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1、分类号： TU99 密级： _ 单位代码： 10335 学 号： 21112141 硕士学位论文 中文论文题目： 基于水体自净能力的河网闸泵调控优化 模型研究 英文论文题目 ： Research on controlling optimal model of pumps and sluices based on water purification capacit; 申请人姓名： _ 莫袓澜 指导教师： 邵卫云副教授 专业名称： _ 市政工程 研究方向： 环境水力学 所在学院： 建筑工程学院 论文提交日期 2014年 3月 浙江大学硕士学位论文 基于水体自净能力的河网闸泵调控优化模型研究 Re
2、search on controlling optimal model of pumps and sluices based on water purification capacity 本论文得到国家水体污染控制与治理科技重大专项 （ 2011ZX07301-004 )的资助 作者姓名： _ 莫祖澜 指导教师： 邵卫云副教授 专业名称： _ 市政工程 浙江大学建筑工程学院 2014年 1月 基于水体自净能力的河网闸泵调控优化模型研究 论文作者签名 : H ui 指导教师签名： x 论文评阅人 1: 李聪 副教授 淅江大学 评阅人 2: 唐平 副教授 杭州电子科技大学 评阅人 3: 刘宏远 副
3、教授 浙江工业大学 答辩委员会主席： 刘国华 教授 浙江大学 委员 1: 张仪萍 教授 浙江大学 委员 2: 胡云进 副教授 浙江大学 答辩日期： 2014.3.10 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 .除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 浙江大学 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： i签字日期 . y/ 厶年 + 月 曰 学位论文版权使用授权书
4、本学位论文作者完全了解 浙江大学 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙江大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学位伦文作者签名：支址滅 导师签名：衫 1 $ 签字曰期： 年 4 月 / 丨曰 签 字 曰 期 $ 月 M曰 浙江大学硕士论文 致谢 致谢 本论文是在导师邵卫云副教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、撰写到 最终成稿，恩师都倾注了大量的时间和心血。恩师具有高尚的人格魅力、深厚的 学术造诣、严谨的治学态度
5、和孜孜以求的敬业精神，是我终身学习的典范和楷模。 在论文即将完成之际，谨向邵老师表示最诚挚的谢意和最美好的祝愿！ 感谢浙江大学刘小为老师和周永潮副教授在我实验和论文完成期间不遗余 力的指点和帮助，二位谦虚仁厚的人格魅力和认真的科研态度，是我学习的榜样， 在此向你们二位表示由衷的感谢！感谢张土乔教授、张仪萍教授、柳景青研究员、 张燕副教授、俞亭超副教授、李聪副教授、叶苗苗副教授、邵煜副教授、张可佳 老师、方磊老师等 各位老师在市政所学术活动中提出的宝贵意见，使我的论文得 以顺利完成。感谢刘国贵老师在项目现场的大力帮助！感谢赵宇洋师兄的有力支 持和辛勤工作！ 感谢课题组姜利杰师兄、周慧平师姐、王嘉
6、伟师兄、马妍、章园、张萍师妹 和易文涛师弟在我整个论文完成过程给予的大力支持和帮助。感谢蒋伟师兄、郭 东进师弟和孙丽丽师妹的帮助。感谢王磊、黄标、刘青青、王璐文、周慧慧、毛 敏敏、巴依尔明达等同学在科研和生活中给我的帮助。在此祝愿你们今后一切顺 利、前程似锦！ 感谢嘉兴规划院的王贤萍王工和嘉兴水利投资有限公司的陈鹏冲陈工，你们 提供的资料及帮助对我课题的完成有重大意义！ 感谢我的室友钟青静和潘郁，能在这两年半的时间内和你们如此愉悦的相 处，让我的研究生生活增加了色彩，在此祝你们幸福！ 特别感谢我的父母、姐姐、弟弟，你们多年来始终如一地给我全力支持和无 私奉献，使我能够全身心地投入学习并顺利完成
7、学业，爱你们！ 在本文成文过程中，参考了大量国内外学者的主要著作和文献，在此对所有 参考文献的作者表示由衷的感谢！最后，衷心的感谢在百忙之中抽出时间审阅论 文的专家教授老师和答辩委员！ 莫祖澜 二零一四年一月于浙大求是园 I 浙江大学硕士论文 摘要 摘要 平原河网的水环境污染是目前国内外沿海平原环境的共性问题。根据平原河 网的特点，利用泵站和闸门等水工建筑物调控增加水体流动性或置换，能在短期 内有效地改善该地区河网的水环境。然而，目前针对闸泵调控的研究大多集中在 模型的建立和应用上，而对与引水后受水区水质变化密切相关的影响因素，如底 泥、水温、流速以及被引水水质、引水比例等，对受纳水体水质的影
8、响研究鲜有 见报。因此，本文旨在研究上述因素对水体自净能力的影响，并据此改进闸泵调 控优化模型，以最小的闸泵调度运行费用来实现最大的水环境改善。具体如下： (1) 对研究区域进行了实地调研与测量，获取了水环境模型研究所需的基 础资料，根据研究区域现场多次水质调查的结果，确定该区域的主要污染物质。 (2) 通过小试试验模拟了实际受纳水体在四种自然 /引水条件 (底泥是否存 在、复氧与否、不同流速和溫度 )下的自净过程。结果表明：复氧是影响水体自 净能力最重要的因素；考虑水体自净夏季可适当减少引水时间；底泥既是上覆水 污染物的源也是汇；引水期间内河水的最佳流速为 0.1 nrs (3) 试验研究了
