基于水动力学的生态浮床水质净化数值模拟研究

作     者：邱兰清 

作者单位：天津农学院 

学位级别：硕士

导师姓名：余萍

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：北运河示范段 水质评价 生态浮床 植物配比 水动力-水质模拟 

摘      要：北运河武清城区段作为城市景观水体对水环境和水质要求较高,由于河段呈现出缓滞水体的特征,加之近年来随着经济社会的发展,排污口排放、农田面源污染等多源污染聚集,导致水质受到污染。“十三五国家重大水专项“北运河天津段村镇污染控制与河道修复技术研究与示范课题对北运河武清示范段进行了水环境治理,水质得到一定的改善。本文以北运河武清示范段为研究区域,通过考察调研、资料整合、数据分析,构建了一套二维水动力-水质耦合模型,对研究区域氨氮（NH-N）、总磷（TP）和化学需氧量（COD）浓度进行模拟,并用实测的水质指标值对所构建的模型参数进行率定和验证,在参数验证的基础上,分别制定不同季节的生态浮床组合方案进行水质模拟对比,为北运河示范段的可持续治理提供参考,也为以北运河为例的北方河流水体净化提供理论基础。主要结论如下:（1）通过单因子评价法对北运河示范段的NH-N、TP和COD水质指标浓度进行了分析评价,2019年平均水质为劣Ⅴ类水,2020年平均水质为Ⅴ类水,示范工程前后各取样点年平均水质变化特征符合对数衰减模式。对监测的2019年7-12月和2020年7-12月的各水质指标分析可知,2019年7、8月的NH-N、TP和COD水质指标浓度最大,2020年NH-N、TP浓度较高的为11-12月,COD浓度较高的为7-8月。（2）基于北运河示范段实际地形数据,构建二维水动力河道网格模型,建立北运河武清示范段水质模块。耦合水动力和水质模块,构建北运河武清示范段二维水动力-水质耦合模型。利用2020年7、9、11月各取样点的实测数据对模型参数进行率定和验证,结果表明该模型能够较准确地反映北运河示范段水动力水质变化规律,模型模拟精度较高。（3）在不改变原来示范工程生态浮床占河道比的基础上,对夏、秋、冬三个季节共设置了9个不同生态浮床组合方案进行模拟。根据不同月份污水处理厂排放情况和各水质指标含量分析得出三个季节最优的生态浮床组合方案,将最优生态浮床组合方案与实际示范工程进行对比,夏季净化率效果最佳的是A3方案:生态浮床组合1区布设了水葱700m+美人蕉700m,生态浮床组合2区布设了水葱430m+鸢尾170m,生态浮床组合3区布设了鸢尾200m+千屈菜200m;秋季净化率效果最佳的是B1方案:生态浮床组合1区布设水葱600m+鸢尾400m+美人蕉400m,生态浮床组合2区布设美人蕉300m+鸢尾300m,生态浮床组合3区布设水葱400m;冬季净化率效果最佳的是C2方案:生态浮床组合1区布设千屈菜700m+鸢尾700m,生态浮床组合2区布设水葱600m,生态浮床组合3区布设千屈菜200m+水葱200m。生态浮床净化率的季节性变化表现出秋季最佳,其次是冬季和夏季。（4）对9种生态浮床组合方案下水质进行单因子评价,水质评价结果表明,各生态浮床组合方案在不同季节均显著提升了北运河水质。经过生态浮床组合方案处理后的取样点3、4处的水质指标可以看出,夏季情景为Ⅴ类水,秋季情景为Ⅳ类水,冬季情景为Ⅴ类水,且秋季的去除效果也优于冬季的夏季。