水庫水源地水質(zhì)模擬預(yù)測與不確定性分析.pdf

1、水是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，飲用水安全更是影響人體健康和國計(jì)民生的重大問題。在我國南方地區(qū)，伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的迅速推進(jìn)，許多河流的中下游河段由于點(diǎn)源和面源污染加劇而喪失了飲用水功能，河源區(qū)段的水庫已經(jīng)成為目前最重要的城市集中式飲用水供水水源。因此，對水庫水源地的保護(hù)展開系統(tǒng)研究，具有深遠(yuǎn)而現(xiàn)實(shí)的意義。 水庫水源地的水質(zhì)變化規(guī)律的研究是水源地保護(hù)的基礎(chǔ)，而水質(zhì)模擬和預(yù)測是研究水庫水源地的水質(zhì)變化規(guī)律的重要

2、途徑，也是建立科學(xué)合理的水源地污染物排放控制方案的主要理論依據(jù)。本文在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，以浙江省湖州市老虎潭水庫流域?yàn)檠芯繉ο?，通過對流域內(nèi)河流進(jìn)行周年的水文水質(zhì)監(jiān)測，協(xié)同當(dāng)?shù)刈匀弧⒔?jīng)濟(jì)和社會狀況的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，圍繞水源地水質(zhì)模擬預(yù)測的關(guān)鍵問題，對老虎潭水庫水源地現(xiàn)狀水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分段、分期評價(jià)，分析主要污染物的形態(tài)組成和各污染指標(biāo)的時(shí)空變異規(guī)律：利用SWAT2002對整個(gè)老虎潭水庫集水區(qū)進(jìn)行子流域分區(qū)，分類統(tǒng)計(jì)各子流域主要污染物

3、的投(排)放量；在綜合考慮點(diǎn)源、面源和環(huán)境背景值對水源地河流水質(zhì)影響的基礎(chǔ)上，建立了適合于水庫水源地的源頭溪流一維水質(zhì)模型，并利用NSGA-II多目標(biāo)遺傳算法率定模型的關(guān)鍵參數(shù)-面源污染各污染源不同污染物的入河系數(shù)；同時(shí)，選擇合適的水庫水質(zhì)模型，對不同水文和排污條件組合下的河流-水庫系統(tǒng)的水質(zhì)進(jìn)行聯(lián)合模擬預(yù)測；最后，利用Monte-Carlo法對源頭溪流一維水質(zhì)模型進(jìn)行不確定性和敏感性分析，研究模型的輸出結(jié)果與輸入?yún)?shù)之間的響應(yīng)關(guān)系，識

4、別模型不確定性的主要影響因素，為模型的改進(jìn)和完善提供理論依據(jù)。通過本項(xiàng)目的研究，建立了較為完整的水庫水源地水質(zhì)模擬預(yù)測和模型不確定性分析的基本理論和方法體系，并對湖州市老虎潭水庫源頭區(qū)河流-水庫系統(tǒng)的水質(zhì)進(jìn)行了模擬預(yù)測分析，為水庫和水源地水質(zhì)保護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)和可靠的基礎(chǔ)。 本文的工作成果和主要結(jié)論如下： 1)通過對老虎潭水庫流域內(nèi)不同區(qū)域河流12個(gè)監(jiān)測斷面逐月連續(xù)的水文水質(zhì)監(jiān)測(2007年1月至12月)，協(xié)同當(dāng)?shù)氐淖匀?/p>

5、、經(jīng)濟(jì)和社會條件的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，采用單因子評價(jià)和基于熵權(quán)模糊綜合評價(jià)相結(jié)合的方法，對河流水質(zhì)進(jìn)行分段、分期的分析和評價(jià)，結(jié)果表明：老虎潭水庫流域河流水質(zhì)總體情況良好且水質(zhì)濃度相對穩(wěn)定，目前流域內(nèi)所有河流斷面都符合或優(yōu)于III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，符合集中式生活飲用水地表水水源地二級保護(hù)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。 2)流域河流水質(zhì)的主要污染因子是總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)和有機(jī)物污染綜合指標(biāo)高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)，營養(yǎng)物質(zhì)污染和有機(jī)污染是

6、該流域應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題。農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)面源等面源污染源是該流域的主要污染源，來自面源污染源的污染物投(排)放量量占污染物總投(排)放量95％以上。其中，農(nóng)田施肥和畜禽養(yǎng)殖是總氮總磷前二位的污染來源，兩者占到總氮總磷排放量的80％以上；畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活源是氨氮最主要的污染來源，兩者分別占到氨氮總排放量的45.52％，30.70％；有機(jī)物污染的主要來源則是畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)面源，兩者分別占總排放量的36.57％，34.98％。

7、 3)根據(jù)源頭溪流的污染特點(diǎn)和河流特征，在國內(nèi)外河流水質(zhì)模型和面源污染研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮點(diǎn)源、面源和環(huán)境值對河流水質(zhì)的共同影響，建立了源頭溪流一維水質(zhì)模型： 4)系統(tǒng)研究了河流污染物綜合降解系數(shù)、污染物環(huán)境背景值、不同污染源月入河量分配等源頭溪流水質(zhì)模型關(guān)鍵參數(shù)的取值和率定方法；建立了針對求解面源污染各污染源不同污染物的入河系數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，基于Matlab利用NSGA-II多目標(biāo)遺傳算法求解多目標(biāo)優(yōu)化模型的Paret

