水質(zhì)模型的河流水環(huán)境調(diào)控研究范文

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《環(huán)境保護(hù)科學(xué)雜志》2015年第一期

1太浦河水質(zhì)模擬與分析

1.1河流概化研究區(qū)域如圖1所示。WASP模型的計(jì)算單元為一個(gè)個(gè)的單元體（Segment），根據(jù)支流位置和太浦河河道總體情況將太浦河干流劃分成9個(gè)單元，標(biāo)號(hào)為S1—S9，五條支流概化成五個(gè)單元體，分別為吳江七都支流，平望支流，汾湖鎮(zhèn)支流，嘉善陶莊支流和丁柵支流，標(biāo)號(hào)為T1—T5，如圖2所示。

1.2模型參數(shù)輸入

1.2.1模型系統(tǒng)信息模型網(wǎng)格概化干流劃分為9個(gè)單元；使用EUTRO模塊進(jìn)行模擬；根據(jù)模擬需要確定模型開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間；所建模型沒有輸入非點(diǎn)源文件；采用EULER差分；選擇一維網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)波理論進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)模擬；最大、最小時(shí)間步長(zhǎng)調(diào)整系數(shù)取用模型默認(rèn)值。

1.2.2單元體數(shù)據(jù)單元體控制數(shù)據(jù)含有4個(gè)選項(xiàng)，Segment選項(xiàng)主要用于輸入模型計(jì)算初始時(shí)刻單元體數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)大部分來源于網(wǎng)格概化。初始濃度選項(xiàng)主要是各污染物指標(biāo)的模擬計(jì)算初始濃度，在太浦河水質(zhì)模擬中，根據(jù)目前所掌握的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系列，論文主要考慮氨氮、總氮、有機(jī)氮、總磷、有機(jī)磷這幾種常規(guī)污染物指標(biāo)。

1.2.3流量通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，確定了太浦河水文水質(zhì)定期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。太浦河共設(shè)有5個(gè)斷面，分別位于230省道，227省道，同黎線和上海青浦區(qū)練塘鎮(zhèn)的225省道。水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)從2013年1月開始，至2013年12月結(jié)束，水文參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)使用RiverSurveyor測(cè)定，所有水質(zhì)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室采用國標(biāo)方法測(cè)定。采用了太浦河2013年1月至12月的監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)作為模型輸入條件。

1.2.4邊界條件采用太浦河2013年1月至12月的監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)采樣分析數(shù)據(jù)作為模型輸入條件。主要分析氨氮、總氮、有機(jī)氮、無機(jī)氮、硝態(tài)氮、總磷、溶解氧、BOD5這幾個(gè)常規(guī)污染物指標(biāo)。

1.3模型參數(shù)的率定和驗(yàn)證利用太浦河2013年1—5月份實(shí)測(cè)流量、水溫及主要水質(zhì)指標(biāo)等資料初步建立模型，選取S2、S3、S5、S8的氨氮、BOD5和總磷這三個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)率定。以BOD5的率定為例，如圖4所示為S2、S3、S5和S8四個(gè)單元體的實(shí)測(cè)值和模擬值擬合曲線。WASP模型對(duì)太浦河水質(zhì)參數(shù)率定的結(jié)果表明：模型S2、S3、S5和S8的BOD5相對(duì)誤差最小值為0.2%，最大值為17.2%。相對(duì)誤差均值為8.57%，模擬值與實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律趨于一致，說明所選參數(shù)合理。以太浦河2013年7—12月實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)以及邊界資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，各個(gè)指標(biāo)實(shí)測(cè)值和模擬值的相對(duì)誤差計(jì)算公式與參數(shù)率定相同。以BOD5為例，對(duì)S2、S3、S5和S8四個(gè)單元體的驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行說明。模型四個(gè)單元體的BOD5相對(duì)誤差最小值為0.06%，最大值為15.7%，相對(duì)誤差均值為7.79%，模擬值與實(shí)測(cè)值擬合較好。

