，构成一个比较完整的流域水质管理系统。目前，水污染防治 规划主要从以下几方面入手：( 1 ) 根据河湖或水库预定的基本功能所要求的水质 或水环境容量计算，进行污染物的削减与控制对策分析；( 2 ) 依靠水源保护区制 度，加大河流湖泊及其周边地区排污治理和监管力度，充分利用水体自净能力， 严禁点源污染，严格控制非点源污染；( 3 ) 水质分析评价方法，根据水体污染物 的迁移转化规律、可能的污染源发生情况等准确评价水质现状，采取有效措施控 制水质变化；( 4 ) 利用水质模拟预测技术，了解污染物的运动规律，确定水质变 化趋势，为水污染防治提供科学依据。 1 2 1 水环境容量 水环境容量可以表述为在水资源开发利用区域内，按给定的水质目标和设计 水量、水质条件，水域能接纳污染物的最大量【2 】。水环境容量的大小不仅取决于 自然环境条件，以及水体自身的物理、化学和生物学方面的特性，而且与水质要 求和污染物的排放方式有密切关系1 3 j 。水环境容量是用水质模型模拟出的河流水 质来计算，其计算结果的准确性取决于水质数学模型模拟的精确程度【4 】。河流水 环境容量的计算模型很多，但其基本形式都是：水环境容量= 稀释容量+ 自净容量 + 迁移容量。 河流的污染物总量控制，是以河流的水环境容量为依据，把动态水质模型和 线性规划结合进行水环境容量计算，具有自动化程度高、精度高等特点，主要思 路是：在水动力模型和动态水质模型的基础上，建立所有河段污染物排放量和控 制断面水质标准浓度之间的动态响应关系，以河流总排放污染负荷最大为目标函 数，约束集为：各河段都满足规定水质目标；各河段容量约束，即每个河段都要 有一个最小容量约束，以满足进入河道的面污染源总量要求。运用最优化方法， 求解每一时刻河流水质浓度满足给定水质目标的最大污染负荷。 1 2 2 水体自净能力 由于天然水体的水量极大，进行人工净化需要耗费大量的人力、物力和财力， 因此人们将目光投放到天然水体的自净化作用上。水体自净是在大自然作用下的 一种物理、化学和生物学综合作用过程的生态效应，包括混合分散与稀释作用、 重力沉淀作用和生物学作用，等等，一般主要考虑气温、水温、光照和大气复氧 等几个方面的作用。单靠水体自净作用的情况下，水体污染物浓度变化快慢主要 第一章绪论 取决于污染物的衰减系数和弥散系数，水中污染物的自然衰减主要依靠生物降解 和重力沉淀作用，而污染物降解衰减和沉淀速率又主要受水质、水温和水流速度 等因素的影响：弥散现象是由于过水断面上各点的质点速度分布不均匀所引起的 污染物浓度的混合i 而流速分布不均匀则是由于河底和河岸的剪切阻力所致，弥 散系数与流速及水体宽度成正比，与水深及摩阻流速成反比。 水体中存在着大量的颗粒悬浮物，如泥沙、各种杂质等，它们可以通过吸附 有机污染物使水体得到净化。然而，天然水环境是一个难以控制的开放系统，其 自净化过程除受微生物的作用外，还受各种自然因素如光、温度、酸碱度、化学 物质、藻类以及其它物理过程的影响，因而在确定的研究目的下，进行实际水体 的自净化实验很困难，且在一个污染很轻的天然水体中原则上不允许进行各种状 态下的人为投放污染的实验和研究，因此实验室模拟就成为研究天然水体自净化 过程的重要手段之一。郭玲等【5 】以上海白龙港地区苏州河底泥为研究对象，对天 然污染水体系中泥沙对有机污染物的净化作用做了实验室模拟研究表明，泥沙在 天然水体的净化过程中起着非常重要的作用：有泥沙的水体仅需6 h 就可使c o d 去除率达到5 0 以上，而不含泥沙的水体达到该值需7 0 h 以上。 1 2 3 水质评价 水质评价是环境治理与监控中的一项基础工作，通过准确评价水质现状，分 析水质变化趋势，识别主要污染物和分析主要污染源的生态风险，推动水质保护 工作的开展。