基于水源模型的流域水污染防治技術(shù)研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0107-05

中圖分類號：X522文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

WatershedWaterPollutionPreventionandControl TechnologyBasedonWater TraceabilityModel

MenNing，Zhang Cheng，ChenBo，ZhangYanbo （Henan Ecological Environment Monitoringand Safety Center，Zhengzhou 45oO46，China）

Abstract：Inordertoefectivelypreventandcontrolwaterplutioninthewatershedasellastograspthedistributionandmigrationlawsofpolutionsources，ispperforuatestargetedpreventioandcontrolmeasuresbyproposingwatersedwaterolutionpr ventionandcontroltechologyasedowatertraceabilityodel.Itanalyzsthedistributionofpolutionsourcstroughositevesti gationsanddatamoitoring.Usingwatertracingadhydrodyamicmodels，theprocsofpolltanttasportissimulatedtoidentifykey polutionsoucesndpathwa.Itpopoeseasurestcontrolmisios，mprovesewagetreatmentapacityrengtenslosion preventionandotrovaatetfiesndtieevedotrolatestsueoiouspf waterquaityTesultsidicatetatthepropodmetodcancheeapidficnt，nduatetaceabiltfaterot polution，collectltionsouedatandprovidesentifcbasisfontoingndanagingwatervioent，whichisofeat practical significance.

Keywords：watershedwaterpolution；watertraceabilitymodel；hydrodynamics；waterqualityimprovement；scientificpreventior and control

前言

水是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，近年來，水域環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，流域水環(huán)境污染事件頻發(fā)[2]，嚴(yán)重影響了生態(tài)平衡和人民的生命和財產(chǎn)安全。因此，流域水污染防治技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用顯得尤為重要。若能在發(fā)生水污染事故時，及早發(fā)現(xiàn)污染源，并快速采取措施，可以最大限度地減少污染事故的損害[3]。因而，河流污染源頭治理是當(dāng)前迫切需要解決的重大問題。水溯源模型作為一種有效的流域水污染管理工具，為防治技術(shù)的制定與實施提供了科學(xué)依據(jù)[4]

近年來，已經(jīng)有很多學(xué)者對流域水污染防治技術(shù)進(jìn)行了研究。例如，文獻(xiàn)[5]研究了污染企業(yè)生產(chǎn)工藝清潔化與水環(huán)境污染治理的耦合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)工藝清潔化可減少污染物存量，但涉及大量計算，成本高。文獻(xiàn)[6]以滏陽河為例，利用GIS技術(shù)定量分析污染因子，通過地理探測器和標(biāo)準(zhǔn)偏差橢圓揭示污染時空演化及關(guān)鍵因素空間分布，實施有效治理。然而，該方法要求用戶具備地理知識、計算機技能和數(shù)據(jù)處理能力，非專業(yè)人士需投入更多時間和成本。為此，提出了基于水溯源模型的流域水污染防治技術(shù)，旨在通過科學(xué)分析流域水環(huán)境狀況，識別關(guān)鍵污染源和污染途徑，進(jìn)而制定有效的污染防控策略，實現(xiàn)流域水質(zhì)的持續(xù)改善。

1 研究區(qū)域

實驗選擇為某地區(qū)主干河流流域作為研究區(qū)域，該地區(qū)由一條主干河流貫穿，有多條支流。周邊地區(qū)為溫帶、半干旱的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，因地區(qū)的地理位置，該地區(qū)的溫度差異很大，降水在夏季較為集中，最高達(dá) 584.7mm 。水質(zhì)以碳酸鹽巖為主；這一帶的地勢十分復(fù)雜，有高山、平原，也有高地和山丘;土壤種類繁多，有壤土、褐土、潮土和風(fēng)砂等，具有較強的侵蝕性;主要的土地用途包括：林地、草場、耕地、建筑和其它未經(jīng)利用的土地。

該地區(qū)流域水為周邊農(nóng)業(yè)用水主要來源[7]2019年-2022年四年期間共設(shè)置有15個水質(zhì)監(jiān)測點。近幾年來，由于工業(yè)廢水排放和社會經(jīng)濟的發(fā)展，該區(qū)域的流域水環(huán)境受到了嚴(yán)重的污染。主要污染問題是由于在過去的幾年里，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，以干旱澇災(zāi)為主，水土流失非常嚴(yán)重。所以，當(dāng)大雨來臨時，就會有很多泥沙被沖入河中，其中的氮和磷物質(zhì)也被帶到了水庫中，導(dǎo)致水域內(nèi)的富營養(yǎng)化程度越來越高；水域上游范圍內(nèi)有各類排污、污水處理、工業(yè)排污等入河排污口67個，每年向河流排污量達(dá)到1.27億噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了水體納污能力；同時，還有養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)等造成的污染。具體流域水污染問題情況見表1。

