基于水动力模型的河湖水环境变化及治理策略研究.pdf

77现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 6 期2024 年 3 月Vol.3 No.6Mar.2024基于水动力模型的河湖水环境变化及治理策略研究朱德龙1，张隽超21.江苏省太湖地区水利工程管理处，江苏苏州 2151282.苏州市吴江区水务局，江苏苏州 215200摘 要：河湖水环境变化具有动态复杂性和不确定性，为治理好河湖水环境，采用水动力模型，模拟了水体中溶解氧、氨氮和总磷的时空分布，评估水体的健康状况，并识别潜在的环境风险。通过不同治理方案的模拟，量化了治理效果，并与传统的生态修复、微生物处理、植物修复以及化学处理等方法进行了对比研究。结果显示，总磷浓度从治理前的0.10mg/L降至治理后的0.08mg/L。这说明基于水动力模型的预测和评估方法有助于降低治理风险，优化资源配置，提高治理的效率和成本效益，为河湖水环境治理策略提供了科学依据，为水体健康管理提供了有益的参考。关键词：河湖水环境；水动力模型；生态修复；微生物处理；水体健康中图分类号：X524;X505 文献标识码：AResearch on Changes in River and Lake Water Environment and Governance Strategies Based on Hydrodynamic ModelsZhu Delong1,Zhang Junchao21.Water Conservancy Project Management Office of the Taihu Lake Area,Suzhou,Jiangsu 215128;2.Suzhou Wujiang District Water Authority,Suzhou,Jiangsu 215200Abstract:To explore the changes in the water environment of rivers and lakes and provide scientific basis and decision-making suggestions,a hydrodynamic model was adopted to simulate the spatiotemporal distribution of dissolved oxygen,ammonia nitrogen,and total phosphorus in the water,evaluate the health status of the water,and identify potential environmental risks.Through simulation of different treatment schemes,the treatment effects were quantified and compared with traditional ecological remediation,microbial treatment,plant remediation,and chemical treatment methods.The total phosphorus concentration decreased from 0.10mg/L before treatment to 0.08mg/L after treatment.The prediction and evaluation methods based on hydrodynamic models can help reduce governance risks,optimize resource allocation,improve governance efficiency and cost-effectiveness,and provide useful references for water health management.Keywords:river and lake water environment;hydrodynamic model;ecological restoration;microbial treatment;water health作者简介：朱德龙（1987），男，江苏省太湖地区水利工程管理处工程师，研究方向为河湖管理、水利工程、水文水资源、水土保持。1 引言近年来，随着全球气候变化和城市化进程的不断加速，河湖水环境1的变化与污染问题日益引起关注。河湖作为生态系统的重要组成部分，其水质状况2对于生态平衡和人类生活至关重要。然而，受到人类活动的影响，如工业排放、农业污染、城市生活污水等，导致了河湖水环境的动态复杂性3和不确定性。成程和李惟韬等人4收集了285个城市的河长制法规文件，使用双重差分法检验了河长制政策对我国城市经济增长质量的影响。吴利和张雁等人5在秋季对巢湖及其7条入湖河流分别设立了8个和25个采样点，分析巢湖流域的河湖系统水环境因子以及空间分布特征分析，监测并利用水质指数评价水环境因子，为流域水环境的综合治理和生态环境保护提供了科学依据。