漓江桂林市区段水环境自净容量地理信息模型探讨.pdf

第3 3 卷第5 期中国矿业大学学报v 0 1 ．．3 3N o ．5 2 0 0 4 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆4 T e c h n o l o g y S e p ．．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 5 0 5 9 6 0 4 漓江桂林市区段水环境自净容量 地理信息模型探讨 李永军，，彭苏萍1 ，陈余道2 ，孙涛s ，李金娟1 1 ．．中国矿业大学资源与安全工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．．桂林工学院资源与环境工程系，广西桂林5 4 1 0 0 4 ； 3 ．．水利水电科学研究院，北京1 0 0 0 4 4 摘要在较复杂的河流上建立水环境容量模型，用数理方程的方法是不考虑地理的复杂性．，用数 理统计的方法是不分析成因的，地理信息模型是地理复杂方程，又是地理现象必然性与偶然性相 结合的模型．通过分析水环境容量的组成及机理，研究了复杂的岩溶山区河流一一漓江在桂林市 区段的水环境自净容量，探讨了地理信息建模方法在水环境自净容量计算方面的实例应用，建立． 了漓江桂林市区段水环境自净容量的地理信息模型，并对其进行了验证．结果表明地理信息模 型方法在计算较复杂河段水环境自净容量时，即是一种较简便的计算方法，又能取得较理想的计 算结果． 关键词水环境容量；地理信息模型；漓江；桂林市；自净容量 中图分类号X5 0 2文献标识码A W a t e rE n v i r o n m e n tS e l f P u r i f i c a t i o nC a p a c i t y G e o g r a p h yI n f o r m a t i o nM o d e l G I M i nG u i l i n S e c t i o no fL i ．j i a n gR i v e r L IY o n g j u n l ，P E N GS u p i n 9 1 ，C H E N GY u d a 0 2 ，S U NT a 0 3 ，L I ．I i n ～j u a n l 1 。S c h o o lo iR e s o u r c e sa n dS a f e t yE g i n e e r i n g ，C U M T ，B e i 【j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．D e p a r t m e n to fR e s o u r c e a n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，G u i l i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，G u i l i n ，G u a n g x i5 4 1 0 0 4 ，C h i n a ； 3 。C h i n aI n s t i t u t eo fW a t e rR e s o u r ’c e sa n dH y d r o p o w e rR e s e a r c h ，B e i I j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t I ne s t a b l i s h i n gaw a t e r ’e n v i r o n m e n tc a p a c i t ym o d e li nac o m p l e xr i v e r ’，t h em e t h o do f m a t h e m a t i c a la n a l y s i sd o e sn o tt a k et h ec o m p l e x i t yo fg e o g r a p h y * i n t oa c c o u n ta n dt h em e t h o do f m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sd o e sn o td e a lw i t ht h ec a u s eo ff o rm a t i o n ．G I Mi st h eb e s tm e t h o dt oa n a l y z e t h ec o m p l e xg e o g r a p h ya n di sam o d e lt h a tc o m b i n e st h ei n e v i t a b i l i t yw i t ht h ec h a n c i n e s so ft h e g e o g r ’a p h yp h e n o m e n a ．I nt h i sp a p e r ，b ya n a l y z i n gt h ec o n s t i t u t i o n a n dm e c h a n i s mo f w a t e r ’ c a p a c i t y ，t h ew a t e re n v i r ’o n m e n t a ls e l f - p u t i f i c a t i o nc a p a c i t yo fG u i l i ns e c t i o no fL i j i a n gR i v e r ，a c o m p l e xm o u n t a i nk a r ’s ta r 。e ai ss t u d i e d ，a n dam e t h o do fG I Mm o d e lu s e di nc a l c u l a t i n gt h ew a t e i e n v i r 。