復(fù)雜河網(wǎng)水質(zhì)模型的研究與應(yīng)用

喬 偉, 趙 奕, 鄂 茂 國

(1.長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010; 2. 揚子江工程咨詢有限公司，湖北 武漢 430010；3.長江水利委員會，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

佛山市南海區(qū)北村水系地處珠三角平原河網(wǎng)地區(qū)，涵蓋北村水閘控制的全部集雨范圍，主干、支干河涌縱橫交錯，總長44.8 km，水流相互頂托，形成復(fù)雜的河網(wǎng)水系并通過北村水閘流經(jīng)水口水道后匯入珠江。該區(qū)域地勢相對低洼，河道流速緩慢，河道水流呈復(fù)雜的往復(fù)流狀態(tài)，河道比降小，易于受到潮汐影響。近年來，由于經(jīng)濟發(fā)展以及受沿岸人類活動的影響，污染負荷(廢水排放、生活垃圾、河涌淤積)加大，使得水體受到不同程度的污染，在某些河段有時甚至出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。水環(huán)境污染不僅影響了當?shù)鼐用竦纳眢w健康，水質(zhì)型缺水也嚴重制約了該地區(qū)社會和經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，該地區(qū)的環(huán)境整治勢在必行[1，2]。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)的進步，對單一河道的模擬已不能滿足工程實踐和生產(chǎn)的需要。因此，能綜合考慮江湖分合、河網(wǎng)交錯、分蓄滯泄、吐納交替等復(fù)雜情況下的水流數(shù)值模擬技術(shù)就成為現(xiàn)今社會發(fā)展的需要，也是水利工作者們競相開展的研究課題[3-5]。例如郝芳華，等[6]以流域為研究對象，對流域中的河流、湖泊(水庫)、河口、近海以及陸面污染的水質(zhì)模型和流域水質(zhì)管理模型進行了詳細論述。葉守澤，等[7]將確定性BOD-DO模型中的參數(shù)趨于概率分布參數(shù)、灰色參數(shù)和模糊化后，建立了河流水質(zhì)不確定性數(shù)學(xué)模型。張明亮，等[8]在WASP的水質(zhì)模型基礎(chǔ)上:2013-12-11建立了河網(wǎng)水質(zhì)模型。

筆者主要以北村水系為例，通過建立一維河網(wǎng)水動力模型、非穩(wěn)態(tài)的水質(zhì)耦合模型，針對復(fù)雜河網(wǎng)水動力水質(zhì)的計算方法，通過模擬計算佛山市南海區(qū)北村水系的河網(wǎng)水力要素變化規(guī)律和污染物濃度的時空分布，為北村水系水量水質(zhì)調(diào)度和水環(huán)境修復(fù)提供技術(shù)支撐。

2 模型的建立

河網(wǎng)水流的運動規(guī)律可用圣維南方程組描述為：

(1)

(2)

Preissmann四點隱式差分格式[9，10]具有數(shù)值穩(wěn)定性好和求解效率高等優(yōu)點，能準確實現(xiàn)汊點流量按各分汊河道的過流能力自動分流；更為重要的是它能適應(yīng)雙向流特征的復(fù)雜河網(wǎng)計算，已成為目前較為實用的主流算法。筆者選用該格式對河網(wǎng)水流運動方程進行了數(shù)值離散，同時采用河網(wǎng)三級聯(lián)解算法聯(lián)合求解河網(wǎng)水系中的水流運動要素[11]。

河網(wǎng)水質(zhì)模型的通用方程可描述如下[12]：

(3)

式中C為某種水質(zhì)參數(shù)的濃度(mg/L)；t為時間(s)；x為沿水流方向的距離(m)；Ex為縱向分散系數(shù)(m2/s)；U為斷面平均流速(m/s)；S為某種水質(zhì)參數(shù)的源匯項(g/(m3d))。

河網(wǎng)水質(zhì)模型方程的求解與河網(wǎng)水流模型均采用三級解法相同的思路，即分為：河段、微段、汊點求解。通過推求各個河道首尾斷面的水質(zhì)指標濃度關(guān)系，進而列出汊點水質(zhì)指標濃度方程組，通過求該方程組，進而得到各汊點的濃度，然后將各河道首尾斷面濃度再帶入單一河道離散方程組中，用追趕法求得各斷面水質(zhì)指標濃度。

3 實例分析

3.1 計算條件

筆者將佛山市南海區(qū)北村水系的河道概化為25條，河網(wǎng)汊點14個，控制建筑物2處，分別為北村閘站、瓜步汛閘站，河網(wǎng)概化計算情況見圖1。

