湖泊岸線變化對(duì)水體污染物輸移擴(kuò)散影響研究

許猛　劉亞修　陳天力

摘要：為研究湖泊岸線變化情況對(duì)于水體污染物輸移擴(kuò)散的影響作用，選擇某市的一個(gè)轄區(qū)，針對(duì)該轄區(qū)某湖泊岸線變化實(shí)施潮流場(chǎng)數(shù)值模擬。選用COD作為水體污染物實(shí)施輸移擴(kuò)散模擬，構(gòu)建COD輸移擴(kuò)散模型。主要考慮6個(gè)點(diǎn)源的污染物輸入，依據(jù)點(diǎn)源排污量分別在大潮與小潮作用的湖泊岸線變化情況下研究不同岸線類型的COD輸移擴(kuò)散情況。在大潮、小潮作用下，COD在修復(fù)岸線與自然岸線的輸移擴(kuò)散范圍更小，在人工岸線的輸移擴(kuò)散范圍大。可以看出，與人工岸線相比，自然岸線和修復(fù)岸線可以抑制COD在水體中的擴(kuò)散范圍。

關(guān)鍵詞：岸線分類；水體污染物輸移擴(kuò)散；湖泊岸線；岸線類型

中圖分類號(hào)：X524 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

各種生活污水及工業(yè)廢水一直被大量排入湖泊中，使湖泊岸線的水體環(huán)境質(zhì)量日趨惡化。根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果，大部分湖泊排污口都存在污染物超標(biāo)排放問題，很多排污口附近水環(huán)境污染嚴(yán)重，對(duì)湖泊功能區(qū)有著嚴(yán)重?fù)p害。這一切都表明湖泊近岸水環(huán)境污染問題十分嚴(yán)重。其中湖泊近岸水環(huán)境質(zhì)量的好壞不僅與人類活動(dòng)情況相關(guān)，也與水域水動(dòng)力條件息息相關(guān)，也就是與湖泊岸線變化情況相關(guān)。改善湖泊近岸水域環(huán)境質(zhì)量最根本的策略是減少和控制排放陸源污染物，但該點(diǎn)實(shí)現(xiàn)難度較大。而通過對(duì)湖泊岸線變化與水體污染物輸移擴(kuò)散問題進(jìn)行研究，所獲得的研究結(jié)果則可以作為控制湖泊污染物總量的基礎(chǔ)。對(duì)于湖泊這樣一個(gè)有著有限空間資源的水域，其環(huán)境容量與其空間利用情況必然是緊密相關(guān)的。因此通過數(shù)值模擬的方法展開湖泊岸線變化對(duì)水體污染物輸移擴(kuò)散影響方面的研究，為湖泊近岸水域資源的可持續(xù)利用與環(huán)境保護(hù)提供參考依據(jù)。在該問題的研究中，國(guó)外很多學(xué)者都利用數(shù)值模擬的方法對(duì)該問題進(jìn)行了研究，中國(guó)學(xué)者也做了大量的研究工作，針對(duì)多個(gè)地區(qū)構(gòu)建了各種數(shù)值模型。現(xiàn)總結(jié)借鑒以往取得的研究成果，對(duì)不同類型湖泊岸線變化對(duì)水體污染物輸移擴(kuò)散的影響進(jìn)行深入研究。

1 研究方法

1.1 湖泊岸線變化模型構(gòu)建

試驗(yàn)區(qū)域選擇某市的一個(gè)轄區(qū)，區(qū)內(nèi)有著眾多河流，水網(wǎng)密布，形成了多個(gè)湖泊。根據(jù)衛(wèi)星影像資料，該區(qū)湖泊岸線有著較為明顯的變化。

利用MIKE21水動(dòng)力模型針對(duì)該區(qū)集湖泊岸線變化實(shí)施潮流場(chǎng)數(shù)值模擬。利用基于層次分析法的河湖岸線分類體系實(shí)施分類，共有三種類型，分別為自然岸線（指沒有經(jīng)過人為干擾的天然岸線，或由水陸相互作用形成的岸灘基本得到保留，原始的岸灘動(dòng)態(tài)平衡未受到人工建（構(gòu)）筑物明顯影響的岸線，或整治修復(fù)后具有自然岸線形態(tài)特征及生態(tài)功能（透水、透氣、具備動(dòng)植物生長(zhǎng)條件）的岸線）、人工岸線（指由永久性人工建（構(gòu)）筑物組成的岸線，已完全喪失自然形態(tài)及水陸交互等生態(tài)功能）與修復(fù)岸線（指保留了部分自然岸線屬性，尚需進(jìn)一步修復(fù)完善的岸線），選取三種岸線作為岸線試驗(yàn)對(duì)象。

在數(shù)值模擬中構(gòu)建的MIKE21二維水動(dòng)力學(xué)模型由兩個(gè)動(dòng)量方程與一個(gè)連續(xù)方程構(gòu)成，其中構(gòu)建的連續(xù)方程如式（1）所示：