2 流域水污染溯源方法

由于流域內(nèi)不同地域單元內(nèi)景觀類型各異，水體流動與污染物運移規(guī)律復(fù)雜多樣，地表產(chǎn)流與污染機理也不盡相同，因此，基于研究區(qū)特征選擇無點源模型應(yīng)因地制宜。當(dāng)污染物入河后，水動力學(xué)因子對其在水中的遷移轉(zhuǎn)化過程有重要影響，主要表現(xiàn)為沿程快速遷移和擴散，并在河道中形成一條長而寬的羽狀帶，更適于開展二維水動力學(xué)耦合模式的模擬。該模式以秒為單位，基本方程式由連續(xù)方程式、動量方程式及污染擴散方程式組成：

式（1）－式（3）中，d表示水的動力粘滯系數(shù);h 表示流域水深度； Ψ_t 表示監(jiān)測時間； u 和 v 表示在 x 和 y 軸方向的水流速度； q 表示由周邊流入主干河流的水體流量； g 表示重力加速度常數(shù)； z 表示流域內(nèi)的水位高度； c 表示水流的謝才系數(shù)； ζ_x 和 ζ_y 表示在 x 和 y 軸方向的水流渦粘系數(shù)； ρ_i 表示流域中污染物質(zhì) i 的濃度； E_x 和 E_y 表示污染物質(zhì)在 x 和 y 軸方向的擴散指數(shù)； S_i 表示污染物質(zhì) χ_i 的指數(shù)。

異源同效的水體污染問題揭示了突發(fā)性污染事件的源頭排放場景的不唯一性。為了盡可能地將污染源應(yīng)查盡查、不嚴(yán)重不遺漏，以水動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過邊界末端多個污染物排放場景下的快速水質(zhì)仿真，基于源質(zhì)響應(yīng)方法分析不同污染源對現(xiàn)場水質(zhì)演變的影響規(guī)律，開展溯源追蹤。具體步驟如下：

（1）采集流域終端水文、氣象、污染源和水利設(shè)施調(diào)控等多源信息，在云計算的支持下，實現(xiàn)流域尺度上任意一點上的水位、流量、流速和水質(zhì)的模擬和預(yù)測。

（2）首先，依據(jù)每日的監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)仿真結(jié)果，確定了區(qū)域的水質(zhì)安全限值。其次，邊界端通過對峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在當(dāng)前預(yù)測值偏離設(shè)定的安全閥值有很大偏差，但過程擬合良好的情況下，進(jìn)行非點源風(fēng)險預(yù)警；當(dāng)與安全門限及過程擬合程度均有很大偏差時，可對點源（包括流動源）進(jìn)行突發(fā)性災(zāi)害預(yù)警。

（3）在排除了非點源污染源后，對邊界末端進(jìn)行多場景點源事故的數(shù)值模擬。以云平臺上實時水動力學(xué)數(shù)值模擬為研究對象，以事故現(xiàn)場水動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，開展污染源多場景排放的水質(zhì)仿真研究，構(gòu)建事故區(qū)源質(zhì)響應(yīng)數(shù)據(jù)庫。

（4）通過對各流域斷面的污染進(jìn)程進(jìn)行擬合，從而確定了突發(fā)事件發(fā)生的區(qū)域。在邊界端獲取不同排放情景下的污染物濃度模型，并以實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)作為匹配點，利用納什有效性系數(shù)，對不同排放情景下的污染過程進(jìn)行擬合程度分析。納什有效性系數(shù)愈趨近1，則表示此模擬情境擬合得愈好，表示此情境下污染事件發(fā)生機率愈高。納什有效性系數(shù) E_NS 計算公式見式（4）：

式（4）中 ?_Pmt 表示在 χ_t 時監(jiān)測點位的水質(zhì)濃度監(jiān)測值 表示在 χ_t 時監(jiān)測點位的水質(zhì)濃度模擬值; 表示在監(jiān)測的全部時間 T 的監(jiān)測點位的水質(zhì)濃度平均值。

所提方法以典型的水域污染物為研究對象，針對水體中常見的污染物溯源問題，綜合考慮化學(xué)、石油、金屬和放射性等4類共126個典型污染物，在邊界端構(gòu)建相關(guān)模式庫和參數(shù)預(yù)置庫。由于水動力等因素的變化，模型的參數(shù)也會發(fā)生變化，從而極大地影響數(shù)值模擬的效果。依據(jù)所提方法對海量數(shù)據(jù)校正溯源結(jié)果，實現(xiàn)污染物在流域水環(huán)境中的遷移過程，減少因點源、固定點源和移動點源等污染物對污染源頭監(jiān)測的誤差。

3流域水污染防治措施以及效果分析

通過流域水溯源結(jié)果，制定流域水污染的防治措施如下：

（1）控制污染源的排放，加大化學(xué)需氧量和氨氮的減排力度，使每個單元的總排放量都要比流域的平均值高；加大工業(yè)污染治理力度，實行更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)；加強管網(wǎng)的建設(shè)，進(jìn)一步提高城鎮(zhèn)污水處理率；確保流域的生態(tài)水量，使城區(qū)水及重點受污染的支流得到有效的改善。