9、不同引水水质及引水比例对冲污效果的影响。结果表明， 在所研的工况中，当外河水中 NH3-N和 NO： T-N的比例为 1:3 1:5、磷酸盐和有 机磷的比例为 1:4时，受水区水质改善情况最好；以 少内 =1:5的比例控制引 水闸泵的流量时，冲污效果最好。 (4) 基于上述试验结果，对前人提出的闸泵调控优化模型进行了改进，完 善了目标函数，增加了内河水流速、外河水质与引水比例等三个约束条件，构建 出考虑引水因素的闸泵水动力调控优化模型。 (5) 基于 MIKE11软件，构建出嘉兴河网示范区的水环境模型（包括水 动 力模型和水质模型）。基于 MATLAB平台，耦合平原河网水环境模型与改进后 的闸
10、泵水动力调控优化模型，利用混合遗传算法编程实现最优引水方案的自动优 选。与前人的优化方案对比结果表明，本文所构建的闸泵调控优化模型可在不同 的外河水水质条件下提供及时有效的、低粍的引水方案。 关键字：平原河网；水体自净能力；闸泵优化调控；引水水质；引水比例； 嘉兴 浙江大学硕士论文 Abstract ABSTRACT Water environment deterioration has been becoming a common problem in plain rivemet region both at home and abroad. The river water quality
11、can be locally and effectively improved by the water diversion project in a short term, because it can increase the flow rate in a river and shorten the period of the replacement of water body by regulating its hydraulic structures such as pumps and sluices in a plain river network. However, the res
12、earches on the controlling optimal model of pumps and sluices are mostly focused on the establishment of the model or the direct application of the project. The factors, which may affect the improvement of receiving water quality, such as sediment, temperature of upper water, water velocity, the wat
13、er quality of diverted water, and diversion ratio, have not been considered thoroughly in the previous works. Therefore, this paper aims to improving the hydrodynamic controlling optimal model based on water purification capacity and maximizing the improvement of water quality with minimum operating
14、 costs of pumps and slice gates. The main contents are as follows: Firstly, the water environment model of plain river network of a demonstration area in Jiaxing city was established based on MIKE11, while the fundamental data for the model was obtained via field works. Secondly, bench-scale experim
15、ents using the nitrogen and phosphorus nutrients as water quality index were conducted and four influencing factors (sediment, reaeration, flow velocities and temperature) were evaluated. The experimental results show that reoxygenation is the most important factor to affect the ability of water pur
16、ification, diversion time can be reduced in summer due to the ability of water purification, and the optimal velocity of recieving water during the water diversion period is about 0.1 m s1. Thirdly, experiments on the improvement of receiving water quality contributed by the different water quality
