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首页Matlab-Simulink-M混合编程法:窟野河突发水污染事故预测与防治策略
本文档深入探讨了基于Matlab/Simulink-M文件混合编程方法在突发性水污染事故模拟预测中的应用,针对的是陕西省神木县窟野河流域(草垛山-孟家沟段)的实际情况。随着中国经济发展,环境污染问题日益突出,特别是关乎饮用水安全的水环境突发事故频发,这对公众健康和社会可持续发展构成了威胁。因此,构建一个有效的突发性水污染事故预测系统显得至关重要。 硕士论文首先介绍了一个创新的水质预测模型,该模型利用Matlab和Simulink-M进行混合编程,这使得模型设计更为灵活且高效。通过实际水质数据的验证,模型的预测能力得到了确认,其预测误差保持在可接受的范围内,显示了良好的预测精度。 接下来,论文作者对窟野河流域的煤矿污染源进行了详尽的调查,并根据可能的突发污染事故情况,构建了四种不同的矿井排放情景。这些情景分析了不同煤矿事故排放对孟家沟断面水质的影响,结果显示,所有情景都对窟野河水质产生了不同程度的影响,其中红柳林煤矿的事故排放影响最为显著。 最后,论文提出了针对性的预防对策,强调了如何通过科学的模型预测和管理来降低突发性水污染的风险,以保护水源安全,维护社会稳定和经济发展。关键词如“窟野河”、“Matlab/Simulink-M”、“突发性水污染事故”和“模拟预测”揭示了论文的核心内容和研究重点。 这篇硕士学位论文不仅展示了如何运用Matlab/Simulink-M技术进行水污染事故模拟,而且还提供了实际案例和预防措施,对于环境保护和水资源管理具有重要的实践指导意义。通过混合编程技术提高模拟效率和准确性,有助于提升我国对这类环境问题的应对能力。
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煤炭科学研究总院硕士学位论文
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生的频率及影响后果的估算、事故发生的风险计算和风险减缓四个阶段;
汪立忠
[17]
等人对国内外的突发性污染事故研究进展进行了综述,提出突发性污
染事故应制定风险管理体系和风险管理计划。张珂
[15]
等以南水北调中线水源地丹江
口水库入库支流老灌河流域为例,开展流域突发性水污染事故风险评价,提出流域
相对风险评价方法,评价中引入了多指标综合评价法、专家判断法、层次分析法建
成水质模型,以细化风险源、受体和评价量化分级,借助空间分析工具增强评价的
客观性和普适性,赵艳民
[18]
等在美国健康风险评价四步法的基础上,构建了突发性
水污染事故的健康风险风险评价技术体系,用健康危害商值的概率分布定量描述健
康风险。
1.3
河流突发性水污染事故水质预测研究现状
1.3.1 矿井突发性水污染事故研究现状
煤矿企业的突发性水污染事故包括两类,一类是企业污水处理站事故污水排放;
另一类矿井违规开采或对井田水文地质状况不熟,进行盲目开采,造成矿井突水,
涌水量突然增大,水处理站规模不够,矿井污水无法处理外排造成的。其中危害较
大的是矿井突水,污水大量外排,其特点表现为突水不确定性、污染流域性、排水
时间相对较长、处理难度较为艰巨。
矿井突发性排水一般是矿井采煤破坏了岩层天然平衡,周围的水体在静水压力
作用下,通过导水裂缝、断层等进入采煤工作面,形成了矿井突水,而矿井突水是
一个逐渐变化的过程,有的表现为一、二天,有的表现为半个月或数日,突水的时
间与该矿井所处的地质构造、水文地质条件、隔水层厚度和采煤厚度有关
[19]
。
矿井突水除严重威胁井下采煤安全外,还会对环境造成很大的影响。为了预防
矿井突水事故的发生,原煤炭工业部于 1984 年 5 月 15 日出台了《矿井水文地质规
程》(试行),并于 1986 年 9 月 9 日出台了《煤矿防治水工作条例》,2009 年 8 月 17
日国家安全生产监督管理总局公布了《煤矿防治水规定》, 2011 年对《煤矿防治水
规定》进行了修订,对矿井水文地质类型一般划分为简单、中等、复杂、极复杂等
4 种,划分的依据为受采掘破坏或影响的含水层及水体、矿井及其周围老空水分布
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煤炭科学研究总院硕士学位论文
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情况、矿井涌水量、突水量、开采受水害影响程度、矿井防治水工作难易程度等,
其中极复杂水文地质类型矿井突水频繁,采掘工程、矿井安全受水害严重威胁,其
次为复杂,再次为中等,简单水文地质类型突水较轻
[20]
