太湖梅梁湾水污染及蓝藻分析计算

陈 鸣，陆卫鲜，郁建桥，徐 亮

(1.南京水利科学研究院水文水资源研究所，江苏南京 210029; 2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098;3.江苏省环境监测中心，江苏南京 210036)

改革开放以来，太湖流域社会经济快速发展，以占全国0.4%的国土面积和占全国2.8%的人口，创造了占全国11.1%的国内生产总值;且国内生产总值年增长速度保持在10%以上[1-2].太湖流域在人口和经济迅速增长的同时水资源过度消耗，污染物肆意排放打破了水资源循环过程中的人类利用、生态需水和天然补给之间的平衡.太湖75%的水体水质级别已由1996年的Ⅱ类为主变到2007年以Ⅳ类为主，富营养化水域面积达80%以上[3-4].2007年夏天太湖大面积暴发蓝藻，造成该地区重大经济损失，并严重影响居民生活秩序.

近年来，水华、蓝藻暴发已成为梅梁湖中常见自然灾害[5].科学预报预警水华、蓝藻暴发是避免灾害发生、发展，减少灾害损失的有效途径之一.本文采用水动力学和水质模型模拟污染物随水流的运移、聚集及自身扩散衰减的时空变化，进而建立蓝藻细胞浓度与总磷、总氮间的相关关系式，从而达到预报蓝藻暴发的目的[6-7].

1 基本资料

梅梁湾南北长12～17km，东西宽7～10km，以马山的钮头和拖山岛一线为界，面积约123.8km2，水位3m时，平均水深1.95m，容积2.41m3.梅梁湾南部与太湖大湖区连接，东北部有梁溪河、五里湖注入，西北部与武进港、直湖港有水力联系.梅梁湾的污染主要来自这些河流，并运移变化影响整个湖湾[8].

1.1 测站及监测项目

梅梁湾水域内现共有直湖港固定站、武进港固定站、小湾里水厂水源地预警站、马山水厂水源地预警站、马山浮标站和沙渚固定站共6个水质自动监测站.各水质监测站监测项目见表1.

表1 各水质监测站监测项目Table 1 Items of water quality at various observation stations

1.2 水下数字高程模型

梅梁湾水下数字高程模型(DEM)是水污染及蓝藻运移计算体系的基础.用2003年梅梁湾水下地形实测资料，经扫描、拼接、校正、数字化等处理生成梅梁湾水下数字高程模型，如图1所示.梅梁湾水下数字高程模型表明:梅梁湾北高南低，北南向存在着0.0063%的水力坡降.

图1 梅梁湾水下数字高程模型Fig.1 Underwater digital elevation model of Meiliang Bay

2 计算模型构建

梅梁湾的污染主要随直湖港、武进港入湖水流带入.梅梁湾东西两边湖岸线均较平直，湖水岸流的主要部分与岸线平行.直湖港、武进港和梁溪河进入梅梁湾河水的排放方式可认为是表面出流的连续排放方式.

梅梁湾污染物及蓝藻浓度计算模型构建基本思路:在水动力、水质变化模拟的基础上，通过相关分析建立蓝藻浓度与污染物间的关系，进而计算蓝藻浓度.

2.1 计算网络及流程

梅梁湾污染运移扩散计算网络构建以地理信息系统(GIS)图层为背景，用Infoworks RS软件中的节点、断面、连接等绘图工具完成.计算网络中包括上下游边界节点、排污口、取水口等特征控制断面及各断面间的连接等元素，见图2.

图2 梅梁湾污染运移变化计算网络Fig.2 Computational grid for transport of water pollution in Meiliang Bay

图3 水动力模拟与水质模拟关系Fig.3 Relationship between flow and quality simulations

污染运移扩散计算分两步进行首先，进行水动力计算，其结果可以被一个或多个水质进程模拟使用[9].水动力模拟与水质模拟的关系如图3所示

水动力计算时，上游边界点接收直湖港、武进港和梁溪河的实测流量作为上边界输入.下游边界点设置在拖山岛以外的梅梁湾与太湖大湖区交接处.水质模拟时，将河流进入梅梁湾的实测污染物数据作为水质模拟计算的上边界输入.

2.2 水动力模型

梅梁湾中污染物随水流运移、扩散可用平流扩散方程模拟:

式中:C——污染物质量浓度，kg/m3;A——流动区域面积，m2;u——平均流速，m/s;D——扩散系数，m2/s; x——距离，m;t——时间，s;S——源/汇项，表现衰减、增长、侵蚀以及沉积作用等，kg/(m◦s-1).

式(1)是一个带有源项S的有效的质量守恒方程，等号左边第一项表现的是污染物在某一点的变化率;第二项为平流项，它与第一项合并在一起表现了污染物在流线上的变化率;第三项即扩散项.采用有限差分法求解上述扩散方程，近似为

其中[10]

式中:n——时间指标;i——位置指标;Δx——节点i的单元长度，m;Δt——时间步长，s.

