基于水质水动力模型的鱼洞水库水污染物总量控制研究

以CE-QUAL-W2为平台,对昭通市鱼洞水库的水质水动力进行了模拟,很好地再现了水库水质的变化趋势和幅度。根据环境标准的不同解译方式计算了鱼洞水库在三种情景下的水环境容量：情景1以鱼洞水库表层全年的逐日污染物浓度100%达标;情景2以鱼洞水库表层全年80%时间内污染物浓度达标;情景3以鱼洞水库表层全年50%时间内污染物浓度达标。情景1下,鱼洞水库TN、TP负荷需要在现有基础上分别削减50%、45%,该方案风险较低,但面临短期内经济与技术上的不可行,可作为流域环境管理的长期目标;情景2下,鱼洞水库TN、TP负荷需在现有基础上分别削减42%、15%;情景3下,洞水库TN负荷需在现有基础上削减20%,TP不需削减,该方案可作为流域环境管理的近期目标。     

不确定性流域污染负荷优化分配模型及其应用

流域优化决策模型以最优化建模方法指导流域管理决策过程,然而流域系统的不确定性会导致决策存在一定风险.本研究通过建立区间参数机会约束线性规划(ICILP)模型来处理流域决策过程中的不确定性,并将该模型运用于太滆运河流域优化决策中,探讨在不同违反概率下系统最优解.结果表明,随着允许入湖量约束违反概率增加,系统对污染物削减量和削减成本有所降低.由于受到经济成本和削减量约束,系统优先减小环境代价较大、削减效率较低的工程项目规模.但受到最低处理率约束,违反概率增加到一定水平时各工程项目趋于定值.虽然较高的违反概率使系统成本降低,但也会导致削减效率降低,不利于流域保护.因此,在实际管理中应根据管理需求选择合适的削减方案以达到保护流域水质的目标.     

抚仙湖马料河人工湿地水质净化效果评估研究

从污染物去除百分率、污染物削减量及污染物表面负荷去除量等不同角度对抚仙湖马料河人工湿地的水质净化效果进行了分析,结果表明TN、NH3-N和TP的平均去除率分别约为60%、60%和50%,平均削减量约为14kg/d、5kg/d和1kg/d,去除污染物表面负荷平均为0.72g/m2.d、0.22g/m2.d、0.06g/m2.d。     

基于非线性响应函数和蒙特卡洛模拟的滇池流域污染负荷削减情景分析

为定量了解滇池外海水质对流域污染负荷削减率的响应变化程度,并评估相关决策的潜在风险,在长期的水质模拟结果基础之上,本文使用内嵌非线性响应函数的蒙特卡罗模拟方法,在2个不确定性水平下（5%和10%的变异范围）分析滇池外海为达到3个水质目标情景（Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类）的污染负荷削减及其不确定性.模型结果表明,在2种不确定性水平...     

新疆博斯腾湖水环境容量研究

首先对博斯腾湖水环境功能进行了分区,利用箱模型分区模拟计算了博斯腾湖不同水质目标条件下的COD,TN以及盐污染物的最大允许入湖量,在现状污染负荷的基础上确定了目标削减量与削减率,为博斯腾湖流域水污染防治提供了技术依据。      

基于水环境约束的抚仙湖流域农业结构调整研究

农业面源污染严重污染水体,是水体富营养化和水质恶化的主要污染源. 在考虑水环境容量农业分配量、农业面源污染削减、粮食及副食品安全的基础上,建立抚仙湖流域农业产业结构优化调整的系统动力学模型,并设置惯性发展和目标导向2种发展方案进行仿真模拟. 结果表明:目标导向发展方案可以有效降低流域内污染物入湖量,TN和TP分别削减了221.45和24.74 t,处在允许的水环境容量农业分配量范围内. 根据调整优化结果,建议在抚仙湖流域大力发展绿色有机生态农业,形成观光休闲农业产业;建立集中养殖小区,采用立体式生态饲养畜禽模式.      

漳卫南运河流域非点源污染负荷估算及最佳管理措施优选

制定实施流域TMDL(total maximum daily load)计划的一项关键技术就是借助水文模型量化流域非点源污染负荷,设置BMPs(best management practices),实施非点源负荷削减.采用构建的SWAT模型估算了漳卫南运河流域不同水平年(丰、平、枯)非点源负荷大小,分析了非点源负荷的空间分布特征.丰水年总氮非点源负荷占总负荷的0.07%,总磷非点源负荷占总负荷的27.24%.空间上,流域非点源输出负荷较大的区域主要为具有一定坡度的农业用地和城镇居民用地.对照基准情景非点源输出负荷,通过对47种不同BMPs控制措施的模拟,核算出不同BMPs对8个优先控制子流域的有机氮、有机磷、硝酸盐氮、溶解态磷和矿物磷共5种污染物的削减效率.通过对比分析不同BMPs的费用效益,优选出漳卫南运河流域最佳的总氮和总磷污染物削减措施为修建植被型沟渠,其TN、TP单位削减费用分别介于16.11～151.28元.kg-1和100～862.77元.kg-1之间,该项措施是47种BMPs中最经济有效的.相关研究结果可以为流域非点源污染负荷削减提供科学依据,为流域水环境改善和水生态修复提供技术支撑.     

