湖泊岸線變化對水體污染物輸移擴散影響研究

許猛　劉亞修　陳天力

摘要：為研究湖泊岸線變化情況對于水體污染物輸移擴散的影響作用，選擇某市的一個轄區，針對該轄區某湖泊岸線變化實施潮流場數值模擬。選用COD作為水體污染物實施輸移擴散模擬，構建COD輸移擴散模型。主要考慮6個點源的污染物輸入，依據點源排污量分別在大潮與小潮作用的湖泊岸線變化情況下研究不同岸線類型的COD輸移擴散情況。在大潮、小潮作用下，COD在修復岸線與自然岸線的輸移擴散范圍更小，在人工岸線的輸移擴散范圍大。可以看出，與人工岸線相比，自然岸線和修復岸線可以抑制COD在水體中的擴散范圍。

關鍵詞：岸線分類；水體污染物輸移擴散；湖泊岸線；岸線類型

中圖分類號：X524 文獻標志碼：A

前言

各種生活污水及工業廢水一直被大量排入湖泊中，使湖泊岸線的水體環境質量日趨惡化。根據相關調查結果，大部分湖泊排污口都存在污染物超標排放問題，很多排污口附近水環境污染嚴重，對湖泊功能區有著嚴重損害。這一切都表明湖泊近岸水環境污染問題十分嚴重。其中湖泊近岸水環境質量的好壞不僅與人類活動情況相關，也與水域水動力條件息息相關，也就是與湖泊岸線變化情況相關。改善湖泊近岸水域環境質量最根本的策略是減少和控制排放陸源污染物，但該點實現難度較大。而通過對湖泊岸線變化與水體污染物輸移擴散問題進行研究，所獲得的研究結果則可以作為控制湖泊污染物總量的基礎。對于湖泊這樣一個有著有限空間資源的水域，其環境容量與其空間利用情況必然是緊密相關的。因此通過數值模擬的方法展開湖泊岸線變化對水體污染物輸移擴散影響方面的研究，為湖泊近岸水域資源的可持續利用與環境保護提供參考依據。在該問題的研究中，國外很多學者都利用數值模擬的方法對該問題進行了研究，中國學者也做了大量的研究工作，針對多個地區構建了各種數值模型。現總結借鑒以往取得的研究成果，對不同類型湖泊岸線變化對水體污染物輸移擴散的影響進行深入研究。

1 研究方法

1.1 湖泊岸線變化模型構建

試驗區域選擇某市的一個轄區，區內有著眾多河流，水網密布，形成了多個湖泊。根據衛星影像資料，該區湖泊岸線有著較為明顯的變化。

利用MIKE21水動力模型針對該區集湖泊岸線變化實施潮流場數值模擬。利用基于層次分析法的河湖岸線分類體系實施分類，共有三種類型，分別為自然岸線（指沒有經過人為干擾的天然岸線，或由水陸相互作用形成的岸灘基本得到保留，原始的岸灘動態平衡未受到人工建（構）筑物明顯影響的岸線，或整治修復后具有自然岸線形態特征及生態功能（透水、透氣、具備動植物生長條件）的岸線）、人工岸線（指由永久性人工建（構）筑物組成的岸線，已完全喪失自然形態及水陸交互等生態功能）與修復岸線（指保留了部分自然岸線屬性，尚需進一步修復完善的岸線），選取三種岸線作為岸線試驗對象。

在數值模擬中構建的MIKE21二維水動力學模型由兩個動量方程與一個連續方程構成，其中構建的連續方程如式（1）所示：

式（1）中，α表示潮位；β表示時間，單位為s；x表示X方向上的平均垂線流量分量；δ表示X方向上的坐標；ε表示Y方向上的平均垂線流量分量；西表示Y方向上的坐標。

構建的兩個動量方程如下：

（1）X方向的動量方程具體如式（2）：

式（2）中，γ表示水深；η表示重力加速度；B表示謝才系數；rxx表示剪切應力在X方向上的分量；lw表示水的密度；ryy表示剪切應力在Y方向上的分量；Ω表示柯氏力參數；u表示風摩擦因子；M表示風速；Mx表示X方向上的風速分量；qa示空氣密度；n表示X方向上的水深流速平均值。

（2）Y方向的動量方程具體如式（3）：

式（3）中，My表示Y方向上的風速分量；m表示Y方向上的水深流速平均值。

對數值模擬中的邊界條件進行設置。其中初始條件具體如下：

①n：0.0m/s；②m：0.0m/s。

（3）閉邊界的設置情況具體如下：法線方向上的流量設置為0。

開邊界的設置情況具體如下：給定單位面積后，將時間一流量的過程線當作源匯項，將其加入到邊界網格上，具體如式（4）：

接著確定基本參數，包括平渦粘性系數與糙率，各種岸線類型額定基本參數不同。

最后確定網格設置與計算范圍。其中計算范圍選取該湖泊某段岸線，東西距離約85km，南北距離約58km，其中上側岸線為人工岸線，左側岸線為修復岸線，下側岸線為自然岸線。

1.2 水體污染物輸移擴散模型構建

由于水體污染物的成分十分復雜，通過當前技術很難分別對其含量進行測定，同時需氧有機污染物主要通過對水中的溶解氧進行消耗表現其危害，因此通常采用化學需氧量（COD）或生物化學需氧量（BOD）對需氧有機物的實際含量進行表示。而中國水域水質監測中普遍使用COD來代表，因此在研究中選用COD作為水體污染物實施輸移擴散模擬。

