基于數學模型的第二松花江支流飲馬河水質對干流水質的影響分析

孫少晨,肖偉華,周祖昊,王 浩

(1.東華大學環境科學與工程學院,上海201620; 2.中國水利水電科學研究院,北京100038)

基于數學模型的第二松花江支流飲馬河水質對干流水質的影響分析

孫少晨1,2,肖偉華2,周祖昊2,王 浩2

(1.東華大學環境科學與工程學院,上海201620; 2.中國水利水電科學研究院,北京100038)

利用2007年的監測數據分析第二松花江支流飲馬河(劣Ⅴ類水質)對干流水質的影響程度,通過建立的松花江流域一維河網水動力水質耦合模型,模擬分析了飲馬河水質改善(假設達到Ⅲ類水)后對第二松花江干流水質變化的影響。結果表明:6—8月支流水質改善后對干流水質影響較大;NH3-N指標比CODCr指標改善明顯;枯水月支流水質對干流水質的影響較小。

水質分析;數學模型;第二松花江;飲馬河

第二松花江水質污染問題一直受到環境界的極大關注,許多科技工作者做了大量的研究工作,但研究內容側重于沿岸點源、面源對水體質量的影響,而忽略了支流對水質的影響[1-6]。河流水質受上游來水水質的影響、本區污染源的影響以及支流水質的影響,因此有必要系統地分析和評價第二松花江支流水質對干流的影響。筆者利用所開發的松花江水動力水質模型進行第二松花江支流飲馬河水質對干流的影響研究,并進一步預測了支流水質條件變化后松花江干流水質的變化,以期為松花江治理工程提供決策依據。

1 飲馬河水質狀況

飲馬河為第二松花江主要支流之一,發源于磐石市驛馬鄉呼蘭嶺,流經磐石、雙陽、永吉、九臺、德惠、農安六縣(市),全長386.8km,流域面積為18247km2,流域形態略成一斜三角形(圖1)。東部為山地和松遼平原的過渡帶,南部為連綿的低山丘陵,西北部為松遼平原,中部為平原,地勢東南高、西北低,河流多為南北流向。主要支流有伊通河、霧開河、雙陽河等。

圖1 研究區概況

目前飲馬河水質惡化極為嚴重,飲馬河的德惠段、拉他泡段和靠山屯段為劣Ⅴ類水質;飲馬河支流伊通河的伊通段、長春段和農安段等也均為劣Ⅴ類水質[7]。伊通河在靠山屯水位站附近注入飲馬河,匯合后流經22km注入第二松花江。主要超標項目為 BOD5 、CODCr、NH3-N 。

德惠水質監測站和靠山水質監測站(以下簡稱德惠站和靠山站)位于飲馬河及其支流伊通河上,德惠站監測德惠市排污后飲馬河的水質狀況,靠山站監測伊通河匯入飲馬河前的水質狀況,兩站信息見表1。

表1 德惠站和靠山站信息

從表2、圖2可以看出主要超標項目為BOD5、CODCr和NH3-N,其中NH3-N超標最嚴重,在伊通河上NH3-N監測極大值超標48.64倍,飲馬河上NH3-N監測極大值超標22.62倍。其他監測結果亦表明伊通河全年NH3-N污染都非常嚴重。

表2 德惠站和靠山站2007年監測的水質情況

圖2 飲馬河德惠站、靠山站2007年監測數據比較

2 飲馬河匯入前、后第二松花江干流水質變化

通過設在第二松花江干流上游的松花江站和下游的五家水質監測站(以下簡稱松花江站和五家站)的監測數據,分析飲馬河匯入前、后第二松花江干流的水質狀況,結果如圖3所示。兩站信息見表3。