因此，水质保护首先要对河湖水质安全状况进行总体调查，在此基 础上进行安全状况评价，评价指标的选取应考虑到水资源、水环境、生态、经济、 社会等各个方面，通过综合分析方法获得安全等级并作为评价结果。一般的水质 评价包括：确定评价范围、资料调查评估、确定评价参数、建立评价模式、进行 模拟计算、给出评价结论等六个步骤。可见，某一水域水质污染的状况应从三方 面来评定：一是污染强度，即水中污染物的浓度和它们的影响效应；二是污染范 围，即在水域中各种污染强度所影响的范围；三是污染历时，即在水域中各种污 染强度所持续的时间。只有能同时反映这三方面内容的水质评价方法才较理想， 水质评价的合理性将直接影响水环境整治的决策。 水质评价是按照评价目标，选择相应的水质参数、水质标准和计算方法，对 水质的利用价值及水的处理要求做出评剧刚。 我国对于河湖水质评价方法做了大量的研究1 7 培】，但主要是单纯的水质指标 评价，较少考虑河湖的生态状况和污染源的风险。目前，我国水质评价工作参照 地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，普遍采用单因子评价方法进行评价， 该法采取最差项目赋全权的做法，可直接指出水质问题所在，了解水质状况同水 第一章绪论 质标准之间的关系，选择水质最差的单项指标所属类别来确定河流综合水质类 别，不能科学地评判河流综合水质状况。徐祖信提出了单因子水质标识指数、法【引， 可以完整标识水质类别、水质数据、功能区目标值等重要信息，既能按国家标准 类别定性评价，又能根据标识指数进行水质数据的分析。 很多国家都制定了水质安全评价方法，如新西兰环境部和卫生部联合制定水 源地监测分级框架草案，根据流域调查资料，通过确定水体水质等级和风险等级， 最终将水体作为饮用水源的适宜性分为5 级，并说明每种等级对应水体所需的处 理水平。衣强等【1 0 】借鉴美国、欧盟和新西兰的水质评价方法，把水体中污染物分 为5 类：1 美学指标：影响水体的味道、气味或者外观的化学污染物；2 颗粒物： 浊度；3 化学污染物：对健康影响很大的化学污染物；4 微生物：细菌、病毒、 原生动物；5 有毒物质：藻毒素。将评价过程分为三步，首先，确定各类别中单 个污染物的水质等级和风险等级，并确定该污染物等级；其次，将每类中各个污 染物最低的等级作为该类污染物的等级；最后，将三种污染物类别( 化学污染物、 微生物和有毒物质) 中最低的适应性等级作为总体的等级( 美学类物质和颗粒物 质作为后期水处理要求相关说明) 。 1 2 4 水质模拟预测 水质模拟预测技术是顺利实现水环境影响评价、水环境规划管理和水污染综 合防治等任务不可缺少的基础，同时也对改善水环境状况，促进经济发展具有重 要意义。水质模拟预测通常采用数学模型法。 水质数学模型最基本的功能是模拟和预测污染物在水环境中的行为【1 1 1 。污染 物在迁移的过程中行为非常复杂，用模型的方法有助于了解污染物的运动规律， 确定水质变化趋势，提出相应的对策【l 引。国内外的学者在这方面做了很多工作， 研究也较为成熟。c h a u 等【1 3 l 建立了三维污染物传输数学模型和水流模型方程耦 合求解，水平方向采用正交曲线坐标，竖向采用。坐标，考虑侧向边界的影响， 模拟了p e a r l 河的c o d 水质变化。s a l t e r a i n 等【1 4 】用四点隐格式差分法求解圣维南 水流方程，采用最新的i w a 水质模型，校正水流水质模型参数，模拟了西班牙 e b r o 河长7 5 k m 的河段。