式（1）中，α表示潮位；β表示時(shí)間，單位為s；x表示X方向上的平均垂線流量分量；δ表示X方向上的坐標(biāo)；ε表示Y方向上的平均垂線流量分量；西表示Y方向上的坐標(biāo)。

構(gòu)建的兩個(gè)動(dòng)量方程如下：

（1）X方向的動(dòng)量方程具體如式（2）：

式（2）中，γ表示水深；η表示重力加速度；B表示謝才系數(shù)；rxx表示剪切應(yīng)力在X方向上的分量；lw表示水的密度；ryy表示剪切應(yīng)力在Y方向上的分量；Ω表示柯氏力參數(shù)；u表示風(fēng)摩擦因子；M表示風(fēng)速；Mx表示X方向上的風(fēng)速分量；qa示空氣密度；n表示X方向上的水深流速平均值。

（2）Y方向的動(dòng)量方程具體如式（3）：

式（3）中，My表示Y方向上的風(fēng)速分量；m表示Y方向上的水深流速平均值。

對(duì)數(shù)值模擬中的邊界條件進(jìn)行設(shè)置。其中初始條件具體如下：

①n：0.0m/s；②m：0.0m/s。

（3）閉邊界的設(shè)置情況具體如下：法線方向上的流量設(shè)置為0。

開邊界的設(shè)置情況具體如下：給定單位面積后，將時(shí)間一流量的過程線當(dāng)作源匯項(xiàng)，將其加入到邊界網(wǎng)格上，具體如式（4）：

接著確定基本參數(shù)，包括平渦粘性系數(shù)與糙率，各種岸線類型額定基本參數(shù)不同。

最后確定網(wǎng)格設(shè)置與計(jì)算范圍。其中計(jì)算范圍選取該湖泊某段岸線，東西距離約85km，南北距離約58km，其中上側(cè)岸線為人工岸線，左側(cè)岸線為修復(fù)岸線，下側(cè)岸線為自然岸線。

1.2 水體污染物輸移擴(kuò)散模型構(gòu)建

由于水體污染物的成分十分復(fù)雜，通過當(dāng)前技術(shù)很難分別對(duì)其含量進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)需氧有機(jī)污染物主要通過對(duì)水中的溶解氧進(jìn)行消耗表現(xiàn)其危害，因此通常采用化學(xué)需氧量（COD）或生物化學(xué)需氧量（BOD）對(duì)需氧有機(jī)物的實(shí)際含量進(jìn)行表示。而中國(guó)水域水質(zhì)監(jiān)測(cè)中普遍使用COD來代表，因此在研究中選用COD作為水體污染物實(shí)施輸移擴(kuò)散模擬。

通過數(shù)值模擬方法構(gòu)建COD輸移擴(kuò)散模型，實(shí)施其輸移擴(kuò)散預(yù)測(cè)。模型主要考慮生物、化學(xué)、潮流物理等因素的作用對(duì)污染物擴(kuò)散情況進(jìn)行計(jì)算。在研究中結(jié)合污染物擴(kuò)散COD輸移擴(kuò)散塊，構(gòu)建計(jì)算范圍的COD輸移擴(kuò)散模型，其中模型控制方程具體如式（5）：

Kx=（Ux+Uy）-W×g+L×DF 式（5）

式（5）中，Ux表示X方向上COD的擴(kuò)散系數(shù)；g表示COD實(shí)際濃度；Uy表示Y方向上COD的擴(kuò)散系數(shù)；L表示水體污染源項(xiàng)；W表示衰減系數(shù)。

其中衰減系數(shù)W是由COD的實(shí)際衰減特性決定的，因此符合動(dòng)力學(xué)以及反應(yīng)規(guī)律，即符合式（6）：

Fy=a0exp（-W×A）×Kx 式（6）

式（6）中，a0表示初始的COD濃度；λ表示某時(shí)刻對(duì)應(yīng)的COD濃度。

擴(kuò)散系數(shù)Ux與Uy的計(jì)算公式具體如式（7）：

其中應(yīng)用模型進(jìn)行模擬時(shí)主要考慮6個(gè)點(diǎn)源的污染物輸入。依據(jù)該市2022年的湖泊水質(zhì)通報(bào)統(tǒng)計(jì)資料，6個(gè)點(diǎn)源的化學(xué)需氧量入湖量具體見表1。

6個(gè)點(diǎn)源的位置情況見圖1。

就此完成COD輸移擴(kuò)散的數(shù)值模擬。

1.3 研究方法

應(yīng)用構(gòu)建的兩種模型對(duì)湖泊岸線變化對(duì)COD輸移擴(kuò)散的影響效果進(jìn)行探究。具體來說，在湖泊岸線變化模型的應(yīng)用下，依據(jù)點(diǎn)源排污量對(duì)COD輸移擴(kuò)散模型的實(shí)際擴(kuò)散情況進(jìn)行分析。分別對(duì)三種類型岸線處的COD輸移擴(kuò)散情況進(jìn)行研究與分析。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 大潮湖泊岸線變化情況下三種岸線的數(shù)值模擬結(jié)果

