二維水質(zhì)監(jiān)測模型參數(shù)率定的研究

二維水質(zhì)監(jiān)測模型參數(shù)率定的研究

水資源是社會發(fā)展的重要資源之一。水資源的綜合開發(fā)利用,不僅要考慮它所提供的足夠數(shù)量的合格水質(zhì),而且還應(yīng)考慮它接納污染的能力,一個地區(qū)水環(huán)境容量的大小也是該地區(qū)水資源是否豐富的重要標(biāo)志之一。如果不能合理地利用水環(huán)境容量,就會造成水資源的破壞或浪費(fèi),因此在進(jìn)行水資源的綜合開發(fā)利用時,應(yīng)該弄清該區(qū)域的水環(huán)境容量即該區(qū)域的污染物最大允許排放量。郁江是貴港市較大的河流,該水域納污能力是貴港市水功能區(qū)管理和排污總量控制的一個核心問題,準(zhǔn)確定量該水體納污能力是科學(xué)合理制定水污染控制規(guī)劃的基礎(chǔ),也是校核水功能區(qū)劃的依據(jù)。河流二維模型適用于污染物非均勻混合時的大型河流,對于水利條件復(fù)雜多變、排污范圍大的水體(如大型的河流、河口、海灣、淺湖等),當(dāng)排放到河流中的污染物在完成橫向混合前這段過程,污染物在縱向和橫向都存在濃度梯度,這時就需要采用二維水質(zhì)監(jiān)測模型對其進(jìn)行描述。在河床形狀較為規(guī)則、水量穩(wěn)定的條件下,可采用二維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)監(jiān)測模型對其進(jìn)行模擬,這樣既可以滿足計(jì)算精度的要求,又可大大簡化計(jì)算過程。本文利用2008年11月26日測定的貴港劉公圩至東津84km郁江河段水文水質(zhì)資料,并選用高錳酸鹽指數(shù)和氨氮為模擬對象對,對二維水流水質(zhì)監(jiān)測模型進(jìn)行參數(shù)率定,并通過誤差分析驗(yàn)證模型計(jì)算精度可滿足水環(huán)境容量計(jì)算分析的要求。1污染物擴(kuò)散系數(shù)k對于順直河段,且污染物排放不隨時間變化時二維水流水質(zhì)對流擴(kuò)散方程為u?C?x+v?C?z=Ex?2C?x2+Ez?2C?z2?KCu?C?x+v?C?z=Ex?2C?x2+Ez?2C?z2-ΚC,(1)其中,C為污染物濃度(mg/L),X為延河水流向的坐標(biāo)(m),Z為垂直x軸的橫向坐標(biāo)(m),u為河水縱向流速(m/s),v為河水橫向流速(m/s),Ex、Ez分別為縱向、橫向擴(kuò)散系數(shù)(m2/s),K為污染物衰減系數(shù)(d-1)。(1)污染物排放強(qiáng)度kC(x,z)=exp(?kX86400U)(C0+mhπEzXU√[exp(?Uz24EzX)+exp(?U(z?2B)24EzX)])?(2)C(x,z)=exp(-kX86400U)(C0+mhπEzXU[exp(-Uz24EzX)+exp(-U(z-2B)24EzX)])?(2)其中,C(x,z)是坐標(biāo)為(x,z)的污染物濃度(mg/L),M是污染物排放強(qiáng)度(g/s),C0是上游污染物濃度(mg/L),h是平均水深(m),K是綜合衰減系數(shù)(1/d),B是河水寬度(m),I是河流平均比降,其它符號意義同(1)式。Ez由泰勒公式求出Ez=(0.058h+0.0065B)ghI???√Ez=(0.058h+0.0065B)ghΙ。(3)(2)水質(zhì)目標(biāo)濃度msM=[Cs-C(x,y)]×Q,(4)當(dāng)y=0時,M=[Cs-C(x,0)]×Q,(5)其中,M為水域納污能力(kg/s),CS為水質(zhì)目標(biāo)濃度值(mg/L)。2水質(zhì)指標(biāo)的確定模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)橘F港劉公圩至東津84公里郁江河段,在計(jì)算區(qū)域內(nèi)共有多個排污口。