三峡水库水质模型

三峡水库的水质模型随着大型水利水电工程的建设,人类能够对水资源进行更加有效的管理和充分的利用,取得了巨大的防洪、发电、航运等效益。

但是工程建成后,不可避免的带来了一些生态环境问题随着时间的发展,在水库的调度过程中将生态因子作为水库调度的重要目标之一。

同时由于流体运动的复杂性,传统的物理模型试验己很难满足研究的需要,数值模拟成为研究流体力学方便和强有力的手段。

三峡水库建成后,非汛期,三峡水库蓄水至175m,电站采取调峰运行模式。

由于库水位提高和调峰运行,改变了天然河道的流态,引起水库各种环境问题。

另一方面来讲，近年来随着计算机网络和信息技术的发展,环境信息系统的各方面性能取得了很大进步,其中数据传输、资料查询、统计分析等功能都有了明显提高。

与此同时,人们研究了各种环境模型,针对当前的不同环境问题进行了深入的分析和预测,并取得了显著的成果。

所以，使用信息技术与环境模型的方法，来解决三峡水库的各种环境问题也是一个较好的选择。

利用水质模型的知识，对于三峡水库进行一个大致研究。

经过调查可知，三峡水库与一般的湖泊有着显著区别。

首先,其流速分布不均,干流流速与支流流速,干流中心的流速与岸边流速,一般情况下的流速与弯道、回流沱之间的流速之间都有很大差别;其次,流场不同位置间存在巨大的水深差异;另外,不同季节的气温对藻类生长影响也有很大差别。

在对水库的水质模型进行建立的时候,应根据上述建立的水深、流速、温度以及营养盐与富营养化的初步映射关系,在GIS系统的支持下,建立整个水库干流、支流的水体总体富营养化程度的实时监测体系，来相应更好的建立模型。

由于三峡水库水环境管理信息系统针对库区区域水环境问题涉及因素多、信息量大,变化复杂等特点,采用GIS和数据库技术,实现了水库水污染资料的管理和相关数据的统计、查询。

另外,三峡水库蓄水后,库区江段水位抬高,水面变宽,流速减小,水库的污染状况将发生新的变化。

为了预测水库水质的变化,提前作出预警预报,可以选择建立了多个水流水质模型,对水库的水流水质状况进行模拟，然后在三峡水库水环境管理信息系统中集成某些合适的水质模型,提高系统的水质预测能力,对于三峡水库的水质管理和污染事故的预警预报,防治水库水质进一步恶化,具有重要的实用价值。

总体来说,三峡水库蓄水后可能面临的主要水污染问题是近岸水体质量的恶化以及可能出现的库首水体温度分层和意外水污染事故。

所以在此我们设想并大致计算了5个不同的水质模型,实现它们与三峡水库水环境管理信息系统的有效连接,用于预测和分析三峡水库各种的水污染问题。

下面分别对这些模型的功能和应用范围进行简单介绍:(1)库区一维模型。

三峡水库是一个河道型水库,具有典型的河道特性。

采用一维水质模型模拟600多km整个库区水流及污染物的输移扩散,便于人们把握三峡水库的水质整体状况,制定水库水污染控制的整体规划。

另外,一维水质模型还可以为二维、三维水质模型提供必要的边界条件。

(2)岸边二维模型。

三峡水库当前的污染主要表现为岸边污水排放,在一维水质模拟的基础上,采用深度平均的二维水质模型计算岸边排放的污水口附近的水流及污染分布,有利于人们预测三峡水库的岸边污染情况和发展趋势,及时地提出相应控制措施。

(3)(分层三维模型。

三峡水库正常蓄水位达175 m,很大水域的水深将超过100 m,深度平均二维模型难以正确反映污染物浓度的垂向分布,采用分层三维水质模型,可以大大提高水深较大区域岸边污染混合区范围的预测精度。

(4)垂向水温模型。

根据经验判断,三峡水库蓄水后将成为弱分层水库,可能在夏季出现水温分层,水库分层对水库水质以及下游生态的影响很大。

垂向水温模型将用来预测水库水温分层结构和下泄水温过程。

(5)污染事故预警模型。

污染事故预警模型采用简单的解析解,实现对三峡水库库首污染事故的快速预警预报,以便采取紧急的必要措施,防止污染事故的进一步扩散。

而污染事故的精确预报可以由二维或三维模型完成。

在此选择第一种模型即库区一维模型的大致介绍以及部分应用，如下所示：基本原理：描述明渠一维渐变非恒定流的基本方程式为:0C g x gA A a x t q xt 22=+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=∂∂+∂∂AR Q Q Z Q Q Q A式子中:x,t 一距离和时间的坐标;Q 一流量(m3/s);Z 一水位(m);q 一旁侧人流流量(ms/s);C 一谢才系数(mo'/s);R 一水力半径(m);a 一动量校正系数;g 一重力加速度(耐52);此基本方程组称为圣维南方程组。

圣维南方程组可以有多种形式,取决与变量形式的不同,据水力计算的不同要求和初始、边界条件来选用不同变量的方程组,并用数值方程求解。

圣维南方程组属于一阶拟线性双曲线型偏微分方程组,一般情况下无法求得其解析解,目前只能采用数值解和简化方法求其近似解。

随计算机技术的发展,数值解成为了求解该方程组的主要方法。

对圣维南方程组的离散按时间离散方法分为显格式和隐格式两种。

由于隐格式具有稳定性好、精度高的特点,在河网计算中得到了广泛的应用。

隐格式解法又分为直接求解法和分级求解法两类。

(1)直接解法是直接求解由关于河道内断面处未知量的方程和边界条件所 对应的方程组成的方程组。

常用的方法如下:用Preissmalm 格式对圣维南方程组。

常用的方法如下:用Preissmann 格式对圣维南方程组进行差分,用循环系数法,结合边界条件根据线性关系式就可求出各断面的流量以及污染物浓度。

但由于直接解法是早期河网计算中的方法, 在求解方程组时存在存储量大,计算量大的问题,从而直接影响了计算速度的提高。

（2）二级解法的基本思想是将所有的边界方程和河段方程一起构成一个封闭的方程组,即是级连接方程组,求解这样的方程组,便可以求得河网各河段未知量,然后再利用微段方程,求出全部内部计算断面的未知量。

