長江下游靖江河段入江污染物擴散數(shù)值模擬研究

摘要：長江流域靖江河段近年來總磷指標在考核值附近波動，水質(zhì)存在偶發(fā)性降類風險?；贑JK3D-WEM建立了水動力-水質(zhì)模型，旨在模擬和評估不同情況下的總磷擴散效果，制定合理的總減污措施。結(jié)果表明：不同流量下國考斷面的總磷濃度最大值與流量呈正比關(guān)系，總磷濃度的峰值均出現(xiàn)在中潮、大潮期。九圩港匯入對國考斷面平均總磷濃度增量貢獻最大，可達到30.7%。在減污措施中，關(guān)閉九圩港閘的方案效果較明顯，需要在豐水期和大中潮期間加強對九圩港閘的排放管理，以保證國考斷面的水質(zhì)符合要求。研究成果可為后續(xù)區(qū)域內(nèi)解決總磷超標問題與合理確定疏浚方案提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：總磷控制；水動力-水質(zhì)模型；污染物擴散；CJK3D-WEM；長江下游靖江河段

中圖法分類號：X52 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.005

0 引言

長江是長三角地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的命脈河流，不僅為長江三角洲地區(qū)的物流和貿(mào)易提供了便捷的運輸通道^［1］，其水系更對三角洲地區(qū)的生態(tài)環(huán)境有重要影響^［2］，維持了濕地、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的平衡，為生物多樣性提供了棲息地。靖江河段是長江水系的重要組成部分，其近年來面臨的總磷超標問題引起了廣泛關(guān)注^［3-4］?？偭讓︳~類、底棲動物群落健康具有顯著影響，是水體富營養(yǎng)化的重要誘因^［5-6］，因此，針對靖江河段的總磷擴散模擬研究對于長江水系的水環(huán)境保護至關(guān)重要^［7］。

數(shù)學(xué)模型在理解和預(yù)測污染物行為方面起著關(guān)鍵作用，有助于環(huán)境管理和決策。對流-擴散模型描述了總磷通過對流（由于平均流動導(dǎo)致的傳輸）和擴散（由于隨機運動引起的擴散）的傳輸過程^［8］。模型中的總磷濃度由偏微分方程控制，考慮了對流速度、擴散系數(shù)和反應(yīng)速率。該模型適用于水污染場景，在模擬河流和湖泊中總磷的擴散方面已有廣泛應(yīng)用，能夠提供總磷濃度的時空變化信息。計算流體動力學(xué)（CFD）模型采用數(shù)值方法求解流體運動的Navier-Stokes方程，并結(jié)合對流-擴散方程來模擬總磷的傳輸。這些模型能夠處理復(fù)雜的幾何形狀和多變的環(huán)境條件，提供詳細的總磷濃度時空分布^［9］。CFD模型在城市水體、工業(yè)排放和大型水庫中總磷擴散的研究中得到了廣泛應(yīng)用，特別適用于復(fù)雜環(huán)境下的總磷擴散模擬^［10-12］。拉格朗日模型追蹤單個總磷粒子或包裹在環(huán)境中的運動，特別適用于研究湍流中總磷的擴散。由于湍流環(huán)境中粒子的軌跡可能非常不規(guī)則，拉格朗日模型結(jié)合隨機過程來考慮粒子運動中的隨機波動^［13］。這種模型在模擬河流和沿海區(qū)域的總磷擴散方面有獨特優(yōu)勢，能夠詳細描述總磷粒子的運動軌跡。綜合水文模型結(jié)合了地表水和地下水系統(tǒng)，以模擬流域和含水層中的總磷運輸。這些模型通常求解對流-擴散-反應(yīng)方程，并結(jié)合入滲、徑流和地下水流等水文過程。綜合水文模型在評估總磷對水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)健康影響方面具有重要作用，廣泛應(yīng)用于流域管理和污染評估^［14-16］?？傊?，這些數(shù)學(xué)模型為預(yù)測總磷在環(huán)境中的擴散提供了寶貴工具。模型選擇取決于具體的研究目標和環(huán)境條件。CFD模型在總磷擴散模擬中尤為常見，通過水動力-水質(zhì)數(shù)學(xué)模型在萊州灣^［17］、渤海灣^［18］以及欽州灣^［19］等區(qū)域的總磷擴散研究中已得到成熟應(yīng)用。

本次研究在靖江河段水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用CJK3D-WEM模型，對入江河道匯入污染物的總磷擴散結(jié)果進行計算分析，研究結(jié)果可為后續(xù)區(qū)域內(nèi)解決總磷超標問題與合理確定疏浚方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及工程概況

