劉 江,陳國鼎,曾繼軍,李國棟
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水質(zhì)與水環(huán)境一直是科學(xué)研究的重點(diǎn)目標(biāo),人們對(duì)水質(zhì)模型的研究也日益深入。傳統(tǒng)的水質(zhì)分析往往通過連續(xù)的取樣、檢測(cè)的方式來監(jiān)測(cè)流域水質(zhì)的變化。然而污染物存在離散性和明顯的時(shí)空變化特征,當(dāng)測(cè)站不足時(shí)則無法充分覆蓋目標(biāo)流域,同時(shí)也無法準(zhǔn)確反應(yīng)區(qū)域的水質(zhì)狀況,并且存在監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、耗資大等問題。由于傳統(tǒng)分析方法存在上述弊端,開發(fā)水質(zhì)的數(shù)學(xué)模型成為關(guān)鍵。目前,常用的水質(zhì)模型有WASP、QUAL、QUASAR、MIKE 等,并且已在河流[1-8]、湖泊[9-10]、水庫[11-12]、地下水[13]等得到了廣泛的應(yīng)用。水質(zhì)模型涉及變量繁多,物理化學(xué)過程復(fù)雜,常用到多個(gè)模型的耦合,因此,對(duì)水質(zhì)變量的準(zhǔn)確描述和模型參數(shù)的率定成為重要環(huán)節(jié)。周鵬程等[14]以深圳市原水系統(tǒng)中的多個(gè)水庫為例,建立了多參數(shù)最優(yōu)化估值模型,并基于粒子群算法對(duì)多庫水質(zhì)聯(lián)合模擬模型中的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解,可為城市原水系統(tǒng)水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控提供了參考依據(jù)。吳俊鋒等[15]采用了影響系數(shù)法,在二維水動(dòng)力水質(zhì)模擬的基礎(chǔ)上,以下邊界上最大濃度點(diǎn)為控制點(diǎn),計(jì)算區(qū)域的水環(huán)境容量,并對(duì)長(zhǎng)江儀征工業(yè)用水區(qū)的水環(huán)境容量進(jìn)行了計(jì)算,得出該河段環(huán)境容量。唐國平等[16]選用WASP模型的EUTRO模塊對(duì)氨氮(NH3-N)、化學(xué)需氧量(COD)和總磷(TP)進(jìn)行模擬計(jì)算,并對(duì)模型主要參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。劉梅冰等[17]運(yùn)用流域日尺度分布式水文模型SWAT和二維垂向水動(dòng)力水質(zhì)模型CE-QUAL-W2,構(gòu)建了山美水庫流域水量水質(zhì)模擬聯(lián)合模型,并反映山美水庫流域及庫區(qū)水體的水動(dòng)力和污染過程。水質(zhì)的數(shù)學(xué)模型可提高水質(zhì)評(píng)價(jià)的效率,更直觀準(zhǔn)確的體現(xiàn)變量的時(shí)空分布特征。
鴨子蕩水庫作為寧東供水工程的核心,其水體污染物含量是評(píng)價(jià)水庫水質(zhì)情況的重要指標(biāo),也是水庫能否正常調(diào)度運(yùn)行的重要依據(jù),因此對(duì)鴨子蕩水庫水質(zhì)的模擬研究具有重要意義,也是為保證用水安全的迫切需求。本文基于MIKE生態(tài)模塊(Ecolab)與對(duì)流擴(kuò)散模塊耦合,同時(shí)考慮污染物的對(duì)流擴(kuò)散與衰減,對(duì)鴨子蕩水庫進(jìn)行水質(zhì)模擬。計(jì)算結(jié)果可反映水庫水質(zhì)指標(biāo)變化過程,并表明水質(zhì)對(duì)高濃度污染物具備自凈能力。
鴨子蕩水庫距寧夏自治區(qū)銀川市約60 km,地處靈武市,位于東經(jīng) 105.59°~ 106.37°,北緯 37.60°~38.01°,屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。作為寧東供水工程的核心,鴨子蕩水庫也是寧東能源化工基地最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一,承擔(dān)著為基地工業(yè)、生態(tài)、生活提供用水的大任,其安全與正常運(yùn)行關(guān)系著寧東乃至寧夏經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。
