基于水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的規(guī)劃可達性分析

摘要：為研究岳陽長江大保護水污染治理與水生態(tài)修復(fù)重點工程項目庫在實施后的最終效果，文章建立了岳陽南北港河非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型。根據(jù)實測數(shù)據(jù)對參數(shù)進行率定后，以2014年作為水平年，對研究區(qū)域近期工程實施后的南北港河全年水質(zhì)進行了模擬計算，并分析全年水質(zhì)變化過程以及空間水質(zhì)達標率。經(jīng)過模型計算，入河污染削減后，整體上南北港河滿足Ⅳ類水水質(zhì)要求（TN除外），雨天水質(zhì)略差于晴天。

關(guān)鍵詞：可達性分析;水環(huán)境數(shù)學(xué)模型;水質(zhì)達標率

中圖分類號：X11 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）11-00-05

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.037

Analysis of plan accessibility based on the mathematical model of water environment： A case study of the South and North channels of Yueyang South Lake

Chen Chao

（Shanghai Investigation，Design & Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200335，China）

Abstract：In order to study the post-implementation final effect of the key project bank of water pollution control and water ecological restoration of the Yangtze River protection project in Yueyang City， this paper establishes the mathematical model for non-steady water environment of the South and North channels of South Lake in Yueyang City.After the parameters are calibrated according to the measurement data， we simulate and calculate the annual water quality of the South and North channels of Yueyang South Lake after the implementation of recent projects in the research area， with 2014 as the base year， and analyze the annual change process and the spatial compliance rate of the water quality in a whole year.Through the model calculation， the water quality of the South and North channels meets the requirements of Class IV water quality （except TN），while the water quality in rainy days is slightly worse than that in sunny days.

Key words：Accessibility analysis;Mathematical model of water environment;Compliance rate of water quality

為貫徹習(xí)近平總書記“共抓大保護、不搞大開發(fā)”的長江經(jīng)濟帶建設(shè)思想，做好頂層設(shè)計和實施路徑規(guī)劃，是確?！肮沧ラL江大保護”按照正確方向前行并取得最終成功的關(guān)鍵[1]。在岳陽長江大保護工作中對岳陽市中心城區(qū)的水環(huán)境治理體系進行綜合布局、統(tǒng)籌規(guī)劃，制定了岳陽市近遠期重大水污染治理與水生態(tài)修復(fù)重點工程項目庫。本文將利用水環(huán)境數(shù)學(xué)模型對岳陽長江大保護項目實施后的水質(zhì)可達性進行研究。

1 區(qū)域概況

岳陽市位于湖南省東北部，處洞庭湖與長江匯合口東岸，其東面、北面分別與江西省和湖北省接壤，南抵湖南省長沙市（含瀏陽市、長沙縣、望城區(qū)），西接湖南省益陽市（含沅江市、南縣）、常德市（含安鄉(xiāng)縣）。岳陽市居長江中游，洞庭湖東北岸，湖泊星布，河流網(wǎng)織，水系發(fā)達。其地處亞熱帶濕潤氣候區(qū)，氣候溫暖、濕潤，雨量充沛，多年平均降雨量1 352mm，多年平均蒸發(fā)量1 446.4mm。

南北港河屬于南湖的東側(cè)入河支流，南北港河城區(qū)主河道較寬，其中上游又分布有梅溪港、巴山港、柴家港、熊彭港等支流。南港河及北港河上游高程較高，水深較淺，水深范圍為1～3m，五眼橋下游至三眼橋螺絲島斷面逐漸開闊，水深增加，水深范圍為4～5m。

2 研究方法

2.1 水環(huán)境模型基本方程

水環(huán)境模型是對水體內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜污染過程進行定量化描述的重要工具[2]。模型的選取應(yīng)考慮模擬對象的特性、精度要求和計算效率等[3]。考慮到南北港河城區(qū)段河道較寬，且受南湖控制水位頂托，類似于小型湖泊，可在不考慮水溫垂向分層影響條件下，采用二維數(shù)學(xué)模型建模，本文采用在水環(huán)境領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的MIKE21軟件[4-5]進行建模。二維水流運動基本方程基于水流不可壓縮的N-S方程，通過靜水壓強假定和Bousinesq渦粘假定推導(dǎo)得到。

水流連續(xù)方程：

水量動量方程：

式中：h為水深，m;ζ為水位，m;p、q為x、y向的單寬流量，m3/（s·m-1）;g為重力加速度，m/s2;C為謝才系數(shù);n為曼寧系數(shù);f為風(fēng)阻力系數(shù);V、Vx、Vy分別為風(fēng)速及其在x、y向的分量，m/s;Ω為科氏參數(shù);Pa為大氣壓，Pa;ρw為水的密度，kg/m3;τxx、τxy、τyy為剪切應(yīng)力分量。

污染物對流擴散方程為：

式中：c為污染物濃度;u、v為x、y向的流速;Dx、Dy為x、y向的擴散系數(shù);k為綜合降解系數(shù);S為源匯項。

2.2 模型概化

2.2.1 河道概化

不規(guī)則三角形網(wǎng)格有以下優(yōu)點：網(wǎng)格布設(shè)的疏密可自由控制;能較好地擬合水下地形和復(fù)雜的固邊界形狀;通用性好[6]。本文在研究區(qū)域構(gòu)建非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，覆蓋范圍1.83km2，地形采用2019年實測資料，水深約2～4m共劃分5 886個三角形網(wǎng)格，3 587個網(wǎng)格節(jié)點，網(wǎng)格尺寸20～30m。