o n m e n t a ls e l f p u t i f i c a t i o nc a p a c i t yi se s t a b l i s h e d ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h eG I Mm e t h o di sa s i m p l ec a l c u l a t i n gm e t h o da n dc a ng e tap e r { e c tr e s u l ti nc a l c u l a t i n gt h ew a t e re n v i i o n m e n t a ls e l f p u t i f i c a t i o nc a p a c i t yi nac o m p l e xs e c t i o no far i v e t ． K e yw o r d s w a t e re n v i r 。o n m e n tc a p a c i t y ；g e o g r a p h yi n f o r m a t i o nm o d e l ；L i j i a n gR i v e r ；G u i l i nc i t y ； s e l f - p u t i f i c a t i o nc a p a c i t y 牧稿日期2 0 0 3 1 2 0 9 作者简介李永1 军 1 9 7 5 一 ，男，山西省永济市人，中国矿业大学博士研究生，从事水文水资源方面的研究 万方数据 第5 期李永军等漓江桂林帝区段水环境自净容量地理信息模型探讨 5 9 7 水环境容量的计算及管理是区域环境影响评 价和环境保护中的一个重要内容．水环境容量是指 某一水体在一定的环境目标下所能承纳外加的某 种 类 污染物的最大允许负荷量[ 1 ] ．河流的水环境 容量由三部分容量组成，即存贮容量、输移容量和 自净容量．存贮容量无再生能力，是可利用容量，对 于河流要慎重利用它；输移容量主要是指水流稀释 扩散污染物质的能力．而自净容量是指河流降解污 染物的综合能力，它是可以不断再生的，值得重点 开发利用[ 2 ] ．自净容量是我们重点研究的对象． 在中小型河流的城市区，河床往往较复杂，水 流的流场不均匀稳定，沿河两岸一般排污口分布较 多，要较精确地推求出河流水环境容量是非常复杂 的，而地理信息模型是地理复杂性方程，用它来研 究复杂性中小型河流的水环境容量是一种较好的 方法． 本文选取岩溶区河流一漓江在桂林市区段 大河到净瓶山 共约1 1 ．2k m 作为研究区，以 C O D 作为研究对象，区内漓江干流上大小排污口 几十个，其中较大和常年性排放的主要排污口确 1 4 个，还有四个漓江支流的汇人小东江、桃花江、 宁远河和南溪河，而在这些支流上又分布了3 0 多 个排污口，漓江河床非常复杂，河中滩潭相问，如图 1 所示． 图1 研究区概况图 F i g ．1 G e n e r a ls i t u a t i o ni nr e s e a t c ha J r e a 1 影响因子分析 河流水环境存贮容量和输移容量的计算较简 单，而水环境自净容量的计算往往较复杂，在这里 我们主要分析河流自净容量的影响因子．对于漓江 这种中小型的河流来说，影响水环境自净容量的因 子主要有以下几个 1 综合自净系数天然水体是一个非常复杂 的多相组分体系，污染物进入水体后，在河流水体 迁移过程中，由于水体本身存在生化降解作用，以 及沉降吸J j f 寸等作用，可以导致污染物浓度减小．对 于这些作用的存在，可以用综合自净系数来反映． 综合自净系数的大小，是受水体温度、水流流量、污 染物的种类、光照和水体中生物化学等综合作用影 响的[ 3 1 | ．漓江的自净能力除了河流中污染物本身 的性质和浓度外，还受河流的水情要素 主要包括 流量、水温、含沙量等 、水生生物、河流形态以及漓 江所在的自然环境的影响．对漓江多年有关资料分 析和研究，我们认为漓江的自净能力主要取决于漓 江的流量和漓江的水流速度． 2 河流流量流量是水环境容量的主要影响 因子，它是时间的函数，流量沿途一般是递增的．流 量对于存贮容量、输移容量和自净容量都有较大的 影响． 3 水流流速和水深河流沿途上各处的流速 和水深是不同的，一般情况下，流速和水深是由流 量和河床特征等决定的，对输移容量和自净容量都 省较大的影响． 4 污染物控制目标浓度它是由河流水域的 功能区划决定的，水域功能区对水质要求越高 水 质越好 ，则污染物控制目标浓度越低，其水域的自 净容量也就越小． 5 研究区段的长度研究区段的长度越长，水 流所流经的日寸间就越长，污染物的物理和生化降解 过程变长，则其自净容量也会增加的． 2 模型的建立 根据影响因子的分析，应用地理信息模型理论 和方法睁引，建立水环境自净容量的地理信息模型． 2 ．1 概念模型 设计概念模型如下 水环境自净容量一 河流流量因子 水流流 速因子 河流水深因子 污染物目标浓度因 子 区段长度因子 综合自净系数因子 ． 2 ．2 量纲分析与相似准则 根据地理信息模型理论对上述概念模型进行 量纲分析，和用广义“派”定理，求出地理相似准则． 在综合考虑后，选取流量、长度和污染物目标浓度 作为独立变量．量纲分析后，水环境自净容量可以 万方数据 5 9 8中国矿业大学学报 第3 3 卷 用流量和污染物目标浓度无量纲化，即可用流量和 污染物目标浓度来表示1 2 Ⅳ W ／Q C s ．水流的流 速可以用长度和流量来表示I I 。一u L 2 ／Q ．河流水 深可以用长度来表示1 I 。一h ／L ．综合自净系数可 以用长度和流量来表示1 7 t k L 3 ／Q ． 2 ．3 数学模型 经过无量纲因子团分析，可以用下面公式计算 水环境自净容量 W a o [ u L 2 ／Q 3 “[ h ／L ] 。