文献综述报告

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1、地球科学与工程学院硕士研究生学术文献综述报告1 研究背景及意义水库是一项重大的水利枢纽工程,自古至今,他承载着防洪发电,灌溉养殖, 蓄水航运,供工农业用水、生活用水,观光游览,调节生态平衡等多个任务,在 国家的江河综合治理和水资源合理开发利用以及可持续发展方面有着十分重要 的地位。一些水库是天然湖泊,一些水库是在山沟或河流的狭口处建造拦河坝形 成的人工湖泊,尤其在水系发达的南方地区,许多水库是拦河建坝发电的杰作, 举世闻名的三峡工程是有力的代表。水坝拦截河流使得原先自然河流流域的水环境发生改变,建库前河水的水质 和建库后的水质以及水库蓄水初期与正常运行时期的水质都会有一些差异,这些 变化规律是

2、水库环境评价、规划、治理和管理的基础,是保证水库合理开发建设 的重要依据,所以对水库水质进行研究分析是水利工程的一项重要任务。由于水坝的拦截作用,水流速度变的缓慢,水面变得广阔,水体的沉淀作用 加强、交换速度变缓,稀释、温和能力较差,同时受风浪、地理条件和蓄水更新 期等其他因素的影响,使得水库地表水基于河水在水库内长期滞留的结果而出现 一系列水质现象,一些水质问题主要表现在以下几个方面: 土壤盐碱化和沼泽化水库蓄水后,库区地下水水位上升,把深层土壤内的盐分带到地表,再加上 灌溉水中的盐分和化学残留物,导致土壤盐碱化。当地下水水位上升到耕作层时, 造成了土壤湿度过量,以至大多数包气带破坏,结果大

3、片土地沼泽化。 水体污染及富营养化水库蓄水后,盐碱化使土壤中的盐分及化学残留物增加,使地下水受到污染, 下游河水的含盐量增大。水面增大,蒸发加快,水体流速减慢,悬浮物沉降,浑 浊度降低,透明度提高,加之氮、磷等营养物质大量进入水体使水生植物及藻类 过度生长,造成水体溶氧量下降,发生水生物死亡、水质恶化的富营养化问题。 水库泥沙淤积严重,库区面积有不断减少的趋势拦河筑坝后抬高了水位,形成了在建筑物前近似水平、而在上游末端与天然 河流原水面线相切的水面曲线。水流进入库区后,由于水深沿流程增加,水面坡 度和流速沿流程减小,因而水流挟沙能力沿流程降低,出现泥沙在水库回水末端 至拦河建筑物之间的库区堆积

4、,使水库的有效库容减少。 库水水温分层水库内水流迟缓,库水更新期较长,水体受太阳辐射和对流混合以及热量传 输作用,使水库具有特殊水温结构。这个水温结构也作为密度结构,使水库的入 流、出流产生异重流现象,支配河水在水库内的滞留状况。由于河水本身的水质 与滞留状况的关系,会产生各种各样的水质现象。 水生生态环境遭到破坏水库蓄水后,由于水域面积扩大,水的蒸发量上升,会改变库区的气候环境, 河流原有生态平衡会遭到破坏。对于水生物会改变其生长环境,有时严重会使其 消失灭亡,库区淹没的自然土壤、植被、水域、矿藏等组成的自然生态环境系统 的协调程度和稳定性遭到破坏。1.2 国内外研究现状1.2.1 水化学相

5、关方面水质标志着水体的物理(如色度、浊度、臭味等)、化学(无机物和有机物 的含量)和生物(细菌、微生物、浮游生物、底栖生物)的特性及其组成的状况, 水体的这些性质都是和水体中的成分分不开的,都是经过长时间的演化发展而来 的。在拦截河流的水库兴建中地面出现具有巨大水体的人工湖,它的水文水力学 特征和河道径流完全不同,在水库周边及库盆下相当大的范围内激发起强烈的水 岩作用。拦截河流建造的水库其地表水的水质成分形成是河水在径流过程、在蓄 水过程中和蓄水之后对于水库周边淹没区岩土的浸析作用、水库淹没地带的植被 腐蚀及与地下水的相互交换下共同作用完成的。因此,水化学成分记录和反应了 水体的形成条件及成因