不同河岸带修复策略对氮磷非点源污染的净化作用

选择北江的重要支流流溪河流域为研究对象,基于现有河岸带对非点源污染削减作用的模拟结果,采用情景分析法,预测不同河岸带修复策略对非点源污染的削减作用,使用效益-成本指数表征TN和TP削减率提高幅度与增加河岸带面积的关系,比较不同河岸带修复策略的效率.结果表明:河岸带对TN和TP的削减能力具有较大的空间差异性.各修复情景都在不同程度上提高了河岸带对TN和TP的削减率(TN:23.36%~30.72%;TP:27.19%~39.86%),河岸带增加总面积与削减率呈现对数增长关系(P<0.05).选择综合考虑了流域非点源负荷量以及河岸带状况的优先修复子流域进行河岸带修复时,效益-成本指数达最高为1.19%.     

控制流域氮流失的最佳管理措施配置及效率评估

以潮河流域为研究对象,分别进行流域整体单一措施配置和氮流失分区综合措施配置,既采用负荷去除法从污染负荷削减率的角度对BMPs配置效率进行评价,也采用R-R-V （Reliability-Resilience-Vulnerability）指数法从可靠性、可修复性和脆弱性等角度对流域水质改善效果进行评价.结果表明,分区进行氮流失综合措施配置效果更为理想,研究年内流域出口总氮削减率为14.35%~31.65%,年平均削减率为24.98%,在地表水Ⅱ类评估标准下,年平均总氮R-R-V指数为0.37、0.24、95.78,而多项单一措施的年平均削减率为17.48%,月尺度平均总氮R-R-V指数为0.36、0.24、112.96.R-R-V指数法从可靠性、可修复性和脆弱性等角度反映消减效率,无论单一措施配置或分区综合措施配置,可靠性指数与脆弱性指数的改善效率较高（大于14%）,而可修复性指数的改善效率较低.多数情况下可靠性指数与脆弱性指数的改善效率高于总氮削减率,可修复性指数的改善效率低于总氮削减率,表明流域总氮负荷虽然得到一定程度的削减且短期低于标准负荷,但其生态修复难度依旧较大.营养物标准负荷所对应浓度的设定是评估流域R-R-V指数改善效果的关键,且评估标准越严格,待评估营养物的R-R-V指数越趋于稳定.     

流域水质目标管理的风险识别与对策研究

以水质目标为约束和核心的管理将逐步完善、补充和强化当前的总量控制模式,成为我国中长期流域水环境管理的重要内容.流域水质目标管理是一个"响应→调控"并不断反馈调整的过程,但由于流域系统的非线性和不确定性,流域污染减排并不能完全确保水质目标的实现.本文将这种由不确定性而引致的流域水质目标的不完全可达性界定为风险,并在分析流域水质目标管理框架思路的基础上,识别并实证了水质目标管理中的主要风险来源,主要包括:1在"响应"层面,由于水质响应与负荷削减等措施间的非线性、时滞性、指标不协同等不对应关系带来的风险;2在"调控"层面,由于水环境管理缺乏适应性的调控和反馈机制而产生的水质达标风险.在此基础上,提出了流域水质目标风险管理的转变途径及其定量表征方法,以期为流域水质目标风险管理提供借鉴.     

神经网络模型用于数值水质模型逼近的适用性及非敏感参数的欺骗效应

水质模型被广泛应用于水环境管理和决策,但却面临着计算时间和模型应用效率等多方面的问题;利用函数映射和逼近等方法来建立水质模型的输入-输出响应关系,可有效减少计算成本并显著改善模型效率.水质模型的输入-输出响应函数关系有多种形式,本文以其中的2种为例,并分别基于2个水质模型(零维总磷模型、WASP/EUTRO5)的案例,分析和验证了神经网络模型在响应关系逼近中的适用性.案例的结果表明:神经网络函数可以有效地用于水质模型输入-输出响应关系的逼近;当网络规模超出阈值大小时,神经网络函数逼近的准确度和泛化度对网络规模不敏感.在案例研究的基础上,推导和讨论了在神经网络模型函数映射过程中所可能出现的非敏感参数的欺骗效应,以及可能由此导致的过度预测或过低预测问题;并建议在神经网络函数逼近中,应只包含水质模型的敏感参数,以防止降低神经网络模型的准确度.     

Three-dimensional hydrodynamic and water quality model for TMDL development of Lake Fuxian, China

Lake Fuxian is the largest deep freshwater lake in China. Although its average water quality meets Class I of the China National Water Quality Standard (CNWQS), i.e., GB3838-2002, monitoring data indicate that the water quality approaches the Class II threshold in some areas. Thus it is urgent to reduce the watershed load through the total maximum daily load (TMDL) program. A three-dimensional hydrodynamic and water quality model was developed for Lake Fuxian, simulating flow circulation and pollutant fate and transport. The model development process consists of several steps, including grid generation, initial and boundary condition configurations, and model calibration processes. The model accurately reproduced the observed water surface elevation, spatiotemporal variations in temperature, and total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and chemical oxygen demand (COD) concentrations, suggesting a reasonable numerical representation of the prototype system for further TMDL analyses. The TMDL was calculated using two interpretations of the water quality standards for Class I of the CNWQS based on the maximum instantaneous surface and annual average surface water concentrations. Analysis of the first scenario indicated that the TN, TP and COD loads should be reduced by 66%, 68% and 57%, respectively. Water quality was the highest priority; however, local economic development and cost feasibility for load reduction can pose significant issues. In the second interpretation, the model results showed that, under the existing conditions, the average water quality meets the Class I standard and therefore load reduction is unnecessary. Future studies are needed to conduct risk and cost assessments for realistic decision-making.     

