陳 俊

(遼寧省撫順?biāo)木?，遼寧 撫順 113015)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速，人們逐漸意識(shí)到水環(huán)境安全面臨越來(lái)越嚴(yán)重的威脅，開(kāi)展水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)模型研究已成為管理水質(zhì)安全的重要環(huán)節(jié)之一。通過(guò)構(gòu)建市水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)模型，能預(yù)報(bào)水域內(nèi)各斷面的水質(zhì)變化趨勢(shì)，一旦發(fā)生重大水污染事件，該模型對(duì)事發(fā)地可能出現(xiàn)的水質(zhì)時(shí)空變化過(guò)程進(jìn)行快速模擬，評(píng)估水污染事件影響的范圍和級(jí)別，啟動(dòng)應(yīng)急處理預(yù)案，從而為水源地保護(hù)管理機(jī)構(gòu)提供快速的決策依據(jù)，使管理者根據(jù)水域的功能和水體自?xún)裟芰μ岢鰬?yīng)對(duì)水體中污染物濃度超標(biāo)的相應(yīng)措施，以避免出現(xiàn)更大的水污染事故，確保當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬘盟踩?，防止出現(xiàn)更嚴(yán)重的二次污染，確保水體環(huán)境的變化在可控范圍之內(nèi)，從而保障經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境3種效益的有機(jī)統(tǒng)一。近些年來(lái)，對(duì)于河流水質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警國(guó)內(nèi)已取得一定研究成果，但是由于河流水質(zhì)特征不同，其預(yù)警等級(jí)很難統(tǒng)一，需要結(jié)合區(qū)域水質(zhì)實(shí)際狀況，對(duì)其水環(huán)境預(yù)警等級(jí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)劃分。尤其是北方獨(dú)流入海河流的季節(jié)性特點(diǎn)，其汛期和非汛期水體中污染物濃度變化較大，因此對(duì)于北方獨(dú)立入海河流需要結(jié)合其河流水質(zhì)變化特征制定相對(duì)應(yīng)的水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警等級(jí)，通過(guò)構(gòu)建基于二維非恒定流水質(zhì)模型，分汛期以及非汛期對(duì)水中污染物擴(kuò)散變化進(jìn)行模擬。當(dāng)某一斷面污染物超標(biāo)時(shí)，以超標(biāo)斷面位置為事故發(fā)生原點(diǎn)，利用預(yù)報(bào)模型模擬污染物濃度隨時(shí)間變化過(guò)程，確定預(yù)警開(kāi)始時(shí)間以及預(yù)警解除時(shí)間，實(shí)現(xiàn)污染物濃度變化趨勢(shì)的可視化，為平原地區(qū)季節(jié)性河流水環(huán)境水污染事件的應(yīng)急處理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 水質(zhì)預(yù)警等級(jí)劃分

本文依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中劃分的5類(lèi)水，結(jié)合盤(pán)錦市地表水和地下水質(zhì)實(shí)際狀況，將盤(pán)錦市水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警等級(jí)確定為安全狀態(tài)、初級(jí)預(yù)警、中級(jí)預(yù)警、高級(jí)預(yù)警、嚴(yán)重預(yù)警5個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)水質(zhì)類(lèi)別中的Ⅰ—Ⅴ類(lèi)水，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 盤(pán)錦地區(qū)水環(huán)境預(yù)警質(zhì)量等級(jí)

2 水質(zhì)預(yù)報(bào)模型建立

2.1 模型基本方程

針對(duì)平原地區(qū)獨(dú)流入海季節(jié)性河流特點(diǎn)，采用圣維南方程組構(gòu)建河流水質(zhì)擴(kuò)散模型。嚴(yán)格意義上講河流水質(zhì)模型都是三維結(jié)構(gòu)。但在實(shí)際應(yīng)用中，通常根據(jù)實(shí)際情況將水體的水質(zhì)計(jì)算簡(jiǎn)化為二維、一維甚至零維來(lái)計(jì)算。本文采用河流水質(zhì)模型基本方程如下：

(1)

式中，c—污染物濃度，mg/L；t—時(shí)間，s；ux、uy、uz—不同方向流速，m/s；Dx、Dy、Dz—不同方向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；K—污染物降解速率，d-1。