6、,研究和分析水化学成分特征及相互关系,对分析研究水 体形成和动态,以及水环境特征具有重要的意义。地表水水化学成分的相关分析,反映水的来源、运移规律、补排关系及其与 周围环境的相互作用特征,是进行区域水资源综合开发利用和保护的前提和基 础。国外对此研究比较成熟,美国、日本、瑞典、英国等国学者对水化学特征的 研究比较多。Stumm和Morgani等出版的水化学:天然水体化学平衡导论,较 系统的提供了定量处理天然水环境中各种化学过程的方法;Gibbs2对亚马逊河 的水化学进行了研究分析,依托水质监测工作成果; J.P.Carbonne 3对湄公河水 质的变化及化学运移进行了研究;A.H.WebbH

7、1对挪威南部的某河流进行弱酸性研 究;A.Mishra5对恒河水质进行了分析;Jill Weintrau对麋河地表水化学和地质 学之间的关系进行了分析研究;Rothwell71对整个英格兰西北部的河流水化学的 空间和季节性进行了评估;NeiK.Leite等对马德拉河的水化学和泥沙量在年内 和年际的变化进行研究;Chevychelov,A.P9对某河流及其支流的的地表水化学进 行研究分析。我国对于水化学的研究始于新中国成立以后,兴于 80年代后,朱颜明101等 对长白山天池的水化学特征及成因进行了研究,发现天池湖水按化学成分属低矿 化度的重碳酸钠型;张群英111等研究了中国东南沿海地区河流中的主

8、要化学成分 及其入海通量;乔光建121通过对朱庄水库水体中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮 和高锰酸盐指数变化规律分析,说明影响水库水质的主要因素及水质变化特点, 为水库水质站网规划中监测点的布设和水库水质的代表性问题提供参考依据;张 立成131等研究恶劣湘江水系河水的一些主要水化学指标特征及其环境化学效 应,计算了河水的化学稳定性指数和化学侵蚀速率;雷世兵141对某水电站坝址 区环境水化学特征及对工程的影响进行分析,判定地表水和地下水对混凝土( 结 构) 等具腐蚀性;李思悦151等对南水北调中线水源地丹江口水库水化学特征研究 分析,根据水化学特征的季节性及时间变化表明,主要离子的浓度在枯季比在雨

9、季大;韩志伟161以夏季乌江渡水库为例对大坝拦截对河流水溶解组分化学组成 的影响分析;吴起鑫171以三峡水库坝前水体为研究对象对其水化学及溶解无机 碳时空分布特征进行探讨;周凯慧181等以黄前水库为对象,通过对库区水质项 指标的连续监测,分析评价了水库水质时空变异规律,揭示了水库主要污染物及 其产生原因;郭德伟191等在对黄河万家寨水库及其上游黄河干流重要站点 19722005年实测水质资料调查、分析基础上,对万家寨水库及其上游水质历 史变化规律进行统计、分析,并采用数值模拟方法进行了预测研究。1.2.2 水质多变量统计方面水环境系统是一个复杂的系统,在水环境系统的分析过程中,需要对多个变 量

10、进行分析,由于变量个数众多又带有动态性,并且彼此之间存在着一定的相关 性,使得对有用水质监测数据信息的提取变得十分复杂。多元统计分析法的优势 正是对多维复杂数据集合进行科学分析。通过多元统计法对水环境系统的分析, 可以清楚的把握系统的本质特征;对高维水质监测数据集合进行最佳综合,迅速 将隐没在其中的重要信息集中提取出来;同时可以充分发掘水质监测数据中的丰 富内涵,清晰地展示系统结构,准确地认识水环境系统中元素的内在联系,以及 直观地描绘水环境系统的运动历程。对于分析方法国内外许多学者已经进行研究。在国外,1996 年,M.M.JORDAM20 等曾用聚类分析方法对土壤中沉积元素的类型的分类进行

11、了研 究,给出了分类的处理结果。Dunnette2i曾用聚类分析法对多个样本水质污染相 似性进行研究。1998年,J.W.Einax22等将地统计分析法与多元统计分析法相结 合用于土壤污染评价,并比较了两种方法的优劣。2000 年, K.VoudourisW等将 多元统计分析方法用于土壤含水层系统中水质化学元素的研究。 2001 年, Irene.M.Farnham24 运用多元统计分析方法中的主成分分析法和聚类分析法及微 量化学元素分析法对地表水环境系统进行研究,并结合地理信息系统技术对研究 结果进行可视化。Sylvester运用多元回归法在水环境质量评价领域进行研究。目前,国内的专家学者已