8、o解集，提出了根據(jù)各污染源的產(chǎn)物特點(diǎn)和不同流域之間的差異對Pareto解集進(jìn)行選擇的基本原則和方法。應(yīng)用這一套方法，對老虎潭水庫各子流域的面源污染各污染源不同污染物的入河系數(shù)進(jìn)行了實(shí)際求解，取得了令人滿意的結(jié)果。 5)應(yīng)用本文所建立的源頭溪流一維水質(zhì)模型和參數(shù)確定的系統(tǒng)方法，對老虎潭水庫流域河流水質(zhì)進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明模擬值與實(shí)測值吻合良好，平均誤差基本控制在±20％之內(nèi)。 6)綜合應(yīng)用源頭溪流一維水質(zhì)模型、完全混合

9、湖庫水質(zhì)模型和Dillon模型對河流-水庫系統(tǒng)進(jìn)行了不同水文條件和排污狀況組合下的水質(zhì)模擬預(yù)測。模擬預(yù)測結(jié)果表明，在現(xiàn)狀排污條件下，河流和水庫的氨氮和CODMn濃度均為Ⅰ-Ⅱ類水質(zhì)；在點(diǎn)源污染和面源各增加一倍的排污條件下，除大陳水和埭溪兩個(gè)子流域在枯水年部分的枯水月CODMn濃度達(dá)到了Ⅳ類水質(zhì)外，其余時(shí)期為Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)，而水庫的氨氮和CODMn濃度可保持在Ⅰ-Ⅱ類水質(zhì)水平。在現(xiàn)狀條件下，河流TP濃度能保證Ⅱ-Ⅲ類水質(zhì)水平，但由于水庫氮磷

10、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于河流相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，水庫的TN和TP濃度在豐水年和平水年為Ⅲ類水質(zhì)，而在枯水年將達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)水平。如果能同時(shí)削減50％的點(diǎn)源污染負(fù)荷和26％的面源污染負(fù)荷，水庫的TN和IP濃度在各典型水文年條件下都能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)水平。 7)利用Monte-Carlo法對源頭溪流一維水質(zhì)模型在埭溪2007年各水期TN的模擬結(jié)果進(jìn)行了不確定分析，結(jié)果表明綜合降解系數(shù)k和點(diǎn)源污染負(fù)荷qi對模型輸出結(jié)果的不確定性影響較小，河流流量Qe和污染物

11、環(huán)境背景值Cb對模型輸出結(jié)果的不確定性影響相對較大，而模型結(jié)構(gòu)不確定性對模型輸出結(jié)果的不確定性影響最大。鑒于模型結(jié)構(gòu)不確定性是源頭溪流一維水質(zhì)模型最大的不確定性來源，為了降低模型輸出結(jié)果的不確定性應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)面源污染月入河量分配的研究。在現(xiàn)狀條件下，埭溪2007年各水期的TN模擬輸出結(jié)果呈正態(tài)分布，其90％的輸出結(jié)果基本落在均值±20％范圍之內(nèi)。通過降低模型各方面不確定性因素，可以有效降低模型模擬結(jié)果的不確定性，如果能將現(xiàn)有條件下模型各不

12、確定性因素降低50％，那么模型90％輸出結(jié)果的相對誤差將從<±20％降低到<±10％。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為： 1)將信息學(xué)中“熵”的概念應(yīng)用于模糊綜合水質(zhì)評價(jià)中權(quán)重的確定，改進(jìn)了水質(zhì)模糊綜合評價(jià)方法。基于熵權(quán)模糊綜合評價(jià)法，一方面避免了單因子水質(zhì)評價(jià)的片面性，利用模糊數(shù)學(xué)隸屬度的概念體現(xiàn)了不同評價(jià)因子對水質(zhì)的綜合影響，另一方面引入“熵”的概念使得權(quán)重的設(shè)計(jì)更為科學(xué)合理同時(shí)，體現(xiàn)了多個(gè)評價(jià)對象之間的相互聯(lián)系。 2)

13、根據(jù)源頭溪流的污染特點(diǎn)和河流特征，在國內(nèi)外河流水質(zhì)模型和面源污染研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮點(diǎn)源、面源和環(huán)境背景值對河流水質(zhì)的共同影響，提出并建立了源頭溪流一維水質(zhì)模型。該模型克服了簡單河流水質(zhì)模型單純考慮點(diǎn)源污染影響和大型流域綜合水質(zhì)模型需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與參數(shù)的缺點(diǎn)，為以面源污染為主的水源地河流的水質(zhì)模擬預(yù)測提供了新的理論體系和方法。 3)通過在同一流域不同時(shí)段建立針對求解不同面源污染入河系數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用NSGA-II多目

14、標(biāo)遺傳算法求解得到模型的Pareto解集，并提出了根據(jù)各污染源的產(chǎn)污特點(diǎn)和不同流域之間的差異對Pareto解集進(jìn)行入河系數(shù)選擇的基本原則和方法。此方法克服了面源污染入河系數(shù)難以確定的瓶頸問題，為面源污染的研究提供了新思路和新方法。 4)結(jié)合源頭溪流一維水質(zhì)模型，完全混合湖庫水質(zhì)模型和Dillon模型，實(shí)現(xiàn)了不同水文條件和不同排污條件組合下河流-水庫系統(tǒng)水質(zhì)的聯(lián)合模擬預(yù)測，并提出了相對合理的流域污染物控制對策和方案。 5)