趙小龍
(遼寧省營口水文局,遼寧 營口 115003)
利用MIKE11(AD)模型對渾太河流域水質(zhì)現(xiàn)狀進行了模擬,模擬結(jié)果受數(shù)據(jù)、模型和技術(shù)等不確定因素的影響,其結(jié)果精度可能有一定的誤差,但能夠反映河流水質(zhì)隨時間和河段的變化特征,模擬結(jié)果合理可靠,本文以遼寧渾太河水系為例,其主要污染物來自工業(yè)和居民生活污水的排放[1],因此,建立了研究區(qū)的水質(zhì)模型。
水質(zhì)污染源的概化是一個較為復雜的問題[2],涉及到排污口污染負荷的概化,包括污水量、污水濃度以及污染物類型等,據(jù)環(huán)保部門統(tǒng)計,渾河流域的工業(yè)企業(yè)大多位于撫順至沈陽的河段,工廠和企業(yè)通過管道或溝渠排放廢物[3],沿河布設數(shù)十個排污口,小型排污口并入鄰近的大型排污口,最后形成29個點源排污口。
根據(jù)2009年~2018年水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示,渾河主要河流水質(zhì)已達到重度污染水平,沈陽下游污染較為嚴重,COD平均濃度為41.60 mg/L,枯水期間為58.80 mg/L ,平均氨氮濃度為5.87 mg/L,枯水期為15.70 mg/L,地下水水質(zhì)的主要污染物氨氮和化學需氧量均低于Ⅴ類水質(zhì)標準。
MIKE11的對流擴散模型參數(shù)包括擴散系數(shù)和衰減系數(shù)[4],分別代表稀釋和自凈,實測污水排放和水質(zhì)同步監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性良好。
1.3.1 擴散系數(shù)
擴散系數(shù)的計算公式為
式中,D-擴散系數(shù);
a-擴散系數(shù)常數(shù);
b-擴散系數(shù)指數(shù);
u-流速(m/s)。
采用Fischer半經(jīng)驗公式對擴散系數(shù)的值進行分析率定。
式中,u-流速(m/s);
B-河寬(m);
H-水深(m);
I-坡降;
u*-摩阻流速。
從公式(2)中可以知道影響擴散系數(shù)、梯度I和河寬B的因素是常數(shù),由于上游水量不同,流速和水深也會相應變化[5],因此,為了實際值相接近,根據(jù)不同的區(qū)間,確定不同時期的擴散系數(shù)常數(shù)a,并設定擴散系數(shù)的極限值,擴散系數(shù)b的指標值總是等于2,常數(shù)a在上下限之間確定,河流d的經(jīng)驗系數(shù)為5.0~20.0。選擇2018年水動力模型流速模擬結(jié)果進行計算,可得擴散系數(shù)如表1所示。
表1 渾河擴散系數(shù)計算表 單位:m2/s
1.3.2 衰減系數(shù)
污染物降解系數(shù)是計算水體承載能力的重要參數(shù)[6],它與河流水文要素、泥沙和污染物含量以及河道形狀等水文條件密切相關(guān),公式如下:
式中,
k——衰減系數(shù)(d-1或s-1)
u——河段平均流速(m/s);
x——上下斷面的距離(km);
c1、c2——河段上下游污染物濃度,mg/L
由于污染物衰減機理的相對復雜性,衰減系數(shù)由于受多種因素的影響[7],變化大,隨機性大,難以獲得準確的反映實際河流水體狀況和污染物衰減的定量值,該模型只是簡單模擬了衰減系數(shù)的綜合值,在水庫中,水流幾乎是固定的,其衰減特性不同于河流,因此分別為河流和水庫設置衰減系數(shù),結(jié)果見表2。
表2 衰減系數(shù)k率定 單位:d-1