z [ 忌L 3 ／Q ] ‰Q c s ， 1 式中彬为水环境自净容量，t ／d ；“为平均流速， m ／s ；h 为平均水深，m ；Q 为河流流量，m a ／s ；L 为 河流区段长度，m ；尼为综合自净系数，1 ／d ；C s 为污 染物控制目标浓度，m g ／L ；印，口，，以。，嬲为地理参 数． 2 ．4 地理参数的计算 上公式 1 两边取对数后可写成 l gW l ga 0 a d ．g u L 2 ／Q 眈l g h ／L a 3 l g k L 3 ／Q l g Q C s ． 2 地理参数的计算主要依据实测资料，用一维流 水环境自净容量的计算方法，考虑每一支流和实测 时在排污的排污口，计算出水环境自净容量后，将 其代入所建立的水环境自净容量模型式 2 中，求 解线性方程组后，推求出各地理参数的值． 经多次排污口及漓江水质取样化验和流量实 测，实测流量‘7 2 个，取样1 5 1 个，水样监测出 C O D M N l 5 0 个，经计算后推求出各参数及自净容 量如表1 ． 表1 研究区数据 T a b l e1D a t a s h e e to fr e s e a t ‘c ha r e a 日期w ／ t d 一1 L ／mQ ／ 1 T 1 3 S - - 1 u ／ m - - 1 h ／m 20 6 9 1 ．8 2 7 1 ．9 2 2 22 6 5 2 ．0 17 k ／d 一1 01 77 04 4 8 0 ，3 1 0 ．1 1 2 0 ．2 1 3 2 0 0 2 0 6 2 73 ．1 11 12 5 5 1 1 98 70 37 2 2 0 0 2 0 8 0 574 41 12 5 57 87 202 9 2 0 0 2 0 8 1 051 71 12 5 59 3 ．2 10 ．3 2 1 2 0 0 2 0 8 一1 22 ．1 41 I2 5 51 6 4 ，3 04 4 6 2 0 0 2 0 8 1 7 3 ．6 41 12 5 51 1 0 ．3 70 ．3 5 3 从以上的数据可看出，水环境自净容量并不一 定是随着流量的增加而增加的，而漓江在土几种流 量情况下，自净容量则是随着流量的增加而减小 的，这也可以解释～些河流，在上游排污较少的情 况下，水质在流量较小时反而水质较好，而在流量 较大时水质则相对较差的现象． 我们用前4 组数据来计算地理参数，最后一组 来验证模型． 计算出的地理参数为盘6 ．7 2 17x1 0 - 5 ，a 1 一0 ．8 2 31 ，盘2 1 ．1 5 43 ，a 3 1 ．1 6 93 ． 则得到此研究区段水环境自净容量的～般模 型如下 W 一6 ．7 2 1 7 1 0 ～5 [ 跖三2 ／Q ] 叫8 2 3 1 [ h ／L ] 11 5 4 3 [ 地3 ／Q 3 11 6 9 3 Q e s ． 3 我们用2 0 0 2 个8 月1 7 日的数据来对模型进 行验证，把各地理参数代入后司求出其自净容量为 3 ．7 1t ／d ，与实测值 3 ．6 4t ／d 误差仅为1 ．9 ％，说 明模型可靠性较高． 3 结论与建议 对于复杂河流城市区段水环境容量的计算，用 其它的水环境自净容量的计算方法睛引，需考虑重 多排污口及各分支流对河流流量，流速等的影响， 又要考虑河流在空间的展布规律等重多复杂的地 理因素[ 9 ] ．而水环境自净容量地理信息模型，是地 理现象必然性与偶然性结合的模型，传统的水环境 自净容量模型是通过地理参数概括在水环境自净 容量地理信息模型中的．在进行计算时，用地理信 息模型方法相对较简便． 水环境自净容量地理信息模型，是个半经验半 理论的公式，其地理参数具有局限性，只能用于限 定的研究区段，不能到处推广．对于河床较复杂的 河流，水环境自净容量地理信息模型是研究河流水 环境容量的一种较好的方法，它随时间的变化，可 变成动态的多维模型，从而可以进一步研究动态水 环境容量的问题． 参考文献 [ 1 ] 鲍全盛，姜文来．论我国河流水环境容量空间分异与 工业生产力的宏观布局[ I ] ．地理科学，1 9 9 8 ，1 8 3 2 0 5 2 1 2 ． B a oQS ，] i a n gWL ．R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p a t i a l d i f f e i e n t i a t i o no fw a t e Ie n v k o n m e n tc a p a c i t yo fi i v e l s i nC h i n aa n dm a c l 0 一l a y o u to fi n d u s E i a lp i o d u c t i v i t y [ I ] ．S c i e n t i aG e o g r a p h i c aS i n i c a ，1 9 9 8 ，1 8 3 2 0 5 2 1 2 ． [ 2 ] 高兴斋．| 中华环保实用手册[ M ] ．北京国防科技大 学出版社，1 9 9 4 ．． 一t [ 3 ] 刘华平，李广源．湘潭市城区湘江段水域纳污能力分 万方数据 第5 期 李永军等漓江桂林市区段水环境自净容量地理信息模型探讨5 9 9 析[ I ] 。湖南水利水电，2 0 0 1 ， 1 3 7 3 8 ． L i uHP ，L iGY ．A n a l y s i so nt h ew a t e ra i e a c o n t a i n i n gc o n t a m i n a t i o nc a p a b i l i t yo ft h eX i a n g j i a n g l i v e is e g m e n ti nU I b a nd i s t r i c to fX i a n g t a nc i t y [ T ] ． H u n a nH y a u l i ea n dH y d r o p o w e I ，2 0 0 1 ， 1 3 7 3 8 ． E 1 王平，史晓新．水体自净系数的研究[ I ] ．环境科学 与技术，1 9 9 7 1 1 3 - 1 6 ． W a n gP ．