12、在水环境质量分析研究领域方面作了大量的工作。 1991年,黄国和26应用多元统计分析法探索大气污染、发展与环境中诸因子存 在状态的定量关系,实现了对研究区域大气污染状况的定量化预测;许榕27借 助多元统计分析方法中的聚类分析法,对大气环境监测优化布点进行了研究。改 进了当时大气环境监测布点方法对单一污染物较合适,对于多元化污染物不够科 学的现状,如实反映了研究区域的大气污染状况。 1995年,应竹青28应用多元 统计分析中的主成分分析对城市环境质量进行综合评价。杨永泰等29应用因子 分析对广东省城市生态环境的区域差异和主要类型进行分析。在水环境质量分析 方面,胡香芳30应用主成分分析法,通过三

13、江交汇处的三个断面从1984年到1998 年的监测资料对交汇处的水质做了分析;孙国红等31用系统聚类分析将 2000-2002年黄河6个监测断面的90个水质样本进行分析评价;袁健、树锦32在传 统算法的基础上用改进多元回归法与神经网络对黄河干流龙门至潼关监测断面 的水质进行了预测;曾淦宁、吴国权、徐晓群33根据杭州湾调查资料,应用统 计学软件SPSS,对浮游植物、浮游动物以及水质调查结果分别进行聚类分析; 周丰、郭怀成厲提出了一种基于多元统计分析和RBFNNS的水质评价方法,其可 适用于大尺度、多断面、长时间的水质评价工作,旨在补充以往相关研究工作。运用多元统计分析方法进行系统分析方需要大量的

14、实测数据支撑,对水质监 测数据样本容量较小情形不适用。随着在线监测技术的普及,这一问题能很好的 得到解决,且正成为多元统计分析在水环境系统分析中应用的优势。多变量统计 的内容很多,但从实际应用角度看,主要包括回归分析、判别分析、因子分析、 主成分分析、聚类分析、生存分析等六个大的分支。1.2.3 水库水质演变预测模型方面河流、水库水质状况的变化过程不但受降水、径流、温度等自然条件的影响, 而且人类活动等诸多因素影响,因而水环境系统的演变过程是一个具有趋势性、 季节性、阶段性甚至突变性等复杂非线性特征的动态过程。水质变化趋势预测是 维护和管理当前水质状况的重要依据,通过预测可以了解当地水域环境质

15、量演变 趋势,从而及时发现水质恶化的原因并制定相应的治理措施。水质模型是研究水 环境、水质分析与预测的主要手段。各种水质模型及其系统的建立,为水环境的 定性与定量分析、预测及模拟提供了有力的工具。对于水质预测模型的研究已经 有很多类型。在国外,水质数学模型的研究和发展经历了四个阶段。1925I960年为水 质模型发展的基础阶段。这一阶段,Streeter和Phelps35共同研究提出了第一个 一维水质模型,仅考虑了生物化学需氧量COD和溶解氧DO含量的DO-BOD水 质模型。19601965 年,在Streeter和Phelps模型的基础上有了新的发展,引进 了空间变量,物理系数和动力学系数等

16、。温度作为状态变量也引入到一维水库模 型中36。水库模型同时考虑了空气和水表面的热交换。水力学方程、平流扩散 方程作为水质迁移过程的基本描述方程被用于水质模型。 19701975 年,水质 数学模型已经发展到相互作用的线性体系37。生态水质模型的研究处于初级阶 段,有限元法、有限差分法被应用于水质模型的计算。 20世纪90年代以来,水 库、湖泊定量化的模型取得长足发展,伴随着对水质富营养化形成机理认识的加 深,以及计算机技术的发展,使得水库、湖泊富营养化的研究向着模型化发展38。对于水体的水质预测,我国的水环境水质预测方法均属于基于数学模型的预 测方法,这些预测模型的预测误差较大。影响水体水质

