盤錦市水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警預(yù)報二維模型的構(gòu)建與應(yīng)用

陳 俊

(遼寧省撫順水文局，遼寧 撫順 113015)

隨著社會經(jīng)濟的快速，人們逐漸意識到水環(huán)境安全面臨越來越嚴重的威脅，開展水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報模型研究已成為管理水質(zhì)安全的重要環(huán)節(jié)之一。通過構(gòu)建市水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報模型，能預(yù)報水域內(nèi)各斷面的水質(zhì)變化趨勢，一旦發(fā)生重大水污染事件，該模型對事發(fā)地可能出現(xiàn)的水質(zhì)時空變化過程進行快速模擬，評估水污染事件影響的范圍和級別，啟動應(yīng)急處理預(yù)案，從而為水源地保護管理機構(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凈能力提出應(yīng)對水體中污染物濃度超標的相應(yīng)措施，以避免出現(xiàn)更大的水污染事故，確保當?shù)鼐用竦娘嬘盟踩乐钩霈F(xiàn)更嚴重的二次污染，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、社會、環(huán)境3種效益的有機統(tǒng)一。近些年來，對于河流水質(zhì)預(yù)報預(yù)警國內(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)警等級很難統(tǒng)一，需要結(jié)合區(qū)域水質(zhì)實際狀況，對其水環(huán)境預(yù)警等級進行標準劃分。尤其是北方獨流入海河流的季節(jié)性特點，其汛期和非汛期水體中污染物濃度變化較大，因此對于北方獨立入海河流需要結(jié)合其河流水質(zhì)變化特征制定相對應(yīng)的水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警等級，通過構(gòu)建基于二維非恒定流水質(zhì)模型，分汛期以及非汛期對水中污染物擴散變化進行模擬。當某一斷面污染物超標時，以超標斷面位置為事故發(fā)生原點，利用預(yù)報模型模擬污染物濃度隨時間變化過程，確定預(yù)警開始時間以及預(yù)警解除時間，實現(xiàn)污染物濃度變化趨勢的可視化，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)警等級劃分

本文依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中劃分的5類水，結(jié)合盤錦市地表水和地下水質(zhì)實際狀況，將盤錦市水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警等級確定為安全狀態(tài)、初級預(yù)警、中級預(yù)警、高級預(yù)警、嚴重預(yù)警5個等級，分別對應(yīng)水質(zhì)類別中的Ⅰ—Ⅴ類水，結(jié)果見表1。

表1 盤錦地區(qū)水環(huán)境預(yù)警質(zhì)量等級

2 水質(zhì)預(yù)報模型建立

2.1 模型基本方程

針對平原地區(qū)獨流入海季節(jié)性河流特點，采用圣維南方程組構(gòu)建河流水質(zhì)擴散模型。嚴格意義上講河流水質(zhì)模型都是三維結(jié)構(gòu)。但在實際應(yīng)用中，通常根據(jù)實際情況將水體的水質(zhì)計算簡化為二維、一維甚至零維來計算。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—時間，s；ux、uy、uz—不同方向流速，m/s；Dx、Dy、Dz—不同方向擴散系數(shù)，m2/s；K—污染物降解速率，d-1。

2.2 水質(zhì)模型求解

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

2.2.1無岸邊限制的點源瞬時模型

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

(2)

其計算初始條件為：

(3)

其計算邊界條件為：

(4)

(5)

對上述水質(zhì)模型進行逆變換，二維瞬時點源擴散方程可變換為：

(6)

當a和b均等于0，則原點即為污染排放點，原點假定坐標為(0，0)，其二維點源擴散模型計算方程為：

(7)

當左岸邊為其污染源釋放點，那么點源瞬時排放的二維擴散模型計算方程為：

(8)

2.2.2有岸邊限制的點源瞬時模型

若河流寬度較低，水面計算范圍較窄，污染總量為M克污染物向河流中投放。污染物擴散到岸邊后，岸邊會猶如鏡子一般對污染物有所反射，另一個像源有所呈現(xiàn)，污染程度有所加劇。再次污染會由于岸邊全發(fā)射而發(fā)生，本文有岸邊限制的河流瞬時模型對盤錦市主要河流進行二維瞬時點源擴散模型的計算：

exp(-Kt)

(9)

當a=0或a=B時，在岸邊排放點源。當a=B/2，在水面中心進行點源排放。模型中排放口為坐標原點，下游為x方向，對岸為y方向，通常在實際計算中只反射1次即可。

式中，x—排放點距離預(yù)測點的距離，m；y—排放口距離預(yù)測點的橫向距離，m；t—預(yù)測時段，s；c—(x，y)位置點污染物的濃度，mg/L；M—污染物單位時間內(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—反射計算次數(shù)；π—圓周率。

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

2.3 模型參數(shù)的確定

對模型參數(shù)的合理確定對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散系數(shù)需要在模型建立時進行確定，本文水質(zhì)模型參數(shù)的確定主要通過經(jīng)驗公式方法進行估算。

