基于數(shù)學(xué)模型的第二松花江支流飲馬河水質(zhì)對(duì)干流水質(zhì)的影響分析

孫少晨,肖偉華,周祖昊,王 浩

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海201620; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京100038)

基于數(shù)學(xué)模型的第二松花江支流飲馬河水質(zhì)對(duì)干流水質(zhì)的影響分析

孫少晨1,2,肖偉華2,周祖昊2,王 浩2

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海201620; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京100038)

利用2007年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析第二松花江支流飲馬河(劣Ⅴ類水質(zhì))對(duì)干流水質(zhì)的影響程度,通過(guò)建立的松花江流域一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,模擬分析了飲馬河水質(zhì)改善(假設(shè)達(dá)到Ⅲ類水)后對(duì)第二松花江干流水質(zhì)變化的影響。結(jié)果表明:6—8月支流水質(zhì)改善后對(duì)干流水質(zhì)影響較大;NH3-N指標(biāo)比CODCr指標(biāo)改善明顯;枯水月支流水質(zhì)對(duì)干流水質(zhì)的影響較小。

水質(zhì)分析;數(shù)學(xué)模型;第二松花江;飲馬河

第二松花江水質(zhì)污染問(wèn)題一直受到環(huán)境界的極大關(guān)注,許多科技工作者做了大量的研究工作,但研究?jī)?nèi)容側(cè)重于沿岸點(diǎn)源、面源對(duì)水體質(zhì)量的影響,而忽略了支流對(duì)水質(zhì)的影響[1-6]。河流水質(zhì)受上游來(lái)水水質(zhì)的影響、本區(qū)污染源的影響以及支流水質(zhì)的影響,因此有必要系統(tǒng)地分析和評(píng)價(jià)第二松花江支流水質(zhì)對(duì)干流的影響。筆者利用所開(kāi)發(fā)的松花江水動(dòng)力水質(zhì)模型進(jìn)行第二松花江支流飲馬河水質(zhì)對(duì)干流的影響研究,并進(jìn)一步預(yù)測(cè)了支流水質(zhì)條件變化后松花江干流水質(zhì)的變化,以期為松花江治理工程提供決策依據(jù)。

1 飲馬河水質(zhì)狀況

飲馬河為第二松花江主要支流之一,發(fā)源于磐石市驛馬鄉(xiāng)呼蘭嶺,流經(jīng)磐石、雙陽(yáng)、永吉、九臺(tái)、德惠、農(nóng)安六縣(市),全長(zhǎng)386.8km,流域面積為18247km2,流域形態(tài)略成一斜三角形(圖1)。東部為山地和松遼平原的過(guò)渡帶,南部為連綿的低山丘陵,西北部為松遼平原,中部為平原,地勢(shì)東南高、西北低,河流多為南北流向。主要支流有伊通河、霧開(kāi)河、雙陽(yáng)河等。

圖1 研究區(qū)概況

目前飲馬河水質(zhì)惡化極為嚴(yán)重,飲馬河的德惠段、拉他泡段和靠山屯段為劣Ⅴ類水質(zhì);飲馬河支流伊通河的伊通段、長(zhǎng)春段和農(nóng)安段等也均為劣Ⅴ類水質(zhì)[7]。伊通河在靠山屯水位站附近注入飲馬河,匯合后流經(jīng)22km注入第二松花江。主要超標(biāo)項(xiàng)目為 BOD5 、CODCr、NH3-N 。

德惠水質(zhì)監(jiān)測(cè)站和靠山水質(zhì)監(jiān)測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱德惠站和靠山站)位于飲馬河及其支流伊通河上,德惠站監(jiān)測(cè)德惠市排污后飲馬河的水質(zhì)狀況,靠山站監(jiān)測(cè)伊通河匯入飲馬河前的水質(zhì)狀況,兩站信息見(jiàn)表1。

表1 德惠站和靠山站信息

從表2、圖2可以看出主要超標(biāo)項(xiàng)目為BOD5、CODCr和NH3-N,其中NH3-N超標(biāo)最嚴(yán)重,在伊通河上NH3-N監(jiān)測(cè)極大值超標(biāo)48.64倍,飲馬河上NH3-N監(jiān)測(cè)極大值超標(biāo)22.62倍。其他監(jiān)測(cè)結(jié)果亦表明伊通河全年NH3-N污染都非常嚴(yán)重。

表2 德惠站和靠山站2007年監(jiān)測(cè)的水質(zhì)情況

圖2 飲馬河德惠站、靠山站2007年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較

2 飲馬河匯入前、后第二松花江干流水質(zhì)變化

通過(guò)設(shè)在第二松花江干流上游的松花江站和下游的五家水質(zhì)監(jiān)測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱松花江站和五家站)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析飲馬河匯入前、后第二松花江干流的水質(zhì)狀況,結(jié)果如圖3所示。兩站信息見(jiàn)表3。