研究區(qū)域位于長江靖江河段。靖江河段位于中國江蘇省中南部，主要涉及靖江市及其周邊地區(qū)。靖江市是泰州市下轄的縣級市，地處長江北岸，緊鄰長江。靖江流域的水系主要包括靖江河、廣陵河等眾多支流，以及長江這一主要干流。靖江流域的經(jīng)濟較為發(fā)達，依托其優(yōu)越的地理位置和豐富的水資源，形成了以農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)為主的綜合經(jīng)濟體系，但也面臨一定的環(huán)境壓力，如水污染和生態(tài)破壞等問題。2023年第四季度以來，靖江長江蟛蜞港（左岸）國考斷面水質(zhì)波動頻繁，污染因子總磷持續(xù)在達標臨界線上下浮動，水質(zhì)存在降類風險。該項目水質(zhì)評價水域為長江靖江段蟛蜞港（左岸），沿岸主要污染物排口見圖1。

2 水域污染物排放數(shù)學(xué)模型

2.1 二維污染物排放模型

基于二維有限體積法的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型CJK3D-WEM，建立研究區(qū)域二維總磷水質(zhì)模型，水流、水質(zhì)運動方程為

式中：z為水位；t為時間；H為總水深；u，v為流速矢量沿x，y方向的速度分量；f為科氏系數(shù)；g為重力加速度；N_x，N_y為x，y向水流紊動黏性系數(shù)；C為污染物濃度；A_x，A_y為x，y向水質(zhì)擴散系數(shù)；S為水質(zhì)源匯項；k為水質(zhì)衰減系數(shù)。水動力模型主要為水質(zhì)模型提供水動力場，驅(qū)動總磷在時間和空間上產(chǎn)生變化，采用三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域進行離散，將單一的網(wǎng)格單元作為控制單元，采用有限體積法對式（1）進行離散求解，具體求解過程見文獻［20］。

增刊（Ⅱ） 何 良，等：長江下游靖江河段入江污染物擴散數(shù)值模擬研究

人 民 長 江

潮汐河口分為3部分，潮區(qū)界至潮流界稱為近口段，該區(qū)段水位受潮波影響而波動，流向不受潮波影響；潮流界至河口攔門沙為河口段，該區(qū)段水動力條件最為復(fù)雜；河口攔門沙至大陸架邊緣稱為口外海濱段，潮汐動力為主，徑流影響微弱。通過長期觀測，一般認為長江的潮流界位于江陰，極枯流量時能到達南京，即南京以上水域水流在無特殊水情條件下均為單向流。因此數(shù)學(xué)模型上游至南京附近，采用流量控制，下游邊界采用徐六涇站水位控制，模型總長約230 km。采用三角形網(wǎng)格作為計算單元，模型網(wǎng)格總數(shù)為56 187個，工程附近水域網(wǎng)格加密，整個模型最大邊長460 m，最小網(wǎng)格邊長約40 m。模型水深采用大范圍實測地形，工程附近水域采用2023年最新實測地形，高程統(tǒng)一到85高程。開邊界給定潮位、溫度、鹽度、總磷污染物質(zhì)量濃度值。其中，計算時間步長取1s，糙率采用附加糙率方式進行處理，基本糙率為0.013，附件糙率取值0.013，水流紊動黏性系數(shù)取0.1HU^*（H為水深，U^*為摩阻流速），動邊界水深取0.01 m。水質(zhì)計算的關(guān)鍵參數(shù)為不同污染物的降解系數(shù)選取^［21］，總磷自然降解速率K的計算公式為

K_總磷=0.5586×Q^-0.15（2）

式中：K為河流中總磷降解系數(shù)，1/d；Q為河流流量，m³/s。

根據(jù)長江徑流量計算，K_總磷=0.10～0.14，該模型中K_總磷取0.11。水質(zhì)擴散系數(shù)取10.0 HU_*。水動力模型驗證資料選取2024年3月靖江河段水文測驗資料，水質(zhì)模型驗證資料選取2024年3月水質(zhì)監(jiān)測資料。

2.2 模型模擬驗證

2.2.1 水動力驗證

采用2024年最新水文測驗資料作為數(shù)學(xué)模型的驗證資料，水動力驗證點位置如圖1所示。水文測驗期間，大通站徑流量為22 000 m³/s左右。水位計算值與實測值對比如圖2所示，潮流垂線計算值與實測值對比如圖3所示。由圖2～3可知，數(shù)學(xué)模型水位計算值與實測值誤差大都在0.10 m以內(nèi)，流速分布趨勢數(shù)模計算值與實測值基本一致?？傮w來說，數(shù)學(xué)模型的計算值與實測值吻合程度較好。

