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《天津大学》 2010年
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河流水质发展模型研究

董丽华  
【摘要】:随着区域社会经济的快速发展,北京、天津、渤海湾地区水资源严重短缺,水环境质量持续恶化,90%以上河流污染,水质风险严重。该地区日益严重的生态环境问题已成为国家实施京津都市圈发展战略的重要瓶颈,也为我国本领域的科技发展提出了具有挑战性的迫切需求。为此,国家确定了973计划,其中“主要污染物的时空变化及污染物迁移规律”被立为一个主要的课题。为此,本文以天津市为例,选取了具有代表性的河流—DG排污河为研究对象,对河流水质变化,时空变化规律进行了研究,并同时进行了污染源调研,结合水质分析确立了主要污染因子。建立了反应主要污染物迁移规律的预测模型,反应主要污染物时空变化规律的水质发展模型以及精确反应水质沿不同水期变化规律的分阶段水质发展模型,旨在为解决京津渤地区的重大环境问题,保障区域生态环境安全有所贡献。 在查阅相关文献的基础上,将水质监测指标初步定为水温、浊度(Tur)、pH等常规水质指标,CODCr、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)等生源要素指标以及重金属铜(Cu)、锰(Mn)、铅(Pb)、锌(Zn)、镍(Ni)、镉(Cd)、铬(Cr)、汞(Hg)和砷(As)等。并于2007年8月到2008年8月,开展了对目标河道枯水期(3、4月)、平水期(5)和丰水期(8月)、平水期(10、11月)的污染物监测,共进行了9次采样。其中,枯水期(3、4月)进行了3采样,平水期(5月)、丰水期(8月)、平水期(10、11月)均进行了两次采样。并同时进行了DG河流域的污染源调研工作。通过水质分析评价并结合污染源调研结果确定了DG排污河的主要污染因子(CODCr、NH3-N)。 在了解污染物迁移与转化规律、迁移与转化模型理论的基础上,运用时间序列方法建立了DG排污河主要污染因子CODcr、NH_3-N的迁移预测模型。其中平稳时间序列CODcr的ARIMA(1,0,2)模型和非平稳时间序列NH_3-N的平滑指数预测模型有较好的预测效果,其预测精度均在80%以上。污染物迁移预测模型对未来值的预测可以为我们对河流进行科学管理提供技术依据。 首次将多层统计分析方法应用于河流的水质分析。建立了DG河主要污染因子CODCr、NH_3-N随机截距、随机截距—斜率以及纳入时间变化协变量的随机截距—斜率水质发展模型,其中纳入时间变化协变量的CODcr随机截距—斜率水质发展模型和NH_3-N的随机截距—斜率水质模型能较好地反映水质沿不同水期的纵向变化规律以及各采样点在不同时间的空间变化规律。CODcr、NH_3-N的水质发展模型可以使我们对目标河道的水质时空变化规律一目了然。 为了更精确地了解水质沿不同水期的变化情况,本文在水质发展模型的基础上又引入了分阶段水质发展模型。建立了DG河主要污染因子CODCr、NH_3-N的两阶段、三阶段以及四阶段水质发展模型,其中CODcr的三阶水质发展模型和NH_3-N的四阶段水质发展模型具有很好的拟合效果,能够较精确的反映河流水质的变化情况。CODcr的三阶段水质发展模型将CODcr的发展趋势线划分为枯水期(3、4月)、平水期(5)和丰水期(8月)、平水期(10、11月)三个阶段,该模型的程序运行结果表明CODcr的浓度沿不同水期的平均变化率约为-38.301,与平均变化率相比,第二阶段的变化趋于平缓,变化率为-10.329,而到了平水期(10、11月)则又程显著下降趋势,变化率为-38.533。NH_3-N的四阶段水质发展模型将NH_3-N的平均发展趋势线分成枯水期(3、4月)、平水期(5月)、丰水期(8月)和平水期(10、11月)四个阶段,该模型的程序运行结果表明NH3-N的浓度沿不同水期的平均变化率约为-11.197,与平均变化率相比,NH_3-N的浓度在第一阶段的变化趋于平缓,以-6.098的斜率程线性下降趋势,在平水期(5月),NH_3-N的浓度呈显著下降趋势(斜率为-11.784),而到了丰水期(10、11月),其变化幅度又趋于平缓(斜率为-6.298)。这两个分阶段水质发展模型分别定量地展现了CODcr、NH_3-N沿不同水期(阶段)的水质变化率,且与实际结果相一致。无疑,水质发展模型的成功运用将会为河流的综合整治和科学管理提供科学的依据。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X832

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