圖3 第二松花江干流松花江站和五家站2007年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較

從圖3可以看出,飲馬河匯入第二松花江后,干流五家站與上游松花江站測(cè)得的NH3-N質(zhì)量濃度相比,前者明顯較大,但CODCr質(zhì)量濃度沒(méi)有明顯增大。冰封期(1—3月及12月)由于河面結(jié)冰,干流不受面源的影響,水質(zhì)變化完全由支流匯入及點(diǎn)源造成,在水流自凈作用的前提下,冬季支流匯入及點(diǎn)源影響可導(dǎo)致干流NH3-N質(zhì)量濃度明顯升高。NH3-N是飲馬河超標(biāo)最為嚴(yán)重的水質(zhì)指標(biāo),對(duì)干流而言CODCr的影響相對(duì)較小。從圖3中還可以看出,在汛期干流五家站的NH3-N質(zhì)量濃度及CODCr質(zhì)量濃度與上游松花江站相比明顯升高。

表3 松花江站和五家站信息

3 水動(dòng)力水質(zhì)模型的建立

3.1 水動(dòng)力模型

一維水動(dòng)力模型的控制方程組(圣維南方程組)如下:

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

式中:Q為流量;z為水位;g為重力加速度;B過(guò)水?dāng)嗝鎸挾?A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;qL為旁側(cè)入流流量;R為水力半徑;C為謝才系數(shù);t為時(shí)間;s為距離。

利用Preissmann四點(diǎn)加權(quán)隱式差分格式對(duì)水流連續(xù)性方程和水流動(dòng)量方程進(jìn)行離散。可用追趕法求解[8-10]。

采用三級(jí)聯(lián)解法,即河道-節(jié)點(diǎn)-河道的方法,將整個(gè)河網(wǎng)看做由河道及河道節(jié)點(diǎn)組成,先將各單一河道劃分為若干計(jì)算斷面,在計(jì)算斷面上對(duì)圣維南方程組進(jìn)行有限差分運(yùn)算,得到以水位及流量為自變量的單一河道差分方程組,再根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接條件及邊界條件形成封閉的節(jié)點(diǎn)水位方程,求解得到各節(jié)點(diǎn)水位,然后將各節(jié)點(diǎn)水位回代至單一河道,最終得到單一河道各斷面的水位和流量[8]。

3.2 水質(zhì)模型

污染物質(zhì)在河流中運(yùn)動(dòng)變化的基本方程(一維對(duì)流擴(kuò)散方程)用下式表達(dá):

式中:C為斷面的水質(zhì)平均質(zhì)量濃度;u為流速;E為縱向離散系數(shù),采用Fisher半經(jīng)驗(yàn)公式[11]獲得;x為河道長(zhǎng)度;S1為內(nèi)部反應(yīng)與相互作用項(xiàng),如生物化學(xué)中的生長(zhǎng)與降解變化等;S2為外部源、匯項(xiàng)。

按照物質(zhì)守恒的原理和方法進(jìn)行離散,可以得到相應(yīng)的矩陣方程,結(jié)合邊界方程,可形成三對(duì)角矩陣方程組,并可用追趕法對(duì)方程組進(jìn)行求解[12-15]。

4 水動(dòng)力、水質(zhì)模型的率定

4.1 水動(dòng)力模型的率定

圖1給出了第二松花江模擬河段,上游邊界為松花江站,下游邊界為扶余(三)水文站(以下簡(jiǎn)稱扶余站),距離步長(zhǎng)為500m,時(shí)間步長(zhǎng)為10min。水動(dòng)力計(jì)算中上游邊界松花江站、德惠站、靠山站給定流量過(guò)程線,下游邊界扶余站給定水位過(guò)程線。采用2006年、2007年 4—10月第二松花江實(shí)測(cè)水位、流量資料對(duì)水動(dòng)力模型進(jìn)行率定、驗(yàn)證。以糙率系數(shù)為基本率定參數(shù),經(jīng)率定,本江段的糙率系數(shù)為0.025～0.033。部分率定結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。從率定驗(yàn)證的結(jié)果可知,水位和流量的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合很好,經(jīng)率定的模型能夠滿足工程分析的精度需要。

圖4 扶余站流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖5 松花江站水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4.2 水質(zhì)模型的率定

水質(zhì)邊界給定NH3-N、CODCr質(zhì)量濃度時(shí)間歷程。干流河道上、下游之間各斷面初始時(shí)刻CODCr質(zhì)量濃度為10～15mg/L,NH3-N質(zhì)量濃度為0.5～0.7mg/L;支流河道各斷面初始時(shí)刻CODCr質(zhì)量濃度為30～50 mg/L,NH3-N質(zhì)量濃度為 3～35 mg/L,CODCr衰減系數(shù)為0.15～0.33d-1,NH3-N衰減系數(shù)為0.08～0.2d-1。

