水污染物扩散模型应用研究

0问题提出

随着工农业生产的迅猛发展, 对天然水质造成的污染日趋严重。因此水中污染物问题越来越受到人们的重视。为了有效减少污染物对东江上游水源保护区的影响, 我们建立了数学模型进行分析研究和模拟, 计算所选排污口排放对上游饮用水源保护区的影响。

1 控制方程组及模型建立

(1) 水动力模型控制方程

(2) 边界条件和初始条件

(1) 边界条件。对于本次数值模拟方案, 计算域外海开边界条件给定水位, 水位数据通过查找潮汐表内伶仃岛的潮位值给出。河流开边界采用流量作为输入条件, 根据模拟要求, 流量边界采用枯水期90%保证率的径流量数据, 其中东江博罗站枯水期90%保证率流量为132m3/s, 其值根据1956-2005年博罗站的实测数据得到。

所谓闭边界条件即水陆交界条件, 计算水域与陆地交界的固边界上有:

(2) 初始条件

(3) 活动边界处理。本模型采用干湿点判断法处理潮滩活动边界, 在岸边界处, 将邻近计算点的水位等值外推, 根据潮滩“淹没”与“干出”过程同潮位变化的相关关系, 当水深时, 潮滩露出, 当水深时, 潮滩淹没。

(3) 污染物扩散模型控制方程

二维潮流物质输运扩散基本方程:

采用三阶有限差分格式进行离散, 上述解的定解条件为:

初始条件:

陆边界条件: (沿法线方向的浓度梯度为零) ;

(4) 污染物排放位置及源强

位于东江北干流处, 排放口坐标为东经113°33′39.28″, 北纬23°5′19.28″

工况一、岸边连续排放, 氨氮正常排放流量0.069m3/s, 污染物浓度2.29mg/L;工况二、岸边连续排放, 氨氮事故排放流量0.069m3/s, 污染物浓度67.5mg/L;工况三、岸边连续排放, Cl-正常排放流量0.069m3/s, 污染物浓度102000mg/L;工况四、岸边退潮排放, 氨氮正常排放流量0.069m3/s, 污染物浓度2.29mg/L;工况五、岸边退潮排放, 氨氮事故排放流量0.069m3/s, 污染物浓度67.5mg/L;工况六、岸边退潮排放, Cl-正常排放流量0.069m3/s, 污染物浓度102000mg/L。

(5) 模型计算

计算区域与网格设计。模型计算区域选择由21°11.8′N~23°2.8′N, 112°14.5′E~114°27.5′E为外海开边界构成的区域, 东西长大约229.1km, 南北宽大约209.7km。模型采用三角形网格剖分计算区域, 工程前三角形网格节点数为29996个, 三角形网格数为47177个。计算网格在项目所在区域进行了局部加密, 本项目附近的网格分辨率为5m。

(6) 模型计算结果

工况一, 排污口的氨氮浓度平均值为0.479mg/L。饮用水源准保护区下边界氨氮污染物浓度平均值为0.052mg/L。最大值未超过0.5mg/L。工况二, 事故排放发生在涨潮初期时, 氨氮污染物增量未扩散至饮用水源保护区下边界。饮用水源准保护区 (排放口上游3.75km) 未受到事故排放的影响, 下边界未出现≧0.2mg/L的污染物增量。工况三, 正常排污情况下, Cl-的排放影响到了饮用水源准保护区下边界, 污染物浓度增量平均值为275mg/L, 两个潮周期内大约有12.5小时的Cl-浓度增量超标。饮用水源二级保护区的下边界Cl-污染物浓度增量平均值为4.8mg/L, 远小于250mg/L。工况四, 排污口的氨氮浓度最大值为0.690mg/L, 平均值为0.351mg/L。饮用水源准保护区下边界最大值为0.229mg/L, 平均值为0.037mg/L。最大值未超过0.5mg/L (水源水浓度) 。工况五, 排污口的氨氮浓度最大值为1.701mg/L, 平均值为0.508mg/L。饮用水源准保护区下边界氨氮污染物浓度最大值为0.399mg/L, 平均值为0.056mg/L。饮用水源二级保护区下边界污染物浓度最大值为0.243mg/L, 平均值为0.022mg/L。最大值未超过0.5mg/L (水源水浓度) 。工况六, 大潮期落潮期排污, 饮用水源准保护区下边界Cl-污染物浓度增量最大值达到366mg/L, 平均值为46mg/L。饮用水源二级保护区的下边界Cl-污染物浓度增量最大值为87 mg/L, 平均值为3.6mg/L, 小于250mg/L。

2 结语

通过计算结果可知, 在设定的6种工况条件下, 饮用水源保护区边界的污染物浓度增量值都较小。

摘要：本文以东江水源保护区为研究对象, 利用有限体积元方法对二维潮流运动基本方程组进行离散, 得到离散方程组, 从而得出流速、流向、潮位。考虑滩地随涨、落潮或淹没或露出, 采用活动边界技术, 以保证计算的精度和连续性。结果表明, 所选排污口对饮用水源保护区有明显影响。

关键词：东江,数学模型,流污染物扩散

参考文献

[1] 金菊良, 杨晓华, 金保明.水环境质量综合评价的新模型[J].中国环境监测, 2000, 16 (4) :42-47.