车霏霏和姜霞等人6以恢复河网水系水生态的完整性和良性循环为核心目标，通过提升水体透明度和恢复沉水植物，制定了外源管控、内源削减、生境改善、水生态修复和长效管护一系列措施。这些措施旨在促进河网水系草型清水生态系统的重建，提高水体自净能力，最终实现嘉兴城区河网水质的全面改善。由于上述文献尚未将水环境变化及治理策略紧密结合，本文基于水动力模型，揭示了污染物在水体中的传播途径和扩散趋势。水动力模型被应用于模拟水质参数的时空分布，关注溶解氧、氨氮、总磷等指标的变化，782024 年 3 月第 3 卷第 6 期现 代 工 程 科 技78以及水质参数在不同日期的时空分布情况。研究团队对不同治理方案的效果和可行性进行了评估，证明了各治理方案在增加水体溶解氧方面的积极成果。最终，基于模型的资源配置优化帮助决策者在有限的资源下选择最合适的治理策略。2 构建水动力模型水动力模型7-8构建考虑水体流速、水位等因素，模拟水体运动规律。并根据收集到的实地水质数据，揭示水环境变化的关键影响因素9。使用Q表示水流量，考虑非恒定流入的侧向入流q，圣维南方程组在一维情况下进行了扩展，具体形式为：0)(=+qXQtAASoc o（1）0)(2=+BWLSSxhg AAQXtQSfefm （2）其中，A表示有效的水流截面积，m2；Ao表示水库积水面积，m2；Sco和Sm代表河道曲率系数；X表示沿河流方向的纵向距离；t表示时间，s；q表示横向流入或流出，m3/s；表示动量调整系数；g表示自由落体加速度，m/s2；Sf表示流体阻力坡降；Se为由于河道截面突然变宽或变窄而引起的坡降变化；B表示流经截面的水面宽度；Wf表示水面上的风阻力，m2/s2；L表示横向流的动量。方程采用高效的四点加权隐式有限差分格式进行基本的离散化，非线性方程组采用Newton-Raphson迭代法高效求解。SxAXxQXVt+=)()(（3）式（3）中，V代表测算水质单元的容积；表示水质特征的含量；Q代表流量；表示可调节的离散值；S表示源强以及沉降项。使用实际测量数据替代初始污染物浓度，河流口的入流边界处，污染物浓度随着水的进出而变化。在入流边界，给定初始污染物浓度；而在出流边界，通过污染物浓度梯度进行设定。此外，考虑到研究区域内的点源或面源，将其折算成入河水量和入河污染负荷量，然后纳入模型中。3 河湖水环境变化及治理策略分析3.1 水流变化规律水动力模型能够模拟水体的流动、混合和输运过程，表1为蓄水前后河湖水河段计算条件，其中蓄水前后水流功率分别从1.11下降到0.06，而消落前后水流功率则从0.75下降到0.38。这反映了水流功率与流量和水位的关系，蓄水后流量减小，水位上升，导致水流功率减小；相反，消落后流量增加，水位降低，导致水流功率增加。蓄水前2022-03-01的平均流量为5519m/s，蓄水后2022-06-01的平均流量为5345m/s。蓄水后的平均流量略有下降，是蓄水后水库的水位上升导致流量减小。表1 蓄水前后河湖水河段计算条件特征流量工况时间时期流量（m3/s）水位（m）河段比降水流功率蓄水期平均流量一2022-03-01成库前5519171.22.141.11二2022-06-01成库后5345181.60.290.06消落期平均流量三2022-09-01成库前3268177.53.40.75四2022-12-01成库后3190178.20.650.383.2 水质参数的时空分布水动力模型还能够模拟水质参数的时空分布，图1为时空变化下水体质量监测与环境风险评估。溶解氧浓度在1月5日和1月16日之间有明显波动，从8.8mg/L下降到7.2mg/L，存在周期性的水质变化，受季节、气温等因素影响。针对低溶解氧浓度时段，考虑增加氧气供给，改善水体通气条件。氨氮浓度在1月16日升至2.6mg/L，明显高于其他时段。这说明存在污染源，其导致氨氮浓度升高。应定位并控制可能的污染源，加强对废水排放的监管。总磷浓度在1月19日和1月16日之间有较大波动，从0.09mg/L上升到0.19mg/L，说明与某些特定时段的人为或自然因素有关。应考虑对总磷来源进行监测，并在波动时段采取相应措施，比如控制农业面源污染。1.21.41.61.82.00123456789 溶解氧 氨氮 总磷指标(m g/L)日期图1 时空变化下水体质量监测与环境风险评估图3.3 治理方案的可行性水动力模型的应用还可以帮助评估不同治理方案的效果和可行性。通过模拟不同策略下水环境的演变gAScoA日期指标（mg/L）溶解氧氨氮总磷79朱德龙，张隽超：基于水动力模型的河湖水环境变化及治理策略研究环境与化工科技趋势，可以量化治理效果，为决策者提供科学建议。表2为水动力模型治理效率评估，治理前后溶解氧水平整体上呈现提高的趋势，说明各治理方案在增加水体溶解氧方面取得了积极成果。以12月为例，溶解氧由治理前的8.7mg/L提高至治理后的9.0mg/L，表现出卓越的改善。5月的氨氮浓度由治理前的1.1mg/L降至治理后的0.8mg/L，总磷浓度也从治理前的0.10mg/L降至治理后的0.08mg/L。