苏保林等l l5 】以密云水库流域为研究背景，在对流域内各 类污染源调查的基础上，集成应用流域数字高程模型( d e m ) 、土地利用、土壤、 气象、水文与水质、农业管理措施等数据，建立了基于s w a t 模型的密云水库流 域非点源模型系统，并采用实测数据对模型系统进行了参数率定和模型验证；官 厅水库水质污染曾经比较严重，于1 9 9 7 年退出了北京市饮用水水源体系，李运 来【l6 j 采用p w qt r e n d 模型，对官厅水库库区近9 年来的水质监测资料进行模拟 计算，并对水质趋势进行分析研究，发现官厅水库库区有一部分项目明显好转， 4 第一章绪论 还有一部分项目有污染加重的趋势，进而了提出官厅水库水污染控制及治理的对 策和建议；赵玉华等【1 7 】依据白石水库水体的自净能力，建立了反映库水中有机污 染物随时间、空间变化规律的一维推流式数学模型，对白石水库建成后的水质进 行预测，为水库各项设计功能的规划实施及库区环境的污染治理提供依据。 1 3 河湖底泥污染研究发展及现状 中国河流湖泊的生态环境普遍存在以下问题：泥沙淤积、水面退缩、沼泽化、 盐化、富营养化、酸化和由此引起的生态环境恶化和资源短缺，这些都与河湖底 泥污染有密切的联系【1 8 1 。天然湖泊由于水深较浅，船运交通发达，底泥污染严重， 水体由于底泥的扰动悬浮所受到的污染是极其严重的；湖泊、水库等与外界连通 较少的水体流速较慢，其底泥污染状况与区域历史情况有关，当外源污染得到有 效控制后，底泥污染物释放速率明显增加【i 引，成为主要污染源。底泥污染问题的 关键在于如何将污染底泥对上覆水水质的影响定量化。 1 9 7 6 年9 月在荷兰的阿母斯特丹召开了一次关于底泥沉积物与水之间相互 作用的国际会议，从这次会议到现在，人们对底泥沉积物与水间的相互作用问题 作了大量的研究工作。归结起来，大致有以下几个方面：沉积物的来源、组分和 形成作用；沉积物水界面间的物质传输；水体中污染物在悬浮颗粒物及沉积物 上的吸附；与沉积物相关的水质、健康和管理方面。 1 3 1 底泥吸附释放机理 进入天然水环境系统的污染物通过水沉积物界面的运动主要是吸附解吸过 程。大部分污染物进入水体后，会被水中悬浮颗粒所吸附并随同其一起运动或沉 积在河流湖泊底部，形成具有一定厚度的含有各种污染物的沉积层，起到了污染 物“汇”的作用；同时，底泥沉积物会在自然和人为的扰动下发生冲刷及再悬浮， 或者当其上覆水体污染物含量减少时，大量的底泥污染物会被重新释放出来，污 染底泥起到了污染“源 的作用，从而造成河湖水体的二次污染1 2 。因此，只有 综合研究污染物、水流、底泥及颗粒物的相互作用才能更好地揭示其中的机理。 吸附作用是决定水环境系统中污染物分布和归宿的一个主要控制机制。底泥 沉积物界面层主要由底栖生物及其残体、代谢产物、颗粒很细的粘性泥沙组成， 由于颗粒很细，极易出现絮凝现象，故而在河床底部形成浮泥层，它们对污染物 有很强的吸附作用。不同的沉积物对不同的污染物有明显不同的吸附特性；污染 物浓度和悬浮沉积物浓度一定的情况下，污染物吸附速率取决于：溶液中污染物 的浓度、悬浮颗粒物的浓度、颗粒物的类型、颗粒物天然有机质的含量、作用时 第一章绪论 间的长短等。 水体中的颗粒物质及底泥沉积物在污染物的迁移、化学形态及其生物学归宿 方面都起主要作用。而污染物一旦与固体颗粒物结合，其迁移过程就要受以下因 素的影响：吸附和解吸释放作用、絮凝、沉淀、和共沉淀作用、分解和转化作用、 生物累积作用、短期事件、沉积速率、再悬浮作用的发生、孔隙水的释放、掩埋 作用等。同时，吸附了污染物的固体颗粒在不同的水力条件下具有不同的行为特 性。 