(3)三级解法是在二级解法的基础之上提出来的,它的基本思想是在二级解法的基础上,将各河段的圣维南方程组隐式差分得河段方程,然后依次消元求出首尾断面的水位流量关系式,将上步求出的关系式代入汉点连接条件和边界方程得到以各汉点水位为未知量的求解矩阵,求解此矩阵得各汉点的水位,将汉点水位代入方程得汉点各断面的流量,回代河段方程得所有的断面水位流量。

根据水库水力特征采用一维推流式模型，设水流为推流流动，并存在弥散作用，根据质量守衡原理，注水流体内某污染物浓度变化的微分方程为：R E +∂∂=∂∂kc -x c x c 22μ c —水中某污染物浓度 mg/L ；t —时间 d ；µ —水流平均速度 m/d ；x —水体平均距离 m ；E —流水流向的弥散系数 m2/d ；K —某污染物衰减速率系数 d-1；R —系统内部因素引起的某污染物变化率 mg/(L.d)。

稳态时，即在任一断面 x 处，水质不随时间变化。

在实际中，尤其当考察水质的平均浓度时，稳态是相对存在的。

此时， ∂c/∂t=0，上述公式变为常数方程： R E +∂∂=∂∂kc -xc x c 22μ 许多科学工作者用水质数学模型来描述水体自净过程，根据物质平衡原理建立连续模型的基本方程为：()t z y x c s z c z y c y x c x z c w x c v y c t c z y x ，，，，E +⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂ςςςμ式中 c —河中某点给水某成分的浓度；µ、 ν、ω—分别为河中某点在x (纵向)、 y （垂向）、z （横向）方向的流速分量；εx 、 εy 、εz—分别为 x 、 y 、z 方向的扩散系数；t —时间；s —由于污染物化学和生物作用引起的衰减、沉降、吸附或增加。

这个方程很复杂。

在 1925 年斯特里斯特-费尔普斯在研究俄亥俄河水质时，提出了反映生物需氧量溶解氧变化的水质数学模型。

其基本形式：-kl xl =∂∂μ l 、O —分别为距起始断面距离 x 处的 BOD5的溶解氧浓度（ mg/L ）；µ —断面平均流速（m/L ）；x —距离起始断面的距离。

这个公式简单明了，较好的反映了水体有机污染和规律，至今较广泛的使用。

后来许多水质模型都是在这个基础上补充和发展的。

水质模型是按照一定的程序建立起来的，虽然按照模型建立的目的、期限与考虑的因素不同，建立的过程也有所不同，但一般来说建立模型的程序有以下几个步骤：（1）模型的构思；（2）数学表达；（3）修正（如由于计算的需要进行差分或有限元分段等）；（4）标定；（5）检验；（6）定型；（7）应用。

在实际工作中，一般都应用已经开发的水质模型。

此时，只需要对所选用的水质模型进行结构的识别和参数的估值。

模型的标定：是利用一组或几组已观测到的输入和输出数据，对所选用的模型的参数和结构进行调整、修改和定型。

模型的检验：是利用另外一组独立的输入和输出的数据，试验已标定过的模型，验证模型的预测结果与实测数据是否符合要求。

水质模型的标定与验证，也可统称为水质系统的识别。

其目的和任务就在于确定水质模型的结构和参数，后者也称为参数估值。

水质模型的识别与一般工程系统有所不同，一般工程系统可以较自由地选择它的输入函数，并借助于各种精密器对其输出进行测量以取得标定和验证模型所必须的各种数据。

水环境系统分析是指对水环境各个要素进行单项及综合分析。

对于库区污染源的调查与监测主要包括以下几个方面：1、富营养化污染；2、金属与非金属毒物；3、病原微生物污染；4、需氧有机污染物。

在水库库区水质现状分析中，需要依据实际情况调查和了解各类污染及其来源。

除了上述四种类别外，还可能有其他种类，如放射性污染源等。

总之，在可能的条件下，尽可能多地从环保部门、水资源环保部门、水利部门和水质监测站收集各方面的数据和资料，加以整理、归纳和分类。

水环境质量标准是国家和地方水环境规划的目标和方向，是环境管理的基础。

迄今，国家颁布了一系列水环境质量标准，他们是开展水环境质量底泥质量标准、水生物生态质量标准以及结合到地面水体质量标准的选择与分析问题。

本文讨论了三峡水库水质的数学模型，对该模型的具体应用情况及其相关问题都给予了介绍和详细的分析。

水质模型是按照一定的程序建立起来的，虽然按照模型建立的目的、期限与考虑的因素不同，建立的过程也有所不同，但一般来说建立模型的程序有以下几个步骤：1、模型的构思；2、数学表达；3、修正（如由于计算的需要进行差分或有限元分段等）；4、标定；5、检验；6、定型；7、应用。

水库在建成以后，因改变河流天然状况及水库内外水力条件而可能引起额外的水量损失，主要包括蒸发损失和渗漏损失，在寒冷地区还有可能有结冰损失。