2.2 水質(zhì)模型求解

模型求解過(guò)程中需要對(duì)計(jì)算邊界進(jìn)行確定，在模型邊界不明或者單一條件下，可以對(duì)模型進(jìn)行解析解的直接計(jì)算。不過(guò)河流實(shí)際上具有復(fù)雜的邊界，其水質(zhì)模型的求解需要采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，本文主要對(duì)2種邊界條件下的求解方法進(jìn)行分析。

2.2.1無(wú)岸邊限制的點(diǎn)源瞬時(shí)模型

近似無(wú)岸邊限制的主要針對(duì)河面較寬的河流，如果污染源任何一點(diǎn)不是連續(xù)穩(wěn)定排放，其濃度主要為時(shí)間函數(shù)。在x=0及t=0將M克污染物向河流中投放，則表示為點(diǎn)源的瞬時(shí)排放。本文無(wú)岸邊限制的點(diǎn)源模型主要用于盤(pán)錦市水庫(kù)擴(kuò)散模型計(jì)算。水體中污染物的濃度為c(x，y，t)，則點(diǎn)源瞬時(shí)排放的水質(zhì)污染模型計(jì)算方程為：

(2)

其計(jì)算初始條件為：

(3)

其計(jì)算邊界條件為：

(4)

(5)

對(duì)上述水質(zhì)模型進(jìn)行逆變換，二維瞬時(shí)點(diǎn)源擴(kuò)散方程可變換為：

(6)

當(dāng)a和b均等于0，則原點(diǎn)即為污染排放點(diǎn)，原點(diǎn)假定坐標(biāo)為(0，0)，其二維點(diǎn)源擴(kuò)散模型計(jì)算方程為：

(7)

當(dāng)左岸邊為其污染源釋放點(diǎn)，那么點(diǎn)源瞬時(shí)排放的二維擴(kuò)散模型計(jì)算方程為：

(8)

2.2.2有岸邊限制的點(diǎn)源瞬時(shí)模型

若河流寬度較低，水面計(jì)算范圍較窄，污染總量為M克污染物向河流中投放。污染物擴(kuò)散到岸邊后，岸邊會(huì)猶如鏡子一般對(duì)污染物有所反射，另一個(gè)像源有所呈現(xiàn)，污染程度有所加劇。再次污染會(huì)由于岸邊全發(fā)射而發(fā)生，本文有岸邊限制的河流瞬時(shí)模型對(duì)盤(pán)錦市主要河流進(jìn)行二維瞬時(shí)點(diǎn)源擴(kuò)散模型的計(jì)算：

exp(-Kt)

(9)

當(dāng)a=0或a=B時(shí)，在岸邊排放點(diǎn)源。當(dāng)a=B/2，在水面中心進(jìn)行點(diǎn)源排放。模型中排放口為坐標(biāo)原點(diǎn)，下游為x方向，對(duì)岸為y方向，通常在實(shí)際計(jì)算中只反射1次即可。

式中，x—排放點(diǎn)距離預(yù)測(cè)點(diǎn)的距離，m；y—排放口距離預(yù)測(cè)點(diǎn)的橫向距離，m；t—預(yù)測(cè)時(shí)段，s；c—(x，y)位置點(diǎn)污染物的濃度，mg/L；M—污染物單位時(shí)間內(nèi)的排放量，g/s；a—排放口距離河流岸邊的距離，m；H—平均河流水深，m；Dx和Dy—縱向和橫向河流混合(彌散)；ux和uy—橫向和縱向河流流速均值，m/s；B—河流寬度均值，m；c0—污染物在河流濃度本底值，mg/L；n—反射計(jì)算次數(shù)；π—圓周率。

河流本底疊加濃度并未在方程中進(jìn)行考慮，若需要考慮則以污染物只降解不擴(kuò)散原則進(jìn)行分析，在方程計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上將濃度c0exp(-Kt)進(jìn)行疊加即可。

2.3 模型參數(shù)的確定

對(duì)模型參數(shù)的合理確定對(duì)于模型污染模擬精度影響較大，在水質(zhì)模型中橫向和縱向擴(kuò)散系數(shù)需要在模型建立時(shí)進(jìn)行確定，本文水質(zhì)模型參數(shù)的確定主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式方法進(jìn)行估算。

