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民生的重大問題。在我國南方地區(qū)，伴隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的迅速推進，許多河流的中下游河段由于點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展開系統(tǒng)研究，具有深遠而現(xiàn)實的意義。 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為研究對象，通過對流域內(nèi)河流進行周年的水文水質(zhì)監(jiān)測，協(xié)同當(dāng)?shù)刈匀?、?jīng)濟和社會狀況的調(diào)查統(tǒng)計，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)量進行分段、分期評價，分析主要污染物的形態(tài)組成和各污染指標(biāo)的時空變異規(guī)律：利用SWAT2002對整個老虎潭水庫集水區(qū)進行子流域分區(qū)，分類統(tǒng)計各子流域主要污染物

3、的投(排)放量；在綜合考慮點源、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，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，為模型的改進和完善提供理論依據(jù)。通過本項目的研究，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)進行了模擬預(yù)測分析，為水庫和水源地水質(zhì)保護提供科學(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)濟和社會條件的調(diào)查統(tǒng)計，采用單因子評價和基于熵權(quán)模糊綜合評價相結(jié)合的方法，對河流水質(zhì)進行分段、分期的分析和評價，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)污染和有機污染是

6、該流域應(yīng)重點關(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)物特點和不同流域之間的差異對Pareto解集進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)進行了實際求解，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)進行了模擬驗證，結(jié)果表明模擬值與實測值吻合良好，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子流域在枯水年部分的枯水月CODMn濃度達到了Ⅳ類水質(zhì)外，其余時期為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)，而在枯水年將達到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)水平。如果能同時削減50％的點源污染負(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)果進行了不確定分析，結(jié)果表明綜合降解系數(shù)k和點源污染負(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)重點加強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％。 本文的主要創(chuàng)新點為： 1)將信息學(xué)中“熵”的概念應(yīng)用于模糊綜合水質(zhì)評價中權(quán)重的確定，改進了水質(zhì)模糊綜合評價方法?；陟貦?quán)模糊綜合評價法，一方面避免了單因子水質(zhì)評價的片面性，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)計更為科學(xué)合理同時，體現(xiàn)了多個評價對象之間的相互聯(lián)系。 2)

13、根據(jù)源頭溪流的污染特點和河流特征，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，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)污特點和不同流域之間的差異對Pareto解集進行入河系數(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)