摘要：長(zhǎng)江流域靖江河段近年來(lái)總磷指標(biāo)在考核值附近波動(dòng)，水質(zhì)存在偶發(fā)性降類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)?；贑JK3D-WEM建立了水動(dòng)力-水質(zhì)模型，旨在模擬和評(píng)估不同情況下的總磷擴(kuò)散效果，制定合理的總減污措施。結(jié)果表明：不同流量下國(guó)考斷面的總磷濃度最大值與流量呈正比關(guān)系，總磷濃度的峰值均出現(xiàn)在中潮、大潮期。九圩港匯入對(duì)國(guó)考斷面平均總磷濃度增量貢獻(xiàn)最大，可達(dá)到30.7%。在減污措施中，關(guān)閉九圩港閘的方案效果較明顯，需要在豐水期和大中潮期間加強(qiáng)對(duì)九圩港閘的排放管理，以保證國(guó)考斷面的水質(zhì)符合要求。研究成果可為后續(xù)區(qū)域內(nèi)解決總磷超標(biāo)問(wèn)題與合理確定疏浚方案提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：總磷控制；水動(dòng)力-水質(zhì)模型；污染物擴(kuò)散；CJK3D-WEM；長(zhǎng)江下游靖江河段

中圖法分類(lèi)號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.005

0 引言

長(zhǎng)江是長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈河流，不僅為長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的物流和貿(mào)易提供了便捷的運(yùn)輸通道^［1］，其水系更對(duì)三角洲地區(qū)的生態(tài)環(huán)境有重要影響^［2］，維持了濕地、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的平衡，為生物多樣性提供了棲息地。靖江河段是長(zhǎng)江水系的重要組成部分，其近年來(lái)面臨的總磷超標(biāo)問(wèn)題引起了廣泛關(guān)注^［3-4］?？偭讓?duì)魚(yú)類(lèi)、底棲動(dòng)物群落健康具有顯著影響，是水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要誘因^［5-6］，因此，針對(duì)靖江河段的總磷擴(kuò)散模擬研究對(duì)于長(zhǎng)江水系的水環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要^［7］。

數(shù)學(xué)模型在理解和預(yù)測(cè)污染物行為方面起著關(guān)鍵作用，有助于環(huán)境管理和決策。對(duì)流-擴(kuò)散模型描述了總磷通過(guò)對(duì)流（由于平均流動(dòng)導(dǎo)致的傳輸）和擴(kuò)散（由于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)散）的傳輸過(guò)程^［8］。模型中的總磷濃度由偏微分方程控制，考慮了對(duì)流速度、擴(kuò)散系數(shù)和反應(yīng)速率。該模型適用于水污染場(chǎng)景，在模擬河流和湖泊中總磷的擴(kuò)散方面已有廣泛應(yīng)用，能夠提供總磷濃度的時(shí)空變化信息。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型采用數(shù)值方法求解流體運(yùn)動(dòng)的Navier-Stokes方程，并結(jié)合對(duì)流-擴(kuò)散方程來(lái)模擬總磷的傳輸。這些模型能夠處理復(fù)雜的幾何形狀和多變的環(huán)境條件，提供詳細(xì)的總磷濃度時(shí)空分布^［9］。CFD模型在城市水體、工業(yè)排放和大型水庫(kù)中總磷擴(kuò)散的研究中得到了廣泛應(yīng)用，特別適用于復(fù)雜環(huán)境下的總磷擴(kuò)散模擬^［10-12］。拉格朗日模型追蹤單個(gè)總磷粒子或包裹在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)，特別適用于研究湍流中總磷的擴(kuò)散。由于湍流環(huán)境中粒子的軌跡可能非常不規(guī)則，拉格朗日模型結(jié)合隨機(jī)過(guò)程來(lái)考慮粒子運(yùn)動(dòng)中的隨機(jī)波動(dòng)^［13］。這種模型在模擬河流和沿海區(qū)域的總磷擴(kuò)散方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠詳細(xì)描述總磷粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。綜合水文模型結(jié)合了地表水和地下水系統(tǒng)，以模擬流域和含水層中的總磷運(yùn)輸。這些模型通常求解對(duì)流-擴(kuò)散-反應(yīng)方程，并結(jié)合入滲、徑流和地下水流等水文過(guò)程。綜合水文模型在評(píng)估總磷對(duì)水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)健康影響方面具有重要作用，廣泛應(yīng)用于流域管理和污染評(píng)估^［14-16］?？傊?，這些數(shù)學(xué)模型為預(yù)測(cè)總磷在環(huán)境中的擴(kuò)散提供了寶貴工具。模型選擇取決于具體的研究目標(biāo)和環(huán)境條件。CFD模型在總磷擴(kuò)散模擬中尤為常見(jiàn)，通過(guò)水動(dòng)力-水質(zhì)數(shù)學(xué)模型在萊州灣^［17］、渤海灣^［18］以及欽州灣^［19］等區(qū)域的總磷擴(kuò)散研究中已得到成熟應(yīng)用。