17、of diverted water and the ratio of diversion water were conducted. The results show that the external water that has the ratio of ammonia and nitrate of 1:3 1:5, and the ratio of phosphate and organic phosphorus to be 1:4 can in 浙江大学硕士论文 Abstract improve receiving water quality mostly; while the rat
18、io of water volume diverted by pumps and slice gates to the water volxime of the original receiving water body be 1:5 can also improve quality mostly. Fourthly, the hydrodynamic controlling optimal model that considering diversion factors, taking the optimal velocity in the river, the water quality
19、of diverted water and the diversion ratio be the restrict conditions and completing the objective function by considering all the costs, has been established. Finally, the water environment model of the river network demonstration area in Jiaxing was established with the application of MIKE11. The M
20、ATLAB was used to couple the water environment model of plain river network with the revised hydrodynamic control optimization model, and hybrid genetic algorithm was employed to filter the best scheme for water diversion, in contrast with the previous optimization scheme. The results of the case in
21、 Jiaxing reveal that the revised hydrodynamic control optimization model improved in this study can provide an timely, effective and low-loss diversion scheme even with a variable water quality of diverted water. Keywords: Plain riveraet; water purification capacity; regulation of pump and sluice; w
22、ater quality of diverted water; diversion ratio of water; Jiaxing IV 浙江大学硕士论文 目录 目录 致谢 . I 摘要 . II ABSTRACT . Ill 录 . V 1 . 1 1.1 研究背景与研究意义 . 1 1.1.1我国河流水环境现状 . 1 1.1.2我国典型平原河网水环境现状 . 2 1.1.3 平原河网的特征 . 5 1.1.4课题研究意义 . 6 1.2 国餅研究现状 . 7 1.2.1水工程调控改善河道水环境的理论研究现状 . 7 1.2.2水体自净规律的研究 . 8 1.2.3现有研究现状存在的不足
23、. 10 1.3 论文主要研究内容 . 11 2 嘉兴研究区域水环境及引水现状概况 . 13 2.1 研究区域范围 . 13 2.2 示范区污染源调查 . 14 2.2.1点污染源 . 14 2.2.2 面污染源 . 15 2.3 示范 E水质现状 . 16 2.4 示范区现有调水方案 . 23 2.5 本章小结 . 24 3引水与自然因素对受纳水体自净作用的试验研究 . 25 3.1 弓 I 言 . 25 3.2 材料与方法 . 25 V 浙江大学碩士论文 目录 3.2.1 样品采集 . 25 3.2.2 试验设置 . 26 3.2.3 分析项目及其方法 . 28 3.3 底泥的影响 . 2