滇池流域水污染防治规划与富营养化控制战略研究

根据滇池水污染防治的决策需求,在系统分析滇池水环境演变趋势和评估演变诱因的基础上,以流域水环境承载力方案及容量总量控制方案为基础,提出了滇池流域水污染防治中长期规划研究的方法体系,包括:问题驱动、调查诊断、规划基础、规划方案、评估调控、规划战略;提出了源头控制、工程控制和末端控制相结合的污染减排对策;通过构建3个尺度、8个分区及4个规划重点的流域污染减排集成体系及情景方案,来实现在2个规划期、3类水质目标、4种社会经济发展情景下的规划目标.在此基础上,提出了滇池富营养化控制的战略思路.     

流域系统优化调控的新模型与应用

流域系统具有复合性和非线性特征,其机理过程的数值描述本身也存在随机和认知不确定性.在此前提下,如何优化调控流域系统,实现水质改善和水生态系统健康成为当前水资源、水环境及水生态领域亟待解决的突出问题.本文提出了贝叶斯递归回归树模型和区间不确定性的风险决策分析方法,与强化区间线性规划结合形成了新的不确定性＂模拟-优化＂间接耦合模型,实现流域系统优化调控及风险决策方案.上述方法将应用于美国佛杰尼亚州Chesterfield县Swift Creek水库营养盐TMDL分配方案,确定8个子流域的最小负荷分配以实现叶绿素a浓度达标.结果表明该耦合模型既能表征流域系统特征,也能兼顾不确定性模拟的准确度、计算效率以及不确定性优化与风险决策的解空间全局最优性、绝对可行性,为流域系统优化调控及其未来非线性系统的预测与最优控制提供了新的计算工具.     

滇池水动力仿真研究

系统地介绍了利用EFDC环境流体力学代码及Matlab软件进行滇池水动力仿真研究的方法,为滇池进一步的水质和沉积物输移研究奠定了基础。     

泸沽湖流域水环境承载力研究

以湖泊流域水质、水资源量、入湖污染负荷环境承压度、湖泊生态等4个主要功能过程,兼页考虑社会经济对水环境的影响,设计并构建了湖泊分层分级水环境承载力评价模型研究与应用体系,采习系统分析的方法对湖泊现状水环境承载力和弹性环境承栽力进行了定量化的研究。     

基于EFDC模型的滇池水质模拟

从应用层面介绍EFDC模型的主要编程原理和数据结构,以及主控文件、初始化数据、气象和负荷数据以及模型输出的内容和结构。利用1988、1989年的负荷数据和观测资料,对滇池水质进行了模拟。结果表明,模型的水动力模块模拟结果与实际情况较接近,水质模块的模拟结果尚可接受,模型实用程度的提高有赖于基础数据的积累。     

基于双向算法的湖库允许纳污负荷量计算及案例

为了加强湖库流域水环境保护与污染负荷排放管理,支持湖库控制单元允许纳污负荷量的计算和污染负荷分配决策的制定,在总结国内外环境容量相关研究的基础上,针对现状水环境总量控制技术中允许纳污负荷计算与分配环节存在的问题,提出基于双向算法的湖库允许纳污负荷量计算方法.并以EFDC(environmental fluid dynamic code)水环境模型为核心,通过模型概化、参数率定等建模技术与方法的研究,利用估算与精算相结合的方法制定排污情景,并应用模型完成情景分析.应用多次情景试算、分析的方法,制定优化的排污情景,从而计算出湖库允许纳污负荷量.最后以辽宁省柴河水库为实证区进行方法的应用,证明了方法具备科学性与计算精度.     

密云水库及其流域营养物集成模拟的模型体系研究

近年来由于连年干旱,密云水库面临着严重的水质和水量问题.为实现密云水库及流域的营养物集成模拟和预测,研究开发了以流域非点源模型、水体生态动力学模型和河流模型为基础的,在GIS、RS技术支持下的密云水库水环境模拟预测集成模型.生态动力学模型是由WASP模型和EFDC模型耦合而成,流域非点源模型选用SWAT模型系统,该系统同时包括了污染物在河流中的迁移转化模拟.研究采用马尔科夫链蒙特卡罗法进行参数识别.结果表明,实测水质数据基本位于模拟数据分布众数曲线上下,并基本落入了水质变量模拟分布80%置信度的置信区间内,模拟结果与监测数据匹配较好.说明流域集成模型体系得到了有效识别并能满足实际应用.