本次研究在靖江河段水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用CJK3D-WEM模型，對(duì)入江河道匯入污染物的總磷擴(kuò)散結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，研究結(jié)果可為后續(xù)區(qū)域內(nèi)解決總磷超標(biāo)問(wèn)題與合理確定疏浚方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及工程概況

研究區(qū)域位于長(zhǎng)江靖江河段。靖江河段位于中國(guó)江蘇省中南部，主要涉及靖江市及其周邊地區(qū)。靖江市是泰州市下轄的縣級(jí)市，地處長(zhǎng)江北岸，緊鄰長(zhǎng)江。靖江流域的水系主要包括靖江河、廣陵河等眾多支流，以及長(zhǎng)江這一主要干流。靖江流域的經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，依托其優(yōu)越的地理位置和豐富的水資源，形成了以農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)為主的綜合經(jīng)濟(jì)體系，但也面臨一定的環(huán)境壓力，如水污染和生態(tài)破壞等問(wèn)題。2023年第四季度以來(lái)，靖江長(zhǎng)江蟛蜞港（左岸）國(guó)考斷面水質(zhì)波動(dòng)頻繁，污染因子總磷持續(xù)在達(dá)標(biāo)臨界線上下浮動(dòng)，水質(zhì)存在降類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)目水質(zhì)評(píng)價(jià)水域?yàn)殚L(zhǎng)江靖江段蟛蜞港（左岸），沿岸主要污染物排口見(jiàn)圖1。

2 水域污染物排放數(shù)學(xué)模型

2.1 二維污染物排放模型

基于二維有限體積法的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型CJK3D-WEM，建立研究區(qū)域二維總磷水質(zhì)模型，水流、水質(zhì)運(yùn)動(dòng)方程為

式中：z為水位；t為時(shí)間；H為總水深；u，v為流速矢量沿x，y方向的速度分量；f為科氏系數(shù)；g為重力加速度；N_x，N_y為x，y向水流紊動(dòng)黏性系數(shù)；C為污染物濃度；A_x，A_y為x，y向水質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；S為水質(zhì)源匯項(xiàng)；k為水質(zhì)衰減系數(shù)。水動(dòng)力模型主要為水質(zhì)模型提供水動(dòng)力場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)總磷在時(shí)間和空間上產(chǎn)生變化，采用三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，將單一的網(wǎng)格單元作為控制單元，采用有限體積法對(duì)式（1）進(jìn)行離散求解，具體求解過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［20］。

增刊（Ⅱ） 何 良，等：長(zhǎng)江下游靖江河段入江污染物擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

人 民 長(zhǎng) 江

潮汐河口分為3部分，潮區(qū)界至潮流界稱(chēng)為近口段，該區(qū)段水位受潮波影響而波動(dòng)，流向不受潮波影響；潮流界至河口攔門(mén)沙為河口段，該區(qū)段水動(dòng)力條件最為復(fù)雜；河口攔門(mén)沙至大陸架邊緣稱(chēng)為口外海濱段，潮汐動(dòng)力為主，徑流影響微弱。通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)，一般認(rèn)為長(zhǎng)江的潮流界位于江陰，極枯流量時(shí)能到達(dá)南京，即南京以上水域水流在無(wú)特殊水情條件下均為單向流。因此數(shù)學(xué)模型上游至南京附近，采用流量控制，下游邊界采用徐六涇站水位控制，模型總長(zhǎng)約230 km。采用三角形網(wǎng)格作為計(jì)算單元，模型網(wǎng)格總數(shù)為56 187個(gè)，工程附近水域網(wǎng)格加密，整個(gè)模型最大邊長(zhǎng)460 m，最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)約40 m。模型水深采用大范圍實(shí)測(cè)地形，工程附近水域采用2023年最新實(shí)測(cè)地形，高程統(tǒng)一到85高程。開(kāi)邊界給定潮位、溫度、鹽度、總磷污染物質(zhì)量濃度值。其中，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取1s，糙率采用附加糙率方式進(jìn)行處理，基本糙率為0.013，附件糙率取值0.013，水流紊動(dòng)黏性系數(shù)取0.1HU^*（H為水深，U^*為摩阻流速），動(dòng)邊界水深取0.01 m。水質(zhì)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)為不同污染物的降解系數(shù)選取^［21］，總磷自然降解速率K的計(jì)算公式為

