水質(zhì)泥沙一維數(shù)學(xué)模型在黃河下游應(yīng)用分析

張海鋒 陳莉紅 李蘭濤

（黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州 450004）

界定一定水質(zhì)狀況對(duì)應(yīng)的水體容納污染物的數(shù)量為水環(huán)境容量，則可用水環(huán)境容量表征水環(huán)境資源的多少［1］。河流是污染物遷移載體，污染物是借助于河流中的水流和泥沙來(lái)輸運(yùn)的。黃河來(lái)流流量的大小影響著河流攜帶污染物的能力，也影響著河流的水環(huán)境容量及其自凈能力［2］。進(jìn)入黃河的泥沙，給黃河造成一定污染，同時(shí)由于其組成含有相當(dāng)數(shù)量的黏土礦物、無(wú)機(jī)膠體和一定數(shù)量的有機(jī)膠體、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膠體，對(duì)排入黃河的種類繁多的污染物具有顯著的吸附作用，某種程度上表現(xiàn)出凈化水質(zhì)的效果。

泥沙對(duì)河流水質(zhì)模擬的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。①泥沙本身作為具有很大不確定性的面污染源的產(chǎn)物，還具備能夠解吸污染物并可能對(duì)水體產(chǎn)生二次污染的特性，大大增加水質(zhì)模擬的難度。②水體含沙量變化的隨機(jī)性和泥沙與污染物相互作用的復(fù)雜性，不經(jīng)使河流水質(zhì)模型的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，而且水質(zhì)模型的精度也會(huì)相應(yīng)下降。

本文分析多泥沙河流水流含沙量對(duì)河流污染物遷移轉(zhuǎn)化突出影響，將一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型中加入泥沙因素，在簡(jiǎn)單河段進(jìn)行多泥沙河流的氨氮遷移轉(zhuǎn)化水質(zhì)模型應(yīng)用，取得了一些效果。

1 理論基礎(chǔ)

污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化與眾多因素有關(guān)，是個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。在諸多影響因素中，河道的河床形態(tài)、河流水文、水力條件、河道水體溫度、pH 值、水體初始污染濃度、泥沙吸附與解析、泥沙沉淀與再懸浮是重要的影響條件［3］。

河流內(nèi)由于各種作用（河段內(nèi)污染物的降解與增生、沉淀與再懸浮、泥沙的吸附與解吸、引入與引出、降雨與滲漏作用等）使水體的某項(xiàng)污染物在單位時(shí)間內(nèi)的變化量稱為源漏項(xiàng)∑Si，則

式中∑Si為河段水流污染物的源漏項(xiàng)，mg/（L.d）；K1為污染物的一級(jí)降解系數(shù)，d-1；Ks為含沙量變化對(duì)污染物濃度引起的增減速率，d-1；ΔS泥沙變化量，mg/L。

因?yàn)楹恿鞯秒x散系數(shù)Ed一般要比分子擴(kuò)散系數(shù)Em、紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)Et大得多，后者與前者相比，常常可以忽略不計(jì)，則

于是，可得河流一維水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程形式

式中C 為河段中某污染物濃度，mg/L；t 為時(shí)間，d；x為河水得流動(dòng)距離，km；u為河段水流的平均流速，km/d;E為河段水流的縱向離散系數(shù)，km2/d；C1為流入反應(yīng)單元的水流污染物濃度，mg/L。

對(duì)于一個(gè)均勻多泥沙河段，可得下面的一維均勻河段的水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程：

河流一維水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程形式：

式中C 為河段中某污染物濃度，mg/L；t 為時(shí)間，d；x為河水得流動(dòng)距離，km；u為河段水流的平均流速，km/d;E為河段水流的縱向離散系數(shù)，km2/d;C為流入反應(yīng)單元的水流污染物濃度，mg/L；

對(duì)于一般不受潮汐影響的內(nèi)陸河流，擴(kuò)散、離散作用相對(duì)于移流作用常常很小，此時(shí)可直接解得排污引起的下游濃度變化為：

式中C0為上游端水體污染物濃度，mg/L；S0為上游端水體泥沙濃度，mg/L；S1為上游端水體引起的下游端水體泥沙濃度，mg/L。

2 初步應(yīng)用驗(yàn)證

黃河高村站到濼口站河段是黃河典型河段，屬地上懸河，河段基本無(wú)入流河道，入河排污口少，河道屬性簡(jiǎn)單，為模型驗(yàn)證提供良好的試驗(yàn)條件。

黃河下游氨氮降解系數(shù)及含沙量變化對(duì)污染物濃度引起的增減速率Ks［4］值見(jiàn)表1：

表1 豐枯水期黃河下游K1，KS值

為驗(yàn)證模型的合理性和可靠性，用2006年山東水文水資源局提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。氨氮實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 氨氮實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比表

由表2可知，采用式4模擬的氨氮濃度值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，模型所用參數(shù)是合理的，模型滿足預(yù)測(cè)要求，模型可作為水質(zhì)預(yù)測(cè)的適用工具。

3 結(jié)論

3.1 在多泥沙河流中，泥沙因素是不可忽視的因素，因此本文把源漏項(xiàng)的泥沙項(xiàng)單獨(dú)列出來(lái)作為一個(gè)重點(diǎn)考慮項(xiàng)，十分必要。

3.2 上述數(shù)據(jù)是在斷面水文條件相似、流量比較穩(wěn)定、河道均勻、實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)背景相同的條件下取得的，具有一致性，所以計(jì)算結(jié)果比較好。對(duì)于水文條件的河道復(fù)雜要考慮離散作用，應(yīng)對(duì)系數(shù)k1、ks進(jìn)行擬合檢驗(yàn)。

3.3 對(duì)于上游來(lái)水突然增大或減少，由于泥沙的沉淀與再懸浮作用對(duì)系數(shù)k1影響很大，在有條件的情況下應(yīng)對(duì)系數(shù)ks進(jìn)行驗(yàn)證。

3.4 實(shí)測(cè)資料相對(duì)匱乏，在條件允許的情況下，應(yīng)對(duì)系數(shù)k1、ks進(jìn)行校核，探索在復(fù)雜條件下泥沙對(duì)水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的作用。

3.5 黃河下游山東河道相對(duì)簡(jiǎn)單，并且污染物僅考慮了氨氮。有關(guān)方面應(yīng)給予支持，進(jìn)行基于污染物和不同河段經(jīng)濟(jì)研究，探討污染物在復(fù)雜黑路條件中的演進(jìn)規(guī)律，泥沙與污染物相互影響的機(jī)理，為黃河水資源保護(hù)，為保護(hù)黃河健康生命做出科學(xué)技術(shù)支持。

［1］吳澤寧.基于生態(tài)經(jīng)濟(jì)的區(qū)域水質(zhì)水量統(tǒng)一優(yōu)化配置研究［D］.南京：河海大學(xué)，2004.

［2］雒文生.水環(huán)境分析及預(yù)測(cè)［M］.武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，2000.

［3］白玉川，顧元棪，邢煥政，等.水流泥沙水質(zhì)數(shù)學(xué)模型理論及應(yīng)用［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2005.

［4］胡國(guó)華.多泥沙河流水質(zhì)模型研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004.08.