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水资源对人类的生存和发展具有非常重要的意义,本文在认识到水资源的重要性的基础上,着重分析了淡水资源中关于水库水环境的各种问题,介绍了水库水环境的基本特性、水温、水质、水量和水库水环境质量评价的各种方法。在分析了国内外在研究水库水环境的数学模型的基础上,介绍了水库水温、水量和水质在水库水环境中的数学模型的普通用法和一些特殊情况下的应用,并确定了多目标非线性数学模型。本文对于水库的基本特性做了详细的讨论,并给出了水库分层的判别方法。对于水库的特性来说,水库作为人工湖泊,具有一定的流动性,因受人工制造的影响,水库的水位变幅很大,并且对于水库水质的影响也会产生一定的作用。水库水的特点主要包括以下几个方面:1、水面宽广;2、流动缓慢;3、风化作用明显;4、对流作用主要在垂向进行;5、具有垂向分层现象。在对水库基本特征做出具体分析的基础上,本文总结了水库分层的判别方法。关于水库分层的判别方法,到目前为止已经提出多种,具有代表性的主要有以下两种:1、水库交换次数法。关于这种方法的判别标准本文给予了详细的讨论。这种方法是由日本学者提出的,在我国多座大型水库做了对该方法的验算,基本符合实际;2、密度佛劳德数法。这种方法在美国的几个水库得到了验证,但在我国的应用还不多,关于这种方法本文也总结了其判别方法。水库的水温问题也是本文研究的一个内容,水库水温的研究经历了从观测实验到经验分析再到数学模型模拟的过程。在水库中,影响蓄水体内水温分布的因素很多,主要有:1 、水体的流动性;2 、热传导与扩散;3 、太阳辐射在水体中的透射;4、 水流含沙量。由于经验法是根据实测资料综合出来的,反映的是水温变化的规律,所以对于一些具体问题(如<WP=66>库型、水库运用、泥沙异重流等对水温分布的影响)和较短时段(日、月内变化)的情况还无法解决。所以,要深入研究水温变化规律,就有必要研究和应用数学模型法。由于水库规模(库容及水深)、库内水体交换的频繁程度、水库运行方式、以及水文地质、气象、地理位置等因素的差异,水库水温随水深呈不同性状的变化,一般可分为混合型、过渡型和分层型这几种结构。同一种水温结构的水库,其水温结构在一年内呈周期性循环变化。本文讨论了水库水质的数学模型,对该模型的具体应用情况及其相关问题都给予了介绍和详细的分析。水质模型是按照一定的程序建立起来的,虽然按照模型建立的目的、期限与考虑的因素不同,建立的过程也有所不同,但一般来说建立模型的程序有以下几个步骤:1、模型的构思;2、数学表达;3、修正(如由于计算的需要进行差分或有限元分段等);4、标定;5、检验;6、定型;7、应用。 水库在建成以后,因改变河流天然状况及水库内外水力条件而可能引起额外的水量损失,主要包括蒸发损失和渗漏损失,在寒冷地区还有可能有结冰损失。本文在分析了水库水量损失的基础上,建立了水库水量的数学模型。水环境质量评价是指对水环境各个要素进行单项及综合评价。对于库区污染源的调查与监测主要包括以下几个方面:1、富营养化污染;2、金属与非金属毒物 ;3、病原微生物污染; 4、需氧有机污染物。 在水库库区水质现状评价中,需要依据实际情况调查和了解各类污染及其来源。除了上述四种类别外,还可能有其他种类,如放射性污染源等。总之,在可能的条件下,尽可能多地从环保部门、水资源环保部门、水利部门和水质监测站收集各方面的数据和资料,加以整理、归纳和分类。水环境质量标准是国家和地方水环境规划的目标和方向,是环境管理的基础。迄今,国家颁布了一系列水环境质量标准,他们是开展水环境质量底泥质量标准、水生物生态质量标准以及结合到地面水体质量标准的选择与分析问题。本文在总结了水质、水温、水量在水库水环境中的分层等特点的基础上,着重针对将水库水质扩散对流方程作为基本方程,并通过建立分层方程的流速方程,形成了水库分层的水质数学模型。在模型中,利用本文介绍的方法给出了水质模型相应项或参数的确定方法,讨论了这些方程的耦<WP=67>合过程,并在对滇池水质进行实际考察和分析的基础上,确立了以滇池为例的一个相应差分求解过程,并对该方法与原有方法进行了比较研究,并对滇池总氮浓度场进行了模拟。根据滇池湖流特点,本文把湖泊水体沿垂向分为二层,上下层的密度假定不变,不计算层间的垂向对流,将层于层的相互影响考虑到各层的源汇项中去。对于较大的水库,其水质由于受到各种力的作用如柯氏力、底部剪切力等的作用影响,会影响水流的速度,从而影响水质的浓度变化,导致水质分布的非均匀变化,在讨论较大的水库水质问题就得将这些因素进行综合分析,在本论文前面讨论的基础上,对较大水库的特征进行了分析,建立了水质方程、流速方程和高度方程。对这三类方程可采用差分法、有限元法、有限分析法等进行求解。本文采用差分法进行了处理研究,其结果与实际结果较为一致。本文还在对以上方程进行求解的基础上预测了总氮浓度,并给出了滇池湖泊总氮浓度场图,利用差分方法进行计算,在计算过程中,充分考虑到分层的特点,并在分层的过程中对数据进行了加密运算,以此来突出分层的特征,并对总氮浓度场进行了相应的模拟。在这