K_總磷=0.5586×Q^-0.15（2）

式中：K為河流中總磷降解系數(shù)，1/d；Q為河流流量，m³/s。

根據(jù)長(zhǎng)江徑流量計(jì)算，K_總磷=0.10～0.14，該模型中K_總磷取0.11。水質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)取10.0 HU_*。水動(dòng)力模型驗(yàn)證資料選取2024年3月靖江河段水文測(cè)驗(yàn)資料，水質(zhì)模型驗(yàn)證資料選取2024年3月水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料。

2.2 模型模擬驗(yàn)證

2.2.1 水動(dòng)力驗(yàn)證

采用2024年最新水文測(cè)驗(yàn)資料作為數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證資料，水動(dòng)力驗(yàn)證點(diǎn)位置如圖1所示。水文測(cè)驗(yàn)期間，大通站徑流量為22 000 m³/s左右。水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖2所示，潮流垂線計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖3所示。由圖2～3可知，數(shù)學(xué)模型水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差大都在0.10 m以內(nèi)，流速分布趨勢(shì)數(shù)模計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致?？傮w來(lái)說(shuō)，數(shù)學(xué)模型的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合程度較好。

綜上，本次研究建立的水動(dòng)力模型可以較好地反映附近海域的真實(shí)水動(dòng)力情況，為水質(zhì)模型的建立提供基礎(chǔ)。

2.2.2 水質(zhì)驗(yàn)證

（1）入江河道排污條件?？己藬嗝嫔舷掠胃鏖l設(shè)計(jì)流量如表1所列。該模型計(jì)算水位條件主要為枯水期，因此各閘開(kāi)啟后應(yīng)小于設(shè)計(jì)流量，本次取設(shè)計(jì)流量的1/2。各主要閘的調(diào)度情況參考2024年1月枯水期調(diào)度情況，開(kāi)閘時(shí)間基本在落潮期。各主要水道入河污染物濃度參考2024年1月枯水期入河總磷平均濃度，如圖4所示。

（2）總磷濃度驗(yàn)證。總磷濃度驗(yàn)證考慮了靖江河段所有入江河道的匯入過(guò)程。背景濃度取0.09 mg/L，入江河道閘開(kāi)啟情況參考2024年1月，入江污染物濃度參考2024年1月排放濃度過(guò)程。入江河道閘位置如圖1所示，總磷濃度驗(yàn)證如圖5所示，由圖5可知，數(shù)模計(jì)算的總磷濃度與實(shí)測(cè)總磷濃度量級(jí)相當(dāng)，由于入江河道閘的開(kāi)啟時(shí)間存在概化，因此總磷濃度與實(shí)測(cè)有一定的差異，但數(shù)模模擬的總磷濃度整體上與實(shí)測(cè)具有一定的相似性，因此該模型總磷的相關(guān)參數(shù)取值是合理的。

3 結(jié)果與討論

3.1 計(jì)算條件

為分析流量對(duì)河水匯入的影響，設(shè)置了2種流量條件，分別為10 000，30 000 m³/s，分別代表枯水、豐水條件。由于開(kāi)閘放水需要根據(jù)長(zhǎng)江水位條件確定，因此模型下邊界徐六涇站潮位過(guò)程選取2024年1月的半月潮過(guò)程。長(zhǎng)江背景總磷濃度取0.09 mg/L。入江水道流量及各排口總磷排放濃度與驗(yàn)證相同，見(jiàn)2.2.2節(jié)。