17、的因素有很多,现有的基 于数学表达式的水质预测数学模型很难将所有因素都考虑进去,同时,各影响因 素以及水文条件都具有很大的随机性与不确定性,导致传统的数学模型不能发挥 自身的预测优势,使得输出的预测结果可靠性以及精度差,不能为实际的工作应 用起到很好的指导作用。此外,现在水体中有很多因素的相互作用机理还不十分 清晰,导致反应过程无法用数学公式表述,使得传统的水质数学模型具有很大的 局限性。在我国,孙国红等39采用基于Box-Jenkins方法的时间序列分析技术,对黄 河上游甘肃兰州段、中游吴堡和下游山东利津段的水质进行了趋势分析和预测。 他们借助Matlab和SAS统计软件,建立了 ARIMA

18、模型和乘积季节时间序列模型, 并分析了这两个污染因子随时间推移的变化规律;孟嘉伟40使用MATLAB作为 工具载体,应用BP人工神经网络法进行水质分析评价;李俊峰Hi 在玛纳斯河流 域19912000年实测水质监测资料的基础上,选择肯斯瓦特断面、红山嘴断面 以及蘑菇湖水库、大泉沟水库为代表性站点,采用季节性肯德尔Kendall)检验方 法进行玛纳斯河流域地表水水质变化趋势分析;吴涛42采用Holt-Winters时间序 列预测模型对三峡库区水质数据时间序列分析预测研究;袁从贵、张新政等43 采用遗传算法结合神经网络的方法构建了水质时间序列的遗传神经网络预测模 型,并以耗氧量为例,将该模型与自回

19、归滑动平均模型、标准BP神经网络模型 做了预测对比。目前水质预测主要有基于数理统计的预测方法、基于灰色系统理论的预测方 法、基于水动力模型的预测方法以及神经网络和混沌理论等非线性预测方法44-30 1.2.4 水库水温方面水温是水环境中重要的影响因子之一,水的物理、化学性质及水生生物、农 作物对水温都很敏感,水温的变化会对其产生较大的影响。水库的温度分层、化 学分层使水库从不同高程出流的水质有很大的差别。在夏季从分层水库表层下泄 的水体溶解氧高、水温较高、水质较好,但营养贫乏;而从深水层下泄的水多为 含有大量离子成分、溶解氧低的低温水,使下游水质变坏,过多的营养物质将引 起下游河道富营养化。总

20、之,水温的变化会给水库库区及其下游河道的水质、水 生生物的生存及工农业生产带来一系列的影响,因此准确模拟和预测水库的水温 分层规律,并加以利用,对保护环境,发展工农业生产有着重大意义。水库水温的研究经历从观测实验到经验分析再到数学模型的过程。上世纪60 年代末,美国的学者提出了深分层蓄水体温度变化的垂向一维数学模型,即一维 WRE模型和MIT模型。随后日本建立模拟分层水库的温度和浊度的数学模型,前 苏联在现场实验研究方面做大量的工作,建立水介质的热转移方程。浮力流的k- 紊流模型因为计算稳定和参数少而被很多研究者所采用。大型或巨型深水库, 一般来说都存在水温分层的问题。经过多位专家的努力,进入

21、 21世纪以来,我国在水质垂向温度模型方面得 到很大的发展,各类水库模型也纷纷被建立,并应用于国内的大多湖泊水库。余 洋、彭虹51在充分考虑水面热交换、入流、出流、热扩散、热对流等影响因素 的基础上,建立亭子口水库垂向一维水温数值模型;李怀恩52等根据黑河水库 的特点与类比水库实测水温分布特性,并参考前人的经验,提出一个包括入库泥 沙影响的水库一维垂向水温预测模型,分别预测了丰、平、枯三种代表年及不同 运行方式的水温分布;陈永灿等53根据密云水库自身的特点,采用垂向一维水 温模型对密云水库水温进行预测。模型中充分考虑水面热交换、入流、出流、热 扩散、热对流等影响因素,利用1991年实测资料对模

22、型参数Dz、n进行校定, 根据校定的水质模型对1992年的水温进行预测,得出全年水温随水深分层变化 并得到相应实测分层资料的良好验证;吴挺峰等54在垂向二维水动力模型的基 础上,叠加了泥沙模型,建立了河流型水库垂向二维水沙数学模型,该模型的水 动力模型采用斜压模式,可以模拟由于水库水温度分布时空变化对其水动力结构 及泥沙沉降速度的影响;邓云等55建立了计入浮力影响的立面二维水温模型, 用二滩的实测资料对模型进行了验证,再将该模型应用于另一待建的河道式深水 库,精细地模拟出斜温层的形成、发展和消失,分析了水库全年的温度分层结构。大型水库的水质要素分布有着与天然河道不同的特点。与天然河道相比,水