2008年11月26號對研究區(qū)域進(jìn)行水文、水質(zhì)、污染源的同步監(jiān)測,水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表1。利用表1資料對模型參數(shù)進(jìn)行率定,并選用高錳酸鹽指數(shù)和氨氮為模擬對象。(1)河段斷面設(shè)計(jì)流量Qip。根據(jù)多年流量資料推求,設(shè)計(jì)流量選用保證率為90%的枯水期流量,飲用水源區(qū)取95%設(shè)計(jì)流量。(2)污染物控制濃度標(biāo)準(zhǔn)(Cs)確定。由于各功能區(qū)水質(zhì)控制目標(biāo)是以水質(zhì)類別來表達(dá)的,而水質(zhì)類別給定的是污染物的濃度范圍。因此,在確定Cs值時應(yīng)考慮規(guī)劃河段內(nèi)各功能區(qū)的實(shí)際情況,要具體問題具體分析、從嚴(yán)控制,而不能一概采用規(guī)劃目標(biāo)最高濃度限值。(3)初始斷面的污染物背景濃度(C0)確定。郁江各級功能區(qū)的C0值采用實(shí)測值。(4)橫向擴(kuò)散系數(shù)(Ez)確定,如表2。(5)CODCr與CODMn分析方法之間換算系數(shù)r=(CODCr/CODMn)=2.5。(6)計(jì)算邊界條件的確定。水位邊界條件根據(jù)2008年計(jì)算區(qū)域的上下游的實(shí)測水位資料確定。水質(zhì)邊界條件:入流邊界高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的濃度根據(jù)2008年排入郁江下游的主要污染源排放量確定。率定得到的二維模型參數(shù)值為高錳酸鹽指數(shù)降解系數(shù):0.21/d;氨氮降解系數(shù):0.30/d。3水環(huán)境容量生物氮、cocdr和cod-氨氮模型納污能力把通過公式(2)計(jì)算得出的貴港市郁江各功能區(qū)控制斷面高錳酸鹽和氨氮指數(shù)的計(jì)算值與測量值進(jìn)行比較(表3、表4)。從表3和表4可以看出,高錳酸鹽指數(shù)計(jì)算值與測量值之間的相對誤差平均值為18.7%,氨氮計(jì)算值與測量值之間的相對誤差平均值為25.8%。這表明模型計(jì)算精度可滿足水環(huán)境容量計(jì)算分析的要求。根據(jù)貴港市規(guī)劃河段內(nèi)現(xiàn)狀水質(zhì)和入河排污口中主要污染物,確定貴港市規(guī)劃河段污染物模擬指標(biāo)為COD和氨氮。應(yīng)用二維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)監(jiān)測模型得出貴港市各水功能區(qū)氨氮、CODCr納污能力計(jì)算為:郁江橫縣-貴港保留區(qū)年污染物最大允許納污量,氨氮為2851.5t、CODCr為43681.9t;郁江貴港飲用水源區(qū)年污染物最大允許納污量,氨氮為2071.5t、CODCr為33040.9t;郁江貴港城區(qū)工業(yè)用水區(qū)年污染物最大允許納污量,氨氮為3126.0t、CODCr為42928.9t;郁江貓兒山港口過渡區(qū)年污染物最大允許納污量,氨氮為1896.3t、CODCr為27324.0t。4建立穩(wěn)態(tài)水質(zhì)監(jiān)測模型的建議本文利用2008年11月26日測定的貴港劉公圩至東津84km郁江河段水文水質(zhì)資料,選用高錳酸鹽指數(shù)和氨氮為模擬對象建立了二維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)監(jiān)測模型。通過模型誤分析得出,該模型計(jì)算精度可滿足水環(huán)境容量計(jì)算