峡谷分层型水源水库季节性水质响应特征及水质模拟研究

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为研究峡谷分层型水源水库水体热分层的水质响应特征及其变化规律,对西安市黑河金盆水库的水温、溶解氧、叶绿素a、氮磷营养盐及铁锰等水质指标进行持续的现场监测,并且在此基础上研究了扬水曝气系统对水体等温层需氧量的影响及人工强制混合与自然混合的衔接条件。同时运用MIKE3模拟软件建立了黑河金盆水库的三维溶解氧和高锰酸盐指数的水质模型,引入RSMSobol方法探究模型的参数敏感性。得到主要成果以及结论如下:(1)黑河金盆水库属于典型的峡谷分层型水源水库,49月水体处于热分层状态,温跃层及等温层分界明显。热分层稳定时期垂向溶解氧也呈现一定的“氧分层”,底层无氧区域(DO=0 mg/L)厚度最高达到13.82 m,等温层缺氧区域(DO≤2mg/L)厚度也达到了19.63 m。长时间的厌氧环境导致底部沉积物中营养盐及金属离子向上覆水体释放,总氮、总磷浓度最高上升至1.55 mg/L和0.042 mg/L,总铁、总锰浓度最高达到了0.39 mg/L和0.15 mg/L。因此抑制水体内源污染物释放,改善水体溶解氧分层是保障供水安全的关键。(2)对黑河金盆水库水体的相关水质指标进行系统聚类分析,结果表明垂向水体密度梯度0.02 kg/m3最能代表水体温跃层位置,20142016年扬水曝气系统的运行对设计等温层需氧量的影响不明显,相关性较弱,但平均等温层需氧量有显著的降低,从2722.1752 kg/d降低至1316.2997 kg/d。这表明长期运行扬水曝气系统会降低平均等温层需氧量,从而减少人工强制混合时期所需提供的氧气量,降低系统的运行负荷。(3)通过对比分析水库近三年人工强制混合时期水体的温度及溶解氧变化,发现人工强制混合结束时温跃层的位置和厚度对后期自然混合影响较大,温跃层会阻碍下层水体的氧传质,前期扬水曝气系统补充的溶解氧也会很快被消耗,等温层重新进入缺氧状态。分析表明加快温跃层下潜,并使温跃层深度下降到距底部24m处,可以使得人工强制混合与自然混合较好地衔接。(4)基于MIKE3软件建立了金盆水库的DO/CODMn模型,该模型得到的溶解氧实测值与模拟值的平均相对误差为7.00%,高锰酸盐指数的平均相对误差为9.82%。并应用基于Morris法的RSMSobol法对影响溶解氧及高锰酸盐指数的因素进行定量全局性敏感性分析,结果表明不同水深条件下参数的敏感性差异较大,总敏感度与一阶敏感度具有较好的一致性;温度的相关参数对表层水体的DO/CODMn影响较为显著,在模型率定时应当优先考虑。随着水深的增加,温度对模型的影响逐渐减弱,高锰酸盐指数一阶降解速率(K2)成为贡献最大的参数。(5)应用金盆水库溶解氧模型模拟研究了扬水曝气系统的充氧过程及充氧能力。结果表明,系统运行能够有效地改善水体氧分层现象,对水库底层水体充氧效果显著,并且能够提前17天左右结束由于水体热分层导致的底层缺氧现象。系统的运行能大幅增加底层溶解氧,同时使中上层水体溶解氧也增长10%30%左右,其强制混合和充氧功能能够有效的增加水体的溶解氧,起到抑制内源污染物释放、持续改善水质的作用。
摘要第4-6页
abstract第6-7页
1.绪论第10-20页
    1.1 研究背景及意义第10-12页
    1.2 国内外研究现状第12-17页
        1.2.1 水库热分层及周期性水质演变第12-13页
        1.2.2 原位水质改善技术第13-15页
        1.2.3 水质模型研究进展及现状第15-16页
        1.2.4 水质模型和软件的分类及介绍第16-17页
    1.3 研究主要内容及技术路线第17-20页
        1.3.1 研究的主要内容第17-19页
        1.3.2 技术路线第19-20页
2.研究方法及模型的建立第20-33页
    2.1 研究对象第20-21页
    2.2 材料与方法第21-23页
        2.2.1 黑河金盆水库监测点及扬水曝气系统分布第21-22页
        2.2.2 原位检测方法第22页
        2.2.3 水样采集及实验室检测方法第22-23页
    2.3 模型的研究方法及基本方程第23-33页
        2.3.1 MIKE3软件简介第23-24页
        2.3.2 ECOLab模块简介及耦合方法第24-25页
        2.3.3 计算基本方程第25-26页
        2.3.4 MIKE3软件计算及离散化方法第26-28页
        2.3.5 水质模型基本方程第28-31页
        2.3.6 RSMSobol定量敏感性分析法第31-33页
3.峡谷型热分层水源水库水质响应特征第33-43页
    3.1 黑河金盆水库热分层特征第33-35页
        3.1.1 黑河金盆水库水质、水情概况第33-34页
        3.1.2 黑河金盆水库热分层特性第34-35页
    3.2 水库分层条件下水质响应特征第35-40页
        3.2.1 持续混合时期水体水质响应特征第35-36页
        3.2.2 热分层时期水体水质响应特征第36-38页
        3.2.3 人工强制混合时期及自然混合时期水质响应第38-40页
    3.3 黑河金盆水库水质因子相关分析第40-41页
    3.4 本章小结第41-43页
4.金盆水库扬水曝气系统水质改善研究及运行工况优化第43-55页
    4.1 温跃层演变规律研究第43-46页
    4.2 动态分层下金盆水库溶解氧响应特征及等温层需氧量计算研究第46-51页
        4.2.1 等温层需氧量计算研究第46-48页
        4.2.2 动态分层下金盆水库溶解氧响应特征第48-51页
    4.3 人工强制混合与自然混合衔接机制研究第51-53页
    4.4 本章小结第53-55页
5.黑河金盆水库DO/CODMn模型参数分析及应用第55-69页
    5.1 黑河金盆水库DO/CODMn模型的建立第55-58页
        5.1.1 模型概述第55-56页
        5.1.2 模型的率定和验证第56-58页
    5.2 基于Morris参数筛选的RSMSobol参数分析第58-65页
        5.2.1 Morris参数筛选法第58-59页
        5.2.2 RSMSobol参数敏感度定量分析第59-65页
    5.3 扬水曝气系统充氧效果模拟研究第65-67页
    5.4 本章小结第67-69页
6.结论与建议第69-71页
    6.1 主要研究成果与结论第69-70页
    6.2 建议与展望第70-71页
致谢第71-72页
参考文献第72-79页
攻读硕士期间主要的研究成果第79页
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