乌梁素海水质模拟及补水方案研究

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乌梁素海是黄河内蒙古段天然的水量调节库,是分凌减灾的重要滞洪区,是河套灌区唯一的排水承泄区,具有非常重要的生态功能。近年来,由于大量未经处理的城镇工业、生活废水,农田退水排入乌梁素海,并且生态环境补水严重不足,使得乌梁素海生态环境遭到破坏、水质问题日渐突出,已经严重影响到了区域居民的日常生活。生态环境补水是改善湖泊水质,修复湖泊生态行之有效的措施之一。本文针对乌梁素海水体污染严重、偏枯水年补水不足的问题,为改善湖泊水质,对乌梁素海进行水质模拟并开展生态环境补水方案的研究。主要研究内容与成果如下:(1)乌梁素海水污染现状评价与污染源调查分析。针对乌梁素海水体污染问题,首先,根据2005~2018年COD、NH3-N、TP监测数据,采用单因子分析法,对乌梁素海入湖及出湖水质进行评价;然后,采用皮尔逊相关系数法,对水质水量的相关性进行分析,分析入湖流量与湖泊污染物浓度间的相关关系;最后,分别采用文献调查与输出系数法,对点源污染、面源污染污染物入湖量进行估算,并分析其入湖的贡献率。结果表明,乌梁素海主要超标污染物为COD和TP,其浓度与入湖流量呈负相关关系,造成其污染的主要来源为农田排水与畜禽养殖。(2)乌梁素海水动力-水质模型构建。水动力水质模型是生态环境补水方案研究的有效工具,是补水方案制定、评价的基础,因此基于乌梁素海地形数据,选取MIKE21软件作为求解工具,进行模型的构建。首先,根据乌梁素海实际工程概况划分模型网格并进行边界条件的设置;然后,对相关研究区域模型参数进行调查统计,以此为基础设置参数初始值,并通过遥感解译将研究区域划分为芦苇区和明水区分别进行模型参数率定;最后,通过计算模型模拟误差、合格率,并与相关研究区域模型参数进行比较,对水量水质模型参数的合理性进行分析。分析结果表明,模型模拟结果与实际数据拟合较好,模型参数具有合理性,可以用于补水方案的水质水量模拟。(3)乌梁素海生态环境需补水研究。首先,通过对国内外学者关于湖泊生态环境需水量的研究进行分析,并结合研究区现状,将乌梁素海生态环境需水量划分为生态需水量与环境需水量两部分;然后,分别利用水量平衡法与功能法进行生态需水量的计算,并选择COD、TP作为污染物指标,利用MIKE水质模型进行环境需水量的计算;最后,结合乌梁素海偏枯水年来水现状,对其年内各月的需补水量与需水过程进行计算分析。分析结果表明,天然的降雨径流补给基本能够满足乌梁素海的生态需水要求,要改善其水质污染现状需进行额外补水。其中,最小需补水量为5.30亿m~3,适宜需补水量为10.40亿m~3,需补水量主要分布在1~6月份。(4)乌梁素海生态环境补水方案研究。针对乌梁素海水质污染严重、偏枯水年补水不足的问题,首先,根据补水工程建设现状、分凌补水特点,拟定集中补水、均匀补水、相机补水三类六种补水方案,并从补水对区间及下游用水安全影响等方面对方案的合理性进行分析;然后,利用水动力—水质模型对不同方案的补水过程进行模拟,并利用模糊优选法对各补水方案进行评价优选,确定最佳补水方案;最后,从控源角度出发,对较优的几种方案进行模拟评价,探究控源与补水相结合的最优补水方式。研究结果表明,以渠道输水为主的相机补水方案是较优的生态环境补水方案,将水质补至Ⅳ类标准时的最优补水量为9.63亿m~3;若考虑控源情况下,结合结构减排与工程减排措施,在规划污染物排放控制水平下,较优补水方案需补水量为7.53亿m~3。最后对全文作以总结,并对有待进一步研究的问题进行展望。
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