通過數值模擬方法構建COD輸移擴散模型，實施其輸移擴散預測。模型主要考慮生物、化學、潮流物理等因素的作用對污染物擴散情況進行計算。在研究中結合污染物擴散COD輸移擴散塊，構建計算范圍的COD輸移擴散模型，其中模型控制方程具體如式（5）：

Kx=（Ux+Uy）-W×g+L×DF 式（5）

式（5）中，Ux表示X方向上COD的擴散系數；g表示COD實際濃度；Uy表示Y方向上COD的擴散系數；L表示水體污染源項；W表示衰減系數。

其中衰減系數W是由COD的實際衰減特性決定的，因此符合動力學以及反應規律，即符合式（6）：

Fy=a0exp（-W×A）×Kx 式（6）

式（6）中，a0表示初始的COD濃度；λ表示某時刻對應的COD濃度。

擴散系數Ux與Uy的計算公式具體如式（7）：

其中應用模型進行模擬時主要考慮6個點源的污染物輸入。依據該市2022年的湖泊水質通報統計資料，6個點源的化學需氧量入湖量具體見表1。

6個點源的位置情況見圖1。

就此完成COD輸移擴散的數值模擬。

1.3 研究方法

應用構建的兩種模型對湖泊岸線變化對COD輸移擴散的影響效果進行探究。具體來說，在湖泊岸線變化模型的應用下，依據點源排污量對COD輸移擴散模型的實際擴散情況進行分析。分別對三種類型岸線處的COD輸移擴散情況進行研究與分析。

2 數值模擬結果

2.1 大潮湖泊岸線變化情況下三種岸線的數值模擬結果

以現狀水質的COD濃度作為分界點，確定擴散范圍。在大潮作用下，隨著現狀水質的COD濃度變化，得到高潮時刻計算范圍內不同岸線類型的COD輸移擴散情況見圖2。

由圖2結果表明，在大潮作用下，高潮時刻該范圍內岸線變化后COD輸移擴散范圍小于岸線變化前的輸移擴散范圍。說明在大潮漲潮時，COD會受到內擠作用，使其輸移擴散范圍變小。也就是在高潮時刻，COD輸移擴散范圍會達到該過程中最小的規模。其中修復岸線、自然岸線即左側岸線與下側岸線的輸移擴散范圍變化最大，而人工岸線即上側岸線的輸移擴散范圍變化相對較小，也就是說在大潮作用下的高潮時刻，修復岸線與自然岸線對于COD輸移擴散范圍的影響更大，而人工岸線對于COD輸移擴散范圍的影響則稍小。

2.2 小潮湖泊岸線變化情況下三種岸線的數值模擬結果

在小潮作用下，隨著現狀水質的COD濃度變化，得到高潮時刻計算范圍內岸線變化后的COD輸移擴散情況如圖3（b）所示，岸線變化前的COD輸移擴散情況則見圖3（a）。

圖3研究結果表明，在小潮作用下，高潮時刻該范圍內岸線變化后COD輸移擴散范圍小于岸線變化前的輸移擴散范圍。說明在小潮漲潮時，COD同樣會受到內擠作用，使其輸移擴散范圍變小。也就是在高潮時刻，COD輸移擴散范圍會達到最小。但相比大潮作用下，其收縮幅度更小，說明大潮對于COD輸移擴散的影響較大，而小潮對于COD輸移擴散的影響則相對較小。此時修復岸線的響應比較明顯，也就是在小潮作用下的高潮時刻，修復岸線的COD輸移擴散范圍變化較大，收縮趨向更加明顯，自然岸線的COD輸移擴散范圍變化居中，人工岸線的COD輸移擴散范圍變化最小。

2.3 結果討論

在大潮和小潮的作用下，COD在修復岸線與自然岸線的輸移擴散范圍相對較小，而在人工岸線的輸移擴散范圍則相對較大。這表明自然岸線和修復岸線能夠抑制COD在水體中的擴散范圍，減少COD對湖泊水體水質的負面影響，相比之下，人工岸線的COD吸附和吸收能力相對較強，因此COD在人工岸線處更容易擴散。這種趨勢在小潮作用下也是如此。

3 結束語

在研究中發現不同湖泊岸線類型變化對于水體污染物輸移擴散的影響存在顯著的差異，將COD作為代表水體污染物進行了研究，大小潮漲潮時，COD會受到內擠作用，使其輸移擴散范圍變小。大小潮落潮時，COD會受到外拉作用，使其輸移擴散范圍變大。通過實驗得到：不同湖泊岸線類型變化對于水體污染物輸移擴散的影響存在顯著差異，湖泊岸線變化情況對于水體污染物輸移擴散有著明顯的影響作用，無論大小潮時，修復岸線和自然岸線對水質的影響更大，對于COD輸移擴散范圍的影響更大，人工岸線對水質的影響更小；COD在修復岸線和自然岸線處擴散范圍更小，在人工岸線處擴散范圍更大。修復岸線和自然岸線對環境保護作用更大，人工岸線對環境的不利影響較大。

基金項目：杭州市科技發展計劃項目（20220919Y181）