2.3.1橫向擴(kuò)散系數(shù)確定

采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)天然河流橫向擴(kuò)散系數(shù)Dy進(jìn)行確定，方程為：

Dy=aHu*

(10)

(11)

式中，a—量綱為1的橫向擴(kuò)散系數(shù)；g—重力加速度，m/s2；I—水力坡降，%；h—水深均值，m。橫向擴(kuò)散系數(shù)a取值具體見(jiàn)表2。

表2 河流不同類(lèi)型下的橫向擴(kuò)散系數(shù)a參考值

2.3.2縱向離散系數(shù)確定

縱向擴(kuò)散系數(shù)要遠(yuǎn)大于縱向離散系數(shù)，采用表3中經(jīng)驗(yàn)方程對(duì)河流縱向離散系數(shù)進(jìn)行確定。本文主要采用中國(guó)水電科學(xué)院推薦的公式進(jìn)行縱向離散系數(shù)的確定。

表3 河流縱向離散系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

2.3.3斷面設(shè)計(jì)流速和水深

河流污染物在水體的傳輸需要河流流量、流速以及水面寬度，對(duì)于河流有斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的，通過(guò)流速、水深和斷面流量之間的正向相關(guān)性，對(duì)計(jì)算河段的水力特征進(jìn)行計(jì)算：

u=aQb

(12)

H=αQβ

(13)

式中，Q—河流斷面流量，m3/s；u—河流斷面平均流速，m/s；H—斷面平均水深，m。a、b、α、β—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其取值主要通過(guò)河段水文數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。

對(duì)方程(12)進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后的方程為：

y=B0+B1x

(14)

因此，y和x的線性回歸方程即可表達(dá)為斷面流速均值，和2020年的汛期和非汛期實(shí)測(cè)水文資料進(jìn)行相關(guān)性分析，得到盤(pán)錦地區(qū)主要河流流速和水深流速之間的相關(guān)方程，具體見(jiàn)表4。

表4 盤(pán)錦市河流斷面經(jīng)驗(yàn)公式

對(duì)于無(wú)實(shí)測(cè)水文資料的河段，河道比降以及糙率可以采用曼寧公式進(jìn)行平均流速的計(jì)算，或者采用內(nèi)插、類(lèi)比方法對(duì)設(shè)計(jì)流速和水深進(jìn)行推求。

3 模型應(yīng)用

3.1 模型驗(yàn)證

本文以盤(pán)錦地區(qū)杜家水文站為驗(yàn)證計(jì)算節(jié)點(diǎn)，結(jié)合杜家水文站汛期和非汛期2015—2020年實(shí)測(cè)苯酚采樣監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行模型驗(yàn)證，選擇在有岸邊限制條件下的瞬時(shí)點(diǎn)源二維水質(zhì)擴(kuò)散模型進(jìn)行計(jì)算，由方程(9)研究確定苯酚降解系數(shù)K=0，河流中心為點(diǎn)源釋放點(diǎn)，污染物揮發(fā)酚標(biāo)準(zhǔn)濃度為0.005，污染物濃度C0的本底值0.0029mg/L，汛期和非汛期模型參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 模型參數(shù)設(shè)置

表6 模型驗(yàn)證結(jié)果

以苯酚作為模擬污染指標(biāo)，苯酚主要用于農(nóng)藥以及化工企業(yè)，具有很強(qiáng)的毒性且很難在水體中得到有效降解。從2015—2020年杜家水文站的斷面苯酚監(jiān)測(cè)指標(biāo)可看出，其各年份苯酚指標(biāo)汛期和非汛期濃度均低于0.004mg/L，汛期由于進(jìn)入河流內(nèi)的污染物有所增多其汛期苯酚濃度總體要高于非汛期。通過(guò)建立的點(diǎn)源二維水質(zhì)擴(kuò)散模型驗(yàn)證結(jié)果可看出，各年份下模型模擬的苯酚濃度和監(jiān)測(cè)濃度之間的誤差總體低于±30%，滿(mǎn)足水質(zhì)模擬的規(guī)范精度要求，可以用建立的水質(zhì)模擬進(jìn)行不同突發(fā)水質(zhì)情景模擬分析。

