典型暴雨農業面源總磷入庫水質影響過程

孫 楊,韓龍喜

典型暴雨農業面源總磷入庫水質影響過程

孫 楊,韓龍喜

(河海大學環境學院,江蘇南京 210098)

以東北大伙房水庫為典型研究案例,根據典型暴雨情況下農業面源中總磷入庫的時間變化特征,建立考慮入庫水流影響的庫區三維水動力數學模型及相應的三維水質模型,模擬分析1次典型暴雨入庫過程中庫區總磷三維空間分布及隨時間變化的特征。模擬結果表明,受入庫流量和豐水期主導風向東北風的影響,總體上總磷隨著水流主要沿西南岸線向壩址方向擴散,總磷濃度超標面積逐漸增大,隨著流程增加,其濃度逐漸減小。對面源入庫過程的模擬分析可以為面源污染的預報及治理提供相關的技術依據。

典型暴雨;農業面源污染;總磷;三維數值模擬;大伙房水庫

隨著經濟發展和城鎮規模的擴大,通過點源治理,水體污染已得到明顯控制。但由于城鎮垃圾、農田化肥、農藥等隨雨水產生的地表徑流進入了水體,其面源污染治理沒有得到重視,使得面源污染在環境污染中所占的比例越來越大[1]。水體面源污染一般是晴天積累,雨天排放,沒有固定的發生源。而降水徑流則是其發生的主要動力,因此當一場暴雨發生時,面源污染隨之發生。面源入庫源強及庫區水質響應是一個動態過程。對這一過程的進行模擬分析可為面源污染的預報及治理提供相關的技術依據。

目前,針對農業面源污染的預報工作,國內外取得了一系列研究成果。范麗麗等[2]應用SWAT模型計算分析了大寧河流域不同降雨徑流條件下非點源污染的產輸出特性。美國國家環保局開發出SWMM暴雨徑流管理模型模擬城市降雨面源污染情況[3-4]。蔣金等[5]通過分析降雨徑流的水文過程、其與非點源污染物的作用機理及其對非點源污染的影響,探討如何有效地減少非點源污染。程紅光等[6]以黑河流域為研究區對不同降水條件下農田、城鎮、草地、灌木及森林等土地利用類型的各亞流域氮的入河系數進行了研究。呂興娜[7]利用鐵嶺市柴河堡水文站降雨時節實測的暴雨徑流數據、泥沙數據、污染物濃度數據研究降雨時節暴雨徑流量與主要污染物濃度及污染物瞬時流失量之間的關系。總體而言,目前研究成果主要集中于分析面源污染物濃度與不同降雨徑流條件的關系。由于水庫有防洪、蓄水灌溉、發電、養魚等作用,甚至可作為當地的飲用水水源,因此研究暴雨情況下面源污染對水庫水質的影響有其特殊意義。本文以大伙房水庫為例,分析典型暴雨發生后,面源污染團進入水庫對水庫水質的影響。

1 研究區域概況

大伙房水庫是一座大型水利樞紐工程,位于遼寧省東部山區,是遼寧省兩個重要工業城市——沈陽市、撫順市的飲用水水源地。其控制流域面積5437 km2,流域內多山地。平均海拔高度175 m,水庫最大庫容21.87億m3,最大水深41.5 m,平均水深20 m,最大水面長30 km,平均水面寬l 000 m,最大水面面積110 km2[8]。其所處流域為暖溫帶大陸性季風氣候,冬季漫長寒冷,夏季炎熱多雨,全年日照時數在2 280～2 670 h。流域多年平均年降水量為650～800 mm,降水量主要集中在7月、8月,占全年降水量的50%左右。流域內多年平均年水面蒸發約為1 100～1 600mm,多年平均相對濕度為60%～70%,多年平均風速為1.5～3.8 m/s[9]。

社河是距離大伙房水庫最近的一條入庫河流,流經撫順縣多個村鎮,農業面源污染較為嚴重。目前社河周邊地區農田已呈酸化趨勢,由于作物對化肥的吸收一般只有20%～30%,其余大部分營養元素通過地表徑流和淋溶進入水體,導致藻類等生物大量繁殖。水體溶解氧的急劇下降,使水質惡化,導致魚蝦大量死亡。近年來,當地的牛、生豬、羊、雞、鴨等畜禽養殖數量比前幾年已有了明顯增長,而畜禽糞尿總體流失率在10%左右,社河流域由畜禽糞尿的流失而排入水環境中的污染物總量已超過該地區居民生活污染物總量[10]。因此,本文選取社河流入大伙房水庫區域為典型研究區域,見圖1所示。