2.3 水质变化模型

水体中的污染物除了跟随水流运移扩散外自身还存在水质变化过程.与蓝藻相关的水质变化模拟主要有污染物衰减模型、溶解氧模型和生物耗氧量模型[11].

a.污染物衰减模型:

式中K为衰减率，s-1.

b.溶解氧(DO)模型.梅梁湾水体中的溶解氧的外部来源有:大气复氧，光合作用，支流与污水中的溶解氧.水体内部产生的溶解氧有:碳化废弃物的氧化耗氧，氧化废弃物的氧化耗氧，底泥耗氮，水生植物呼吸作用耗氧.两者结合可用平衡式表示:

式中:ρ(DO)——溶解氧质量浓度，mg/L;kair——大气复氧系数;ρ(DOS)——饱和溶解氧质量浓度，mg/L; gv，dv——浮游生物的生长率、死亡率;ρp——浮游生物质量浓度，mg/L;ksw——生物耗氧系数;ρ(BOD)——生物耗氧量质量浓度，mg/L;ρ(SOD)——底泥耗氧量质量浓度，mg/L;z——水深，m.

c.生物耗氧量模型.最终生物耗氧量ρ(BODu)，用5d生化需氧量ρ(BOD5)表示，即用5d以上的污染物降解的耗氧量表示:

式中:α——慢速生物耗氧量质量浓度与全部生物耗氧量质量浓度的比值;Kf——快速生物耗氧量的反应率;Ks——慢速生物耗氧量的反应率.

2.4 蓝藻浓度计算模型

蓝藻的暴发是水生植物过度生长现象，造成这一现象的一个重要因素为水体中过量的营养物质.多项研究表明:蓝藻与总磷、总氮呈明显的线性关系[11-12].应用马山水厂站监测资料，回归分析建立蓝藻与溶解氧、总磷、总氮的多元回归预报模型如下:

式中:ρAt——时间t时蓝藻浓度，mg/L;ρAt-1——时间t-1时蓝藻浓度，mg/L;ρ(DOt)——时间 t时溶解氧质量浓度，mg/L;ρ(TNt)——时间t时总氮质量浓度，mg/L;ρ(TPt)——时间t时总磷质量浓度，mg/L.回归方程的相关系数R=0.86.

3 计算实例

取2008年1—4月时间段的资料，对梅梁湾水质模型(衰减模型、溶解氧模型)进行参数率定;2008年10月至2009年2月时间段的资料进行验证模拟计算.

3.1 模型参数率定

水动力模型计算的上、下游边界条件均采用水位过程，模拟计算后得出各断面的流量过程.直湖港、武进港河口作为污染源，汇入梅梁湾.模拟计算得衰减模型参数见表2.

在溶解氧模型中，BOD衰减率、COD衰减率、氮衰减率均为0.23d-1，BOD慢速衰减率、氮慢速衰减率均为0.2d-1，氨标准氧化率为0.26d-1，氮衰减温度系数、氨氧化温度系数均为1，亚硝酸盐氧化温度系数为5.

表2 衰减系数Table 2 Attenuation coefficients

3.2 模拟精度分析

水源地马山水厂站的总磷、总氮、溶解氧及蓝藻的实测与模拟过程比较见图4.

确定性系数能够反映模拟过程与实测过程的总体差异，常作为模拟精度评价指标，计算公式为

图4 总磷、总氮、溶解氧及蓝藻模拟与实测过程Fig.4 Simulated and observed hydrographs of total nitrogen，total phosphorus，dissolved oxygen and blue algae

由图4根据式(7)可计算得马山水厂处总磷、总氮、溶解氧和蓝藻质量浓度的确定性系数分别为0.70，0.74，0.88和0.86，4项污染指标的确定性系数值均大于0.70，表明模拟过程与实测过程总体较吻合，模拟精度较高.

3.3 污染物运移变化分析

图5 直湖港、马山和沙渚断面溶解氧模拟计算过程Fig.5 Simulated hydrographs of dissolved oxygen at Zhihugang，Mashan and Shazhu

图5是直湖港、马山和沙渚3断面溶解氧模拟计算过程.由图5可见:马山溶解氧质量浓度峰值较直湖港溶解氧质量浓度峰值滞后，沙渚溶解氧质量浓度峰值又较马山溶解氧质量浓度峰值滞后，表明污染物从直湖港经马山向沙渚运移扩散.从直湖港至马山约6.3km，污染物的传播时间为12～14h，从直湖港至沙渚约10.2km，污染物传播时间为28～30h.污染物在运移传播的同时质量浓度在衰减.在计算时段内(2008年10月1日至2009年2月25日)直湖港时段平均质量浓度12.20mg/L，马山时段平均质量浓度11.84mg/L，沙渚时段平均质量浓度10.81mg/L，直湖港至马山溶解氧平均日衰减0.0069mg/L，马山至沙渚溶解氧平均日衰减0.0024mg/L.

4 结 论

a.梅梁湾水域，从湾头向太湖大湖方向即由北向南方向存在缓水力坡降，水力坡降为0.0063%.

b.基于Infoworks RS软件构建的梅梁湾水污染计算网络结合水动力模型、水质变化模型和蓝藻浓度计算模型，模拟梅梁湾污染物运移扩散及蓝藻浓度有较高精度，其确定性系数均大于0.70.

c.梅梁湾污染物随水流从直湖港经马山向沙渚运移扩散.直湖港至马山传播时间12～14h，直湖港至沙渚传播时间28～30h.直湖港至马山溶解氧日均衰减0.0069mg/L，马山至沙渚溶解氧日均衰减0.0024mg/L.

梅梁湾水体中过量的营养物质如氮和磷导致蓝藻的大量繁衍.目前，由于叶绿素、蓝藻监测数据系列较短，尚不能满足蓝藻运移变化数值计算的资料要求.本文通过溶解氧、总磷、总氮和高锰酸盐指数等相关因子的计算，间接描述蓝藻运移变化.

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