輸入大伙房水庫初始邊界條件[8],采用水動力水質(zhì)模型MIKE11驗證邊界條件,選取渾河干流上游具有代表性的撫順監(jiān)測斷面、沈陽中游渾河閘監(jiān)測斷面和下游邢家棚斷面,對2018年特征污染物(COD、氨氮)月濃度和現(xiàn)值進行比較,對聯(lián)合調(diào)度方案進行水質(zhì)響應分析,結(jié)果表明,撫順市枯水季節(jié)污染物平均濃度為19.41 mg/L,比現(xiàn)狀降低19.72 %,3月~4月下降較為明顯,枯季平均氨氮濃度為1.42 mg/L,與現(xiàn)值相比,下降了7.31%,水質(zhì)維持在IV類水質(zhì)標準,通過以上分析,可以認為氨氮濃度超標是制約渾河上游水質(zhì)的重要因素之一,這與撫順渾河大量排污口有關(guān),因此,改善渾河上游水質(zhì)的研究需要結(jié)合源頭治理措施來進行[9]。
沈陽渾河水閘站水質(zhì)COD平均濃度為31.87 mg/L,比實測值低11.56%,氨氮平均濃度為5.28 mg/L,比實測值低7.11%。根據(jù)COD濃度對水質(zhì)進行詳細劃分,渾河中游沈陽段為IV類水體,采用氨氮濃度對水質(zhì)進行分類,渾河中游沈陽段水質(zhì)低于V類水體,化學需氧量和氨氮濃度高是制約渾河上游水質(zhì)的關(guān)鍵因素,增加了渾河水流的稀釋效應和閘壩沖刷動力效應[10-12],但由于渾河向撫順排放大量污水,不能降低到目標濃度,因此,對渾河中游水質(zhì)的改善同樣需要結(jié)合源頭治理措施進行。
邢家窩棚段COD和氨氮平均濃度分別為12.976 mg/L和5.32 mg/L,分別下降了16.02%和16.07%,COD水質(zhì)保持在I類水質(zhì)標準,氨氮濃度雖有所下降,但水質(zhì)仍不及V類。
通過以上分析可以看出,氨氮濃度是限制河流水質(zhì)的關(guān)鍵因素[13],增加河流流量的稀釋不能使其降低到目標濃度,因此,有必要結(jié)合源頭治理措施,對渾河整個研究區(qū)水生態(tài)環(huán)境的改善進行研究。
輸入兩個(觀音閣、葠窩)水庫的初始邊界條件,采用動態(tài)水質(zhì)模型MIKE11對兩個水庫進行驗證[14],選取本溪、遼陽和唐馬寨斷面,對聯(lián)合調(diào)度方案進行水質(zhì)響應分析。
本溪站水質(zhì)COD平均濃度為8.13 mg/L,比實測值低22.11%,氨氮為0.04 mg/L,比實測值高20.54%,但保持Ⅰ類水質(zhì)。
聯(lián)合調(diào)度方案實施后,遼陽段COD濃度年變化趨勢與現(xiàn)值基本一致,年平均濃度為8.03 mg/L,水質(zhì)等級維持在Ⅰ類水質(zhì)標準,枯水期平均濃度為0.67 mg/L,比現(xiàn)值低14.27% ,水質(zhì)標準維持在III類水質(zhì)標準。分析表明,遼陽控制區(qū)河流氨氮濃度超標是制約河流水質(zhì)達標的重要因素,,通過增加枯水期的河道下泄流量,通過稀釋效果尤為明顯,故生態(tài)調(diào)度方案是可行的[14]。
觀音閣水庫與葠窩水庫聯(lián)合調(diào)度方案的模擬試驗,顯著改善了唐馬寨控制段的水質(zhì)。該方案實施后唐馬寨監(jiān)測斷面各月水質(zhì)特征污染物濃度基本低于實際測量值[15]。平均COD濃度為7.81 mg/L,下降了38.21%,除了1月份,COD的濃度維持在Ⅰ類水平,枯水期氨氮平均濃度為2.55 mg/L,降低了16.42%。
結(jié)果表明,水庫群與閘壩聯(lián)合調(diào)度方案能有效改善河流水質(zhì),通過數(shù)值模擬軟件驗證,2018年渾河、太子河研究段水質(zhì)現(xiàn)狀得到改善,特別是在枯水期。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和水資源管理研究的不斷深入[16],渾太流域的河流水質(zhì)和水質(zhì)特征發(fā)生了變化,2018年聯(lián)合調(diào)度方案根據(jù)河流水體狀況和流域現(xiàn)行運行方案進行調(diào)整,以適應渾太流域水利工程的運行特點和今后改善流域水質(zhì)的需要,為流域水生態(tài)環(huán)境管理提供參考。