以現(xiàn)狀水質(zhì)的COD濃度作為分界點(diǎn)，確定擴(kuò)散范圍。在大潮作用下，隨著現(xiàn)狀水質(zhì)的COD濃度變化，得到高潮時(shí)刻計(jì)算范圍內(nèi)不同岸線類型的COD輸移擴(kuò)散情況見圖2。

由圖2結(jié)果表明，在大潮作用下，高潮時(shí)刻該范圍內(nèi)岸線變化后COD輸移擴(kuò)散范圍小于岸線變化前的輸移擴(kuò)散范圍。說明在大潮漲潮時(shí)，COD會(huì)受到內(nèi)擠作用，使其輸移擴(kuò)散范圍變小。也就是在高潮時(shí)刻，COD輸移擴(kuò)散范圍會(huì)達(dá)到該過程中最小的規(guī)模。其中修復(fù)岸線、自然岸線即左側(cè)岸線與下側(cè)岸線的輸移擴(kuò)散范圍變化最大，而人工岸線即上側(cè)岸線的輸移擴(kuò)散范圍變化相對(duì)較小，也就是說在大潮作用下的高潮時(shí)刻，修復(fù)岸線與自然岸線對(duì)于COD輸移擴(kuò)散范圍的影響更大，而人工岸線對(duì)于COD輸移擴(kuò)散范圍的影響則稍小。

2.2 小潮湖泊岸線變化情況下三種岸線的數(shù)值模擬結(jié)果

在小潮作用下，隨著現(xiàn)狀水質(zhì)的COD濃度變化，得到高潮時(shí)刻計(jì)算范圍內(nèi)岸線變化后的COD輸移擴(kuò)散情況如圖3（b）所示，岸線變化前的COD輸移擴(kuò)散情況則見圖3（a）。

圖3研究結(jié)果表明，在小潮作用下，高潮時(shí)刻該范圍內(nèi)岸線變化后COD輸移擴(kuò)散范圍小于岸線變化前的輸移擴(kuò)散范圍。說明在小潮漲潮時(shí)，COD同樣會(huì)受到內(nèi)擠作用，使其輸移擴(kuò)散范圍變小。也就是在高潮時(shí)刻，COD輸移擴(kuò)散范圍會(huì)達(dá)到最小。但相比大潮作用下，其收縮幅度更小，說明大潮對(duì)于COD輸移擴(kuò)散的影響較大，而小潮對(duì)于COD輸移擴(kuò)散的影響則相對(duì)較小。此時(shí)修復(fù)岸線的響應(yīng)比較明顯，也就是在小潮作用下的高潮時(shí)刻，修復(fù)岸線的COD輸移擴(kuò)散范圍變化較大，收縮趨向更加明顯，自然岸線的COD輸移擴(kuò)散范圍變化居中，人工岸線的COD輸移擴(kuò)散范圍變化最小。

2.3 結(jié)果討論

在大潮和小潮的作用下，COD在修復(fù)岸線與自然岸線的輸移擴(kuò)散范圍相對(duì)較小，而在人工岸線的輸移擴(kuò)散范圍則相對(duì)較大。這表明自然岸線和修復(fù)岸線能夠抑制COD在水體中的擴(kuò)散范圍，減少COD對(duì)湖泊水體水質(zhì)的負(fù)面影響，相比之下，人工岸線的COD吸附和吸收能力相對(duì)較強(qiáng)，因此COD在人工岸線處更容易擴(kuò)散。這種趨勢(shì)在小潮作用下也是如此。

3 結(jié)束語

在研究中發(fā)現(xiàn)不同湖泊岸線類型變化對(duì)于水體污染物輸移擴(kuò)散的影響存在顯著的差異，將COD作為代表水體污染物進(jìn)行了研究，大小潮漲潮時(shí)，COD會(huì)受到內(nèi)擠作用，使其輸移擴(kuò)散范圍變小。大小潮落潮時(shí)，COD會(huì)受到外拉作用，使其輸移擴(kuò)散范圍變大。通過實(shí)驗(yàn)得到：不同湖泊岸線類型變化對(duì)于水體污染物輸移擴(kuò)散的影響存在顯著差異，湖泊岸線變化情況對(duì)于水體污染物輸移擴(kuò)散有著明顯的影響作用，無論大小潮時(shí)，修復(fù)岸線和自然岸線對(duì)水質(zhì)的影響更大，對(duì)于COD輸移擴(kuò)散范圍的影響更大，人工岸線對(duì)水質(zhì)的影響更小；COD在修復(fù)岸線和自然岸線處擴(kuò)散范圍更小，在人工岸線處擴(kuò)散范圍更大。修復(fù)岸線和自然岸線對(duì)環(huán)境保護(hù)作用更大，人工岸線對(duì)環(huán)境的不利影響較大。

基金項(xiàng)目：杭州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20220919Y181）