水環(huán)境污染水平及污染源分布數(shù)值模擬研究

李德軍　李靜

關鍵詞：水環(huán)境污染；污染源分布；數(shù)值模擬；污染負荷估算；因子分析法

中圖分類號：X830.3 文獻標志碼：A

前言

大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水等進入河流，破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)平衡，水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞等問題凸顯。但是影響水環(huán)境的因素很多，增加了水環(huán)境治理項目的難度。為做好水環(huán)境治理工作，精準的水環(huán)境污染水平模擬及污染源分布數(shù)值模擬尤為重要，該模擬可以為有關部門制定治理措施提供科學的參考依據(jù)。一些學者展開如下研究。陳鼎豪等人將經(jīng)典一維水質模型作為基礎，利用人工測量的方式獲取河流流速，通過自動差值計算流場，并替換一維模型中的對流場，求解對流擴散方程，構建水質模擬預測模型。朱悖等人提出基于壓力-狀態(tài)-響應的水環(huán)境風險模擬模型。綜合分析水污染源的風險性、風險敏感性以及影響水環(huán)境污染的主要因素，建立風險評價指標和評價體系，利用冷熱點格局方法模擬水環(huán)境風險分布情況。上述模擬方法過于重視水環(huán)境污染程度的分析，而忽略了污染源分布。文章利用多源污染負荷估算和因子分析法分別對水環(huán)境污染水平和污染源分布情況進行數(shù)值模擬分析，以期為水環(huán)境治理提供有效的參考依據(jù)。

1研究地區(qū)概況

（1）氣候特征：研究區(qū)域為亞熱帶季風氣候，四季特征變化顯著，降水量非常充沛。冬季和夏季溫差較大，氣溫最高月份和最低月份為7月與1月，兩個月的平均氣溫分別為29.9℃和1.2℃，在低溫時期常伴有降雪和霜凍。

（2）水文特征：河流總長度為2585千米，流域面積為218km²，河流平均寬度為119m。每年的7-9月份為汛期，在此期間水位漲幅較大，水流湍急，水流量最高可達213 m²/s，大量泥沙會堆積在河床兩側，年均輸沙率為5.6 kg/s。該流域附近防洪堤長度為48.03 km，還建有8處丁字壩，防洪等級較高，近20年沒有出現(xiàn)過嚴重的地質災害。

（3）地形與巖層：河流周圍地勢平坦，多為平原，地勢起伏不大，整體上呈現(xiàn)出東高西低的趨勢。上部巖層由粉質黏土、粉土構成，底部基巖主要是泥質砂巖。

（4）水環(huán)境面臨的主要問題：水資源不足，該河流屬于季節(jié)性河流，每逢干旱時期會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，自凈能力較差，河流難以受納輸入的污染。缺乏引水工程，儲水備水能力不足，并且流域附近人口多，水源嚴重缺乏；環(huán)境設備覆蓋率不高，污水處理設施不夠先進，覆蓋程度低；污染源眾多，河流附近分布眾多污染源，主要包括生活、養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)廢水等，不僅影響美觀，還會加重河流污染。

2基于污染負荷計算的水環(huán)境污染水平數(shù)值模擬

2.1水環(huán)境模型建立

2.1.1水動力控制方程

要想準確模擬出水環(huán)境污染水平，需將水環(huán)境模型為載體，而水動力控制方程是水環(huán)境模型構建的基礎，在靜水壓力假設的基礎上，根據(jù)水深積分獲得二維水動力控制方程如式（1）：

在水環(huán)境污染水平模擬過程中，需要確定影響水質的指標，文章將溶解氧、總氮、總磷、硝酸鹽、高錳酸鉀指數(shù)和氨氮作為因素指標。利用上述方法模擬該河流污染水平，模擬結果如圖1所示，各指標的質量標準見表2。

由圖1可知，六種污染指標的模擬值和實際值之間的吻合度非常高，擬合的數(shù)據(jù)點基本都在1：1線上，只有個別點偏離程度較大。表明此種模擬方法準確度較高。另外能夠看出該河流中溶解氧數(shù)值較低，說明河流中微生物多，耗氧量大，總氮和總磷含量均為中等，高錳酸鉀和氨氮的含量偏高。由此得出，該河流污染水平較高，水質較差。

4.2污染源數(shù)值模擬

利用上述因子分析方法確定了四個主因子，分別為F₁、F₂、F₃和F₄，不同污染指標的主因子得分見表3。

表3顯示：主因子F₁以總氮和總磷為主要變量，這主要是人類活動造成的，主要污染源來自工業(yè)廢水，其中大部分來自橡塑制造企業(yè)，因此F₁代表的污染源以工廠為主；主因子F₂以溶解氧和硝酸鹽為主要變量，其中溶解氧污染嚴重地段主要在生活垃圾場，硝酸鹽則是由于農(nóng)田、菜地施肥和噴灑農(nóng)藥造成的；主因子F₃以高錳酸鉀為主要變量，表明水中有機物總量較多，污染源多為生活污水，有可能是排污管道泄漏導致；主因子F₄只要一個主要變量為氨氮，由于畜牧業(yè)養(yǎng)殖污水排放造成。根據(jù)上述主因子的綜合數(shù)值，模擬出污染源分布情況見圖2。

利用因子分析法得出影響四個主因子的主要污染指標，根據(jù)污染形成原因模擬出各類污染源的分布情況。如圖2所示，主因子F₁分布的地區(qū)為工廠，F(xiàn)分布區(qū)為農(nóng)田，F(xiàn)_{<3/sub>為生活區(qū)，F(xiàn)4是畜牧養(yǎng)殖區(qū)。經(jīng)過與當?shù)匾?guī)劃圖進行對比，證明了污染源模擬結果和實際情況相符。}

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結束語

在制定水環(huán)境治理措施時，需要依據(jù)準確而有效的信息數(shù)據(jù)進行制定，因此，提出水環(huán)境污染水平及污染源分布數(shù)值模擬分析。構建水動力方程，將水中的污染物與生化過程變成數(shù)值模型，利用污染負荷估算法模擬河流污染程度，通過參數(shù)展示水環(huán)境變化過程，分類污染源，并且通過因子分析法確定主因子，計算不同主因子對應的主要污染指標，分析污染成因，進而模擬出污染源的分布情況，實現(xiàn)污染源分布數(shù)值模擬分析。通過實驗分析結果可知，文章方法的模擬結果與實際結果一致，評估指標納什系數(shù)與決定系數(shù)最高達到了0.97和0.99，這兩個數(shù)值均接近1，進一步驗證了該方法的擬合性較高，其數(shù)值模擬結果可信度較高，能夠為當?shù)睾恿魉h(huán)境治理提供科學的參考依據(jù)。