23、库水深显著增大,流速明显减小,水体水环境条件发生改变,同时由于地形、流 场等的三维效应,温度、水质要素可能出现垂向分层现象。目前,一、二维水质 预测模型已经比较成熟,三维模型的研究也正逐渐开展。目前,三维模型建立及 预测成为研究的主要目标。但由于水动力模型、温度模型和水文、水质模型、地 质特性等不同因素之间的相互关系复杂,很难真实准确的预测,加之技术的研究 限制,目前的研究还处于初级阶段。李冰冻等56采用剪切应力输运紊流数学模 型,考虑紊动剪切应力的输运作用,用三维数值模拟了水库中冷热水密度差产生 浮力流继而导致温度分层;刘中峰57针对大型水库水质要素分布呈现明显三维 效应的特点,建立了一种考

24、虑温度分层影响的 DO、CODCr、TP、TN 三维水质 预测模型。用二滩鱼感鱼河支库原型观测资料对模型进行验证,并分析了模型误 差产生的原因及模型的适用性;聂晶58根据质量守恒定律和 Fick 定律,推导出 水库水体总磷三维迁移转化生态数学模型,并将其应用到密云水库,取得了较好 的模拟结果。总体来说,欧美国家对水质模型的研究比国内的研究要早,已经建立了多种 水质模型,广泛地在水质规划及环境治理中应用,并将其软件化,提高了模型的 通用性。我国对河流水质及其模型的研究还处于初期探索阶段,一般只是对河流 水质的变化规律进行监测和趋势研究。因此分析国内与国外的差距,主要不是在 建立模型的方法上,而是

25、在于开发的通用性、全面性、界面,以及开发工具、平 台、模型建立所需的资料方面。1.3 本文研究的意义及内容紧水滩水库位于中国浙江省丽水市云和县境内龙泉溪上,是以发电为主,兼 有航运、防洪等功能的大型水库。坝区位于峡谷河段,出露花岗岩地层59。水 库正常蓄水位184m,相应库容10.4亿m;死水位164m,相应库容4.87亿m; 校核洪水位192.7m,相应总库容13.93亿m,具有年调节性能。由于水库水质 是水库水环境的主要内容,它关系到水库的运行以及对流域水环境的影响,所以 研究水库地表水质的形成、演变问题能够为水库的运行管理提供更多的手段。蓄水前、后库区水环境特征发生了很大的变化,由此也导

26、致了相应时期间水 质的变化。在蓄水初期,为水质的较大变化时期,而在正常运行时期,则为库水 水质的相对平稳时期。水库水质的变化受水环境以及库水补给源的化学成分、库 周边近析岩土体的元素及其含量、库周边淹没地带的植被腐烂及淹没地的化学成 分、水库流域集水区的化学成分、水生物作用等诸多因素的影响。研究水质变化 需要对水质的水化学特征进行分析,找出其主要变化因素。通过统计分析对水库 水质的现有资料进行信息检索,筛选出对水质影响大的影响因子。水温是水环境中最重要的影响因子之一,水的物理、化学性质及水生 生物、农作物对水温都很敏感,水温的变化会对其产生较大的影响。水温 变化会对库区及下游河段的水质、水生生

27、物等产生重大影响;水温不仅是 水库水环境中的重要研究内容,也在水库的规划设计和运用管理中起着重要作用。本文在掌握己有水质分布特性的基础上,研究紧水滩水库水质、温度 的变化规律。通过对水库水质的研究,可以很精确地得出水库水质现状, 并对水库水质情况进行预测,将有利于相关部门对水库水质进行改善和为 水库的管理提供科学依据。技术路线图如下所示参考文献:1 Stumm,Morgan.水化学:天然水体化学平衡导论M.北京:科学出版社,1987.2 Gibbs,Ronald J.Amazon River: Environmental Factors That Control Its Dissolved a

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30、s: A case study of the river GangesJ.Biogeochemistry,1987,3(1-3),21-357 Rothwell, J.J,Dise, N.B,Taylor, K.GA spatial and seasonal assessment of river water chemistry across North West EnglandJ.Science of The Total Environment,2010,31(4),841-8558 NeiK.Leite,AlexV.Krusche,MariaV.R.Ballester.Intra and

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