綜上，本次研究建立的水動力模型可以較好地反映附近海域的真實水動力情況，為水質(zhì)模型的建立提供基礎(chǔ)。

2.2.2 水質(zhì)驗證

（1）入江河道排污條件?？己藬嗝嫔舷掠胃鏖l設(shè)計流量如表1所列。該模型計算水位條件主要為枯水期，因此各閘開啟后應(yīng)小于設(shè)計流量，本次取設(shè)計流量的1/2。各主要閘的調(diào)度情況參考2024年1月枯水期調(diào)度情況，開閘時間基本在落潮期。各主要水道入河污染物濃度參考2024年1月枯水期入河總磷平均濃度，如圖4所示。

（2）總磷濃度驗證?？偭诐舛闰炞C考慮了靖江河段所有入江河道的匯入過程。背景濃度取0.09 mg/L，入江河道閘開啟情況參考2024年1月，入江污染物濃度參考2024年1月排放濃度過程。入江河道閘位置如圖1所示，總磷濃度驗證如圖5所示，由圖5可知，數(shù)模計算的總磷濃度與實測總磷濃度量級相當，由于入江河道閘的開啟時間存在概化，因此總磷濃度與實測有一定的差異，但數(shù)模模擬的總磷濃度整體上與實測具有一定的相似性，因此該模型總磷的相關(guān)參數(shù)取值是合理的。

3 結(jié)果與討論

3.1 計算條件

為分析流量對河水匯入的影響，設(shè)置了2種流量條件，分別為10 000，30 000 m³/s，分別代表枯水、豐水條件。由于開閘放水需要根據(jù)長江水位條件確定，因此模型下邊界徐六涇站潮位過程選取2024年1月的半月潮過程。長江背景總磷濃度取0.09 mg/L。入江水道流量及各排口總磷排放濃度與驗證相同，見2.2.2節(jié)。

3.2 排污擴散結(jié)果討論

3.2.1 污染物擴散范圍分析

采用驗證計算條件，分析研究靖江河段的流速特征。大潮期間，在徑流的作用下，漲潮流明顯小于落潮流，受岸線的約束作用，漲潮流和落潮流流向與岸線軸向基本一致。圖6（a）為大潮漲急流速分布，可見國考斷面上下游近岸水域漲急流速基本在0.3～0.5 m/s之間，流速相對較小。圖6（b）為大潮落急流速分布，可見落急流速明顯大于漲急，近岸流速小于深槽；下五圩港上游水域，由于河道寬度較大，落急流速基本在1.2～1.5 m/s之間，下五圩港至新小橋港之間水域，主槽落急流速基本在1.5～1.8 m/s之間，入江河道閘附近流速大都小于1.0 m/s，國考斷面下游主槽處落急流速最大可達1.8 m/s以上，近岸流速在0.9～1.2 m/s之間。小潮期漲落急流速分布如圖7所示。由于潮差小，流速小于大潮，但各水域流速分布趨勢與大潮總體一致。

區(qū)域內(nèi)總磷最大濃度包絡(luò)線如圖8所示，可見總磷擴散方向與流場方向密切相關(guān)，基本與漲落潮流方向一致。國考斷面下游相較于上游流速較大，因此總磷擴散范圍表現(xiàn)為下游范圍更大，同時，由于靖江河段沿岸流速較大的原因，高濃度更靠近岸邊，但寬度較窄。

3.2.2 不同河道排污對國考斷面的貢獻分析

各閘口排污引起的國考斷面總磷濃度增量分布如圖9所示。由圖9可見，九圩港單獨開啟對國考斷面影響最大，平均濃度增加為0.092 mg/L。從總磷平均濃度貢獻看，九圩港匯入對國考斷面總磷的貢獻可達到30.7%，其次是七圩港，占比約為10%，其他閘口排污對考核斷面的影響小于3%，各閘口開啟對國考斷面總磷濃度貢獻占比如圖10所示，可見九圩港排口是國考斷面水質(zhì)提升的關(guān)鍵排口。

九圩港閘單獨開啟后的總磷最大濃度包絡(luò)線如圖11所示，九圩港匯入對國考斷面的總磷濃度影響顯著。

小潮期和大潮期九圩港閘單獨開啟匯入河水到達國考斷面的時間如圖12所示。小潮落潮時，九圩港匯入約4 h后能夠影響到國考斷面（濃度增量0.001 mg/L）；大潮落潮時，九圩港匯入約3.5 h后能夠影響到國考斷面。可見國考斷面的水質(zhì)變化對于九圩港閘排口的總磷排放響應(yīng)速度很快，在制定減污措施時應(yīng)重點關(guān)注九圩港閘排口。