2.2.2 降雨典型年選取

參照岳陽國家基本氣象站1988-2017年逐年降雨量，選取接近于設(shè)計降雨量值的年份作為典型年，同時考慮采用2003年至今較數(shù)據(jù)為可靠的典型年，選取結(jié)果見表1。

為對應(yīng)管網(wǎng)計算年型，本項目采用岳陽市2014年（平水年）降雨數(shù)據(jù)進行水量水質(zhì)長期模擬。

2.2.3 邊界及排口概化

南北港河流域中南港河的支流有白鶴垅港、熊彭港、柴家港、木里港，北港河支流有路橋港、梅溪港、巴山港、南港河，主河道來水主要為支流來水。北港河上游現(xiàn)狀有羅家坡污水廠尾水排放，現(xiàn)狀約7萬m3，羅家坡污水廠一二期設(shè)計規(guī)?？傆?0萬m3，下游水位受南湖水位控制，南湖高控水位為27.56m，低控水位為26.56m，選取南湖常水位27.06m作為北港河下游三眼橋邊界水位控制條件。南北港河干流共有排水口87個，其中沿河居民散排排口39個，分流制雨水排口41個，合流制污水排口6個，合流制截流溢流口1個。模型模擬中應(yīng)考慮支流、取排水口的空間分布及其污染量進行相應(yīng)的概化，本次選取概化了具有代表性的排口作為模型的內(nèi)部點源，模型排口概化見圖4。

2.3 模型率定及參數(shù)確定

南北港河水環(huán)境數(shù)學(xué)模型率定的主要參數(shù)為污染物降解系數(shù)，本模型中COD、NH3-N、TP、TN各指標降解系數(shù)參數(shù)取值見表2。

根據(jù)建立好的南北港河水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，利用南北港河2019年4月補充水質(zhì)監(jiān)測的實測數(shù)據(jù)，對模型進行參數(shù)率定。水動力邊界選取為期間對應(yīng)降雨產(chǎn)流，污染源為現(xiàn)狀污染入河量，風(fēng)場為監(jiān)測期間風(fēng)場數(shù)據(jù)，水質(zhì)計算結(jié)果見圖5，從水質(zhì)率定結(jié)果來看模型能夠較好地反映南北港河水質(zhì)變化規(guī)律。

3 規(guī)劃效果分析

考慮南北港河水環(huán)境容量及現(xiàn)狀污染入河量的差距，規(guī)劃管網(wǎng)改造、海綿城市建設(shè)、農(nóng)業(yè)畜禽污染控制、內(nèi)源底泥生態(tài)清淤等相應(yīng)工程措施，在南北港河開展綜合治理工程，近期總削減COD2094.8t/a、NH3-N206.4t/a、TP21.4t/a、TN294.5t/a。

入河污染源得到有效控制后，南北港河水體水質(zhì)得到極大改善，晴天南北港河水質(zhì)較好，整體水質(zhì)基本為Ⅳ類，COD、TP除污水廠尾水處河段外基本為Ⅲ類，TN因污水廠尾水濃度較高的原因，局部河段TN為劣V類。雨天整體類別與晴天類似，局部污染面積增加，整體水質(zhì)類別基本為Ⅲ-Ⅳ類（除TN）。

根據(jù)南北港河近期水質(zhì)Ⅳ類治理目標，在時間尺度上，北港河、北港河COD、NH3-N、TP全年達標，TN北港河年內(nèi)達標率略低于南港河，降雨期間污染物濃度初期會有較大的增加。

總體上，規(guī)劃實施后南北港河可達近期目標Ⅳ類水質(zhì)。

4 結(jié)論

本文建立了岳陽南北港河非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，在模型根據(jù)現(xiàn)狀補充監(jiān)測數(shù)據(jù)進行率定驗證后，為對應(yīng)管網(wǎng)模型計算年型，以2014年平水年作為計算年型，對研究區(qū)域近期工程實施后的南北港河全年水質(zhì)進行了模擬計算，上述計算結(jié)果顯示：本次建立的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型能夠較好反映南北港河水質(zhì)變化規(guī)律，可用于不同工況的水質(zhì)預(yù)測。

在南北港河開展綜合治理工程，近期總削減COD 2 094.8t/a、NH3-N 206.4t/a、TP 21.4t/a、TN 294.5t/a的條件下，南北港河滿足Ⅳ類水水質(zhì)要求（TN除外）。

南北港河近期晴天空間達標率好于雨天，晴天COD、NH3-N、TP、TN空間達標率分別為99.6、99.6、99.6、74.5，雨天COD、NH3-N、TP、TN空間達標率分別為99.6、99.6、99.6、66.4。

從晴天雨天的污染物濃度空間分布上來看，南港河上游水質(zhì)好于北港河上游，北港河上游受溢流污染及污水廠尾水影響，空間上水質(zhì)最差，南港河匯入北港河后，在北港河下游水質(zhì)逐步變好。

參考文獻

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收稿日期：2020-09-27

作者簡介：陳潮（1993-），男，漢族，碩士研究生，助理工程師，研究方向為環(huán)境規(guī)劃及數(shù)學(xué)建模。