在底泥系统中，污染物以三种形式存在：溶解于间隙水、吸附于固相颗粒表 面、存在于底泥颗粒内部。存在于底泥颗粒内部的污染物的迁移转化数量是极少 的，而溶解于间隙水及附着于固相颗粒表面的污染物的量对水质的影响最主要的 【2 1 1 。由于在底泥系统的固相和液相间隙水之间存在吸附解吸平衡，当底泥系统 处于静止状态时，沉积物中的污染物主要从表面通过孔隙水向上扩散，由于释放 通量较小，对水质影响较小；而底泥一旦被扬动，底泥中较厚层沉积物中的污染 物将大量向水中释放，造成水质不断恶化【2 2 1 。底泥与水相平衡如图1 1 所示。 来流 - 图卜1 底泥与水相平衡 1 3 2 底泥污染水质数学模型的发展 出流 - - - 随着计算机技术的发展和对于沉积物与水之间相互作用的理论研究不断成 熟，采用数值模拟方法研究底泥污染问题得到了广泛的应用。 湖泊内源释放问题是由国外学者首先提出来的1 2 引，对于底泥悬浮沉降作用下 污染物对水质影响的模型，t h o m a s 最早考虑悬浮物的沉降及冲刷再悬浮对b o d 的影响，他在s - p 模型的基础上，引入沉浮系数k 3 。s c h r e i n e r ( 1 9 7 8 ) 在n e c k a r 河 模型中，考虑了沉浮系数对于b o d 的影响，并提出了确定该系数的方法。褚君 达( 1 9 9 4 ) 等1 2 4 】对该问题作了进一步的研究，他分别考虑了悬浮泥沙下沉到河底部 分引起水流中污染物浓度的变化量和河流底泥冲起颗粒引起水流中污染物浓度 的变化量，并通过理论推导得到包括底泥冲刷及沉降、底泥释放等因素影响的水 质基本方程。 6 第一章绪论 j a m e s ( 1 9 9 5 ) 等【2 5 】提出一个基于物质守恒模型的水质模型，他指出底泥和水体 之间污染物的扩散和风力作用引起的底泥再悬浮是影响水体中污染物动态变化 的重要因素。c a r p e n t e r ( 1 9 9 9 ) 等t 2 6 】首次将湖泊中底泥与水体之间的磷交换作为影 响水体中磷浓度的重要因素之一，这个模型只考虑水体中磷的动态变化，而忽略 了底泥中磷的动态变化。s r i n i v a s u ( 2 0 0 4 ) 等【2 7 】在他们研究的基础上建立了一个描 述湖泊中磷动态变化的模型，创造性地描述了湖泊水体与底泥之间的非线性交互 关系，全面描述了湖泊中污染物的动态变化。c h e n ( 2 0 0 5 ) 等1 2 8 j 结合水动力学理论， 建立了奥基乔比湖的三维水动力沉积营养物模型，模拟了沉积物磷动态交换的 周变化，拓宽了我们的研究思路。 1 3 3 国内外研究现状 最初国内外学者在建立水环境数学模型时，通常将底泥作为常数在源项考 虑，2 0 世纪8 0 年代才开始将底泥污染与水质模型综合起来，近年来对底泥释放 量、各污染物释放的影响因素及动、静态两种释放模式进行了大量的研究。 1 底泥污染物的静态释放与动态释放 底泥污染物有静态释放和动态释放两种模式。静态情况下，污染物主要通过 浓度梯度扩散从沉积物进入上覆水。有关水体沉积物界面上静态扩散的研究颇 多【4 2 - 4 4 1 ，均基于对沉积物孔隙水和上覆水中营养盐浓度的连续观测或f i c k 定律 的计算结果，得出在水体无扰动情况下污染物的扩散通量，并且得出该扩散通量 从很大程度上取决于环境因子，如水沉积物界面上的温度，p h ，溶解氧浓度 ( d o ) ，氧化还原电位以及沉积物本身的理理化学特性等【4 5 | 。 动态条件下，污染物总释放量受控于动力扰动强度、底泥可悬浮量以及沉积 物中的污染物含量；对于可溶性的污染物，其释放还受控于沉积物间隙水与上覆 水中污染物的浓度差及动力复氧的强度，这种紊动扩散造成的释放量远远大于通 过静态扩散所产生的释放量m j 。 