利用2007年4—10月的松花江同步水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)圖6。主要衰減系數(shù)率定值與松遼水利委員會(huì)提供值相近。各水質(zhì)變量質(zhì)量濃度計(jì)算的相對(duì)誤差除了CODCr質(zhì)量濃度個(gè)別時(shí)刻較大外(相對(duì)誤差接近30%),其余水質(zhì)變量的相對(duì)誤差均不超過(guò)20%,說(shuō)明所采用的模型能滿足水質(zhì)模擬的需要。

圖6 五家站CODCr及NH3-N質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 支流水質(zhì)改善對(duì)干流水質(zhì)的影響分析

在上述工作的基礎(chǔ)上,為了更深入地分析支流水質(zhì)改善對(duì)干流的影響,假設(shè)同期飲馬河劣Ⅴ類水質(zhì)經(jīng)過(guò)治理后達(dá)到GB 3838—2002規(guī)定的地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)干流上游來(lái)水水質(zhì)不發(fā)生改變,在此假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬,結(jié)果見(jiàn)圖7。

從圖7可以看出,4—10月期間飲馬河Ⅲ類水質(zhì)情況下,干流下游五家站6—8月水質(zhì)改善情況明顯,NH3-N指標(biāo)變化比CODCr指標(biāo)明顯,質(zhì)量濃度最大變化可達(dá)20%左右,其他月份無(wú)明顯改善。

分析認(rèn)為出現(xiàn)上述情況的主要原因在于:①支流NH3-N污染情況比CODCr嚴(yán)重;②從圖8中可以看出,6—8月支流流量占干流流量比例較大,最高可達(dá)30%,此時(shí)支流水質(zhì)改善對(duì)干流影響較大,其他月份支流流量占干流流量的比例小于0.5%,相當(dāng)于飲馬河的污染物匯入第二松花江干流后將被稀釋200倍以上,大幅度削減了污染物質(zhì)量濃度。

6 結(jié) 論

a.飲馬河主要超標(biāo)項(xiàng)目為BOD5、CODCr和NH3-N。通過(guò)松花江站、五家站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明,在飲馬河匯入第二松花江干流后,經(jīng)過(guò)水體的自凈作用,第二松花江干流水體中NH3-N質(zhì)量濃度增加明顯,CODCr質(zhì)量濃度增加不明顯。

圖7 飲馬河不同水質(zhì)情況下干流五家站的水質(zhì)情況

圖8 德惠站與松花江站2007年監(jiān)測(cè)日均流量比

b.通過(guò)建立的松花江流域一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型,模擬了4—10月期間飲馬河水質(zhì)改善(Ⅲ類)后第二松花江干流水質(zhì)的變化,結(jié)果表明:支流水質(zhì)改善后對(duì)6—8月干流水質(zhì)的影響較大,同時(shí)NH3-N指標(biāo)比CODCr指標(biāo)改善明顯;枯水月相應(yīng)的影響較小。

c.第二松花江支流飲馬河的流量多數(shù)時(shí)間占干流流量的0.5%以下,相當(dāng)于飲馬河的污染物匯入第二松花江干流后被稀釋200倍以上,大幅度削減了污染物質(zhì)量濃度,導(dǎo)致大部分時(shí)間段飲馬河水質(zhì)改善對(duì)第二松花江干流水質(zhì)的影響較小。

d.豐水期第二松花江干流NH3-N指標(biāo)受飲馬河水質(zhì)影響較大,通過(guò)評(píng)價(jià)飲馬河水質(zhì)對(duì)第二松花江干流水質(zhì)的影響,可以類推其他流量較小、水質(zhì)好于飲馬河的支流對(duì)第二松花江干流水質(zhì)的影響會(huì)更小。

致謝:松遼水利委員會(huì)韓俊山總工程師及松遼流域水資源保護(hù)局李青山總工程師對(duì)本課題給予了大力支持,在此表示感謝!

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Impact of the second branch Yinma River on water quality of Songhua River based on mathematical model

SUN Shao-chen1,2,XIAO Wei-hua2,ZHOU Zu-hao2,WANG Hao2
(1.School of Environmental Science and Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China;2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China)

With the assistance of the monitored data of 2007,the impact of the second tributary Yinma River water quality(worse than levelⅤwater standard)onSonghua River was analyzed.A coupled hydrodynamics and water quality model of Songhua river net was developed.Based on this model,the impact of Yinma River on water quality of main stream of Songhua River was predicted.The results indicated that if the water quality of tributary met levelⅢwater standard,the water quality of main stream of Songhua River was improved largely from June through August.Ammonia Nitrogen Index was improved more significantly than that of CODCr.The impact was small in low flow months.

water quality analysis;mathematical model;the second tributary of Songhua River;Yinma River

X522

A

1004-6933(2011)03-0007-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.002

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2008ZX07207-006);國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(50721006);“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2007BAB28B01)

孫少晨(1982—),男,黑龍江嫩江人,博士研究生,主要從事環(huán)境水質(zhì)水動(dòng)力模型開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究、水污染防治技術(shù)研究。E-mail:sunshaochen@126.com

(收稿日期:2010-05-18 編輯:高建群)