北方季節(jié)性河流生態(tài)反應器水質(zhì)模型研究.pdf

1、中國北方地區(qū)人口眾多，工農(nóng)業(yè)發(fā)達，生產(chǎn)生活需水量大，但降水量不足且隨季節(jié)分配不均，枯水期缺水現(xiàn)象嚴重，人均水資源占有量極度匱乏。上世紀90年代以來，由于社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市化進程的加快，北方地區(qū)污染物排放量增加，導致河流生態(tài)系統(tǒng)被破壞，自凈能力減弱，造成水質(zhì)的嚴重污染。迫切需要采取工程手段，提升中國北方河流的自凈能力，實現(xiàn)河流水質(zhì)的可持續(xù)性改善。
　　河流水體是一個復雜的自然生態(tài)系統(tǒng)，其自凈過程受微生物學、化學、大氣物理學、流

2、體力學等多種因素控制，各因素之間相互作用、相互制約、相互影響，如果直接進行試驗來研究它們的自凈能力，需要投入較多人力、物力、財力，而通過建立基于反應器原理的水質(zhì)模型，則可以定量或者定性描述水體中污染物降解、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，預測水質(zhì)狀態(tài)，提供管理、監(jiān)測依據(jù)，這就大大節(jié)約成本。本文在國內(nèi)外地表水水質(zhì)模型的研究工作的基礎(chǔ)上，對比國內(nèi)外幾種常用水質(zhì)模型的優(yōu)缺點，結(jié)合中國北方季節(jié)性河流的特點和現(xiàn)狀，篩選美國環(huán)境保護署(EPA)開發(fā)的水質(zhì)分析模擬模

3、型WASP，基于反應器原理，建立用于模擬、預測北方季節(jié)性河流的數(shù)學模型，分別用原始的WASP模型和改進后的WASP模型評價河道曝氣、人工濕地下污染物去除效果的影響機制，為實現(xiàn)河流生態(tài)反應器的水環(huán)境量化、優(yōu)化、決策和控制打下基礎(chǔ)。
　　曝氣充氧是修復受污染河道的重要技術(shù)，數(shù)學模型是預測、評估環(huán)境污染狀況的重要方法。本研究首次應用WASP水質(zhì)模型評價不同時段河道曝氣對河流水質(zhì)的提升作用。初期模型驗證結(jié)果表明:基于WASP水質(zhì)模型建立的

4、河流生態(tài)反應器水質(zhì)模型擬合結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果基本吻合，可為水污染治理工程提供參考依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，對不同曝氣條件進行模擬分析，結(jié)果表明:河道曝氣能夠有效降低河水中的化學需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)濃度，改善水質(zhì);隨著曝氣河段內(nèi)溶解氧(DO)水平的提升，水質(zhì)雖不斷改善，但改善幅度逐漸減小;全年不同月份曝氣效果差異顯著，5-9月曝氣效果較好。結(jié)合經(jīng)濟投入和環(huán)境效益，最終確定夏季提升DO水平達到4mg/L為河道曝氣最優(yōu)條件。
　

5、　表流人工濕地造價低、運行管理方便，具有生態(tài)效益和景觀價值，能夠取得較好的廢水處理效果。目前對于表流濕地的研究缺乏基于過程的模型指導工具。本文結(jié)合濕地的特點，修正WASP模型，進而體現(xiàn)濕地系統(tǒng)的植物對于水質(zhì)和水動力條件的影響。選取中國北方的一處典型的河道表流人工濕地，驗證河流生態(tài)反應器模型對于河道表流濕地模擬研究的適用性，提供了一種定量指導人工濕地植物種植的方法。模擬結(jié)果表明:河道表流濕地在全年各個季節(jié)內(nèi)均能對上游來水中的污染物有著明顯

6、的去除效果，但是在冬季氣溫較低時，氨氮的去除受到較大的影響，去除效果會減弱;增加濕地植物種植密度或者種植規(guī)格更大的植物均能夠有效提升濕地反應器對于NH3-N的去除效果，但對于COD的去除效果幾乎沒有提升。應結(jié)合經(jīng)濟成本、植物生長環(huán)境、控制目標等因素來綜合制定人工濕地設(shè)計、管理策略。
　　本研究把河流水體看作反應器，篩選WASP水質(zhì)模型作為研究的基本工具，并對原模型進行適用范圍的擴大，對河流水質(zhì)進行模擬、預測、分析，驗證綜合模型的適