24、8 3.4 大气复氧的影响 . 31 3.5 流速的影响 . 33 3.6 上覆水温度的影响 . 36 3.7 拟合转化系数 . : . 37 3.8 本章小结 . 38 4引水比例和外河水质对引水冲污效果的试验研究 . 40 4.1弓丨言 . 40 4.2 材料与方法 . 40 4.2.1 泥样采集 . 40 4.2.2 水样配置 . 40 4.2.3 试验设置 . 41 4.2.4分析项目及其方法 . 43 4.3不同引水比例对冲污效果的影响 . 43 4.4不同氮比例外河水对冲污效果的影响 . 45 4.5不同磷比例外河水对冲污效果的影响 . 47 4.6 本章小结 . 48 5 平原河
25、网闸泵水动力调控方案优化 一一 以嘉兴河网示范区域为例 . 49 5.1平原河网闸泵调控优化模型 . 49 5.1.1 多目标优化模型 21 . 49 5.1.2考虑引水因素约束的多目标优化模型构建 . 50 5.2水环境模型的建立 . 53 5.2.1 基础资料收集 . 53 5.2.2水动力模型 . 55 5.2.3 水质模型 . 63 5.3平原河网闸泵调控优化模型的求解 . 67 浙江大学硕士论文 目录 5,3.1数学模型求解方法概述 . 67 5.3.2人工神经网络 BP映射河网模型的验证 . 67 5.4闸泵调控运行方案优化实例 . 69 5.4.1 实际引水方案 . 69 5.4
26、.2闸泵调控多目标优化模型 2| . 70 5.4.3考虑引水因素的水动力调控优化模型 . 73 5.4.4不同模型的引水方案对比分析 . 75 5.5 本章小结 . 77 6 结论与展望 . 78 6.1 . 78 6.2展望 . 79 . 80 作者简历 . 84 VII 浙江大学硕士论文 1绪论 1 绪论 1.1研究背景与研究意义 我国东部沿海的平原河网地区，拥有优越的地理位置和丰富的水资源。然而， 由于城镇排水和污水处理系统的建设未能跟上飞速发展的社会经济步伐，导致大 量未经处理的工业废水、生活污水和农业非点源污染等直接排入周边水体，远远 超出水体自净所能承受的范围，使得该地区水体恶化
27、越来越严重。如今，水环境 恶化、水质型水资源的短缺已成为国内平原河网地区的共性问题，平原河网的水 环境污染问题亟待改善。 1.1.1我国河流水环境现状 据环境保护部发布的中国环境状况公报 (2001 2012年 )，我国的河流水 环境质量问题突出。 2006-2012年，我国七大水系（长江、黄河、珠江、松花江、 淮河、海河 和辽河，其中 2011年和 2012年监测的是十大水系，除上述河流外还包 括浙闽片河流、西南诸河和内陆诸河）水质有所好，劣 V类水体所占比例逐年下 降 141(图 1-1). 2005年，我国七大水系的 411个地表水监测断面中， Iffl类、 IV V类和劣 V类水质断面
28、比例分别为 41%、 32%和 27%，其主要污染指标为氨氮、 五曰生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类 。 2009年，我国七大水系的 203条河 流 408个地表水国控监测断面中， I m类、 IVV类和劣 V类水质断面比例分别 为 57.3%、 24.3%和 18.4%，其主要污染指标为高锰酸盐指数、五曰生化需氧量和 氨氮 2011年，我国十大水系的 469个监测断面中， I m类、 IVV类和劣 V 类水质的断面比例分别为 61.0/ 。、 25.3%和 13.7%,主要污染指标为化学需氧量、 五曰生化需氧量和总磷 3。 2012年，我国十大水系的监测断面中， I IH类、 IV V类和劣
29、 V类水质断面比例分别为 68.9%、 20.9%和 10.2%,主要污染指标为化学 需氧量、五曰生化需氧量和高锰酸盐指数 4。 据我国水体的分类标准 5: I类水，主要适用于源头水、国家自然保护区； II类水，主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼 虾产卵区；丨丨丨类水，主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类 1 浙江大学硕士论文 I绪论 保护区及游泳区； IV类水，主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐 用水区； V类水，主要适用于农业用水及一般景观要求区域。据此标准，我国 31.1% 的河流水体不能作为饮用水源，水污染问题仍处于一个相当严峻的
30、局面。 图 1-1近年我国河流各类水体所占比例 1141 (200S2012年） 水体的严重污染不仅会带来生态与环境问题，如会破坏众多野生动植物栖 息、繁衍的乐园 ，影 响养殖、渔业和农业灌溉等 ，而 且也加剧了一些资源性缺水 地区的缺水严重程度，甚至导致原本水资源丰富的地区出现 “ 水质型缺水 ” 的现 象。 1.1.2我国典型平原河网水环境现状 我国典型的平原河网主要分布在东部以及东南沿海地区，主要有：上海平原 河网、嘉兴平原河网、杭州平原河网、闽江平原河网以及珠江平原河网等。 (1)嘉兴平原河网 嘉兴位于杭嘉湖平原的东部。该地区地势较为平坦，平原面积约占 99%。 嘉兴水网密度为全国之最
31、，其境内河网密布、河道纵横，全市有丨 .38万 km总长 的河道、 67个 0.1 km2以上的湖荡，水面率约为 7.77%，属典型的平原河网地区 6】 。 随着嘉兴社会经济的发展及城市化进程的不断加快 ，部 分单位 片面追 求水资 源的开发与利用，而忽视了对水资源及水环境的保护，致使大量的工业废水、禽 畜养殖废水和生活污水直接排入邻近河道，对水体水质造成了严重的污染。近年 来，嘉兴市环保局对全市境内市控以上断面的地表水常规检测结果进行了评价， 评价标准为地表水环境质量标准 （ GB 3838-2002 ), 2008 2011年的评价结果 浙江大学硕士论文 I绪论 如图 1-2所示 7#。
