一維河流水質模型在應急監測中的應用分析

周新明

(廣西崇左市環境保護監測站,廣西崇左532200)

1 引言

河流水質數學模型(簡稱為河流水質模型)是河流中污染物隨空間和時間遷移轉化規律的描述。按模型推算方式不同,可區分為理論模型、經驗模型和半理論模型3種。河流水質模型多應用于環境影響評價中的預測和風險分析、水質規劃和管理以及污染防治等方面。

為了便于分析,本文按源強排放在時間長度上的不同選擇河流一維水質模型中3個基本方程的圖形特征來進行分析。即一維河流穩態水質模型(連續穩定排放的源強),一維河流突發性排污的水質模型(瞬時排放的源強)和一維河流非穩態的水質模型(短時間里排放的源強)的3者圖形特征進行比較,然后作出簡要判別分析。

1.1 一維河流穩態水質模型

C為x處的河水污染物濃度,[ML-3];C0為 x=0處的河水污染物濃度,[ML-3];u為平均流速,[LT-1];k為污染物的衰減系數,[T-1];E為彌散系數,[L2T-1]。

1.2 一維河流突發性排污的水質模型

C為x處t時河水斷面污染物濃度,[ML-3];C0為x=0處,瞬時投放的平面污染源濃度,[ML-3T],C0=W/Q;W為瞬時排放的污染物總量;Q為河水流量,[L3T-1];A為河流斷面積,[L2];u為平均流速,[LT-1];E為彌釤系數,[L2T-1];k為污染物衰減速率系數,[T-1]。

1.3 一維河流非穩態有限差分水質模型

2 一維河流水質模型的圖形特征

2.1 一維河流穩態水質模型

一維河流穩態水質模型在環境影響評價預測中使用很多。它的源強是連續穩定的。一維河流穩態水質模型的圖形特征見圖1(c-x變化曲線示意圖)和圖2(c-t變化曲線示意圖)。由圖1看出,在污染物影響范圍x=m處,污染物的濃度是相對不變的;由圖2看出,污染物隨時間推移,污染物影響范圍x=m處,污染物的濃度也是相對不變的。

圖1 一維稱態河流污染物濃度空間分布(c-x變化曲線)示意圖

圖2 一維稱態河流污染物濃度時間分布(c-t變化曲線)示意圖

2.2 一維河流突發性排污水質模型

一維河流突發性排污水質模型的源強是瞬時突發性排放的。一維河流突發性排污水質模型的圖形特片見圖3(c-x變化曲線示意圖)和圖4(c-t變化曲線示意圖)。由圖3看出,在污染物影響范圍x=m處,污染物的濃度隨時間推移,(t1＜t2＜t3,先由低C1升高到C2再降低到 C3;由圖 4看出,污染物隨時間推移,污染物影響范圍(x=m)處,污染物的濃度也是先低后高再降低的過程。

2.3 一維河流非穩態的水質模型

一維河流非穩態的水質模型的源強是指短時間內(一定時間長度,如幾十分鐘或數小時不等)排放入水體,隨之污染源消失或污染源排污總量大幅度減少的情況。這種情況,在河流突發性污染事故中經常遇到。

一維河流非穩態水質模型的圖形特征見圖3的虛線部分,和圖4的虛線部分。從圖3和圖4的虛線部分看出,由于非穩態排污是在短時間(一定時間長度)里排放的污染物,在相同的初始排放濃度條件下,污染物排放總量要比瞬時排放大,污染物在水體中的濃度下降得慢些,在圖中“弓”形上部則相對寬和平緩些(曲線曲率變化小一些)。

圖3 一維河流突發性排污(全實線部分)和一維河流非穩態排污(后部分分為虛線)污染物濃度時間分布(c-x變化曲線)示意圖

圖4 一維河流突發性排污(全實線部分)和一維河流非穩態排污(后部分為虛線)污染物濃度時間分布(c-t變化曲線)示意圖

3 河流水質模型在應急監測3個過程中的應用分析

(1)現場監測過程的實施主要是依據污染物濃度在河流水體中的變化趨勢來判別的。在同一河流中,相同的污染物濃度(C0)排入水體后,污染物隨水流移動,在相同的時間里,河流中污染物影響范圍內的濃度(C)的高低依次是連續穩定排污,非穩態排污和突發性排污。即河流中污染物濃度下降最快的是突發性排污,其次是非穩態排污,最慢的連續穩定排污。

(2)跟蹤監測過程的實施主要是依據污染物濃度在河流水體中的遷移過程來判別的。連續穩定的排污,污染物的濃度最高點始終在入河口,而突發性排污和非穩態排污,當污染物進入河流水體后,污染源隨之消失;污染物隨著河水流動和上游來水的同時作用,形成數百米或數公里的污染帶。在許多情況下,有必要對污染物的遷移位置和范圍進行機動地跟蹤監測。

(3)總量監測過程的實施主要是依據污染物瞬時最高濃度在河流水體中的位置來判別的。因為連續幾個小時的非穩態排污造成的污染事故,當應急監測人員到達現場時,污染源已經消失,在數百米或數公里的污染帶中間部位往往保持著較高的瞬時濃度,這在應急監測中應特別注意。特殊情況下,為了掌握排入河流中的污染物總量,就必須對此污染帶設置多個斷面進行監測,才能對污染物的影響范圍和可能的危害作出科學合理的判斷。

4 結語

在河流突發性污染事故應急監測中,掌握(建立與推導等)和應用(簡化和修正等)河流水質模型是極其重要和有利于應急監測方案制訂的。由于水質模型的多樣性,按源強排放時間分類有連續穩定排放、短時間排放和瞬時排放等形式;按空間分類有一維空間、二維空間和三維空間等形式;按排入水體分類有河流、河口、湖泊、水庫等形式。在突發性水體污染事故應急監測中,掌握(建立和推導等)和應用(簡化和修正等)水質模型是值得進一步深入探討和研究的方向。

[1]國家環境保護總局.HJ/T91-2002.地表水和污水監測技術規范[S].北京：國家環境保護總局,2002.

[2]萬本太.突發性環境污染事故應急監測與處置技術[M].北京：中國環境科學出版社,1996.

[3]傅國偉.河流水質數學模型及其模擬計算[M].北京：中國環境科學出版社,1987.