圖1 社河入庫流域

大伙房水庫最大水深為41.5 m,平均水深20 m,屬于深水水庫,其流速、污染物濃度沿垂向分布差異較大。筆者根據典型暴雨發生時的入庫河流的水文、水質及污染物濃度變化過程的監測數據,建立水庫三維水動力、水質模型,模擬分析典型暴雨入庫過程中庫區總磷三維空間分布及隨時間變化的特征。

2 數學模型

2.1 三維水動力數學模型

用笛卡爾坐標系下描述水庫三維水流運動的控制方程組[11]：

式中：u、v、w分別為坐標x、y、z方向上的流速分量;t為時間坐標;ρ0為水體密度;p為壓強;g為重力加速度;AM為水平渦黏系數;vz為垂向渦黏系數;f為柯氏力系數,f=2ΩsinΦ,其中,Ω=2π/86184為地球自轉頻率,Φ為當地緯度。

2.2 三維水質數學模型

在笛卡爾坐標系下,污染物三維輸運方程描述如下：

式中：ρ為污染物質量濃度;K為污染物降解系數; Dv為垂向擴散系數;Dk為水平擴散系數。

2.3 模型驗證

選用明渠垂向流速分布的經驗公式來驗證數值模擬的結果[12]。試驗選取的計算區域為東西開邊界的矩形明渠水槽,長1000m,寬400m。其他參數見表1。

表1 明渠恒定流垂向流數值模擬參數值

選用明渠垂向濃度分布的指數律來驗證數值計算結果,得出的數值模擬結果與垂向流速指數律分布公式所得的流速分布對比見圖2、圖3。可以看出,模型較好地模擬了明渠水流的流速分布。

圖2 明渠垂向流速分布示意圖

圖3 明渠垂向流速分布解析解與數值解比較

3 面源入庫庫區TP質量濃度變化特征分析

3.1 庫區三維水動力特征分析

a.網格布置。水動力模擬采用無結構三角網格劃分計算區域,在社河入庫區域適當加密。平面共布置2082個節點,3652個網格單元,垂向上采用等距離分層進行剖分,共分為10層。

b.定解條件及模擬參數取值。垂向渦黏系數vz采用Kolmogorov-Prandl方程求解,水平渦黏系數AM采用Smagorinsky亞網格尺度紊動模型計算。入流邊界中的蘇子河和渾河邊界采用豐水期實測平均入庫流量,分別是138.7 m3/s和100.6 m3/s,面源入庫的社河邊界取的是流量時間序列。模擬參數取值：粗糙高度ks=0.01m,水平擴散系數Dk=1m2/s,垂向擴散系數Dv=1m2/s,TP降解系數為0.0018 d-1;定解條件：初始流速為0m/s,初始水位為129.85m,出流邊界水位為129.85 m,岸邊界法向流速為0 m/s。

c.模擬時段。由圖4可知,8月4—8日這段時間內有1場暴雨發生,因此選擇此時段作為農業面源污染的研究時段。社河最大入庫流量478 m3/s發生在8月4日12：00,總磷的入庫質量濃度也在8月4日20：00時達到最大值0.72 mg/L。

圖4 社河入庫流量、TP質量濃度隨時間變化曲線

以豐水期平均風速2.3 m/s和主導風向(東北風)作為自由表面條件,模擬水庫豐水期三維水動力流場。當模擬時間為12 h,即社河入庫流量達到最大值時,吞吐流對水庫流場的影響也達到最大。由圖5(a)可知,大伙房水庫社河入庫口水域水流結構呈現受吞吐流支配的水動力特征和顯著的順岸流特征。當模擬時間為72 h,此時入庫流量逐漸減小到最小值而主導風向東北風的大小為2.3 m/s時,風應力對水庫流場影響最大。由圖5(b)可知,表層流場受風場的作用比較大,從社河流入水庫的水流形成順時針的大環流,入庫口水域水流結構呈現以風生流為支配的水動力特征。