,矿井煤层开采时应查清井
田内水文地质状况、地质构造、隔水层厚度和煤层开采厚度等,以有效防止突水事
故发生后污水进入水体,影响河流水质。
目前关于矿井突水的研究很多,它们大都从煤矿安全出发,对煤矿突水的风险
源识别
[21]
、突水机理分析
[22]
、突水预测及风险评价
[23-25]
、突水预警和突水应急等
[26-27]
进行了大量的探讨,但对于这种突发性的突水造成的大量的矿井水排入地表水体后
对环境的影响,并没有引起人们的关注。
1.3.2
国内外水质预测方法研究现状
水质预测是对于进入地表水体的污染物的浓度及分布进行定量的计算的过程,
水质预模型可以描述污染物在水体中发生化学、物理、生物和生态学等多方面的变
化规律,建立水质预测模型是突发性水污染事故应急管理及水环境规划的重要的基
础工作,同时也是水污染防治和水环境管理的重要手段。
叶常明
[28]
把水质模型的发展分成简单的氧平衡模型、形态模型和多介质环境综
合生态模型三个阶段。按照时间也可以将水质模型的发展划分为初期阶段,快速发
展阶段和深化、完善与广泛应用三个阶段
[29]
。
第一阶段的研究工作从 20 世纪 20 年代中期一直到 70 年代初期,为发展的初级
阶段。主要研究氧平衡模式,通过数学公式来表达河流水体中的溶解氧随着时间的
变化规律。主要包括有机物分解消耗的的氧及水体生物光化合的复氧及大气复氧等,
第一个模型是 1925 年的 Streeter–Phelps 水质模型(河流 BOD-DO 模型)后来在此
模型的基础上产生了 Thomas 修正式(考虑沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮等过程)及
Dobbins-Camp 修正式(考虑河流底泥耗氧和藻类光合作用的增氧)及 O′Connor 修
正式(假定 BOD 是碳化 BOD 和硝化 BOD 两个过程之和)。
模型由最初单纯考虑大气复氧及有机物的耗氧发展为后来引入包括氨氮、有机
磷、河流植物和生物等源和漏项,除考虑了河流中微生物的降解作用外,还考虑沉
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淀、絮凝、冲刷和再悬浮等过程的影响。这些扩展大大提高了水质模型的适应范围
和精度。
此外,数值模拟对象也从一维扩展到了二维的模拟,开展了海湾和湖泊的水质
预测。70 年代美国环保局推出了 QUAL-I、QUAL-II 河流水质模型是一种较为复杂
的氧平衡生态模型,它可以用于模拟 13 种水质,同时解决点源和非点源问题,稳态
和非稳态问题,相继推出 QUAL2E、QUAL2E 、UNCAS 和 QUAL2K 版本,模型
已经被成功地用于河流水质预测和水质管理规划中
[30-31]
。
第二阶段水质预测模型的发展是从 20 世纪 70 年代初期到 80 年代中期,该阶段
主要是研究形态模型。由于水污染物在水体中的不同形态可以产生不同的污染行为
以及不同的生态效应,从 80 年代初期开始,随着形态分析的发展,国内外学者展开
研究形态模型的工作,用模型来描述污染物不同形态下在水环境中的性质和行为变
化,其中 Forstner、Lawrence 分别进行了重金属、有机物的形态模拟研究。这阶段,
开始出现了多维模拟、多介质模拟、动态模拟等特征的多种模型。美国环保局 Athens
实验室于 1983 年开发的 WASP 模型是这个阶段的代表,WASP 也是一个箱式动力
模型,它可以对河流、湖泊、河口、水库、海岸的水质进行模拟、水文动力学模拟,
同时还可以对溶解氧、生物耗氧量、其他营养物质以及海藻等常规污染物和有机化
学物质、金属、沉积物等有毒有害污染物在水中的迁移及转化规律进行模拟。目前,
最新版本的 WASP6 具有可视化的 WASP 模型,它可以较好的耦合其它模型,在水
质模拟预测中进行二次开发,达到更好的预测效果,该模型已广泛用于各种水质预
测以及水环境管理中
[32]
。
第三阶段从 20 世纪 80 年代中期至今,该阶段是水质模型研究进一步深化、完
善和广泛应用的阶段,该阶段研究主要集中在模型的可靠性和评价能力的改善等方
面。这个阶段研究人员关注到了污染物释放到环境中后,由于复杂的变化过程会分
配到各个环境要素中,污染物对环境影响一般与它们在环境中的浓度水平和停留时
间密切相关。因此为了综合描述污染物与环境之间的相互关系,随之产生了多介质
环境综合生态模型。1985 年 Cohen 在综合分析了水质模型与面源模型的对接的基础
上正式提出了多介质模型。随着计算机技术的发展,基于非基理模型水质预测方法
迅速发展起来,将马尔可夫法、数理统计方法、灰色理论方法、人工神经网络方法
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