李剑超等【4 7 1 通过实验确定了底泥冲刷悬浮影响水质的主要途径，为底泥与其 上覆水体的混合作用，其次是底泥的静态释放，而悬浮颗粒吸附的污染物扩散释 放作用则较小，为底泥冲刷悬浮影响下的水质模型的建立提供了理论依据。提出 了底泥冲刷悬浮作用下的水质模型，它全面包含了各影响因素，其中包括了以前 的水质模型未正确考虑的底泥间隙水有机污染物及底泥颗粒表面吸附的污染物 释放，首次提出了原始底泥冲悬量的概念，并结合泥沙动力学初步提出了其计算 和确定的方法。他将冲悬量分为两部分s = s 4 - s ，一部分为水相净泥沙增量s 。， 由一般的冲悬率公式计算；另一部分为床面附近泥沙交换引起的原始底泥悬起数 第一章绪论 m s ：，计算公式为： 州h 陟墨。小7 2 陶了一豺 m ) 其中，g 为o 1 之间的比例系数，需要通过实验测定，存在s ：= ( 1 一s ) b ，b 为 重力作用下沉到床面的泥沙颗粒的量；a 为河流底部的表面积；s 矿。为可参与交 换的大水相的泥沙浓度，可采用实测的近底悬沙浓度；a ，b ，c 分别为泥沙颗粒 相互垂直的三个方向的长度，一般天然沙的形状系数0 ，一为0 7 左右；厂。，y 为 , , l a b 疗，厂c、n 泥沙、水的比重；d 为泥沙颗粒的粒径；指数n 满足墨= il 一华i ，由实测得 国 l2 4 d 来，其中，缈。表示泥沙含量为s 时的泥沙沉速，缈为泥沙颗粒等效的球形颗粒 的沉降速度。 龚春生等【4 8 】从三维对流扩散方程出发，推导出包含底泥污染的水质控制方 程，并与浅水流动方程耦合，建立了浅水湖泊平面二维水流水质底泥污染的数 学模型。运用伽辽金加权余量法推导出数学模型方程组的有限元公式，开发了实 时二维水动力、水质模型。并利用模型计算玄武湖混合流、水质动态变化过程， 结果与实测值较吻合，首次将三维对流扩散紊动理论应用于包含底泥污染的水 质方程，从而为包含底泥污染的水质模拟提供了一种可操作的新途径。 罗潋葱掣4 9 】通过波浪水槽试验，研究了不同水动力扰动条件下太湖梅梁湾水 沉积物界面的营养盐通量。结果表明：在浅水湖泊中，动力扰动能造成水体中 营养盐浓度的急骤升高，虽然在微扰动情况下，有些指标的释放通量出现负值( 如 溶解性总氮和可溶性活性磷) ，这是由于沉积物的悬浮会导致水体中悬浮物浓度 的迅速增加，更进一步增加了溶解性物质被吸附的可能性；但沉积物中大多数营 养盐成分会随着底泥悬浮和水体沉积物界面环境条件的改变而进入水体，且当 扰动加强时，水体中所有物质浓度保持上升趋势。营养盐通量表示单位时间单位 面积上覆水柱内营养盐总量的变化。 为探索浅水湖泊水动力扰动作用对沉积物内源营养盐释放的规律，孙小静等 【5 0 】采用波浪水槽试验研究了波浪扰动对太湖和巢湖沉积物悬浮和磷释放的作用。 试验结果显示：在强波浪扰动下，底泥大规模悬浮，使得水体中悬浮固体、总磷 和溶解性总磷含量显著升高，太湖和巢湖底泥水槽试验中上覆水体总磷含量分别 升高了6 倍和3 倍，溶解性总磷分别升高了l 倍和7 0 ，太湖底泥试验中溶解性 活性磷含量亦升高了2 5 。研究说明太湖的水动力扰动能显著提高水体中总磷及 溶解性活性磷的浓度。 第一章绪论 各污染物释放的影响因素 对于底泥污染物的主要研究内容是氨氮、磷、重金属、持久性有机物等。 磷被认为是多数水体浮游藻类的限制性营养元素，湖泊沉积物中磷的特征、 水土界面间的行为以及沉积物释放规律研究，对探求湖泊富营养化防治意义深远 1 3 1 。温度升高、减少溶解氧、提高水动力作用，均可使底泥中的磷释放量增加【3 2 1 ； p h 值与总溶解磷释放量呈抛物线相关。