城市河流生態(tài)環(huán)境需水優(yōu)化配置理論及應(yīng)用研究.pdf

1、隨著城市化進(jìn)程的加快,城市水環(huán)境惡化越來越嚴(yán)重。對(duì)城市水環(huán)境的有效管理是當(dāng)前水資源與水環(huán)境保護(hù)工作面臨的難題和新的挑戰(zhàn)。本文從理論分析、數(shù)學(xué)模型、計(jì)算機(jī)模擬以及實(shí)際應(yīng)用等多角度,對(duì)河流生態(tài)環(huán)境需水的基礎(chǔ)理論、實(shí)現(xiàn)途徑、仿真檢驗(yàn)等進(jìn)行了系統(tǒng)研究,以期為實(shí)現(xiàn)城市水環(huán)境的質(zhì)量改善提供技術(shù)支持。本文在國(guó)內(nèi)外河流生態(tài)環(huán)境需水量大量文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上,深入探討了城市河流生態(tài)環(huán)境需水量的概念和內(nèi)涵、理論基礎(chǔ)、研究范疇及特征,并界定了其組成部分。將城市河

2、流生態(tài)環(huán)境需水量定義為維持城市河流生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)功能不再惡化并逐漸得到改善所消耗的水資源量,或生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)揮期望的生態(tài)環(huán)境功能所需的水量;指出城市河流生態(tài)環(huán)境需水是基于城市生態(tài)環(huán)境學(xué)理論、水文循環(huán)原理和水環(huán)境承載力理論的研究;界定城市河流環(huán)境需水量由水生生物棲息需水量、河流輸沙需水量、水鹽平衡需水量、污染物稀釋凈化需水量、補(bǔ)充蒸發(fā)水量和補(bǔ)給地下水量組成,降雨引起的徑流量可以作為河流生態(tài)環(huán)境水的補(bǔ)給水量計(jì)算,并對(duì)上述幾個(gè)子模型進(jìn)行組合,列

3、出組合公式。將該計(jì)算模型應(yīng)用于大慶市黎明河的研究結(jié)果表明,黎明河的理論生態(tài)環(huán)境需水量隨時(shí)間和空間變化,各河段平均環(huán)境需水量分別為4.50m3/s、3.80m3/s和4.59m3/s。在河流生態(tài)環(huán)境需水理論的基礎(chǔ)上,初步建立了河流生態(tài)環(huán)境需水優(yōu)化配置體系。剖析了環(huán)境需水優(yōu)化配置改善水環(huán)境的概念內(nèi)涵、機(jī)理、主要研究任務(wù)、優(yōu)化配置原則,并對(duì)其適用條件以及進(jìn)行實(shí)際調(diào)度需要考慮的問題進(jìn)行了詳細(xì)探討。對(duì)優(yōu)化配置的目標(biāo)辨識(shí)和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究,建立了

4、模糊多目標(biāo)規(guī)劃的河流生態(tài)環(huán)境需水優(yōu)化配置模型,并采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行求解。該數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于大慶市黎明河的結(jié)果表明,為實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約、綜合效益損失和水環(huán)境容量三個(gè)目標(biāo)達(dá)到協(xié)調(diào),河流的生態(tài)環(huán)境水優(yōu)化配置水量為3.07m3/s,比單純的理論生態(tài)環(huán)境水量減少33.1％。為鞏固環(huán)境需水配置改善河流水環(huán)境的效果,還應(yīng)該重視周邊污染源的有效控制,將污水處理廠的規(guī)劃和環(huán)境需水優(yōu)化配置相結(jié)合共同改善河流水環(huán)境,建立了灰色非線性規(guī)劃的河流生態(tài)環(huán)境需水優(yōu)化

5、配置數(shù)學(xué)模型。該模型以規(guī)劃的污水處理廠中污染物質(zhì)的去除率以及水庫(kù)湖泊向河流中的補(bǔ)充水量作為模型的決策變量,總的運(yùn)行成本最小化為決策目標(biāo),保證河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)。采用了遺傳算法對(duì)該灰色非線性規(guī)劃模型進(jìn)行求解。將所建灰色非線性規(guī)劃模型應(yīng)用于大慶市黎明河流域的規(guī)劃中,獲得了較滿意的污水處理廠和湖泊水庫(kù)釋放水量的規(guī)劃結(jié)果。為在更廣義的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)河流環(huán)境需水優(yōu)化配置并檢驗(yàn)其工程效果,對(duì)城市河流生態(tài)環(huán)境需水優(yōu)化配置的動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行了研究。根據(jù)實(shí)際的水環(huán)境抽

6、象出與之近似的物理組件模型和概念組件模型,并研究了其基本屬性和方法。其中物理組件模型包括構(gòu)成和影響水環(huán)境的河流、湖泊、水庫(kù)、以及污水處理廠等實(shí)體組件模型;概念組件模型包括與水量有關(guān)的降雨徑流模型對(duì)象、人工調(diào)節(jié)河流的水動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)象、與水質(zhì)相關(guān)的水質(zhì)模型對(duì)象和水質(zhì)仿真對(duì)象以及水污染控制的水質(zhì)控制策略對(duì)象和水質(zhì)級(jí)別對(duì)象等?；谟邢驘o環(huán)圖將建立的各物理組件模型構(gòu)建為流域水環(huán)境網(wǎng)絡(luò)模型圖,研究了相應(yīng)的運(yùn)行和仿真算法,建立了流域河流環(huán)境需水優(yōu)化配