3.2 突發(fā)情景模擬分析

假定向紅旗水庫(kù)上游的杜家水文站斷面附近釋放1t的揮發(fā)酚污染源，通過(guò)建立的瞬時(shí)點(diǎn)源二維水質(zhì)模型，選擇有岸邊限制的邊界條件，結(jié)合MATLAB軟件對(duì)紅旗水庫(kù)上游污染物濃度變化進(jìn)行模擬，汛期和非汛期不同時(shí)刻的污染物濃度擴(kuò)散模擬結(jié)果如圖1—2所示。

圖1 汛期不同時(shí)刻揮發(fā)酚濃度空間分布

從汛期和非汛期盤(pán)錦地區(qū)紅旗水庫(kù)上游不同時(shí)間的揮發(fā)酚濃度維空間變化圖可看出，污染團(tuán)隨著水流向下游漂移，污染物濃度逐步降低但污染范圍有所增加。非汛期污染物濃度降低幅度明顯低于汛期污染物濃度降低幅度。因此，水流流速是污染物移動(dòng)速率的主要因素，污染物向下游漂移因素的決定性因素是順?biāo)较虻暮恿髁魉?。橫向和縱向擴(kuò)散系數(shù)是污染范圍增加的主要影響因子。水體的自?xún)裟芰σ约拔廴疚锏淖陨斫到馐瞧錆舛戎鸩浇档偷闹饕?。通過(guò)模擬可看出水體中污染物濃度隨著時(shí)間的增加逐步減小。當(dāng)污染物擴(kuò)散范圍達(dá)到下游臨界值后，最高濃度會(huì)低于標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)擴(kuò)散范圍低于下游臨界值時(shí)，水體污染物濃度會(huì)在某時(shí)段內(nèi)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)濃度值。對(duì)于水質(zhì)控制點(diǎn)，當(dāng)該污染物濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)濃度，對(duì)應(yīng)表1中的預(yù)警等級(jí)濃度標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為發(fā)生突發(fā)水質(zhì)事件，此時(shí)進(jìn)行水質(zhì)預(yù)警。紅旗水庫(kù)位于杜家水文站下游2km處，設(shè)有應(yīng)急入盤(pán)取水口，本文對(duì)不同時(shí)段應(yīng)急取水口的揮發(fā)物濃度也進(jìn)行了模擬，通過(guò)模擬分析，當(dāng)揮發(fā)酚濃度超標(biāo)8.3min后，即發(fā)出突發(fā)水質(zhì)預(yù)警，在25.3min后濃度回降到標(biāo)準(zhǔn)濃度以下，從發(fā)出預(yù)警到預(yù)警解除時(shí)間為17min。非汛期預(yù)警開(kāi)始時(shí)間為66.5min，解除預(yù)警的時(shí)間為106.5min，污染預(yù)警持續(xù)時(shí)間為40min。相比于汛期，非汛期峰值濃度預(yù)警時(shí)間有所延緩。

圖2 非汛期不同時(shí)刻揮發(fā)酚濃度空間分布

4 主要結(jié)論

(1)在構(gòu)建水質(zhì)預(yù)報(bào)模型時(shí)，若需要疊加河流本底濃度時(shí)，則以污染物只降解不擴(kuò)散原則進(jìn)行分析，在二維點(diǎn)源擴(kuò)散模型計(jì)算方程基礎(chǔ)上將濃度c0exp(-Kt)進(jìn)行疊加即可。

(2)對(duì)于無(wú)實(shí)測(cè)水文資料的河段的水質(zhì)模擬，可以采用曼寧公式結(jié)合河道比降及糙率進(jìn)行平均流速的計(jì)算，或者采用內(nèi)插、類(lèi)比方法對(duì)設(shè)計(jì)流速和水深進(jìn)行推求。

(3)構(gòu)建好的水質(zhì)模型，可以為城市水質(zhì)突發(fā)應(yīng)急事件作為模擬平臺(tái)，當(dāng)預(yù)測(cè)污染物濃度超過(guò)預(yù)警等級(jí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值后，即發(fā)出預(yù)警，當(dāng)濃度低于預(yù)警等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)后，即可解除預(yù)警，預(yù)警時(shí)間內(nèi)污染物濃度時(shí)空變化可以為水質(zhì)突發(fā)應(yīng)急響應(yīng)措施提供重要的支撐。