基于一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的沙潁河沈丘-界首河段水質(zhì)模擬

龐立東 周昊昕

摘 要：隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，水資源問(wèn)題逐漸成為制約地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要因素，而承載著1.65億人口的淮河流域是我國(guó)水污染比較嚴(yán)重的地區(qū)之一?；春恿饔虻乃廴締?wèn)題以沙潁河最為嚴(yán)重，曾在1994、2001、2002、2004年相繼發(fā)生的污染團(tuán)下泄事件均與沙穎河有關(guān)，這些污染事件嚴(yán)重破壞了淮河流域的生態(tài)系統(tǒng)，并且?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以研究沙潁河河南段的水質(zhì)變化情況，可為沙潁河水污染治理提供決策依據(jù)。本文基于一維水質(zhì)模型的原理方法，對(duì)沙潁河沈丘-界首河段水質(zhì)進(jìn)行模擬，為水環(huán)境管理提供科學(xué)理論和依據(jù)，并用來(lái)指導(dǎo)進(jìn)行科學(xué)決策。

關(guān)鍵詞：一維水質(zhì)模型;有限差分解;水質(zhì)模擬

1研究區(qū)概況

沙潁河是淮河最大的支流，發(fā)源于豫西伏牛山區(qū)，以潁河源為上游，潁河全長(zhǎng)619km，流域面積36728km。其中安徽境內(nèi)長(zhǎng)208km，流域面積4010km。界首主要有穎河、泉河兩大水系。穎河水系控制面積約占全縣總而積的47%。潁河源出河南省登封縣嵩山南麓，自西北而東南，南沈丘縣劉灣村入境，流經(jīng)縣境中部，東至張莊出境入太和縣，東南經(jīng)阜陽(yáng)、潁上，至沫河口與淮河成“T”字形相匯。

沙潁河流域地處我國(guó)南北氣候過(guò)渡地帶，屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，流域內(nèi)地形復(fù)雜，冷暖氣團(tuán)交匯頻繁，氣候變化受季風(fēng)以及地形特征的影響，冬春干旱少雨，夏秋季降水量集中，易造成洪澇災(zāi)害。流域多年平均年降水量為952m，降水量年際、年內(nèi)變化較大。

淮河支流眾多，北岸支流大多污染較為嚴(yán)重，重污染水體在汛期隨洪水集中下泄對(duì)干流水質(zhì)造成嚴(yán)重威脅。沙潁河是淮河水污染最為嚴(yán)重的支流。2002年沙穎河（河南段）共接納城鎮(zhèn)排放的污廢水量23185億t，污徑比達(dá)1B16，主要污染項(xiàng)目有NH₃-N、COD_Mn、TP等。沙潁河水污染對(duì)淮河干流水質(zhì)造成嚴(yán)重威脅，多年來(lái)，淮河干流發(fā)生的多次較大污染事件都與沙潁河有關(guān)，給淮河造成不同程度的危害，而且都集中在春汛與夏汛。

2水質(zhì)數(shù)學(xué)模型及求解

2.1一維水質(zhì)模型

2.1.1水質(zhì)模型的簡(jiǎn)介

水質(zhì)模型是描述水體（河流、湖泊等）水質(zhì)要素（BOD，DO等）在其他因素（物理、化學(xué)、生物等）作用下隨時(shí)間和空間變化關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，經(jīng)過(guò)近百年發(fā)展，水質(zhì)模型已經(jīng)相當(dāng)成熟。污染物進(jìn)入水體后隨水流遷移，在遷移過(guò)程中受水力學(xué)、水文、物理、化學(xué)、生物、生態(tài)、氣候等因素影響，引起污染物的輸移、混合、分解、稀釋和降解。建立水質(zhì)模型的目的就是力圖把這些互相制約因素的定量關(guān)系確定下來(lái)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行預(yù)報(bào)，為水質(zhì)規(guī)劃、控制和管理服務(wù)。

2.1.2一維水質(zhì)模型

對(duì)于河流來(lái)說(shuō)，其深度和寬度相對(duì)于長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)是非常小的，絕大多數(shù)的河流水質(zhì)計(jì)算可簡(jiǎn)化為一維水質(zhì)問(wèn)題。排人河流的污水，經(jīng)過(guò)一段距排污門很短的距離，便可在斷面上混合均勻。因此，絕大多數(shù)的河流水質(zhì)計(jì)算常常簡(jiǎn)化為一維水質(zhì)問(wèn)題，即假定污染濃度在斷面上均勻一致，只沿流程方向變化。污染物濃度在水環(huán)境中的一維變化是對(duì)流、分散和自然凈化三種作用的結(jié)果。當(dāng)水環(huán)境中對(duì)流、分散和自然凈化三種過(guò)程同時(shí)發(fā)生時(shí)，即三種作用的迭加。根據(jù)污染物在水體中的遷移與轉(zhuǎn)化過(guò)程，利用質(zhì)量守恒定理，可建立污染物遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型。

2.1.3污染物在水中的擴(kuò)散

污染物進(jìn)入河流后，與河水的混合一般分為3個(gè)階段：第一階段，污水在離開(kāi)排放門以后，以射流或浮射流方式與周圍水體摻混及擴(kuò)散，這個(gè)階段又稱初始稀釋階段。第二階段，從污水在排放口附近初始稀釋至污水?dāng)U散到全河寬有一個(gè)較長(zhǎng)過(guò)程。在這段過(guò)程中，污水僅占據(jù)河寬的部分空間，形成所謂的污染帶。大多數(shù)河流的寬度比深度要大得多，所以污水很快在垂向完全混合，濃度分布均勻。接著，污水主要向河寬橫向紊動(dòng)擴(kuò)散。如果污水是動(dòng)力惰性物質(zhì)，與周圍水體密度相同，紊動(dòng)擴(kuò)散主要在縱向和橫向進(jìn)行，則此階段的擴(kuò)散可視為二維擴(kuò)散問(wèn)題。第三階段，這是污水在橫斷面上近似均勻混合后的下游分散階段，沿縱向的隨流分散占主導(dǎo)地位，可作為一維縱向分散問(wèn)題看待。