张智掣3 3 】为研究释磷模型预测不同环境 条件下底泥释磷规律，进而采取适宜措施抑制磷释放，通过底泥正交模拟试验测 定分析方法，考察了环境因子( 温度、p h 值、溶解氧、水动力) 对双龙湖底泥中 磷释放的影响。结果表明，温度、溶解氧、p h 值、水动力均是影响双龙湖底泥 磷释放的显著因素，各因素水平间有显著差异，影响因素显著性排序从大到小依 次为溶解氧、温度、p h 值、水动力。用多元回归得出双龙湖底泥平均释磷强度 模型：r = 0 3 9 6 + 0 0 18 4 t + 0 0 5 8 9 p h - 0 1 7 6 d o + 0 1 2 2 k 1 ，其中，t 为温度，( ) ； p h 为酸碱度；d o 为溶解氧浓度，( m g l ) ：k 为搅动功率，( w m 3 ) 。 氨氮的释放与p h 值、d o 及有机质含量有关。大量试验表明：总氮的最大 释放量随p h 的升高而减少】；厌氧有利于氮的释放【3 5 】；丰富的有机物有利于微 生物的繁殖，从而分解大量的有机物，引起氨氮的大量释放【3 6 】。吴群河等【3 刀通 过大型静态土柱模拟实验，研究氮在上覆水和孔隙水中的分布特性和释放特性。 在控制氧气条件、底泥有机质含量和粒径大小的条件下，连续观测氨态氮、亚硝 态氮和硝态氮的浓度及其垂向分布特性。结果发现：时间分布上，通氧条件明显 影响水体底泥中三氮释放与反硝化作用达到平衡的时间；垂向分布上，上覆水的 无机氮以氨态氮为主，不同的通氧条件下，各柱的孔隙水的三氮浓度比上覆水高， 且在沉积物中浓度随深度增加而增加；低溶解氧水平加快底泥释放氨氮速度和增 大释放量。 重金属污染物在天然水体中迁移转化的基本现象大量观测和实验研究结果 都表明，重金属污染物绝大部分都富集在泥沙颗粒上( 8 0 - - 0 0 ) ，重金属污染物 在水环境中的迁移转化、归宿、再污染和泥沙运动密切相关【3 引。酸度增加，有机 物含量增加及温度升高均有利于底泥中重金属的释放【3 9 】。 目前，对于持久性有机污染物释放机理的研究尚属空白。g u z z e l i al 等【4 0 】 发现进入湖泊的持久性有机物( p o p s ) 随悬浮颗粒沉降过程中，颗粒物中的p o p s 有浸出作用，但是绝大部分随颗粒物沉于湖底，成为湖水p o p s 污染的主要来源。 底泥中聚集的p o p s 就像化学定时弹，一旦释放出来，将造成难以预测的污染【4 1 1 。 3 底泥释放量 9 第一章绪论 对于同一悬浮底泥，在不同的周围环境条件下，单位数量底泥释放到上覆水 体中的污染物量是不同的。底泥释放量的确定有试验法和理论分析法两种。 底泥释放量的确定多采用试验分析法，范成新等1 2 9 】总结了现有确定底泥释放 的5 种方法，即：质量衡算法( 黄绍基，1 9 9 2 ) 、孔隙水扩散模型法( t o h r ue ta l ，1 9 8 9 ) 、 表层底泥模拟法( a u s t i ne ta l ，1 9 7 3 ) 、柱状芯样模拟法( b o e r s e t a l ，1 9 8 8 ) 和水下原位 模拟法( m a r k e r te ta l ，1 9 8 3 ) ，并指出各方法的优缺点。 底泥释放量的理论方法较早的是采用输入输出法。随后，一些学者基于扩散 理论提出了确定底泥与水体间物质交换的方法，存在的问题是沉积物与水界面间 的扩散特性和扩散系数值选择的不确定性，使得模型的验证比较困难，并且由于 底泥的不均匀性，将一个地点的计算结果应用于整个湖泊也是不实际的1 3 0 。