基于河流水質(zhì)混合模型預(yù)測在地表水環(huán)境影響分析中的應(yīng)用

李立君

（ 盤錦市綠色發(fā)展服務(wù)中心，遼寧盤錦 124010）

1 引言

地表水環(huán)境影響預(yù)測與評價是項目環(huán)評的重要內(nèi)容， 其中污水排放對地表水體水質(zhì)影響的結(jié)果預(yù)測是關(guān)鍵。 Mike 模型是一款致力于水環(huán)境和水資源方面研究的水質(zhì)數(shù)學模型， 是由丹麥水資源及水環(huán)境研究所（ DHI）研究人員共同合作開發(fā)出來的［1］。Mike 模型已經(jīng)成為我國專門用來研究水環(huán)境影響評價的標準軟件之一［2］。 Eco lab 是一個完備的、用于生態(tài)模擬的數(shù)值實驗室， 它提供了從簡單到復(fù)雜的解決方案［3］。該模塊可用于河流、濕地、湖泊、水庫等的水質(zhì)模擬，預(yù)報生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)，簡單到復(fù)雜的水質(zhì)研究工作，水環(huán)境影響評價及水環(huán)境修復(fù)研究，水環(huán)境規(guī)劃和許可研究，水質(zhì)預(yù)報［4］。以盤錦市某河流為例， 采用Mike Eco lab 模型在污水排放不同情境條件下進行河流水質(zhì)預(yù)測， 對污染物分布情況進行模擬分析，有針對性地提出環(huán)境保護措施和要求。

2 地表水體模型建立與預(yù)測情景設(shè)定

2.1 地表水體模型建立

以盤錦某條地表水體為例，根據(jù)計算范圍，將模擬區(qū)域劃分為三角形計算網(wǎng)格，見圖1。 根據(jù)最不利要求，模型上邊界采用枯水期監(jiān)測流量20 m3/s，下邊界水位數(shù)據(jù)2.5 m，同時以污染排污口斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為濃度邊界條件，對上游斷面D1 監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測計算值進行對比，得到地形數(shù)據(jù)的可靠性。 本次地表水的預(yù)測范圍為排污口上游9 000 m 至排污口下游11 000 m，計算范圍長約20 km。

圖1 河流模型計算網(wǎng)格

2.2 預(yù)測情景設(shè)定

根據(jù)預(yù)測情景，污水排放量情景設(shè)定分別為5 000，10 000 m3/d，污染因子選取COD，NH3-N 和石油類，見表1。

表1 污水排放量情景設(shè)定

模擬河流水質(zhì)情況見表2。

表2 模擬河流水質(zhì)情況 mg/L

2.3 模型選用

模型控制方程采用平面二維數(shù)學模型， 模擬預(yù)測物質(zhì)在寬淺水體中，在垂向達到均勻混合的狀況，即滿足《 環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地表水環(huán)境》（ HJ 2.3—2018）所要求的預(yù)測情況。 水動力數(shù)學模型的基本方程為：

式中，u 為對應(yīng)于x 軸的平均流速分量，m/s；v 為對應(yīng)于y 軸的平均流速分量，m/s；zb為河底高程，m；f為科氏系數(shù)，f=2Ωsinφ，s-1；cz為謝才系數(shù)，m1/2/s；τsx，τsy分 別 為 水 面 上 的 風 應(yīng) 力，τsx=r2ρaw2sinα，τsy=r2ρaw2cosα，r2為風應(yīng)力系數(shù)，ρa為空氣密度，kg/m3，w為風速，m/s，α 為風方向角；Am為水平渦動黏滯系數(shù)，m2/s；x 為笛卡爾坐標系x 向的坐標，m；y 為笛卡爾坐標系y 向的坐標，m；S 為源（ 匯）項，s-1。

水質(zhì)數(shù)學模型的基本方程為：

式中，CS為源（ 匯）項污染物濃度，mg/L。

不考慮岸邊反射影響的寬淺型平直恒定均勻河流，岸邊點源穩(wěn)定排放，濃度分布公式為：

式中，C（ x，y）為縱向距離x、橫向距離y 點的污染物濃度，mg/L；m 為污染物排放速率，g/s。

2.4 計算結(jié)果驗證

經(jīng)反復(fù)驗證，河床糙率即曼寧系數(shù)0.032、渦動黏滯系數(shù)0.29， 經(jīng)計算機模擬并對比下游1 000 m斷面D2 的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明， 模擬得到的數(shù)據(jù)各指標濃度計算值與實測值吻合較好，說明河床糙率、污染物衰減系數(shù)及其他參數(shù)選取合適、可靠。排水口下游污染物濃度計算值與實測值對比見表3。

表3 排水口下游污染物濃度計算值與實測值對比

3 預(yù)測結(jié)果及分析

在情景1 模式下，污染物預(yù)測結(jié)果見圖2。

圖2 情景1 模式下污染物預(yù)測結(jié)果

在情景2 模式下，污染物預(yù)測結(jié)果見圖3。

圖3 情景2 模式下污染物預(yù)測結(jié)果

通過以上模擬結(jié)果可知， 對于COD 和NH3-N等具備生物降解性質(zhì)的污染物， 在較短的距離內(nèi)能實現(xiàn)良好的混合和削減； 石油類污染物相對混合達標流程較長。在不同排放量的條件下，排放量增加會加大混合區(qū)的范圍， 但即使在排放量增大一倍情形下，在本文所分析的河流水質(zhì)和水文條件下，混合區(qū)面積僅增加15%左右。排放口實施近岸排放，污染物削減及達標混合區(qū)主要位于排放口所在下游的岸邊處，對河流對岸和河流中心影響相對較小。

4 建議

根據(jù)模擬結(jié)果及分析得到的結(jié)論， 在加強環(huán)境管理方面提出以下建議：

（ 1）排污口盡量設(shè)置在河流中心。 根據(jù)分析結(jié)果， 污染物混合區(qū)主要集中在排放口所在河岸的下游，這些區(qū)域相對環(huán)境敏感目標較多，設(shè)置在河流中心有利于降低污染物排放對環(huán)境敏感目標的影響。

（ 2）排污口設(shè)置在近岸的河流，其控制監(jiān)測點位設(shè)置在其所在岸邊的下游更為符合監(jiān)管和監(jiān)控要求，在事故狀態(tài)下，加強對下游水質(zhì)的監(jiān)測集中在岸邊更為合理。