圖3 第二松花江干流松花江站和五家站2007年監測數據比較

從圖3可以看出,飲馬河匯入第二松花江后,干流五家站與上游松花江站測得的NH3-N質量濃度相比,前者明顯較大,但CODCr質量濃度沒有明顯增大。冰封期(1—3月及12月)由于河面結冰,干流不受面源的影響,水質變化完全由支流匯入及點源造成,在水流自凈作用的前提下,冬季支流匯入及點源影響可導致干流NH3-N質量濃度明顯升高。NH3-N是飲馬河超標最為嚴重的水質指標,對干流而言CODCr的影響相對較小。從圖3中還可以看出,在汛期干流五家站的NH3-N質量濃度及CODCr質量濃度與上游松花江站相比明顯升高。

表3 松花江站和五家站信息

3 水動力水質模型的建立

3.1 水動力模型

一維水動力模型的控制方程組(圣維南方程組)如下:

連續性方程

動量方程

式中:Q為流量;z為水位;g為重力加速度;B過水斷面寬度;A為過水斷面面積;qL為旁側入流流量;R為水力半徑;C為謝才系數;t為時間;s為距離。

利用Preissmann四點加權隱式差分格式對水流連續性方程和水流動量方程進行離散。可用追趕法求解[8-10]。

采用三級聯解法,即河道-節點-河道的方法,將整個河網看做由河道及河道節點組成,先將各單一河道劃分為若干計算斷面,在計算斷面上對圣維南方程組進行有限差分運算,得到以水位及流量為自變量的單一河道差分方程組,再根據節點連接條件及邊界條件形成封閉的節點水位方程,求解得到各節點水位,然后將各節點水位回代至單一河道,最終得到單一河道各斷面的水位和流量[8]。

3.2 水質模型

污染物質在河流中運動變化的基本方程(一維對流擴散方程)用下式表達:

式中:C為斷面的水質平均質量濃度;u為流速;E為縱向離散系數,采用Fisher半經驗公式[11]獲得;x為河道長度;S1為內部反應與相互作用項,如生物化學中的生長與降解變化等;S2為外部源、匯項。

按照物質守恒的原理和方法進行離散,可以得到相應的矩陣方程,結合邊界方程,可形成三對角矩陣方程組,并可用追趕法對方程組進行求解[12-15]。

4 水動力、水質模型的率定

4.1 水動力模型的率定

圖1給出了第二松花江模擬河段,上游邊界為松花江站,下游邊界為扶余(三)水文站(以下簡稱扶余站),距離步長為500m,時間步長為10min。水動力計算中上游邊界松花江站、德惠站、靠山站給定流量過程線,下游邊界扶余站給定水位過程線。采用2006年、2007年 4—10月第二松花江實測水位、流量資料對水動力模型進行率定、驗證。以糙率系數為基本率定參數,經率定,本江段的糙率系數為0.025～0.033。部分率定結果見圖4、圖5。從率定驗證的結果可知,水位和流量的計算值和實測值吻合很好,經率定的模型能夠滿足工程分析的精度需要。

圖4 扶余站流量計算值與實測值對比

圖5 松花江站水位計算值與實測值對比

4.2 水質模型的率定

水質邊界給定NH3-N、CODCr質量濃度時間歷程。干流河道上、下游之間各斷面初始時刻CODCr質量濃度為10～15mg/L,NH3-N質量濃度為0.5～0.7mg/L;支流河道各斷面初始時刻CODCr質量濃度為30～50 mg/L,NH3-N質量濃度為 3～35 mg/L,CODCr衰減系數為0.15～0.33d-1,NH3-N衰減系數為0.08～0.2d-1。

利用2007年4—10月的松花江同步水文水質監測資料對水質模型進行率定驗證,結果見圖6。主要衰減系數率定值與松遼水利委員會提供值相近。各水質變量質量濃度計算的相對誤差除了CODCr質量濃度個別時刻較大外(相對誤差接近30%),其余水質變量的相對誤差均不超過20%,說明所采用的模型能滿足水質模擬的需要。