随着 污染物迁移转化规律研究的不断深入，人们开始结合影响底泥释放的物理化学 生物过程来确定底泥释放量，如h o n gw a n g a 等f 2 0 j 从磷在底泥污染物上的作用机 制出发，包括磷的有效扩散、生物扰动、掩埋、有机分解、吸附和非线性分配等 过程，并考虑了温度和溶解氧等环境因素的影响，计算了底泥磷的释放。该方法 结合底泥的各种物理化学和生物过程，考虑的过程和因素较多，较为全面深入， 有利于从机理上揭示底泥的释放，但需要较多的数据资料支撑，其实际应用还存 在一定的困难。 1 4 本文主要工作 北大港水库作为天津市南水北调工程的配套水库，存在严重的底泥污染问 题。2 0 1 3 年南水北调东线工程将向天津市供水，本研究以北大港水库为例，以 氯离子为模拟指标，运用数值模拟方法进行水动力、水质及底泥释放的模拟，优 化水库调度方式，总结底泥释放规律，为存在底泥污染问题的水库水质安全研究 提供科学依据。重点解决以下问题： ( 1 ) 建立北大港水库三维水动力水质耦合数学模型，控制方程包括水动力方程、 状态方程及吸附污染物输运方程等： ( 2 ) 以北大港水库某段时间的实测数据作为初始条件和边界条件，对北大港水 库水质进行模拟，并通过模拟值与实测值的比较，验证模型的可靠性； ( 3 ) 通过对底泥污染物释放的模拟，总结底泥释放的规律； ( 4 ) 对北大港水库规划前后的三种典型蓄供水方案进行水动力、水质、底泥释 放的模拟，并通过对各方案库内水质及供水水质的比较，得出较优方案， 优化水库调度方式。 1 0 第二章北大港水库工程概况 第二章北大港水库工程概况 天津市是华北重要的工业基地及港口城市，是首都北京的门户，人口密集， 经济发达，但同时又是我国严重缺水的地区之一，天津市人均水资源占有量不足 2 0 0 m 3 ，是全国水平的l 1 1 。北大港水库是一座以蓄供水为主，兼有灌溉、养殖 等综合效益的大( 2 ) 型平原水库，也是天津市最大的平原水库，是天津市引黄 济津工程及南水北调东线工程理想的调蓄水库，对天津市城市供水及水资源安全 有重要意义。 北大港水库是一个比较独立的封闭区域，没有污水直接排放进水库，外部污 染物只能随蓄水过程进入水库，鉴于水库的功能定位，主要是引蓄黄河水、南水 北调东线来水。“引江水的水质优良，可以达n - - 级标准1 5 1 1 ，并且采用管涵等 输水方式，沿程基本不存在污染，其水质明显优于“引黄水。北大港水库处于 滨海盐碱地貌上，土壤含盐量很高，蓄水面积1 5 0 k n l 2 ，5 亿m 3 库容的平均蓄水 深度为3 5 m ，属于浅阔型平原水库，水体中的污染物随着蒸发作用，越来越多 地蓄积到底泥中，成为主要的污染源。 2 1 北大港水库概况 北大港水库位于天津市东南部地区独流减河下梢，西连马厂减河，东临渤海 湾，南望北大港油田，距入海口6 k m 。北大港水库原设计是为了担负承洪、调蓄 大清河和南运河来水、引黄济津调蓄等任务，具有防洪、蓄水、供水等功能。 北大港水库建于1 9 7 4 年，占地1 6 4 k m 2 ，蓄水面积1 5 0 k m 2 ，设计库容5 亿 m 3 ，兴利库容4 3 6 亿m 3 ，库底平均高程3 0 ( 大沽高程，下同) ，堤顶设计高程 9 5 m ，设计蓄水位7 0 m 。水库主要建筑物包括5 围堤和1 3 座蓄供水建筑物：水 库围堤分为东南围堤、西南围堤、西围堤、北围堤和东围堤，总堤长5 4 5 l k m ； 主要蓄供水建筑物包括姚塘子扬水站、马圈进水闸、赵连庄闸、大港农场闸、刘 岗庄闸、跃进闸、大苏庄农场虹吸管、用支三虹吸管、沙井子闸、大港油田虹吸、 鱼种场虹吸管、排咸闸和十号口门调节闸。除姚塘子扬水站和马圈闸为蓄水建筑 物外，其余均为供水建筑物。图2 1 为北大港水库工程布置图。 