1.2.1 對(duì)流擴(kuò)散模型
建立在水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上,污染物的輸移和擴(kuò)散采用二維對(duì)流擴(kuò)散方程,在MIKE中控制方程如下:
式中:Dx、Dy分別為x與y方向上的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;C 為污染物濃度,mg/L;S 為源匯項(xiàng),mg/(L·s);Kp為呈線性的衰減率;h為水深,m;u,v分別為x,y方向上的流速,m/s;t為時(shí)間,s。
1.2.2 水質(zhì)模型
水質(zhì)模型主要考慮污染物的生化降解反應(yīng),并與對(duì)流擴(kuò)散模塊耦合。水質(zhì)中COD用于模擬有機(jī)質(zhì)含量,降解符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)規(guī)律:
式中:k1為 COD降解系數(shù),ARRHENIUS20(tetadcod,temp)為溫度校正函數(shù),tetadcod為溫度校正常數(shù),temp為水溫,引入溫度校正函數(shù)的主要原因?yàn)镃OD降解系數(shù)與水溫有密切關(guān)系,使模型更加準(zhǔn)確。
DO的生化表達(dá)式為:
式中:reaera為大氣復(fù)氧,phtsyn為光合作用產(chǎn)氧,respT為呼吸作用耗氧,sod為底泥需氧量,nitriDO為硝化需氧量,mg/(L·d)。
NH+4生化表達(dá)式為:
式中:plantn為植物攝取量,nitri為硝化損耗量,mg/(L·d)。
1.2.3 模型參數(shù)和定解條件
由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)只記錄水庫出口處的污染物濃度,因此,缺少水庫入流污染物濃度及水庫初始污染濃度。為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性,需對(duì)水庫的污染物濃度做合理性假設(shè)??紤]水庫的入流為污染物主要來源,污染類型為點(diǎn)源污染。由于入口處污染物濃度未知,可采用假設(shè)試算,由于水庫水體自身具備溶解氧并且溶氧量存在飽和度,再考慮到溶解氧的生化方程式,DO濃度整體處于平衡狀態(tài),因此入流水體溶解氧數(shù)值與出口相似,可采用出流的溶解氧。COD和氨氮為水體的主要污染物類型,在水庫中由于對(duì)流擴(kuò)散和衰減的作用使其濃度降低,因此將濃度提高至5倍,作為污染物入流條件進(jìn)行試算。由于水庫歷年入流污染物濃度變化不大,因此選用數(shù)據(jù)齊全的2012年作為模擬對(duì)象,并且可根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)其余年進(jìn)行類推,并對(duì)未來水質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。
水質(zhì)測(cè)點(diǎn)位于水庫出水塔附近,主要測(cè)量指標(biāo)為水溫、濁度、pH值等。由于DO值部分缺失,無法完成完整統(tǒng)計(jì),但就已有數(shù)據(jù)分析,其值基本處于區(qū)間(7,15),并且逐年變化甚微。主要污染物指標(biāo)COD和氨氮濃度如圖1所示。
圖1 氨氮(a)和有機(jī)物(COD)(b)污染物濃度年平均及月平均變化趨勢(shì)
由圖1可知,COD濃度值整體上處于穩(wěn)定狀態(tài),其值基本分布在2 mg/L~3 mg/L,從多年平均值圖中可以看出COD含量隨年際變化不大,趨于平穩(wěn)。從月平均圖中可以看出COD含量在夏季有輕微的上升,冬季比夏季低,呈現(xiàn)著季節(jié)規(guī)律性變化。推測(cè)其原因可能與水溫有關(guān),夏季水溫為20℃左右,接近水生物最適宜活動(dòng)溫度,生物活動(dòng)較為活躍。水體氨氮含量在多年平均上表現(xiàn)較為穩(wěn)定,數(shù)值大小在0.80 mg/L ~ 0.18 mg/L。對(duì)于氨氮濃度月均值,在1、2、3月有顯著上升的趨勢(shì),其原因尚不明確,原因可能為人類活動(dòng)有關(guān)。
