基于河流水質(zhì)混合模型預(yù)測(cè)在地表水環(huán)境影響分析中的應(yīng)用

李立君

（ 盤錦市綠色發(fā)展服務(wù)中心，遼寧盤錦 124010）

1 引言

地表水環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)是項(xiàng)目環(huán)評(píng)的重要內(nèi)容， 其中污水排放對(duì)地表水體水質(zhì)影響的結(jié)果預(yù)測(cè)是關(guān)鍵。 Mike 模型是一款致力于水環(huán)境和水資源方面研究的水質(zhì)數(shù)學(xué)模型， 是由丹麥水資源及水環(huán)境研究所（ DHI）研究人員共同合作開發(fā)出來的［1］。Mike 模型已經(jīng)成為我國(guó)專門用來研究水環(huán)境影響評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)軟件之一［2］。 Eco lab 是一個(gè)完備的、用于生態(tài)模擬的數(shù)值實(shí)驗(yàn)室， 它提供了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的解決方案［3］。該模塊可用于河流、濕地、湖泊、水庫(kù)等的水質(zhì)模擬，預(yù)報(bào)生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)，簡(jiǎn)單到復(fù)雜的水質(zhì)研究工作，水環(huán)境影響評(píng)價(jià)及水環(huán)境修復(fù)研究，水環(huán)境規(guī)劃和許可研究，水質(zhì)預(yù)報(bào)［4］。以盤錦市某河流為例， 采用Mike Eco lab 模型在污水排放不同情境條件下進(jìn)行河流水質(zhì)預(yù)測(cè)， 對(duì)污染物分布情況進(jìn)行模擬分析，有針對(duì)性地提出環(huán)境保護(hù)措施和要求。

2 地表水體模型建立與預(yù)測(cè)情景設(shè)定

2.1 地表水體模型建立

以盤錦某條地表水體為例，根據(jù)計(jì)算范圍，將模擬區(qū)域劃分為三角形計(jì)算網(wǎng)格，見圖1。 根據(jù)最不利要求，模型上邊界采用枯水期監(jiān)測(cè)流量20 m3/s，下邊界水位數(shù)據(jù)2.5 m，同時(shí)以污染排污口斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為濃度邊界條件，對(duì)上游斷面D1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，得到地形數(shù)據(jù)的可靠性。 本次地表水的預(yù)測(cè)范圍為排污口上游9 000 m 至排污口下游11 000 m，計(jì)算范圍長(zhǎng)約20 km。

圖1 河流模型計(jì)算網(wǎng)格

2.2 預(yù)測(cè)情景設(shè)定

根據(jù)預(yù)測(cè)情景，污水排放量情景設(shè)定分別為5 000，10 000 m3/d，污染因子選取COD，NH3-N 和石油類，見表1。

表1 污水排放量情景設(shè)定

模擬河流水質(zhì)情況見表2。

表2 模擬河流水質(zhì)情況 mg/L

2.3 模型選用

模型控制方程采用平面二維數(shù)學(xué)模型， 模擬預(yù)測(cè)物質(zhì)在寬淺水體中，在垂向達(dá)到均勻混合的狀況，即滿足《 環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》（ HJ 2.3—2018）所要求的預(yù)測(cè)情況。 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的基本方程為：

式中，u 為對(duì)應(yīng)于x 軸的平均流速分量，m/s；v 為對(duì)應(yīng)于y 軸的平均流速分量，m/s；zb為河底高程，m；f為科氏系數(shù)，f=2Ωsinφ，s-1；cz為謝才系數(shù)，m1/2/s；τsx，τsy分 別 為 水 面 上 的 風(fēng) 應(yīng) 力，τsx=r2ρa(bǔ)w2sinα，τsy=r2ρa(bǔ)w2cosα，r2為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)，ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3，w為風(fēng)速，m/s，α 為風(fēng)方向角；Am為水平渦動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s；x 為笛卡爾坐標(biāo)系x 向的坐標(biāo)，m；y 為笛卡爾坐標(biāo)系y 向的坐標(biāo)，m；S 為源（ 匯）項(xiàng)，s-1。

水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基本方程為：

式中，CS為源（ 匯）項(xiàng)污染物濃度，mg/L。

不考慮岸邊反射影響的寬淺型平直恒定均勻河流，岸邊點(diǎn)源穩(wěn)定排放，濃度分布公式為：

式中，C（ x，y）為縱向距離x、橫向距離y 點(diǎn)的污染物濃度，mg/L；m 為污染物排放速率，g/s。

2.4 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，河床糙率即曼寧系數(shù)0.032、渦動(dòng)黏滯系數(shù)0.29， 經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬并對(duì)比下游1 000 m斷面D2 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明， 模擬得到的數(shù)據(jù)各指標(biāo)濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，說明河床糙率、污染物衰減系數(shù)及其他參數(shù)選取合適、可靠。排水口下游污染物濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見表3。

表3 排水口下游污染物濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3 預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

在情景1 模式下，污染物預(yù)測(cè)結(jié)果見圖2。

圖2 情景1 模式下污染物預(yù)測(cè)結(jié)果

在情景2 模式下，污染物預(yù)測(cè)結(jié)果見圖3。

圖3 情景2 模式下污染物預(yù)測(cè)結(jié)果

通過以上模擬結(jié)果可知， 對(duì)于COD 和NH3-N等具備生物降解性質(zhì)的污染物， 在較短的距離內(nèi)能實(shí)現(xiàn)良好的混合和削減； 石油類污染物相對(duì)混合達(dá)標(biāo)流程較長(zhǎng)。在不同排放量的條件下，排放量增加會(huì)加大混合區(qū)的范圍， 但即使在排放量增大一倍情形下，在本文所分析的河流水質(zhì)和水文條件下，混合區(qū)面積僅增加15%左右。排放口實(shí)施近岸排放，污染物削減及達(dá)標(biāo)混合區(qū)主要位于排放口所在下游的岸邊處，對(duì)河流對(duì)岸和河流中心影響相對(duì)較小。

4 建議

根據(jù)模擬結(jié)果及分析得到的結(jié)論， 在加強(qiáng)環(huán)境管理方面提出以下建議：

（ 1）排污口盡量設(shè)置在河流中心。 根據(jù)分析結(jié)果， 污染物混合區(qū)主要集中在排放口所在河岸的下游，這些區(qū)域相對(duì)環(huán)境敏感目標(biāo)較多，設(shè)置在河流中心有利于降低污染物排放對(duì)環(huán)境敏感目標(biāo)的影響。

（ 2）排污口設(shè)置在近岸的河流，其控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置在其所在岸邊的下游更為符合監(jiān)管和監(jiān)控要求，在事故狀態(tài)下，加強(qiáng)對(duì)下游水質(zhì)的監(jiān)測(cè)集中在岸邊更為合理。