圖5 三維水動力模擬表層流速

3.2 庫區濃度平面分布特征

大伙房水庫富營養化綜合指標已接近富營養化水平,總磷等污染物因子呈增加趨勢,因此選取總磷作為污染因子研究[13]。大伙房水庫年均總磷質量濃度為0.02 mg/L,湖庫Ⅱ類水TP質量水平方向上,取表層的TP質量濃度分布狀態進行特征分析。圖6為TP入庫后不同時間表層水體水平分布濃度場。TP以面源污染形式入庫形成污染團,在東北向水流輸移作用下,污染團主要沿西南岸線向壩址方向擴散。如圖6所示,污染物入庫16 h、20 h、24 h后,社河入庫流量較大,此時吞吐流對水庫流場的影響較大,污染團隨著水流方向向下游擴散。污染物入庫42 h、60 h、78 h后,社河入庫流量逐步減小,風生流對水庫流場的影響越來越大,污染團向下游擴散的同時受到東北風向的影響,有一部分污染團流向西南岸或入庫口,因此污染團偏西南岸線向下游擴散。隨著流程的增加,由于擴散作用,污染物質量濃度逐漸減小。

圖6 表層水體TP質量濃度場水平分布

隨著時間推移,污染團質量濃度(ρ(TP)＞0.025 mg/L)超標面積不斷增大,即對于受納水體,影響范圍不斷增加。面源入庫16h、20h、24h、42h、60h、78h后,TP質量濃度最大超標面積分別為1.92 km2、3.19 km2、3.48 km2、4.32 km2、4.47 km2、5.92 km2, TP污染團擴散最遠處到社河入庫口的距離依次是1.14km、2.09km、2.21km、3.52km、4.59km和5.19km。

3.3 庫區TP質量濃度縱向分布特征分析

圖7 TP質量濃度場縱向分布

垂向方向上,取如圖7所示垂線斷面濃度分布進行分析。由于污染物在社河中垂向擴散達到穩定,因此在進入大伙房水庫后,TP質量濃度在垂向上的擴散也達到穩定。如圖7所示,面源入庫16 h、 20 h、24 h、42 h、60 h、78 h時,TP質量濃度污染團中心處到社河入庫口的距離依次是0.25 km、0.73 km、1.09 km、1.40 km、2.96 km和3.93 km,沿著水流方向,污染團中心不斷向下游遷移,TP污染物質量濃度沿流程逐漸減小。

4 結 語

以大伙房水庫為典型研究區域,建立三維水動力、水質模型。該模型有效地模擬了在一次典型暴雨發生的情況下,農業面源污染因子總磷進入水庫后的遷移特征。模擬結果表明,受入庫流量和豐水期主導風向東北風的影響,總體上污染物隨著水流主要沿西南岸線向壩址方向擴散,對于庫區受納水體,總磷的超標面積逐漸增大,但隨著流程增加,污染物濃度逐漸減小。面源入庫過程對庫區水質的影響是一個動態過程,對這一過程的模擬分析可以為水庫面源污染的預報及治理提供相關的技術依據,在一定程度上提高了面源污染事故處理的水平,能夠有效地控制和減輕事故危害。

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Water quality effects of agricultural non-point source total phosphorus input into reservoir in a typical rainstorm

SUN Yang,HAN Longxi
(College of Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China)

According to the time-varying characteristics of agricultural non-point source total phosphorus(TP) input into the Dahuofang Reservoir,in the northeastern area of China,for a typical rainstorm case,we established a three-dimensional hydrodynamic mathematical model and the corresponding three-dimensional water quality model,taking into account the influence of the flow into the reservoir,in order to simulate and analyze the threedimensional spatial distribution and time-varying characteristics of TP in the reservoir area during a typical rainstorm storage process.The simulation results show that,under the influence of the inflow and the northeasterly wind direction,which was the dominant wind direction in the wet period,TP diffused towards the dam site along the southwest coastline,the TP-exceeded area increased gradually,and the concentration of TP decreased with the flow process.The simulation analysis of this process can provide a relevant technical basis for the forecast and control of non-point source pollution.

typical rainstorm;agricultural non-point source pollution;total phosphorus;three-dimensional numerical simulation;Dahuofang Reservoir

X524

A

1004-6933(2014)01-0018-05

201304-28 編輯：高渭文)

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.01.004

水利部公益性行業科研專項(201101031)

孫楊(1989—),女,碩士研究生,研究方向為環境水力學。E-mail：sunyang817@126.com