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《湖南大学》 2005年
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水环境中的不确定性理论与方法研究——以三峡水库为例

谢更新  
【摘要】:本文首先从不确定性理论与方法的研究综述出发,介绍了不确定性理论与方 法在水环境系统中的应用研究进展,指出以不确定性理论与方法来指导环境系统 的建模,在本质上可加深对不确定的水环境系统客观规律性的认识。本文以国内 外举世瞩目的三峡工程为例,提出基于不确定性理论与方法来研究三峡水库建成 运行后的水质变化趋势,以期建立的不确定水质模型更符合客观事实,更具科学 性、实用性和可操作性。 河流水质预测与评价一直以来都是一个非常重要的研究方向,目前虽已有一 定的理论基础和较为成功的实际应用成果,但仍然局限在较为理想化的确定性水 质模型的应用上,对复杂河流水质系统中的不确定性考虑不够。本文通过对三峡 水库蓄水后的不确定性特征(即三峡库区江段的河道特征、水文形势、污染物排 放状况等因素)分析,在前人研究的基础上,大胆突破创新,提出了基于有限单 元法的复杂河流二维随机水质预测模型,运用Monte Carlo法抽样计算得到了三 峡工程建成后三峡库区水质的概率分布,为三峡库区的管理与发展提供了较为全 面丰富的信息。 针对三峡工程实例,论文的工作主要分为以下几部分:(1) 重点探讨了二维 随机水质模型的建模过程以及随机参数的识别方法,并针对有限单元数值算法, 提出了基于信息熵理论求解复杂河段水质模型的单元网格宽度的定量优化模型; (2) 考虑人口、经济发展水平、工农业结构调整力度、环保政策、污染物治理水 平等不确定因素,预测了2010年三种污染负荷水平(高负荷、中负荷、低负荷) 的各种污染源的排放强度;(3) 确定三种典型水文条件(7Q10设计入库流量、枯 水年平水期和丰水年丰水期),并与三种污染负荷水平进行组合,以期全面地把握 不同水期(枯、平、丰)的水文条件对河流水质的影响;(4) 以CODCr、BOD5、 NH3-N、TP为水质预测指标,设计了三峡库区二维随机水质预测的九种方案,对 预测结果采用Monte Carlo法进行统计处理;(5) 以重庆、长寿、涪陵和万洲四 个重点城市为例,对三峡库区建成后的岸边污染带进行了预测模拟;(6) 采用多 指标模糊概率综合评价法,选取三峡库区的20个重点断面进行了水质评价;(7) 根据三峡库区水质及岸边污染带的预测结果,初步的提出了三峡库区的点污染源 和面污染源的控制对策。 通过以上工作,本文的研究成果和具体创新点总结如下:(1) 提出了基于信 息熵的网格优化理论,为确定单元网格的宽度和流带划分提供了理论依据,优化 了水质模型,即当单元网格内污染物的信息熵最大时,网格内污染物的浓度将趋 水环境中的不确定性理论与方法研究—以二峡水库为例 于均匀,网格宽度将达到最优;(2)运用Monte Carfo抽样模拟法,进行数据采 集、分析和概率分布统计,使数据处理结果更加客观可靠;(3)提出了模糊概率 综合评价法对库区水质进行评价,使结果更加科学,反映客观实际;(4)运用 Matlab语言对大量数据、矩阵进行处理,将计算机语言和数学模型进行完美结合, 增强了模型的可靠性和可行性。 由于水环境系统中客观存在着大量的不确定性,如果要更加准确、真实的反 映水环境系统中的各种现象,不确定性理论与方法必然将在水环境系统中得到更 广泛的应用。本论文的工作,一方面,成功的将不确定性理论与方法应用于具有复杂 河道特征的三峡库区的水质预测、评价、控制与管理,具有一定的实际意义;另一方 面,在理论和方法上对其他类似复杂的环境系统行为的不确定性的认识具有一定 的借鉴作用,对推动不确定性水环境模拟、预测、控制、管理和规划也有贡献, 具有一定理论价值。 关键词:不确定性;三峡水库;预测;随机理论;二维随机水质模型;有限单元 法;岸边污染带;模糊理论 夕
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