賓贊 陳加娜 謝暉 張會(huì)芳

（國家城市供水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)長沙監(jiān)測站 湖南長沙 410015）

按照國家地表水水質(zhì)評定標(biāo)準(zhǔn)，湘江湘潭—濠河口河段的水質(zhì)屬于第Ⅴ類，主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域，這一類水域在受外界環(huán)境影響時(shí)，還是存在發(fā)生污染事故的可能性。本文將在水動(dòng)力水質(zhì)模擬的基礎(chǔ)上模擬突發(fā)污染事故發(fā)展演變過程。

1 水文基本資料

本論文將運(yùn)用Saint-Venant方程組的控制方程求解水動(dòng)力條件，并在此基礎(chǔ)上，加入水質(zhì)模塊，建立模型來模擬湘江下游河段的污染物擴(kuò)散和傳播過程。在水動(dòng)力模型中，上游邊界條件將采用湘潭水文站的流量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，下游邊界條件將采用湘陰水文站的流量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，檢驗(yàn)條件將采用長沙站的流量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一般由各水文站觀測記錄提供，但觀測的數(shù)據(jù)一般存在一定的誤差，因此在運(yùn)用原始數(shù)據(jù)時(shí)，必須對其進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)處理。

從水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果可以明顯看出，湘江在湘潭某河段內(nèi)，類大腸菌群的比例嚴(yán)重超標(biāo)。從最近一年的岳華水文站的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以明顯看出，湘江該河段2/3以上的斷面的類大腸桿菌含量超過160000mg/l，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家規(guī)定的V類地面水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)觀察長沙水文站歷年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以看出湘江該河段每年將近1/2的斷面的類大腸桿菌含量超過100000mg/l，并且離岸越近，類大腸桿菌的濃度越高，這是因?yàn)楸砻鏖L沙市大量的的生活污水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水由此排入湘江，滋生出大量的類大腸桿菌。

該河段內(nèi)的類大腸菌群污染主要來自于一維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型是在水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上，疊加水質(zhì)計(jì)算模型而構(gòu)成，主要用于計(jì)算復(fù)雜水域和長遠(yuǎn)距離的河段的水質(zhì)計(jì)算。

2 不同斷面污染物濃度分布情況

在湘江湘潭段三種不同流量情況下，根據(jù)下游湘陰在高水位和低水位時(shí)河段內(nèi)三個(gè)主要研究斷面的污染物濃度和時(shí)間變化圖，分析污染物向下游擴(kuò)散過程中，濃度和傳播速度變化規(guī)律。其中高水位代表考慮河段下游洞庭湖頂托的最不利情況，低水位表示正常水位流量關(guān)系情況。

表1 湘潭段流量和湘陰段高低水位情況

（1）湘潭流量為6600m3/s時(shí)

圖1為湘陰段高水位時(shí)污染物擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)圖，經(jīng)計(jì)算可得到以下變化規(guī)律：

1）低水位時(shí)污染物向下游擴(kuò)散的速度比高水位時(shí)的擴(kuò)散速度慢，而且到達(dá)下游的的污染物濃度也相對較?。?/p>

2）水位越高，污染物在向下游傳播的過程當(dāng)中，其濃度波形變化越大，濃度減小為原來濃度的1/5，下游斷面污染物歷時(shí)延長。

圖1 流量6600m3/s、水位34m時(shí)污染物的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

（2）湘潭流量為3040m3/s時(shí)

圖2為湘陰段低水位時(shí)污染物擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)圖，經(jīng)計(jì)算可得到以下變化規(guī)律：

1）在高水位的情況下，污染物的初始?xì)v時(shí)為5h，到達(dá)河口斷面的歷時(shí)則將近20h，污染時(shí)長增大為原來的4倍，歷時(shí)增長；

2）在高水位情況下，污染物到達(dá)長沙市時(shí)，其濃度已經(jīng)不到原來1/5，河口斷面的污染物已經(jīng)基本降解。

圖2 流量3040m3/s、水位23m時(shí)污染物的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

（3）湘潭流量為1300m3/s時(shí)

根據(jù)湘陰段高低水位時(shí)污染物擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)圖，經(jīng)計(jì)算可得到以下變化規(guī)律：

1）水位較高時(shí)，長沙站斷面的污染物濃度已經(jīng)降解為初始濃度的一半，在污染發(fā)生后的22天里，經(jīng)計(jì)算得河口斷面污染物濃度基本上沒有較大的改變，這說明污染物傳播到河口時(shí)，己經(jīng)完全被降解，不會(huì)影響到河口的水質(zhì)；

2）污染物在向下游傳播的過程當(dāng)中，在高水位和低水位兩種情況下，污染物的濃度波形分布的變化都比較大，但是由于高水位下污染物濃度降解快，所以其波形跨度相對比較大。

同時(shí)，根據(jù)三種流量下的所得的不同結(jié)果，可以看出：在相同水位情況下，河道上游流量越小，污染物的濃度受河床地形變化的影響越顯著，在甚至在河床地形變化比較大的地方，污染物的濃度值的變化將變得無規(guī)律可尋。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)圖1～圖4中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算可以得到不同流量下、不同水位情況下，污染物到達(dá)下游的具體時(shí)間和污染物在各斷面的峰值濃度，具體的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 污染物在各斷面的峰值濃度

綜合三種不同流量、兩種不同水位，總共六種不同情形，即六種不同的水動(dòng)力條件，根據(jù)不同情況下各水文站記錄的污染物濃度分布情況，可以看出，在污染物初始濃度一定時(shí)，在六種水動(dòng)力條件下，經(jīng)計(jì)算可得污染物的擴(kuò)散時(shí)間和擴(kuò)散到各河段的濃度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)污染物的擴(kuò)散和傳播具有一下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）在流量相同的情況下，水位越高河流的流速越慢，污染物向下游擴(kuò)散的速度也越慢，污染物到達(dá)下游同一斷面時(shí)的濃度也相對較低。

（2）在水位相同的情況下，流量越大污染物傳播速度越快，污染物到達(dá)下游同一斷面的濃度也相對較高。

（3）污染物在向下游傳播過程中，其濃度會(huì)逐漸減小，但污染物到達(dá)下游斷面后的延續(xù)時(shí)間卻會(huì)逐漸增大。

（4）流量越小，污染物的濃度變化受到河床地形條件的影響越明顯。當(dāng)河床地形變化較劇烈時(shí)，污染物的濃度波形甚至?xí)霈F(xiàn)很大的畸變現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為濃度在一定時(shí)間內(nèi)忽大忽小。

4 結(jié)論

利用三種不同流量、兩種不同水位情況，即六種不同水動(dòng)力情況，分析了污染物受到水動(dòng)力條件的影響，得出的主要結(jié)論是：河道內(nèi)水流流速越大（包括水位較低和流量較大）的情況下污染物迅速向下游傳播速度越快，濃度變化較小，污染物持續(xù)時(shí)間增長。

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