2.3.1橫向擴散系數(shù)確定

采用經(jīng)驗公式對天然河流橫向擴散系數(shù)Dy進行確定，方程為：

Dy=aHu*

(10)

(11)

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

表2 河流不同類型下的橫向擴散系數(shù)a參考值

2.3.2縱向離散系數(shù)確定

縱向擴散系數(shù)要遠大于縱向離散系數(shù)，采用表3中經(jīng)驗方程對河流縱向離散系數(shù)進行確定。本文主要采用中國水電科學(xué)院推薦的公式進行縱向離散系數(shù)的確定。

表3 河流縱向離散系數(shù)經(jīng)驗計算公式

2.3.3斷面設(shè)計流速和水深

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，對于河流有斷面實測數(shù)據(jù)的，通過流速、水深和斷面流量之間的正向相關(guān)性，對計算河段的水力特征進行計算：

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)驗系數(shù)，其取值主要通過河段水文數(shù)據(jù)進行確定。

對方程(12)進行線性轉(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為斷面流速均值，和2020年的汛期和非汛期實測水文資料進行相關(guān)性分析，得到盤錦地區(qū)主要河流流速和水深流速之間的相關(guān)方程，具體見表4。

表4 盤錦市河流斷面經(jīng)驗公式

對于無實測水文資料的河段，河道比降以及糙率可以采用曼寧公式進行平均流速的計算，或者采用內(nèi)插、類比方法對設(shè)計流速和水深進行推求。

3 模型應(yīng)用

3.1 模型驗證

本文以盤錦地區(qū)杜家水文站為驗證計算節(jié)點，結(jié)合杜家水文站汛期和非汛期2015—2020年實測苯酚采樣監(jiān)測指標進行模型驗證，選擇在有岸邊限制條件下的瞬時點源二維水質(zhì)擴散模型進行計算，由方程(9)研究確定苯酚降解系數(shù)K=0，河流中心為點源釋放點，污染物揮發(fā)酚標準濃度為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)見表5。

表5 模型參數(shù)設(shè)置

表6 模型驗證結(jié)果

以苯酚作為模擬污染指標，苯酚主要用于農(nóng)藥以及化工企業(yè)，具有很強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)測指標可看出，其各年份苯酚指標汛期和非汛期濃度均低于0.004mg/L，汛期由于進入河流內(nèi)的污染物有所增多其汛期苯酚濃度總體要高于非汛期。通過建立的點源二維水質(zhì)擴散模型驗證結(jié)果可看出，各年份下模型模擬的苯酚濃度和監(jiān)測濃度之間的誤差總體低于±30%，滿足水質(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，通過建立的瞬時點源二維水質(zhì)模型，選擇有岸邊限制的邊界條件，結(jié)合MATLAB軟件對紅旗水庫上游污染物濃度變化進行模擬，汛期和非汛期不同時刻的污染物濃度擴散模擬結(jié)果如圖1—2所示。

圖1 汛期不同時刻揮發(fā)酚濃度空間分布

從汛期和非汛期盤錦地區(qū)紅旗水庫上游不同時間的揮發(fā)酚濃度維空間變化圖可看出，污染團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水方向的河流流速。橫向和縱向擴散系數(shù)是污染范圍增加的主要影響因子。水體的自凈能力以及污染物的自身降解是其濃度逐步降低的主因。通過模擬可看出水體中污染物濃度隨著時間的增加逐步減小。當污染物擴散范圍達到下游臨界值后，最高濃度會低于標準值。當擴散范圍低于下游臨界值時，水體污染物濃度會在某時段內(nèi)超過標準濃度值。對于水質(zhì)控制點，當該污染物濃度超過標準濃度，對應(yīng)表1中的預(yù)警等級濃度標準，則認為發(fā)生突發(fā)水質(zhì)事件，此時進行水質(zhì)預(yù)警。紅旗水庫位于杜家水文站下游2km處，設(shè)有應(yīng)急入盤取水口，本文對不同時段應(yīng)急取水口的揮發(fā)物濃度也進行了模擬，通過模擬分析，當揮發(fā)酚濃度超標8.3min后，即發(fā)出突發(fā)水質(zhì)預(yù)警，在25.3min后濃度回降到標準濃度以下，從發(fā)出預(yù)警到預(yù)警解除時間為17min。非汛期預(yù)警開始時間為66.5min，解除預(yù)警的時間為106.5min，污染預(yù)警持續(xù)時間為40min。相比于汛期，非汛期峰值濃度預(yù)警時間有所延緩。

圖2 非汛期不同時刻揮發(fā)酚濃度空間分布

4 主要結(jié)論

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

(2)對于無實測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行平均流速的計算，或者采用內(nèi)插、類比方法對設(shè)計流速和水深進行推求。

(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，當預(yù)測污染物濃度超過預(yù)警等級對應(yīng)的標準值后，即發(fā)出預(yù)警，當濃度低于預(yù)警等級標準后，即可解除預(yù)警，預(yù)警時間內(nèi)污染物濃度時空變化可以為水質(zhì)突發(fā)應(yīng)急響應(yīng)措施提供重要的支撐。