突發污染事件條件下湘江水質數值模擬分析

賓贊 陳加娜 謝暉 張會芳

（國家城市供水水質監測網長沙監測站 湖南長沙 410015）

按照國家地表水水質評定標準，湘江湘潭—濠河口河段的水質屬于第Ⅴ類，主要適用于農業用水區及一般景觀要求水域，這一類水域在受外界環境影響時，還是存在發生污染事故的可能性。本文將在水動力水質模擬的基礎上模擬突發污染事故發展演變過程。

1 水文基本資料

本論文將運用Saint-Venant方程組的控制方程求解水動力條件，并在此基礎上，加入水質模塊，建立模型來模擬湘江下游河段的污染物擴散和傳播過程。在水動力模型中，上游邊界條件將采用湘潭水文站的流量監控數據，下游邊界條件將采用湘陰水文站的流量監控數據，檢驗條件將采用長沙站的流量監控數據。這些數據一般由各水文站觀測記錄提供，但觀測的數據一般存在一定的誤差，因此在運用原始數據時，必須對其進行基本的數據處理。

從水質監測結果可以明顯看出，湘江在湘潭某河段內，類大腸菌群的比例嚴重超標。從最近一年的岳華水文站的監測數據可以明顯看出，湘江該河段2/3以上的斷面的類大腸桿菌含量超過160000mg/l，遠遠超過國家規定的V類地面水水質標準；同時觀察長沙水文站歷年的監測數據，可以看出湘江該河段每年將近1/2的斷面的類大腸桿菌含量超過100000mg/l，并且離岸越近，類大腸桿菌的濃度越高，這是因為表明長沙市大量的的生活污水和工農業生產廢水由此排入湘江，滋生出大量的類大腸桿菌。

該河段內的類大腸菌群污染主要來自于一維水動力水質數學模型是在水動力模型的基礎上，疊加水質計算模型而構成，主要用于計算復雜水域和長遠距離的河段的水質計算。

2 不同斷面污染物濃度分布情況

在湘江湘潭段三種不同流量情況下，根據下游湘陰在高水位和低水位時河段內三個主要研究斷面的污染物濃度和時間變化圖，分析污染物向下游擴散過程中，濃度和傳播速度變化規律。其中高水位代表考慮河段下游洞庭湖頂托的最不利情況，低水位表示正常水位流量關系情況。

表1 湘潭段流量和湘陰段高低水位情況

（1）湘潭流量為6600m3/s時

圖1為湘陰段高水位時污染物擴散的運動圖，經計算可得到以下變化規律：

1）低水位時污染物向下游擴散的速度比高水位時的擴散速度慢，而且到達下游的的污染物濃度也相對較小；

2）水位越高，污染物在向下游傳播的過程當中，其濃度波形變化越大，濃度減小為原來濃度的1/5，下游斷面污染物歷時延長。

圖1 流量6600m3/s、水位34m時污染物的擴散運動

（2）湘潭流量為3040m3/s時

圖2為湘陰段低水位時污染物擴散的運動圖，經計算可得到以下變化規律：

1）在高水位的情況下，污染物的初始歷時為5h，到達河口斷面的歷時則將近20h，污染時長增大為原來的4倍，歷時增長；

2）在高水位情況下，污染物到達長沙市時，其濃度已經不到原來1/5，河口斷面的污染物已經基本降解。

圖2 流量3040m3/s、水位23m時污染物的擴散運動

（3）湘潭流量為1300m3/s時

根據湘陰段高低水位時污染物擴散的運動圖，經計算可得到以下變化規律：

1）水位較高時，長沙站斷面的污染物濃度已經降解為初始濃度的一半，在污染發生后的22天里，經計算得河口斷面污染物濃度基本上沒有較大的改變，這說明污染物傳播到河口時，己經完全被降解，不會影響到河口的水質；

2）污染物在向下游傳播的過程當中，在高水位和低水位兩種情況下，污染物的濃度波形分布的變化都比較大，但是由于高水位下污染物濃度降解快，所以其波形跨度相對比較大。

同時，根據三種流量下的所得的不同結果，可以看出：在相同水位情況下，河道上游流量越小，污染物的濃度受河床地形變化的影響越顯著，在甚至在河床地形變化比較大的地方，污染物的濃度值的變化將變得無規律可尋。

3 數值計算結果與分析

根據圖1～圖4中的數據，經過計算可以得到不同流量下、不同水位情況下，污染物到達下游的具體時間和污染物在各斷面的峰值濃度，具體的計算結果如表2所示。

表2 污染物在各斷面的峰值濃度

綜合三種不同流量、兩種不同水位，總共六種不同情形，即六種不同的水動力條件，根據不同情況下各水文站記錄的污染物濃度分布情況，可以看出，在污染物初始濃度一定時，在六種水動力條件下，經計算可得污染物的擴散時間和擴散到各河段的濃度，根據計算結果可以發現污染物的擴散和傳播具有一下幾個方面的特點：

（1）在流量相同的情況下，水位越高河流的流速越慢，污染物向下游擴散的速度也越慢，污染物到達下游同一斷面時的濃度也相對較低。

（2）在水位相同的情況下，流量越大污染物傳播速度越快，污染物到達下游同一斷面的濃度也相對較高。

（3）污染物在向下游傳播過程中，其濃度會逐漸減小，但污染物到達下游斷面后的延續時間卻會逐漸增大。

（4）流量越小，污染物的濃度變化受到河床地形條件的影響越明顯。當河床地形變化較劇烈時，污染物的濃度波形甚至會出現很大的畸變現象，通常表現為濃度在一定時間內忽大忽小。

4 結論

利用三種不同流量、兩種不同水位情況，即六種不同水動力情況，分析了污染物受到水動力條件的影響，得出的主要結論是：河道內水流流速越大（包括水位較低和流量較大）的情況下污染物迅速向下游傳播速度越快，濃度變化較小，污染物持續時間增長。

[1]陳作斌，馬明生，賀國宏.計算流體力學及應用[M].北京：國防工業出版社，2003,109

[2]王兆印，邵國東，陸永軍，等，長江流域水沙生態綜合管理[M].北京：科學出版社，2009.

[3]余文濤，盧金友，長江河道演變與治理[M].北京：中國水利水電出版社，2005.