2太浦河水環(huán)境調(diào)控方案效果分析

2.1太浦河水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)通過對(duì)太浦河全年水質(zhì)分析，結(jié)果表明，每年的春季末夏季初即4—6月份為水質(zhì)最差期，氨氮和BOD5濃度都超過了Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此在5月份開展調(diào)水改善太浦河及其下游水質(zhì)具有實(shí)際意義。太浦河兩岸水系發(fā)達(dá)，存在眾多支流，通過降雨徑流將大量泥沙、營(yíng)養(yǎng)鹽、農(nóng)藥及其他污染物帶入太浦河中。一般降雨過后，水體會(huì)明顯渾濁，同時(shí)由于污染物的進(jìn)入水質(zhì)指標(biāo)也會(huì)上升。太浦河沿線存在眾多化工企業(yè)，沿線分布了大量的排污口，部分直接排入太浦河，部分排到附近支流再排到太浦河。化工企業(yè)多為紡織、印染行業(yè)，污水中主要含氨氮和COD。一旦發(fā)生未經(jīng)處理的污水泄漏事故，大量的氨氮或COD會(huì)排入太浦河，污染飲用水水源地。因此，本文設(shè)定了三種情景來描述太浦河可能存在的引起水質(zhì)超標(biāo)的情形，并提出了優(yōu)化調(diào)控方案，如表1所示。

2.2調(diào)控方案效果分析

2.2.1枯水期累積性污染枯水期累積性污染發(fā)生后，調(diào)水為1000m3/s。見圖4。圖4為調(diào)水前和調(diào)水24小時(shí)后氨氮和BOD5的濃度分布圖。其中S6單元單元體為蘇滬跨界斷面，作為評(píng)價(jià)調(diào)控效果的河段。該調(diào)水方案對(duì)S6單元水質(zhì)改善效果明顯。S6單元在調(diào)水前氨氮達(dá)到1.1mg/L，調(diào)水24小時(shí)后降低至0.7mg/L。與原水質(zhì)相比，氨氮降低了約36%。S6單元在調(diào)水前BOD5達(dá)到4.5mg/L，調(diào)水24h后BOD5降低至3.2mg/L。與原水質(zhì)相比BOD5降低了約29%。

2.2.2雨季面源污染雨季太浦河的總磷濃度超標(biāo)，采取兩個(gè)方案，分別為600m3/s調(diào)水30小時(shí)和1000m3/s調(diào)水24小時(shí)。調(diào)水前和調(diào)水24小時(shí)后總磷的濃度分布圖見圖5。按照方案一，進(jìn)行調(diào)水大約24小時(shí)后，S6單元總磷濃度達(dá)到地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，S6單元總磷濃度最低值出現(xiàn)在調(diào)水開始后40小時(shí)，即停止調(diào)水后10小時(shí)左右，最低濃度約為0.16mg/L，與調(diào)水前相比，總磷濃度降低了60%。實(shí)施方案一，調(diào)水開始后17小時(shí),S6單元總磷濃度已經(jīng)能夠達(dá)到地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，S6單元總磷濃度最低值出現(xiàn)在調(diào)水開始后34小時(shí)，即停止調(diào)水后10小時(shí)左右，最低濃度為0.12mg/L，與調(diào)水前相比，總磷濃度降低了70%。對(duì)比方案一與方案二實(shí)施后的效果，兩種調(diào)水方案都能使太浦河雨季總磷濃度達(dá)標(biāo)。方案二達(dá)到預(yù)期調(diào)控目標(biāo)的時(shí)間更短，且最終總磷濃度更低，但需要的水量較高。實(shí)際操作中可根據(jù)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理目標(biāo)進(jìn)行方案的選擇。