根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(見表1),DO與COD濃度基本達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),氨氮濃度存在少數(shù)時(shí)間段處于Ⅱ類水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),但是大部分時(shí)段仍達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。因此,可以判斷鴨子蕩水庫水質(zhì)狀況良好,受污染程度較低。
表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 單位:mg/L
在水庫出流處布置測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見圖 2(a)、圖 2(b)、圖 2(c)。
由圖2(a)DO實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比表明,兩者趨勢(shì)保持一致,數(shù)值上擬合較好,說明計(jì)算結(jié)果較為合理。DO濃度曲線較為平緩,無跳躍點(diǎn)和突變點(diǎn),原因?yàn)橛捎诖髿鈴?fù)氧和光合作用的效應(yīng),使水體中氧氣含量得到補(bǔ)充,因此可以維持氧氣濃度值處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)。并且由于水庫水體溶氧量與入流水體溶氧量較為接近,因此受入流條件影響小,影響DO濃度值的主要因素為水溫、水生物活性等自然條件,與實(shí)際情況接近。水庫主要污染物COD和計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)相似,計(jì)算值處于合理范圍,根據(jù)式(2)、式(4)得 COD 與濃度在沒有入流時(shí)呈衰減狀態(tài),濃度值的增減主要取決于入流條件,因此兩者濃度受入流影響較大并且曲線震蕩較為明顯。
圖2 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比
圖3 濃度區(qū)域分布
為驗(yàn)證水庫對(duì)水質(zhì)較差的入流是否具備自凈能力,模擬時(shí)采取放大入流污染物濃度的方法,記錄計(jì)算結(jié)果,并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,評(píng)價(jià)水庫的自凈能力。模擬條件參數(shù)與之前保持一致,將入流污染物濃度提高至10倍,在出流處設(shè)置測(cè)點(diǎn),計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見圖 2(a)、圖 2(b)、圖 2(c))。結(jié)果表明:將 COD和濃度增加10倍后,污染物濃度明顯上升,表明入流污染物濃度對(duì)計(jì)算水質(zhì)影響較大。DO計(jì)算結(jié)果顯示,入流污染物濃度增加后,DO值有較小的降幅,但趨勢(shì)保持不變,與正常入流接近。原因?yàn)槲廴疚餄舛壬仙?,其化學(xué)變化轉(zhuǎn)化量增加,導(dǎo)致需氧量也增加。從COD計(jì)算結(jié)果來看,出口處COD濃度有較為明顯的增幅,但根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,其值依然在Ⅰ類水質(zhì)范圍內(nèi),水質(zhì)狀況良好。值入流濃度增大10倍后,出口處的濃度在時(shí)間序列前期明顯增加,在后期變化不大,與實(shí)測(cè)資料接近。氨氮濃度在3、4月份出現(xiàn)大于0.5的值,根據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),屬于第Ⅲ類水。在其余月份濃度小于0.5,屬于第Ⅱ類水質(zhì),表明水庫具備自我凈化功能,對(duì)于入口處的污染物具備承載力。
(1)鴨子蕩水庫水質(zhì)屬于Ⅰ類水質(zhì),水質(zhì)狀況良好,受污染程度較低,可滿足寧東工業(yè)生產(chǎn)及居民用水需求。
(3)對(duì)于高濃度污染物的入流條件,鴨子蕩水庫仍能維持Ⅰ類水質(zhì)或Ⅱ類水質(zhì),水庫具備一定的自我凈化功能和環(huán)境承載力。
(4)耦合的MIKE對(duì)流擴(kuò)散模型和生態(tài)模型可用于水庫水質(zhì)的模擬研究,計(jì)算結(jié)果較為理想,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接近,可用于水庫的水質(zhì)評(píng)價(jià)及未來水質(zhì)預(yù)測(cè)。
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