3.2 排污擴(kuò)散結(jié)果討論

3.2.1 污染物擴(kuò)散范圍分析

采用驗(yàn)證計(jì)算條件，分析研究靖江河段的流速特征。大潮期間，在徑流的作用下，漲潮流明顯小于落潮流，受岸線的約束作用，漲潮流和落潮流流向與岸線軸向基本一致。圖6（a）為大潮漲急流速分布，可見(jiàn)國(guó)考斷面上下游近岸水域漲急流速基本在0.3～0.5 m/s之間，流速相對(duì)較小。圖6（b）為大潮落急流速分布，可見(jiàn)落急流速明顯大于漲急，近岸流速小于深槽；下五圩港上游水域，由于河道寬度較大，落急流速基本在1.2～1.5 m/s之間，下五圩港至新小橋港之間水域，主槽落急流速基本在1.5～1.8 m/s之間，入江河道閘附近流速大都小于1.0 m/s，國(guó)考斷面下游主槽處落急流速最大可達(dá)1.8 m/s以上，近岸流速在0.9～1.2 m/s之間。小潮期漲落急流速分布如圖7所示。由于潮差小，流速小于大潮，但各水域流速分布趨勢(shì)與大潮總體一致。

區(qū)域內(nèi)總磷最大濃度包絡(luò)線如圖8所示，可見(jiàn)總磷擴(kuò)散方向與流場(chǎng)方向密切相關(guān)，基本與漲落潮流方向一致。國(guó)考斷面下游相較于上游流速較大，因此總磷擴(kuò)散范圍表現(xiàn)為下游范圍更大，同時(shí)，由于靖江河段沿岸流速較大的原因，高濃度更靠近岸邊，但寬度較窄。

3.2.2 不同河道排污對(duì)國(guó)考斷面的貢獻(xiàn)分析

各閘口排污引起的國(guó)考斷面總磷濃度增量分布如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，九圩港單獨(dú)開(kāi)啟對(duì)國(guó)考斷面影響最大，平均濃度增加為0.092 mg/L。從總磷平均濃度貢獻(xiàn)看，九圩港匯入對(duì)國(guó)考斷面總磷的貢獻(xiàn)可達(dá)到30.7%，其次是七圩港，占比約為10%，其他閘口排污對(duì)考核斷面的影響小于3%，各閘口開(kāi)啟對(duì)國(guó)考斷面總磷濃度貢獻(xiàn)占比如圖10所示，可見(jiàn)九圩港排口是國(guó)考斷面水質(zhì)提升的關(guān)鍵排口。

九圩港閘單獨(dú)開(kāi)啟后的總磷最大濃度包絡(luò)線如圖11所示，九圩港匯入對(duì)國(guó)考斷面的總磷濃度影響顯著。

小潮期和大潮期九圩港閘單獨(dú)開(kāi)啟匯入河水到達(dá)國(guó)考斷面的時(shí)間如圖12所示。小潮落潮時(shí)，九圩港匯入約4 h后能夠影響到國(guó)考斷面（濃度增量0.001 mg/L）；大潮落潮時(shí)，九圩港匯入約3.5 h后能夠影響到國(guó)考斷面。可見(jiàn)國(guó)考斷面的水質(zhì)變化對(duì)于九圩港閘排口的總磷排放響應(yīng)速度很快，在制定減污措施時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注九圩港閘排口。

3.2.3 徑流對(duì)污染物擴(kuò)散的影響

不同流量條件下，入江河道匯入后的國(guó)考斷面總磷濃度分布如圖13～14所示。由圖可見(jiàn)，各流量條件下，總磷最大濃度包絡(luò)線高濃度區(qū)集中在近岸水域，離岸區(qū)濃度較低。當(dāng)徑流量大時(shí)，相同潮差條件下，靖江沿岸流速相對(duì)更大，因此總磷范圍下游長(zhǎng)度更長(zhǎng)，高濃度區(qū)更靠近岸邊，但寬度較窄。從總磷濃度總體范圍看，不同流量下總磷最大濃度包絡(luò)線范圍趨勢(shì)基本一致。