32、(d) 2011 年 图 1-2嘉兴市市控以上地表水断面水质类别 （ 2008 2011年 f W 据评价结果，从 2008年到 2010年，嘉兴市地表水劣 V类水比重呈逐年递减 趋势，嘉兴市地表水环境有一定程度的改善，但总体上水体仍然以 V类及劣 V类 3 浙江大学硕士论文 1绪论 水体为主。但是， 2011年地表水水质恶化程度较 2010年有所反弹，不仅劣 V类 水比例增加，而且监测断面的水质均劣于 III类水标准。由此看来，嘉兴河网水环 境现状不容乐观。 2)上海平原河网 上海位于长江三角洲，是典型的平原感潮河网地区。上海境内地势平坦，河 网交错，水系纵横，并形成了以黄浦江为主干、众多中
33、小河道交织成网的水系。 近年来，上海平原河网水质污染问题严重，水环境质量急剧下降，绝大多数河道 的水质均在 V类水质标准以下 .据上海水资源普查报告 11】 及 2006上海市 何道报告 121， 2006年，上海市 617.9km的评价河道中，优于 m类（含丨 13类）水 河长占总河长的12.5%， IV类水河长占 17.5%， V类水河长占 14.3%，劣 V类水 河长占 55.7%。目前，上海市河道污染范围也在逐渐增大，已经从原来的中心城 区及其附近河流扩散到几乎整个河网范围 13。 2011年，上海市水环境质量考核 涉及的 41条河道 58个断面 14，水质综合污染指数（选择溶解氧、髙
34、锰酸盐指数、 五曰生化需氧量、氨氮、总磷一共 5项主要污染物，采用 III类水标准计算得出） 在 0.40-5.68之间，平均水质综合污染指数为 2.02,总体水质属重污染，与 2010年 基本持平，且郊区河道的总体水质优于中心城区：中心城区考核断面水质综合污 染指数在 1.01 5.68之间，平均水质综合污染指数为 2.34,属重污染；郊区考核断 面水质综合污染指数在 0.40-3.28之间，平均水质综合污染指数为 1.57,也属重污 染。 (3)杭州平原河网 杭州位于东南沿海北部，其境内河网密布、河道交错，有着江、河、湖、山 相交融的 自然环境。但伴随着不断发展的社会经济以及不断加快的城市
35、化进程， 抗州境内的河网水件水环境质量在曰益下降，部分河道的河床大量淤积，致使水 流不畅、水污染严重，周边居民的工作和生活受到了极大的影响。 近年来，杭州市区河道经过河堤整治、人工浮岛等一系列的整治，河网水环 境得到一定的改善，据 2007年杭州市环境状况公报 15所么 布的数据，全市 56个市控以上断面符合或优于 IH类的水体比例为 64.3%，与上年相比提高了 10.7 个百分点。但运河杭州段及城市内河的水质总体仍然较差： 2007年运河全部河段 均不 能满足功能目标要求，超标项目主要有溶解氧、氨氮、 TP和高锰酸盐指数； 4 浙江大学硕士论文 1绪论 52条内河中有 41条水质为劣 V类
36、，占总数的 78.8%，主要超标项目为氨氮 、 TP 和溶解氧。 2008年运河杭州段功能区达标率为 20%16，超标项目主要有溶解氧、 氨氮、 TP; 52条内河中仍有 41条内河水质为劣 V类，占总数的 78.8%，主要超标 项目为氨氮、 TP和溶解氧。 2009及 2010年运河及城市内河的水貭有所好转 |7， 18， 部分河段受益于引配水工程，水质提升 1 2个类别，但总体上水环境质量仍然不 容乐观。 (4)溫州平原河网 温州地处江南水网地带，其境内江河横纵、池塘密布。近年来，随着温州市 经济社会的快速发展，境内河网普遍受到生活污水和垃圾的污染，局部地区河道 还受到染织等工业废水和养殖
37、业废水的污染，致使河网水污染曰趋严重。该地区 水域污染是以城市或城镇为主体向外扩散的分布，河网上游及水库的水质相对较 好，流经城市的中下游河段水质较差，部分河段水质污染严重。目前，温州平原 河网水体水质以 V类、劣 V类水为主，部分河段污染严重，已丧失使用功能 .据 2010年温州市环境状况公报 19，该地区水体的主要污染物为氨氮、总氮、 生化需氧量等，市控及市控以上 54个监测站位中，符合地表水环境质量标准 I IU类水质的站位有 24个，比2009年增加一个，占站位总数的 44.4%; IV类水质 站位个数 2个，比 2009年减少 2个，占站位总数的 3.7%; V类 劣 V类水质的 站
38、位 28个，比 2009年增加 1个，占站位总数的51.9%。 1.1.3平原河网的特征 平原河网的水环境污染除了与人为的排污有直接关系，还与其平原 河网自身 的特点有关。 .首先，平原河网地区地势平坦，致使该地区水流缓慢，受污染的河流水不能 得到更新。平原河网地区位于流域入海口，属冲积平原，总体的坡度均较小，如 嘉兴地区陆域面积 3915km2， 西南高东北低，高程差仅 2 3m2()。 陆域坡度小， 其河道的坡度亦小，致使其水流缓慢甚至滞流，有些由于入海口潮汐影响更是形 成往复流，河水更新替换极其缓慢。 其次，由于河道水流缓慢，河水中的泥沙、污染物等容易沉积到河底，经过 长期的沉淀积累，平原河网河道底泥淤积严重。据调查，嘉兴市河道底泥平均每 5 浙江大学硕士论文 1绪论 米淤积 18m3， 淤积厚度达 0.50.9m6。 再者，平原河网地区均位于我国东部，夏季雨水丰富。由于其地势较低，而 且河道淤积严重，河道蓄水能力弱，容易发生洪涝灾害。为了防洪排涝，平原地 区常常修建大量的闸门、泵站等水利工程设施，如嘉兴市的城市防洪工程。但是 这些水利工程设施割裂了水系的连通性，进一步抑制了河道水体的流动性。 1.1.4课题研究意义 水环境污染是平原河网地区十分突出