2.2.3突發(fā)水污染事故調(diào)控8噸/小時(shí)泄漏三小時(shí)后，汾湖段氨氮嚴(yán)重超標(biāo)。氮存在于多種化學(xué)形態(tài)，分為有機(jī)和無機(jī)兩種。在天然水體中，氮的主要形態(tài)包括硝酸根離子、亞硝酸跟離子、溶解性氮?dú)狻⑷芙庑园睔夂弯@離子以及有機(jī)氮。大量的氨氮泄露進(jìn)入水體后，硝化反應(yīng)導(dǎo)致一部分氨氮轉(zhuǎn)化成了硝態(tài)氮，并且引起溶解氧損失。見圖6，泄漏事故發(fā)生后，氨氮濃度增加，無機(jī)氮和總氮濃度隨之上升。硝化作用是影響氨濃度的主要過程之一，因?yàn)?a href="http://www.ruiyinglinkage.com/nongyezazhi/hjbhkxzz/669350.html" target="_blank">河流水體流動(dòng)性較強(qiáng)，且反應(yīng)時(shí)間有限，硝態(tài)氮濃度增加幅度較小。因此，在分析調(diào)控方案效果的時(shí)候，認(rèn)為氨氮濃度下降主要是由于調(diào)水和抽水的作用，轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮的比例非常低。采取的方案有調(diào)水和抽水兩種。調(diào)水流量從200m3/s逐步升至1000m3/s，調(diào)水48小時(shí)。抽水流量從2m3/s逐步升至10m3/s，抽水48小時(shí)。不同實(shí)施方案調(diào)水6小時(shí)后氨氮濃度分布圖見圖7。事故發(fā)生后，S3單元氨氮濃度最高，調(diào)水3小時(shí)后，S4單元氨氮濃度最高，調(diào)水6小時(shí)后，污染帶往下游遷移，此時(shí)S5單元氨氮濃度最高。大流量調(diào)水將污染帶迅速地沖到下游，6小時(shí)后，下游單元的氨氮濃度比中流量調(diào)水時(shí)高。抽水時(shí)河流保持原有流量，污染物擴(kuò)散較慢，6小時(shí)后，下游單元氨氮濃度低于調(diào)水時(shí)濃度。事故后S6單元氨氮濃度超標(biāo)（大于1mg/L），見圖8，從各方案實(shí)施后對(duì)S6單元氨氮濃度的變化看，從事故段支流抽水時(shí)S6單元氨氮濃度峰值最低，但是氨氮濃度下降最慢，達(dá)標(biāo)耗時(shí)最長(zhǎng)。調(diào)水流量越大，氨氮濃度下降越快，S6單元在調(diào)水1000m3/s實(shí)施后達(dá)標(biāo)耗時(shí)最短。此外幾種方案中跨界斷面達(dá)標(biāo)耗時(shí)都相對(duì)較長(zhǎng)（最短的大約為20h），因此根據(jù)實(shí)際環(huán)境中風(fēng)險(xiǎn)管理與敏感目標(biāo)保護(hù)需要，可適當(dāng)延長(zhǎng)調(diào)水時(shí)間以縮短達(dá)標(biāo)耗時(shí)。

3結(jié)語

本文以太浦河監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)位基礎(chǔ)，應(yīng)用WASP7.52模型中的EUTRO模塊對(duì)太浦河水質(zhì)進(jìn)行模擬，假設(shè)了三種水質(zhì)超標(biāo)的情形，并提出調(diào)控方案，改善水質(zhì)。主要結(jié)論如下：（1）應(yīng)用WASP7.52對(duì)太浦河河網(wǎng)進(jìn)行概化，確定了主要參數(shù)，利用2013年上半年和下半年的水質(zhì)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，結(jié)果表明，太浦河水質(zhì)模型的模擬值和實(shí)測(cè)值誤差較小，數(shù)值曲線變化規(guī)律趨于一致，WASP模型在太浦河具有很好的適用性。（2）運(yùn)用模型研究流域水資源優(yōu)化調(diào)控技術(shù)方案，包括枯水期區(qū)域累積性污染、雨季面源污染的水資源優(yōu)化調(diào)控技術(shù)方案，以及在突發(fā)污染事件發(fā)生時(shí)，通過抽調(diào)水改善水質(zhì)減小事故影響范圍，降低水污染風(fēng)險(xiǎn)的方案。模型計(jì)算結(jié)果表明調(diào)水和事故河段抽水可以改善河道水質(zhì)，調(diào)水和抽水量越大，改善作用越明顯。發(fā)生突發(fā)污染事故后，較之于調(diào)水，在事故段抽水短期內(nèi)能夠更快的降低污染物含量，減小對(duì)下游的危害。（3）較之于傳統(tǒng)的考慮單一因子的優(yōu)化方案比選，本研究利用現(xiàn)代數(shù)值分析技術(shù)系統(tǒng)性地解決河流水質(zhì)水量資源配置問題。對(duì)水質(zhì)達(dá)標(biāo)過程中的相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行了設(shè)定和分析，包括河流水質(zhì)現(xiàn)狀、初始水文條件、污染物入河負(fù)荷等的設(shè)定和選取，構(gòu)建出一套適用于研究區(qū)域的系統(tǒng)性優(yōu)化方案。

作者：殷洪錢新姚紅,夏必勝高海龍單位：污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院