國(guó)考斷面的總磷濃度過(guò)程如圖15所示，國(guó)考斷面的總磷濃度及增量統(tǒng)計(jì)如表2所列。由圖15和表2可知，流量越小，國(guó)考斷面的總磷濃度平均值越大，原因主要為枯水期水動(dòng)力相對(duì)較弱，污染物隨水流的擴(kuò)散降解作用削弱。因豐水期水動(dòng)力強(qiáng)，高濃度污染物運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)，不同流量下國(guó)考斷面的總磷濃度最大值與流量呈現(xiàn)正比關(guān)系。枯水期，國(guó)考斷面總磷濃度平均值為0.097 mg/L，增量0.007 mg/L，最大值為0.153 mg/L，增量0.060 mg/L；豐水期，國(guó)考斷面總磷濃度平均值為0.095 mg/L，增量0.005 mg/L，最大值為0.160 mg/L，增量0.07 mg/L。

枯水期國(guó)考斷面總磷濃度變化過(guò)程與潮位的關(guān)系如圖16所示。由圖16可見(jiàn)，中、大潮時(shí)，國(guó)考斷面總磷濃度值明顯高于小潮，且總磷濃度的峰值均出現(xiàn)在中潮、大潮期。

綜上，入江河道匯入污染物對(duì)區(qū)域內(nèi)總磷濃度增加有一定的影響，應(yīng)該在豐水期嚴(yán)格控制排口的污染物排量與總磷濃度，同時(shí)盡量在小潮時(shí)期排污，以減小區(qū)域內(nèi)的總磷濃度增量。

3.2.4 減污措施分析

通過(guò)控制九、十圩港閘的排污啟閉與排量，達(dá)到控圖12 九圩港閘單獨(dú)開(kāi)啟對(duì)國(guó)考斷面總磷濃度影響制國(guó)考斷面水質(zhì)的目的，具體分為以下4個(gè)措施：①九圩港閘關(guān)閉，其他閘口開(kāi)啟；②十圩港閘關(guān)閉，其他閘口開(kāi)啟；③關(guān)閉九圩港閘、十圩港閘，其他閘口開(kāi)啟；④九圩港閘、十圩港閘匯入量減少50%，其他閘口開(kāi)啟。

不同減污措施下國(guó)考斷面的總磷濃度變化過(guò)程如圖17所示，統(tǒng)計(jì)值如表3所列。由圖17和表3可知：當(dāng)關(guān)閉九圩港閘時(shí)，國(guó)考斷面的總磷濃度降低最大。關(guān)閉十圩港閘對(duì)國(guó)考斷面的總磷濃度影響較小，九圩港閘和十圩港閘排污時(shí)間減半對(duì)國(guó)考斷面的總磷濃度影響亦相對(duì)較小。從劣于Ⅱ類(lèi)水比例來(lái)看，所有閘口排污時(shí)，1個(gè)月內(nèi)有19.3%的時(shí)間，總磷劣于Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值，當(dāng)關(guān)閉九圩港閘時(shí)，1個(gè)月內(nèi)有12.5%的時(shí)間，總磷劣于Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值，減少6.8%，當(dāng)關(guān)閉十圩港閘時(shí)，效果不明顯，九圩港閘和十圩港閘排污時(shí)間減半時(shí)，1個(gè)月內(nèi)有15.6%的時(shí)間，總磷劣于Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值，減少3.8%。

由于國(guó)考斷面對(duì)九圩港閘總磷排放敏感度較高，應(yīng)在豐水期和大、中潮期間，盡可能控制九圩港閘的排量，對(duì)該排口的總磷排放加強(qiáng)限制，以保證國(guó)考斷面水質(zhì)符合要求。

4 結(jié)論

本次研究基于CJK3D-WEM建立了水動(dòng)力-水質(zhì)模型，模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算入江河道匯入污染物的總磷擴(kuò)散結(jié)果，結(jié)果表明：

（1）從各河道總磷的平均濃度包絡(luò)線看，九圩港匯入對(duì)國(guó)考斷面總磷濃度增量貢獻(xiàn)最大，可達(dá)到30.7%。

（2）不同流量下國(guó)考斷面的總磷濃度最大值與流量呈現(xiàn)正比關(guān)系，總磷濃度的峰值均出現(xiàn)在中潮、大潮期。

（3）在減污措施中，關(guān)閉九圩港閘的方案效果較明顯，國(guó)考斷面的水質(zhì)變化對(duì)于九圩港閘排口的總磷排放響應(yīng)速度很快，需在豐水期與大中潮期間加強(qiáng)對(duì)九圩港閘的排放管理。

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（編輯：劉媛）