河流混合污染物濃度二維移流擴散研究

寧秀美

關鍵詞：河流；混合污染物；污染物濃度；二維擴散

中圖分類號：X522 文獻標志碼：A

前言

由于大量的生活污水與工業廢水經排污口排入河流中，其中的大量混合污染物對河流的水質造成了不可修復的影響，同時導致排污口附近的水域環境質量下降。因此，對河流混合污染物的運移傳輸規律進行研究，分析污染物濃度移流擴散特性與濃度分布，對于河流污染的防治具有重要意義。

當前，應用較為廣泛的污染物濃度移流擴散分析方法主要包括元胞自動機分析法和對流一彌散分析法。元胞自動機分析法根據水體的局部動力學方程，結合數學模型法對影響污染物濃度各要素之間的關系進行分析，進而得出污染物濃度在擴散漂移過程中，隨局部區域的各種條件而變化的規律，但該方法對水體各方面條件的抽象程度過大，導致模擬結果的空間位置與形狀失真程度較大；對流一彌散分析法通過數值模擬來研究污染物在水體中的傳輸和濃度分布，并將其結果存儲在水體的屬性字段中，基于水流的流向、流速構建分析模型，雖然該方法對于水體條件的抽象較為細致，但忽略了對次生污染源的模擬分析。鑒于以上分析，文章提出一種新的河流污染物濃度二維移流擴散分析方法，通過建立能夠模擬污染物運移過程的擴散模型，得出污染物濃度的變化規律，可為河流污染物的治理提供科學依據。

1河流混合污染物濃度二維移流擴散分析方法設計

1.1污染物濃度的分布計算

當生活污水與農業、工業廢水通過特定排污口進入河流時，由于污染物初始濃度偏高，在河流兩岸及中心區域形成水平與垂直方向的均勻混合現象，因此，混合污染物濃度的遷移過程屬于平面二維問題。為深入分析河流混合污染物濃度二維移流擴散的過程特性，文章將水體污染看作恒定連續面源，從污染物濃度的解析計算出發，考慮水域兩岸的反射情況，基于污染物質遷移疊加原理，計算污染物濃度的分布。

假設流域水質為均質飽和，對于污染防治良好的鄰域，土壤可以在很大程度上阻止污染物的對流運移，污染物在河流中遷移的主要方式是擴散與吸附，其中河流底部土壤對污染物起到平衡線性吸附作用，故污染物濃度的變化過程為二維擴散，擴散方向為x和z方向，引起河流混合污染物運移的主導因素為湍流，見圖1。

圖1中，C為任意一點處的污染物濃度值；σ，為污染物在y方向的標準差。

其中模型入口邊界為恒定濃度邊界，出口邊界濃度為0。除入口邊界外，初始狀態下求解域內污染物濃度為0。然后生成一系列流速值并賦予入口邊界控制體積，從而得到試樣內的流量值，然后依據線性方程組求解方法進行數值模擬500次，得到每一時步條件下求解域內的模型解析解。

2.4污染物二維移流擴散分析結果

利用文章中方法構建污染物二維移流擴散模型，采用有限體積法對模型求解，得到污染物移流擴散濃度的解析解，并將文章解析解答與污染物運移分析軟件POLLUTEv7的計算結果進行對比，得到的河流混合污染物濃度分布曲線見圖4。

從圖4可以看出，不同深度下基于文章解得到的污染物濃度分布曲線與軟件得到的曲線分布規律均一致，且在不同斷面處兩種方法的分析結果完全相符，表明文章設計的污染物濃度二維移流擴散分析方法的合理性，對于污染物的運移過程有著較為準確的描述，能夠準確反映出河流混合污染物濃度的擴散分布情況。

2.5河流污染物通量計算誤差對比實驗分析

基于上述污染物濃度分布結果，對河流底部污染物通量進行計算，并采用元胞自動機分析法（方法1）、對流一彌散分析法（方法2）與文章方法進行比較，以驗證文章所提方法對于污染物濃度二維移流擴散分析的合理性。不同方法計算污染物通量的結果對比見圖5。

通過分析圖5可知，文章方法對河流污染物濃度擴散過程進行分析得到的河流底部污染物質量通量與理論值一致，而利用方法1與方法2得到的污染物通量與真實值存在較大偏差，主要是由于這兩種方法忽略了污染物降解參數對污染物濃度二維移流擴散的影響，故計算得出的污染物通量不準確。由此可以說明，文章設計的方法能夠準確模擬河流污染物濃度二維移流擴散過程，分析結果更加可靠。

3結束語

現有河流污染物濃度移流擴散分析方法忽略了對次生污染源的模擬分析，使得計算得出的污染物通量不準確。為此，文章提出一種新的河流污染物濃度二維移流擴散分析方法，通過計算河流污染物的濃度分布，求取污染物的混勻濃度，以河段劃分為依據，設計模型的邊界條件，建立污染物濃度移流擴散模型，根據混合污染物在河流中的遷移特點，采用有限體積法求解模型得到解析解，完成對污染物濃度二維移流擴散特性的分析。經實驗結果表明，文章設計的污染物濃度二維移流擴散分析方法的合理性，對于污染物的運移過程有著較為準確的描述，能夠準確反映出河流混合污染物濃度的擴散分布情況。分析得到的河流底部污染物質量通量與理論值一致，分析結果的可靠性較高。