圖1 河網(wǎng)概化布置圖

由于在本次計算中缺少實測平常年份的各入流支流的流量(水位)過程資料及相應(yīng)的外江潮位過程資料，現(xiàn)有的資料為內(nèi)河涌10 a一遇澇水下的入流資料(圖2)及外江5 a一遇年高潮潮位資料(圖3)(為廣東省有關(guān)規(guī)定及廣東部分地區(qū)排澇規(guī)劃時習(xí)慣采用的澇水與潮汐組合做法)，因而，筆者在文中僅模擬該組合條件下各水質(zhì)指標的變化規(guī)律，依此定性分析水系中污染物的輸移規(guī)律。計算主要模擬的水質(zhì)指標為CODcr、NH3-N和TP。根據(jù)污水處理廠的實際情況設(shè)置了一個集中排污口，通過設(shè)排污口排污來模擬該區(qū)域的水質(zhì)變化，排污口位置概化在機場涌(圖1中河12)的中部。

通過對該區(qū)進行調(diào)查得知，現(xiàn)在僅有城西污水處理廠的尾水排入北村水系(位于機場涌中間)，其規(guī)劃建設(shè)排放的尾水水質(zhì)標準為CODcr：60 mg/L，NH3-N：8 mg/L，TP:1 mg/L，其余的污染物沿岸而排。

3.2 結(jié)果分析

圖2 支流河道入流流量過程示意圖

圖3 支流河道潮位過程示意圖

計算發(fā)現(xiàn)，經(jīng)城西污水廠排入機場涌的污染物在澇水及外潮波影響下，主要局限于在謝邊涌水系中輸移擴散。另外，由于CODcr、NH3-N、TP輸移規(guī)律相同，因而文中的討論僅限于討論謝邊涌水系中CODcr的變化規(guī)律。排污后典型河段CODcr分布情況見圖4、5。為研究污染物在河涌中的輸移過程，選取受污染物影響的典型斷面進行水質(zhì)分析，該對象為公路坑涌近汊點2處，所選典型斷面的具體位置見圖1。特征斷面流速、CODcr濃度分布情況見圖6。

圖4 排污6 h后謝邊涌水系CODcr分布圖

圖5 排污6 h后謝邊涌水系CODcr分布圖

由圖4～6可以看出，隨著外江河道流量的增加及潮位的上升，河11水流流速向北先增后減，至約39 h洪峰到來時流速增加至最 大 值，約 為0.53 m/s，此時，從上游隨水流帶入的污染物濃度迅速增加，污染物濃度峰值到達時間稍較流速峰值滯后；洪峰過后，受外江潮位的周期性變化，河11流速也隨之相應(yīng)變化，但污染物濃度因流速的減小而難以被水流帶走而保持一定的較高濃度，至42 h后河11的流速反向向南流動并逐漸增大，上一階段積累的污染物濃度受上游清水(濃度很小)的稀釋濃度迅速下降；44 h左右河11流速再次反向向北流動，自河2向北的水流帶入的高濃度污染物使河11中的水質(zhì)指標濃度再次大幅度增加，之后隨外江河道流速減小，整個計算域中的流速不大，從污水處理廠排出的污染物被帶入下游的污染物通量減少，河11中污染物濃度逐漸減小至一穩(wěn)定值。

圖6 特征斷面1處流速、CODcr濃度隨時間變化過程圖

引入外江潮水后的河網(wǎng)水系中的CODcr濃度總體呈減小趨勢，且變化過程呈波動減小狀態(tài)，主要是由于在落潮排水時小支涌的污水排出，使得研究斷面的污染物濃度減小，水質(zhì)得到恢復(fù)和改善。河網(wǎng)水質(zhì)濃度變化過程存在空間差異性，主要是因為瓜步汛水閘潮汐變化為間歇性進行，從而使得公路坑涌等的水質(zhì)凈化過程較慢。

4 結(jié) 語

筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用三級聯(lián)解算法，建立了一維河網(wǎng)水動力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并將該模型應(yīng)用于佛山市南海區(qū)北村水系的河網(wǎng)水量、水質(zhì)的模擬計算。模型計算結(jié)果表明：該模型能夠很好地模擬實際河網(wǎng)河段中的分流、匯流及澇水、潮水的演進傳播過程，以及往復(fù)流變化規(guī)律和污染物濃度變化與水量的關(guān)系，能夠為改善復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)的水量水質(zhì)調(diào)度、水環(huán)境修復(fù)問題提供技術(shù)支撐。

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