3.2.3 徑流對污染物擴散的影響

不同流量條件下，入江河道匯入后的國考斷面總磷濃度分布如圖13～14所示。由圖可見，各流量條件下，總磷最大濃度包絡(luò)線高濃度區(qū)集中在近岸水域，離岸區(qū)濃度較低。當徑流量大時，相同潮差條件下，靖江沿岸流速相對更大，因此總磷范圍下游長度更長，高濃度區(qū)更靠近岸邊，但寬度較窄。從總磷濃度總體范圍看，不同流量下總磷最大濃度包絡(luò)線范圍趨勢基本一致。

國考斷面的總磷濃度過程如圖15所示，國考斷面的總磷濃度及增量統(tǒng)計如表2所列。由圖15和表2可知，流量越小，國考斷面的總磷濃度平均值越大，原因主要為枯水期水動力相對較弱，污染物隨水流的擴散降解作用削弱。因豐水期水動力強，高濃度污染物運動距離更遠，不同流量下國考斷面的總磷濃度最大值與流量呈現(xiàn)正比關(guān)系?？菟?，國考斷面總磷濃度平均值為0.097 mg/L，增量0.007 mg/L，最大值為0.153 mg/L，增量0.060 mg/L；豐水期，國考斷面總磷濃度平均值為0.095 mg/L，增量0.005 mg/L，最大值為0.160 mg/L，增量0.07 mg/L。

枯水期國考斷面總磷濃度變化過程與潮位的關(guān)系如圖16所示。由圖16可見，中、大潮時，國考斷面總磷濃度值明顯高于小潮，且總磷濃度的峰值均出現(xiàn)在中潮、大潮期。

綜上，入江河道匯入污染物對區(qū)域內(nèi)總磷濃度增加有一定的影響，應(yīng)該在豐水期嚴格控制排口的污染物排量與總磷濃度，同時盡量在小潮時期排污，以減小區(qū)域內(nèi)的總磷濃度增量。

3.2.4 減污措施分析

通過控制九、十圩港閘的排污啟閉與排量，達到控圖12 九圩港閘單獨開啟對國考斷面總磷濃度影響制國考斷面水質(zhì)的目的，具體分為以下4個措施：①九圩港閘關(guān)閉，其他閘口開啟；②十圩港閘關(guān)閉，其他閘口開啟；③關(guān)閉九圩港閘、十圩港閘，其他閘口開啟；④九圩港閘、十圩港閘匯入量減少50%，其他閘口開啟。

不同減污措施下國考斷面的總磷濃度變化過程如圖17所示，統(tǒng)計值如表3所列。由圖17和表3可知：當關(guān)閉九圩港閘時，國考斷面的總磷濃度降低最大。關(guān)閉十圩港閘對國考斷面的總磷濃度影響較小，九圩港閘和十圩港閘排污時間減半對國考斷面的總磷濃度影響亦相對較小。從劣于Ⅱ類水比例來看，所有閘口排污時，1個月內(nèi)有19.3%的時間，總磷劣于Ⅱ類標準限值，當關(guān)閉九圩港閘時，1個月內(nèi)有12.5%的時間，總磷劣于Ⅱ類標準限值，減少6.8%，當關(guān)閉十圩港閘時，效果不明顯，九圩港閘和十圩港閘排污時間減半時，1個月內(nèi)有15.6%的時間，總磷劣于Ⅱ類標準限值，減少3.8%。

由于國考斷面對九圩港閘總磷排放敏感度較高，應(yīng)在豐水期和大、中潮期間，盡可能控制九圩港閘的排量，對該排口的總磷排放加強限制，以保證國考斷面水質(zhì)符合要求。

4 結(jié)論

本次研究基于CJK3D-WEM建立了水動力-水質(zhì)模型，模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果基本吻合，在此基礎(chǔ)上，計算入江河道匯入污染物的總磷擴散結(jié)果，結(jié)果表明：

（1）從各河道總磷的平均濃度包絡(luò)線看，九圩港匯入對國考斷面總磷濃度增量貢獻最大，可達到30.7%。

（2）不同流量下國考斷面的總磷濃度最大值與流量呈現(xiàn)正比關(guān)系，總磷濃度的峰值均出現(xiàn)在中潮、大潮期。

（3）在減污措施中，關(guān)閉九圩港閘的方案效果較明顯，國考斷面的水質(zhì)變化對于九圩港閘排口的總磷排放響應(yīng)速度很快，需在豐水期與大中潮期間加強對九圩港閘的排放管理。

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（編輯：劉媛）