基于河流水質混合模型預測在地表水環境影響分析中的應用

李立君

（ 盤錦市綠色發展服務中心，遼寧盤錦 124010）

1 引言

地表水環境影響預測與評價是項目環評的重要內容， 其中污水排放對地表水體水質影響的結果預測是關鍵。 Mike 模型是一款致力于水環境和水資源方面研究的水質數學模型， 是由丹麥水資源及水環境研究所（ DHI）研究人員共同合作開發出來的［1］。Mike 模型已經成為我國專門用來研究水環境影響評價的標準軟件之一［2］。 Eco lab 是一個完備的、用于生態模擬的數值實驗室， 它提供了從簡單到復雜的解決方案［3］。該模塊可用于河流、濕地、湖泊、水庫等的水質模擬，預報生態系統的響應，簡單到復雜的水質研究工作，水環境影響評價及水環境修復研究，水環境規劃和許可研究，水質預報［4］。以盤錦市某河流為例， 采用Mike Eco lab 模型在污水排放不同情境條件下進行河流水質預測， 對污染物分布情況進行模擬分析，有針對性地提出環境保護措施和要求。

2 地表水體模型建立與預測情景設定

2.1 地表水體模型建立

以盤錦某條地表水體為例，根據計算范圍，將模擬區域劃分為三角形計算網格，見圖1。 根據最不利要求，模型上邊界采用枯水期監測流量20 m3/s，下邊界水位數據2.5 m，同時以污染排污口斷面的水質監測數據作為濃度邊界條件，對上游斷面D1 監測數據與預測計算值進行對比，得到地形數據的可靠性。 本次地表水的預測范圍為排污口上游9 000 m 至排污口下游11 000 m，計算范圍長約20 km。

圖1 河流模型計算網格

2.2 預測情景設定

根據預測情景，污水排放量情景設定分別為5 000，10 000 m3/d，污染因子選取COD，NH3-N 和石油類，見表1。

表1 污水排放量情景設定

模擬河流水質情況見表2。

表2 模擬河流水質情況 mg/L

2.3 模型選用

模型控制方程采用平面二維數學模型， 模擬預測物質在寬淺水體中，在垂向達到均勻混合的狀況，即滿足《 環境影響評價技術導則 地表水環境》（ HJ 2.3—2018）所要求的預測情況。 水動力數學模型的基本方程為：

式中，u 為對應于x 軸的平均流速分量，m/s；v 為對應于y 軸的平均流速分量，m/s；zb為河底高程，m；f為科氏系數，f=2Ωsinφ，s-1；cz為謝才系數，m1/2/s；τsx，τsy分 別 為 水 面 上 的 風 應 力，τsx=r2ρaw2sinα，τsy=r2ρaw2cosα，r2為風應力系數，ρa為空氣密度，kg/m3，w為風速，m/s，α 為風方向角；Am為水平渦動黏滯系數，m2/s；x 為笛卡爾坐標系x 向的坐標，m；y 為笛卡爾坐標系y 向的坐標，m；S 為源（ 匯）項，s-1。

水質數學模型的基本方程為：

式中，CS為源（ 匯）項污染物濃度，mg/L。

不考慮岸邊反射影響的寬淺型平直恒定均勻河流，岸邊點源穩定排放，濃度分布公式為：

式中，C（ x，y）為縱向距離x、橫向距離y 點的污染物濃度，mg/L；m 為污染物排放速率，g/s。

2.4 計算結果驗證

經反復驗證，河床糙率即曼寧系數0.032、渦動黏滯系數0.29， 經計算機模擬并對比下游1 000 m斷面D2 的監測數據表明， 模擬得到的數據各指標濃度計算值與實測值吻合較好，說明河床糙率、污染物衰減系數及其他參數選取合適、可靠。排水口下游污染物濃度計算值與實測值對比見表3。

表3 排水口下游污染物濃度計算值與實測值對比

3 預測結果及分析

在情景1 模式下，污染物預測結果見圖2。

圖2 情景1 模式下污染物預測結果

在情景2 模式下，污染物預測結果見圖3。

圖3 情景2 模式下污染物預測結果

通過以上模擬結果可知， 對于COD 和NH3-N等具備生物降解性質的污染物， 在較短的距離內能實現良好的混合和削減； 石油類污染物相對混合達標流程較長。在不同排放量的條件下，排放量增加會加大混合區的范圍， 但即使在排放量增大一倍情形下，在本文所分析的河流水質和水文條件下，混合區面積僅增加15%左右。排放口實施近岸排放，污染物削減及達標混合區主要位于排放口所在下游的岸邊處，對河流對岸和河流中心影響相對較小。

4 建議

根據模擬結果及分析得到的結論， 在加強環境管理方面提出以下建議：

（ 1）排污口盡量設置在河流中心。 根據分析結果， 污染物混合區主要集中在排放口所在河岸的下游，這些區域相對環境敏感目標較多，設置在河流中心有利于降低污染物排放對環境敏感目標的影響。

（ 2）排污口設置在近岸的河流，其控制監測點位設置在其所在岸邊的下游更為符合監管和監控要求，在事故狀態下，加強對下游水質的監測集中在岸邊更為合理。