搜索
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：⑴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，结果大片土地沼泽化。⑵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。⑶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，使水库的有效库容减少。⑷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。⑸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，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Morgan[1]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；Gibbs[2]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.Carbonnel[3]对湄公河水质的变化及化学运移进行了研究；A.H.Webb[4]对挪威南部的某河流进行弱酸性研究；A.Mishra[5]对恒河水质进行了分析；JillWeintraub[6]对麋河地表水化学和地质学之间的关系进行了分析研究；Rothwell[7]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[8]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.P[9]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[10]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[11]等研究了中国东南沿海地区河流中的主要化学成分及其入海通量；乔光建[12]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[13]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[14]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[15]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季大；韩志伟[16]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[17]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[18]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[19]等在对黄河万家寨水库及其上游黄河干流重要站点1972～2005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.JORDAN[20]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了研究，给出了分类的处理结果。Dunnette[21]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.Einax[22]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.Voudouris[23]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.Farnham[24]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[25]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[34]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。1925～1960年为水质模型发展的基础阶段。这一阶段，Streeter和Phelps[35]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。1960～1965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。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。1970～1975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