北方季節(jié)性河流生態(tài)反應(yīng)器水質(zhì)模型研究.pdf

1、中國(guó)北方地區(qū)人口眾多，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，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(yán)重，人均水資源占有量極度匱乏。上世紀(jì)90年代以來，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，北方地區(qū)污染物排放量增加，導(dǎo)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(yán)重污染。迫切需要采取工程手段，提升中國(guó)北方河流的自凈能力，實(shí)現(xiàn)河流水質(zhì)的可持續(xù)性改善。
　　河流水體是一個(gè)復(fù)雜的自然生態(tài)系統(tǒng)，其自凈過程受微生物學(xué)、化學(xué)、大氣物理學(xué)、流

2、體力學(xué)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(jìn)行試驗(yàn)來研究它們的自凈能力，需要投入較多人力、物力、財(cái)力，而通過建立基于反應(yīng)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(yù)測(cè)水質(zhì)狀態(tài)，提供管理、監(jiān)測(cè)依據(jù)，這就大大節(jié)約成本。本文在國(guó)內(nèi)外地表水水質(zhì)模型的研究工作的基礎(chǔ)上，對(duì)比國(guó)內(nèi)外幾種常用水質(zhì)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合中國(guó)北方季節(jié)性河流的特點(diǎn)和現(xiàn)狀，篩選美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)開發(fā)的水質(zhì)分析模擬模

3、型WASP，基于反應(yīng)器原理，建立用于模擬、預(yù)測(cè)北方季節(jié)性河流的數(shù)學(xué)模型，分別用原始的WASP模型和改進(jìn)后的WASP模型評(píng)價(jià)河道曝氣、人工濕地下污染物去除效果的影響機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)河流生態(tài)反應(yīng)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(fù)受污染河道的重要技術(shù)，數(shù)學(xué)模型是預(yù)測(cè)、評(píng)估環(huán)境污染狀況的重要方法。本研究首次應(yīng)用WASP水質(zhì)模型評(píng)價(jià)不同時(shí)段河道曝氣對(duì)河流水質(zhì)的提升作用。初期模型驗(yàn)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(yīng)器水質(zhì)模型擬合結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)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(duì)不同曝氣條件進(jìn)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(xué)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(jì)投入和環(huán)境效益，最終確定夏季提升DO水平達(dá)到4mg/L為河道曝氣最優(yōu)條件。
　

5、　表流人工濕地造價(jià)低、運(yùn)行管理方便，具有生態(tài)效益和景觀價(jià)值，能夠取得較好的廢水處理效果。目前對(duì)于表流濕地的研究缺乏基于過程的模型指導(dǎo)工具。本文結(jié)合濕地的特點(diǎn)，修正WASP模型，進(jìn)而體現(xiàn)濕地系統(tǒng)的植物對(duì)于水質(zhì)和水動(dòng)力條件的影響。選取中國(guó)北方的一處典型的河道表流人工濕地，驗(yàn)證河流生態(tài)反應(yīng)器模型對(duì)于河道表流濕地模擬研究的適用性，提供了一種定量指導(dǎo)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(gè)季節(jié)內(nèi)均能對(duì)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(shí)，氨氮的去除受到較大的影響，去除效果會(huì)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(yīng)器對(duì)于NH3-N的去除效果，但對(duì)于COD的去除效果幾乎沒有提升。應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本、植物生長(zhǎng)環(huán)境、控制目標(biāo)等因素來綜合制定人工濕地設(shè)計(jì)、管理策略。
　　本研究把河流水體看作反應(yīng)器，篩選WASP水質(zhì)模型作為研究的基本工具，并對(duì)原模型進(jìn)行適用范圍的擴(kuò)大，對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)、分析，驗(yàn)證綜合模型的適