第二章北大港水库工程概况 图2 - 1 北大港水库工程布置图 2 2 北大港水库分区规划 北大港水库一直存在着水量和水质两方面的问题。一方面，蓄水保证率低： 另一方面，水库蓄水面积大，蓄水深度不足，水量蒸发、渗漏损失大，水质成化 问题突出，有限的水资源得不到充分的利用。通过建设水库隔堤工程，实施分区 管理，对水库运行调度进行优化，保证供水水质安全。根据水库水质现状，东围 堤附近底泥氯离子含量较高，设置隔堤于水库东侧，将水库分为主库区和辅库区 两部分，隔堤位置如图2 2 所示。 主库的定位为饮用水源储备库，主要水源为南水北调东线来水和汛期水质合 格的水，水质要求优于地表水类水以上标准，库区面积约1 1 0 k m 2 ，蓄量4 5 5 亿m 3 ；辅库为综合利用区，水质规划以景观水、农业用水、环境用水标准为目 标，水质标准为地表水类水标准，库区面积约4 0 k m 2 ，蓄水水位可达7 0 米， 蓄水量1 5 亿r n 。 1 2 第二章北大港水库工程概况 2 3 水质现状 图2 _ 2 北大港水库分区规划图 北大港水库所处位置的地质条件比较复杂。库区底泥由1 0 左右的沙粒， 7 0 左右的粉粒和2 0 左右的粘性土组成，含盐量为3 0 0 0 至18 0 0 0 m g l ，局部 区域甚至高达3 0 0 0 0 m g l ，且库底面积较大，达到1 5 0 k m 2 。因此，底泥对库区 水体来说是一个主要的污染源。假设底泥氯离子释放速度为5 0 m g m 2 d ，1 年内 的释放量可高达到2 7 3 7 5 t 。 从北大港水库近年来的运行情况来看，水库在引黄期间蓄入优质水时，水体 污染物浓度下降，水质较优。但不同地点污染物浓度下降速度不同，浓度下降的 最低点的数值也不同。在蓄存阶段，水体的氯化物含量逐渐上升，并且时间越长 这种现象越明显，不同地点氯离子浓度上升的速度也有所不同。 2 4 基本资料 0 ) 2 0 0 0 年北大港水库库区地形图，天津市水文总站，2 0 0 0 年； ( 2 ) 北大港水库水质动态监测数据统计表( 2 0 0 4 1 0 2 0 0 5 1 0 ) ，北大港水库管理处； ( 3 ) 现场实测资料 2 0 0 5 年6 月5 日在库区内对底泥取样，进行了底泥颗粒级配配曲线测定( 各 采样点粒径为0 0 5 1 0 0 m 0 0 0 5 1 0 弓的颗粒比重均在7 0 左右) 、底泥氯离子 的测定。库区底泥采样点6 个，分别为a f ，具体位置如3 3 节中图3 2 所示， 底泥氯离子测定结果如3 4 节表3 3 所示。 第三章数学模型的建立及验证 第三章数学模型的建立及验证 建立北大港水库三维水动力水质耦合模型，以氯离子为模拟指标，对水动力、 水质及底泥释放进行模拟。以北大港水库2 0 0 4 年1 1 月1 7 日至2 0 0 5 年2 月2 5 日，共10 2 天的实测数据作为计算条件，包括地形、初始水位、水体及底泥氯离 子浓度分布、入流和出流流量及氯离子浓度，选择适当模型参数，通过对实测值 和模拟值的比较分析，验证模型的可靠性。 3 1 控制方程 3 1 1 水动力控利万程 ( 1 ) 连续性方程 掣+ _ o ( m - x h u ) + _ a ( m - x h r ) + o ( m ，w ) ：鳓( 3 - 1 ) 函苏却 玉 ( 2 ) 动量方程 o ( m h u ) + o ( m y h u u ) + o ( m x h v u ) + o ( m w u ) 一( m 厂+ 1 ，堕一“日v o t苏 o y 昆 一 舐 o y 。 ( 3 2 ) = 一m y 日亟一m y ( 芸一乃