对比治理前后的氨氮和总磷浓度，可以观察到在治理后普遍减少，显示出治理方案对水体中氮磷污染的有效去除作用。治理效果评估通过对比治理前后水质状况给出包括明显改善、良好、优秀和卓越等评价。不同月份的评估结果显示了治理方案在不同时间段内的效果，为治理效果的量化提供了具体依据。以某大型河湖为例，水环境治理资源配置优化分析如表3所示，传统生态修复在1月和6月取得了明显改善和良好的效果。高效微生物处理在2月和5月分别达到了良好和明显改善，显示了在短时间内取得了可观的效果。植物修复在3月和7月都表现为优秀，显示了该策略取得了较好的效果。传统化学处理在4月和8月的表现均为卓越，表明该策略效果显著。在时间紧迫、追求短期效果时，可以选择高效微生物处理或传统化学处理，虽然资金投入较高。表 2 水动力模型治理效率评估（单位：mg/L）月份治理前溶解氧治理后溶解氧治理前氨氮治理后氨氮治理前总磷治理后总磷治理效果评估对比方法17.58.21.81.20.140.11明显改善传统生态修复27.58.51.21.00.110.10良好高效微生物处理38.28.81.00.90.100.09优秀植物修复48.58.90.90.80.090.08卓越传统化学处理58.88.91.10.80.100.08明显改善高效微生物处理68.98.61.10.90.100.09良好传统生态修复78.38.70.90.80.090.08优秀植物修复88.68.90.80.70.080.07卓越传统化学处理98.79.00.71.00.070.09明显改善高效微生物处理108.99.01.00.80.090.08良好传统生态修复118.48.80.80.70.080.07优秀植物修复128.79.00.70.60.070.06卓越传统化学处理表 3 水环境治理资源配置优化月份治理策略治理效果评估资金投入（万元）时间周期（月）工作人员投入（人月）其他资源投入（例如设备、材料）1传统生态修复明显改善50610适量2高效微生物处理良好80415适度3植物修复优秀60812适量4传统化学处理卓越70513适度5高效微生物处理明显改善80415适度6传统生态修复良好50610适量7植物修复优秀60812适量8传统化学处理卓越70513适度9高效微生物处理明显改善80415适量10传统生态修复良好50610适度11植物修复优秀60812适度12传统化学处理卓越70513适量802024 年 3 月第 3 卷第 6 期现 代 工 程 科 技804 结语通过水动力模型的应用，本文对河湖水环境变化及治理策略进行了深入研究，总结如下。（1）蓄水前平均流量为5519m/s，蓄水后为5345m/s，凸显了蓄水对水体动力学特征的影响。（2）总磷浓度在1月19日和1月16日之间波动较大，从0.09mg/L上升到0.19mg/L，可能受人为或自然因素影响。建议在波动时段加强对总磷来源的监测，并采取相应措施。（3）以12月为例，溶解氧由治理前的8.7mg/L提高至治理后的9.0mg/L，表现出卓越的改善。氨氮和总磷浓度在治理后普遍减少，显示出治理方案对水体中氮磷污染的有效去除作用。参考文献1 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结语全球加快区块链布局，已延伸至多个领域。我国供应链金融市场规模爆发式增长，也导致供应链效率的降低。同时，中小企业融资难、成本高、周转效率低等问题严重，企业交易真实性难以验证，导致资金端风控成本升高。本研究通过利用区块链技术，提出了基于“区块链+供应链金融服务”的新应用模式，构建金融联盟链生态，实现资源共享、信任传导、流程简化等目标，助力电力物资供应链健康、高速发展，加速推进产业链升级，实现多方共赢。参考文献1 靳爽.区块链对供应链金融的影响机理分析 J.物流科技,2022(16):140-143.2 柯建飞.区块链在金融中的实践与思考J.广西师范大学学报(哲学社会科学版),2020,56(1):65-75.3 刘翔.区块链技术赋能的供应链金融模式研究J.会计之友,2021(23):148-152.4 丁晓蔚,苏新宁.基于区块链可信大数据人工智能的金融安全情报分析J.情报学报,2019,38(12):1297-1309.5 丁向军.电力企业供应链管理研究J.商业经济,2013(19):66-67.6 尹晓博.能源电力企业金融经济效益及其风险防控的研究J.质量与市场,2021(4):42-43.7 史浩,戴小红,郁国培.数字贸易产业链、生态链金融服务体系构建：从供应链金融到区块链金融J.时代经贸,2021(12):36-41.8 李雪飞,严悍,周亚茹,等.分布式Fabric raft区块链性能影响因素定量研究J.计算机与数字工程,2021,49(9):1855-1859.9 朱立,俞欢,詹士潇,等.高性能联盟区块链技术研究J.软件学报,2019,30(6):1577-1593.10 陈利民,冯奇.基于区块链的第三方物流信息实时更新系统应用研究J.电子设计工程,2021,29(22):42-46.