S h iXX ．S t u d yo nt h es e l i p m i f i c a t i o n c o e f f i c i e n to fw a t e ib o d yE I ] ．E n v k o n m e n t a lS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 7 1 1 3 1 6 ． E 5 3 马蔼乃．地理科学与地理信息科学论[ M ] ．I 武汉武 汉出版社，2 0 0 0 ． [ 6 ] 马蔼乃．遥感信息模型[ M ] ．北京北京大学出版社， 1 9 9 7 。1 5 2 1 ．． [ - 7 - 1 郑孝宇，褚君达，朱维斌．河网非稳态水环境容量研 究[ J ] ．．水科学进展，1 9 9 7 ，8 1 2 5 3 1 ． Z h e n gX Y ，C h uJD ，Z h uWB ．As t u d yo nu n s t e a d y w a t e ie n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo fr i v e rn e t w o I k [ ，y ] ． A d v a n c e si nW a t e rS c i e n c e ，1 9 9 7 ，8 1 2 5 3 1 ． E 8 - 1 廖文根，李锦秀，彭静．水体纳污能力量化问题探讨 [ I ] ．中国水利水电科学研究院学报，2 0 0 3 ，1 3 2 1 1 2 1 5 ． L i a oWG ，L iTX ，P e n gJ ．D i s c u s s i o nO i l q u a n t i i i c a t i o n o fp o l l u t a n tc a l I y i n gc a p a c i t y [ T ] ．． J o u r n a lo fC h i n aI n s t i t u t eo fW a t e iR e s o u I c e sa n d H y d z o p o w e rR e s e a t c h ，2 0 0 3 ，1 3 2 1 1 - 2 1 5 ． [ 9 ] 孙卫红，姚国金，逄勇．基于不均匀系数的水环境 容量计算力法探讨[ T ] ．水资源保护，2 0 0 1 ， 2 2 5 2 6 ． S u nWH ，Y a oGT ，P a n gY ．D i s c u s s i o no f a s y m m e t r i e a lc o e f f i C i e n t b a s e dc a l c u l a t i o nm e t h o df o i ’ w a t e Ie n v i i o n m e n t a lc a p a c i t yE J ] 。W a t e iR e s o u I c e P I o t e c t i o n ，2 0 0 1 ， 2 2 5 ，2 6 ． 责任编辑李成俊 中国矿业大学学报2 0 0 4 年第3 期被E i 收录论文 论文题目 第一作者 浓相高密度分选流化床气体分布参数的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”骆振福 旋转径向射流驱散积聚瓦斯的混合长度理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯杨胜强 地热水对井回灌渗流场理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“何满潮 工矿区陆面演变动态监测中的遥感信息处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯杜墙军 跳汰过程中水流运动的数学模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”匡亚莉 保护层开采远距离煤岩破裂变形数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯石必明 采动区建筑物地基、基础和结构协同作用模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯谭志祥 广州地铁双线交汇段放坡支护方案优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯杨晓杰 人工冻土蠕变的数值计算及其模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯乾增珍 地铁隧道施工引起地层变形的反分析预测系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯刘波 矿物对水煤浆稳定性的影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯刘红缨 本质安全电路的功率判别式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯孟庆海 矿井通风网络非稳定流模型数值解收敛性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯魏建平 迪恩涡编织型中空纤维膜分离黏土悬浮液研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“刘建文 荷载传递法在桩基加载试验中的应用软件开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”陈广峰 胶结充填料浆合理配比的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯崔刚 摘自E n g i n e e r i n gV i l l a g e2 万方数据