水環境污染水平及污染源分布數值模擬研究

李德軍　李靜

關鍵詞：水環境污染；污染源分布；數值模擬；污染負荷估算；因子分析法

中圖分類號：X830.3 文獻標志碼：A

前言

大量的工業、農業和生活污水等進入河流，破壞了河流生態系統平衡，水環境污染、水生態破壞等問題凸顯。但是影響水環境的因素很多，增加了水環境治理項目的難度。為做好水環境治理工作，精準的水環境污染水平模擬及污染源分布數值模擬尤為重要，該模擬可以為有關部門制定治理措施提供科學的參考依據。一些學者展開如下研究。陳鼎豪等人將經典一維水質模型作為基礎，利用人工測量的方式獲取河流流速，通過自動差值計算流場，并替換一維模型中的對流場，求解對流擴散方程，構建水質模擬預測模型。朱悖等人提出基于壓力-狀態-響應的水環境風險模擬模型。綜合分析水污染源的風險性、風險敏感性以及影響水環境污染的主要因素，建立風險評價指標和評價體系，利用冷熱點格局方法模擬水環境風險分布情況。上述模擬方法過于重視水環境污染程度的分析，而忽略了污染源分布。文章利用多源污染負荷估算和因子分析法分別對水環境污染水平和污染源分布情況進行數值模擬分析，以期為水環境治理提供有效的參考依據。

1研究地區概況

（1）氣候特征：研究區域為亞熱帶季風氣候，四季特征變化顯著，降水量非常充沛。冬季和夏季溫差較大，氣溫最高月份和最低月份為7月與1月，兩個月的平均氣溫分別為29.9℃和1.2℃，在低溫時期常伴有降雪和霜凍。

（2）水文特征：河流總長度為2585千米，流域面積為218km²，河流平均寬度為119m。每年的7-9月份為汛期，在此期間水位漲幅較大，水流湍急，水流量最高可達213 m²/s，大量泥沙會堆積在河床兩側，年均輸沙率為5.6 kg/s。該流域附近防洪堤長度為48.03 km，還建有8處丁字壩，防洪等級較高，近20年沒有出現過嚴重的地質災害。

（3）地形與巖層：河流周圍地勢平坦，多為平原，地勢起伏不大，整體上呈現出東高西低的趨勢。上部巖層由粉質黏土、粉土構成，底部基巖主要是泥質砂巖。

（4）水環境面臨的主要問題：水資源不足，該河流屬于季節性河流，每逢干旱時期會出現斷流現象，自凈能力較差，河流難以受納輸入的污染。缺乏引水工程，儲水備水能力不足，并且流域附近人口多，水源嚴重缺乏；環境設備覆蓋率不高，污水處理設施不夠先進，覆蓋程度低；污染源眾多，河流附近分布眾多污染源，主要包括生活、養殖、農業廢水等，不僅影響美觀，還會加重河流污染。

2基于污染負荷計算的水環境污染水平數值模擬

2.1水環境模型建立

2.1.1水動力控制方程

要想準確模擬出水環境污染水平，需將水環境模型為載體，而水動力控制方程是水環境模型構建的基礎，在靜水壓力假設的基礎上，根據水深積分獲得二維水動力控制方程如式（1）：

在水環境污染水平模擬過程中，需要確定影響水質的指標，文章將溶解氧、總氮、總磷、硝酸鹽、高錳酸鉀指數和氨氮作為因素指標。利用上述方法模擬該河流污染水平，模擬結果如圖1所示，各指標的質量標準見表2。

由圖1可知，六種污染指標的模擬值和實際值之間的吻合度非常高，擬合的數據點基本都在1：1線上，只有個別點偏離程度較大。表明此種模擬方法準確度較高。另外能夠看出該河流中溶解氧數值較低，說明河流中微生物多，耗氧量大，總氮和總磷含量均為中等，高錳酸鉀和氨氮的含量偏高。由此得出，該河流污染水平較高，水質較差。

4.2污染源數值模擬

利用上述因子分析方法確定了四個主因子，分別為F₁、F₂、F₃和F₄，不同污染指標的主因子得分見表3。

表3顯示：主因子F₁以總氮和總磷為主要變量，這主要是人類活動造成的，主要污染源來自工業廢水，其中大部分來自橡塑制造企業，因此F₁代表的污染源以工廠為主；主因子F₂以溶解氧和硝酸鹽為主要變量，其中溶解氧污染嚴重地段主要在生活垃圾場，硝酸鹽則是由于農田、菜地施肥和噴灑農藥造成的；主因子F₃以高錳酸鉀為主要變量，表明水中有機物總量較多，污染源多為生活污水，有可能是排污管道泄漏導致；主因子F₄只要一個主要變量為氨氮，由于畜牧業養殖污水排放造成。根據上述主因子的綜合數值，模擬出污染源分布情況見圖2。

利用因子分析法得出影響四個主因子的主要污染指標，根據污染形成原因模擬出各類污染源的分布情況。如圖2所示，主因子F₁分布的地區為工廠，F分布區為農田，F_{<3/sub>為生活區，F4是畜牧養殖區。經過與當地規劃圖進行對比，證明了污染源模擬結果和實際情況相符。}

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結束語

在制定水環境治理措施時，需要依據準確而有效的信息數據進行制定，因此，提出水環境污染水平及污染源分布數值模擬分析。構建水動力方程，將水中的污染物與生化過程變成數值模型，利用污染負荷估算法模擬河流污染程度，通過參數展示水環境變化過程，分類污染源，并且通過因子分析法確定主因子，計算不同主因子對應的主要污染指標，分析污染成因，進而模擬出污染源的分布情況，實現污染源分布數值模擬分析。通過實驗分析結果可知，文章方法的模擬結果與實際結果一致，評估指標納什系數與決定系數最高達到了0.97和0.99，這兩個數值均接近1，進一步驗證了該方法的擬合性較高，其數值模擬結果可信度較高，能夠為當地河流水環境治理提供科學的參考依據。