水污染物擴(kuò)散模型應(yīng)用研究

黃濤

(廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 廣東 510620)

水污染物擴(kuò)散模型應(yīng)用研究

黃濤

(廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 廣東 510620)

本文以東江水源保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，利用有限體積元方法對(duì)二維潮流運(yùn)動(dòng)基本方程組進(jìn)行離散，得到離散方程組，從而得出流速、流向、潮位?？紤]灘地隨漲、落潮或淹沒或露出，采用活動(dòng)邊界技術(shù)，以保證計(jì)算的精度和連續(xù)性。結(jié)果表明，所選排污口對(duì)飲用水源保護(hù)區(qū)有明顯影響。

東江；數(shù)學(xué)模型；流污染物擴(kuò)散

0 問題提出

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，對(duì)天然水質(zhì)造成的污染日趨嚴(yán)重。因此水中污染物問題越來越受到人們的重視。為了有效減少污染物對(duì)東江上游水源保護(hù)區(qū)的影響，我們建立了數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析研究和模擬，計(jì)算所選排污口排放對(duì)上游飲用水源保護(hù)區(qū)的影響。

1 控制方程組及模型建立

(2)邊界條件和初始條件 ①邊界條件。對(duì)于本次數(shù)值模擬方案，計(jì)算域外海開邊界條件給定水位，水位數(shù)據(jù)通過查找潮汐表內(nèi)伶仃島的潮位值給出。河流開邊界采用流量作為輸入條件，根據(jù)模擬要求，流量邊界采用枯水期90%保證率的徑流量數(shù)據(jù)，其中東江博羅站枯水期90%保證率流量為132m3/s，其值根據(jù)1956-2005年博羅站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到。

所謂閉邊界條件即水陸交界條件，計(jì)算水域與陸地交界的固邊界上有：

②初始條件

③活動(dòng)邊界處理。本模型采用干濕點(diǎn)判斷法處理潮灘活動(dòng)邊界，在岸邊界處，將鄰近計(jì)算點(diǎn)的水位等值外推，根據(jù)潮灘“淹沒”與“干出”過程同潮位變化的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)水深 時(shí)，潮灘露出，當(dāng)水深 時(shí)，潮灘淹沒。

(3)污染物擴(kuò)散模型控制方程 二維潮流物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散基本方程：

采用三階有限差分格式進(jìn)行離散，上述解的定解條件為：

(4)污染物排放位置及源強(qiáng) 位于東江北干流處，排放口坐標(biāo)為東經(jīng)113°33′39.28″，北緯23°5′19.28″。

工況一、岸邊連續(xù)排放，氨氮正常排放流量0.069m3/s，污染物濃度2.29mg/L；工況二、岸邊連續(xù)排放，氨氮事故排放流量0.069m3/s，污染物濃度67.5mg/L；工況三、岸邊連續(xù)排放，Cl-正常排放流量0.069m3/s，污染物濃度102000mg/L；工況四、岸邊退潮排放，氨氮正常排放流量0.069m3/s，污染物濃度2.29mg/L；工況五、岸邊退潮排放，氨氮事故排放流量0.069m3/s，污染物濃度67.5mg/L；工況六、岸邊退潮排放，Cl-正常排放流量0.069m3/s，污染物濃度102000mg/L。

(5)模型計(jì)算 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格設(shè)計(jì)。模型計(jì)算區(qū)域選擇由21°11.8′N～23°2.8′N，112°14.5′E～114°27.5′E為外海開邊界構(gòu)成的區(qū)域，東西長(zhǎng)大約229.1km，南北寬大約209.7km。模型采用三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算區(qū)域，工程前三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為29996個(gè)，三角形網(wǎng)格數(shù)為47177個(gè)。計(jì)算網(wǎng)格在項(xiàng)目所在區(qū)域進(jìn)行了局部加密，本項(xiàng)目附近的網(wǎng)格分辨率為5m。

(6)模型計(jì)算結(jié)果 工況一，排污口的氨氮濃度平均值為0.479mg/L。飲用水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)下邊界氨氮污染物濃度平均值為0.052mg/L。最大值未超過0.5mg/L。工況二，事故排放發(fā)生在漲潮初期時(shí)，氨氮污染物增量未擴(kuò)散至飲用水源保護(hù)區(qū)下邊界。飲用水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)(排放口上游3.75km)未受到事故排放的影響，下邊界未出現(xiàn)≧0.2mg/L的污染物增量。工況三，正常排污情況下，Cl-的排放影響到了飲用水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)下邊界，污染物濃度增量平均值為275mg/L，兩個(gè)潮周期內(nèi)大約有12.5小時(shí)的Cl-濃度增量超標(biāo)。飲用水源二級(jí)保護(hù)區(qū)的下邊界Cl-污染物濃度增量平均值為4.8mg/L，遠(yuǎn)小于250mg/ L。工況四，排污口的氨氮濃度最大值為0.690mg/L，平均值為0.351mg/L。飲用水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)下邊界最大值為0.229mg/L，平均值為0.037mg/L。最大值未超過0.5mg/L(水源水濃度)。工況五，排污口的氨氮濃度最大值為1.701mg/L，平均值為0.508mg/L。飲用水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)下邊界氨氮污染物濃度最大值為0.399mg/L，平均值為0.056mg/L。飲用水源二級(jí)保護(hù)區(qū)下邊界污染物濃度最大值為0.243mg/L，平均值為0.022mg/L。最大值未超過0.5mg/L(水源水濃度)。工況六，大潮期落潮期排污，飲用水源準(zhǔn)保護(hù)區(qū)下邊界Cl-污染物濃度增量最大值達(dá)到366mg/L，平均值為46mg/L。飲用水源二級(jí)保護(hù)區(qū)的下邊界Cl-污染物濃度增量最大值為87 mg/L，平均值為3.6mg/ L，小于250mg/L。

2 結(jié)語

通過計(jì)算結(jié)果可知，在設(shè)定的6種工況條件下，飲用水源保護(hù)區(qū)邊界的污染物濃度增量值都較小。

[1]金菊良,楊曉華,金保明.水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的新模型[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2000，16(4)：42-47.