（2）提高城市污水處理能力，在所有地區(qū)設(shè)立污水處理廠，保證流域內(nèi)的大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水能夠得到集中處理；強化環(huán)保監(jiān)督，對沿河地區(qū)的化工和危險化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行風(fēng)險評估，制訂相應(yīng)的風(fēng)險預(yù)防計劃，保證不會有大的環(huán)境緊急情況發(fā)生；應(yīng)加大對農(nóng)業(yè)污染源的控制力度，降低化肥、殺蟲劑的使用，對農(nóng)田的退水期進(jìn)行治理，采取綜合治理的方法來防治非點源污染；加大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖污染防治設(shè)施的建設(shè)力度，積極推進(jìn)畜禽糞污無害化處理和資源化技術(shù)。

（3）加強土壤侵蝕防治、流域生態(tài)林、退耕還林等措施，以維持地區(qū)的生態(tài)環(huán)境；嚴(yán)格執(zhí)行禁、限區(qū)域的土地使用、產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入、生態(tài)補償?shù)确矫娴恼摺?/p>

3.1 水環(huán)境狀態(tài)分析

為了找出某地區(qū)流域水污染溯源，采集該地區(qū)2021年5月-8月的流域水樣的化學(xué)需氧量濃度、氨氮濃度、總磷濃度，分別于早8時、中午12時和下午5時，在15個監(jiān)測點各采樣檢測一次。得出流域內(nèi)各監(jiān)測點水質(zhì)污染狀況，見圖1、圖2。

通過圖1、圖2可以看出，在15個監(jiān)測點監(jiān)測到的污染物濃度日平均量中，4號和7號監(jiān)測點的污染物濃度含量較高，這兩個監(jiān)測點區(qū)域是對全域流域水污染物含量貢獻(xiàn)最高的區(qū)域，化學(xué)需氧量和氨氮濃度含量均為最高。經(jīng)過防治措施治理后，流域水環(huán)境狀態(tài)明顯好轉(zhuǎn)?；瘜W(xué)需氧量濃度方面，重度污染區(qū)域由原來的 53% 降低為 25% ，中度污染區(qū)域由 28% 上升到 36% ，輕度污染區(qū)域由19% 上漲到 39% ；氨氮濃度方面，重度污染區(qū)域由47% 下降到 14% ，中度污染區(qū)域占比由 25% 上升到 28% ，輕度污染區(qū)域由 28% 增加到 58% ；總磷濃度方面，重度污染區(qū)域由 53% 下降到 17% ，中度污染區(qū)域占比由 33% 增加到 36% ，輕度污染區(qū)域占比由 14% 上漲到 47% 。這些數(shù)據(jù)表明，防治措施的實施顯著改善了流域水環(huán)境質(zhì)量，特別是重度污染區(qū)域的比例大幅下降，輕度污染區(qū)域的比例顯著上升。

3.2 流域水質(zhì)狀態(tài)

通過各分支和主干河流上的水質(zhì)監(jiān)測點，以水質(zhì)的pH值為指導(dǎo)參數(shù)，監(jiān)測經(jīng)過防治后的流域水質(zhì)狀態(tài)，得到地區(qū)水質(zhì)環(huán)境見表1。

分析表1可知，與治理前相比，使用文章方法治理后的 pH 值均在 5mg/L 以下，這一顯著變化不僅證明了通過文章方法治理后的水質(zhì)得到了顯著改善，而且進(jìn)一步揭示了該方法在控制水質(zhì)指標(biāo)方面的有效性。具體來看，治理前的pH值普遍較高，可能存在酸堿失衡的問題，而經(jīng)過文章方法治理后， pH 值穩(wěn)定在 5mg/L 以下，表明水質(zhì)更加平衡和穩(wěn)定。

4結(jié)束語

綜上所述，基于水溯源模型的流域水污染防治技術(shù)為有效防治流域水污染提供了科學(xué)的方法和工具。通過實地調(diào)查和數(shù)據(jù)監(jiān)測，分析污染源的分布情況，利用水溯源和水動力模型，模擬污染物的運移過程，能夠準(zhǔn)確識別出關(guān)鍵污染源和污染路徑。在此基礎(chǔ)上，提出了一系列針對性的防治措施，包括控制排放、提高污水處理能力、加強土壤侵蝕防治等，并通過定期評估和優(yōu)化，確保這些措施的有效實施和水質(zhì)的持續(xù)改善。測試結(jié)果顯示，此次研究的污染防治技術(shù)不僅能夠快速、高效、準(zhǔn)確地溯源，為水環(huán)境監(jiān)測和管理提供科學(xué)依據(jù)，還具有重要的實際意義。它為流域水污染防治提供了有力支持，有助于保護流域生態(tài)環(huán)境和人民生命安全。

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