圖6 五家站CODCr及NH3-N質量濃度計算值與實測值對比

5 支流水質改善對干流水質的影響分析

在上述工作的基礎上,為了更深入地分析支流水質改善對干流的影響,假設同期飲馬河劣Ⅴ類水質經過治理后達到GB 3838—2002規定的地表水Ⅲ類水質標準,同時干流上游來水水質不發生改變,在此假設的基礎上進行模擬,結果見圖7。

從圖7可以看出,4—10月期間飲馬河Ⅲ類水質情況下,干流下游五家站6—8月水質改善情況明顯,NH3-N指標變化比CODCr指標明顯,質量濃度最大變化可達20%左右,其他月份無明顯改善。

分析認為出現上述情況的主要原因在于:①支流NH3-N污染情況比CODCr嚴重;②從圖8中可以看出,6—8月支流流量占干流流量比例較大,最高可達30%,此時支流水質改善對干流影響較大,其他月份支流流量占干流流量的比例小于0.5%,相當于飲馬河的污染物匯入第二松花江干流后將被稀釋200倍以上,大幅度削減了污染物質量濃度。

6 結 論

a.飲馬河主要超標項目為BOD5、CODCr和NH3-N。通過松花江站、五家站的監測數據分析表明,在飲馬河匯入第二松花江干流后,經過水體的自凈作用,第二松花江干流水體中NH3-N質量濃度增加明顯,CODCr質量濃度增加不明顯。

圖7 飲馬河不同水質情況下干流五家站的水質情況

圖8 德惠站與松花江站2007年監測日均流量比

b.通過建立的松花江流域一維河網水動力水質耦合模型,模擬了4—10月期間飲馬河水質改善(Ⅲ類)后第二松花江干流水質的變化,結果表明:支流水質改善后對6—8月干流水質的影響較大,同時NH3-N指標比CODCr指標改善明顯;枯水月相應的影響較小。

c.第二松花江支流飲馬河的流量多數時間占干流流量的0.5%以下,相當于飲馬河的污染物匯入第二松花江干流后被稀釋200倍以上,大幅度削減了污染物質量濃度,導致大部分時間段飲馬河水質改善對第二松花江干流水質的影響較小。

d.豐水期第二松花江干流NH3-N指標受飲馬河水質影響較大,通過評價飲馬河水質對第二松花江干流水質的影響,可以類推其他流量較小、水質好于飲馬河的支流對第二松花江干流水質的影響會更小。

致謝:松遼水利委員會韓俊山總工程師及松遼流域水資源保護局李青山總工程師對本課題給予了大力支持,在此表示感謝!

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Impact of the second branch Yinma River on water quality of Songhua River based on mathematical model

SUN Shao-chen1,2,XIAO Wei-hua2,ZHOU Zu-hao2,WANG Hao2
(1.School of Environmental Science and Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China;2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China)

With the assistance of the monitored data of 2007,the impact of the second tributary Yinma River water quality(worse than levelⅤwater standard)onSonghua River was analyzed.A coupled hydrodynamics and water quality model of Songhua river net was developed.Based on this model,the impact of Yinma River on water quality of main stream of Songhua River was predicted.The results indicated that if the water quality of tributary met levelⅢwater standard,the water quality of main stream of Songhua River was improved largely from June through August.Ammonia Nitrogen Index was improved more significantly than that of CODCr.The impact was small in low flow months.

water quality analysis;mathematical model;the second tributary of Songhua River;Yinma River

X522

A

1004-6933(2011)03-0007-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.002

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07207-006);國家自然科學基金創新研究群體科學基金(50721006);“十一五”國家科技支撐計劃(2007BAB28B01)

孫少晨(1982—),男,黑龍江嫩江人,博士研究生,主要從事環境水質水動力模型開發及應用研究、水污染防治技術研究。E-mail:sunshaochen@126.com

(收稿日期:2010-05-18 編輯:高建群)