一维河流水质模型在应急监测中的应用分析

周新明

(广西崇左市环境保护监测站,广西崇左532200)

1 引言

河流水质数学模型(简称为河流水质模型)是河流中污染物随空间和时间迁移转化规律的描述。按模型推算方式不同,可区分为理论模型、经验模型和半理论模型3种。河流水质模型多应用于环境影响评价中的预测和风险分析、水质规划和管理以及污染防治等方面。

为了便于分析,本文按源强排放在时间长度上的不同选择河流一维水质模型中3个基本方程的图形特征来进行分析。即一维河流稳态水质模型(连续稳定排放的源强),一维河流突发性排污的水质模型(瞬时排放的源强)和一维河流非稳态的水质模型(短时间里排放的源强)的3者图形特征进行比较,然后作出简要判别分析。

1.1 一维河流稳态水质模型

C为x处的河水污染物浓度,[ML-3];C0为 x=0处的河水污染物浓度,[ML-3];u为平均流速,[LT-1];k为污染物的衰减系数,[T-1];E为弥散系数,[L2T-1]。

1.2 一维河流突发性排污的水质模型

C为x处t时河水断面污染物浓度,[ML-3];C0为x=0处,瞬时投放的平面污染源浓度,[ML-3T],C0=W/Q;W为瞬时排放的污染物总量;Q为河水流量,[L3T-1];A为河流断面积,[L2];u为平均流速,[LT-1];E为弥钐系数,[L2T-1];k为污染物衰减速率系数,[T-1]。

1.3 一维河流非稳态有限差分水质模型

2 一维河流水质模型的图形特征

2.1 一维河流稳态水质模型

一维河流稳态水质模型在环境影响评价预测中使用很多。它的源强是连续稳定的。一维河流稳态水质模型的图形特征见图1(c-x变化曲线示意图)和图2(c-t变化曲线示意图)。由图1看出,在污染物影响范围x=m处,污染物的浓度是相对不变的;由图2看出,污染物随时间推移,污染物影响范围x=m处,污染物的浓度也是相对不变的。

图1 一维称态河流污染物浓度空间分布(c-x变化曲线)示意图

图2 一维称态河流污染物浓度时间分布(c-t变化曲线)示意图

2.2 一维河流突发性排污水质模型

一维河流突发性排污水质模型的源强是瞬时突发性排放的。一维河流突发性排污水质模型的图形特片见图3(c-x变化曲线示意图)和图4(c-t变化曲线示意图)。由图3看出,在污染物影响范围x=m处,污染物的浓度随时间推移,(t1＜t2＜t3,先由低C1升高到C2再降低到 C3;由图 4看出,污染物随时间推移,污染物影响范围(x=m)处,污染物的浓度也是先低后高再降低的过程。

2.3 一维河流非稳态的水质模型

一维河流非稳态的水质模型的源强是指短时间内(一定时间长度,如几十分钟或数小时不等)排放入水体,随之污染源消失或污染源排污总量大幅度减少的情况。这种情况,在河流突发性污染事故中经常遇到。

一维河流非稳态水质模型的图形特征见图3的虚线部分,和图4的虚线部分。从图3和图4的虚线部分看出,由于非稳态排污是在短时间(一定时间长度)里排放的污染物,在相同的初始排放浓度条件下,污染物排放总量要比瞬时排放大,污染物在水体中的浓度下降得慢些,在图中“弓”形上部则相对宽和平缓些(曲线曲率变化小一些)。

图3 一维河流突发性排污(全实线部分)和一维河流非稳态排污(后部分分为虚线)污染物浓度时间分布(c-x变化曲线)示意图

图4 一维河流突发性排污(全实线部分)和一维河流非稳态排污(后部分为虚线)污染物浓度时间分布(c-t变化曲线)示意图

3 河流水质模型在应急监测3个过程中的应用分析

(1)现场监测过程的实施主要是依据污染物浓度在河流水体中的变化趋势来判别的。在同一河流中,相同的污染物浓度(C0)排入水体后,污染物随水流移动,在相同的时间里,河流中污染物影响范围内的浓度(C)的高低依次是连续稳定排污,非稳态排污和突发性排污。即河流中污染物浓度下降最快的是突发性排污,其次是非稳态排污,最慢的连续稳定排污。

(2)跟踪监测过程的实施主要是依据污染物浓度在河流水体中的迁移过程来判别的。连续稳定的排污,污染物的浓度最高点始终在入河口,而突发性排污和非稳态排污,当污染物进入河流水体后,污染源随之消失;污染物随着河水流动和上游来水的同时作用,形成数百米或数公里的污染带。在许多情况下,有必要对污染物的迁移位置和范围进行机动地跟踪监测。

(3)总量监测过程的实施主要是依据污染物瞬时最高浓度在河流水体中的位置来判别的。因为连续几个小时的非稳态排污造成的污染事故,当应急监测人员到达现场时,污染源已经消失,在数百米或数公里的污染带中间部位往往保持着较高的瞬时浓度,这在应急监测中应特别注意。特殊情况下,为了掌握排入河流中的污染物总量,就必须对此污染带设置多个断面进行监测,才能对污染物的影响范围和可能的危害作出科学合理的判断。

4 结语

在河流突发性污染事故应急监测中,掌握(建立与推导等)和应用(简化和修正等)河流水质模型是极其重要和有利于应急监测方案制订的。由于水质模型的多样性,按源强排放时间分类有连续稳定排放、短时间排放和瞬时排放等形式;按空间分类有一维空间、二维空间和三维空间等形式;按排入水体分类有河流、河口、湖泊、水库等形式。在突发性水体污染事故应急监测中,掌握(建立和推导等)和应用(简化和修正等)水质模型是值得进一步深入探讨和研究的方向。

[1]国家环境保护总局.HJ/T91-2002.地表水和污水监测技术规范[S].北京：国家环境保护总局,2002.

[2]万本太.突发性环境污染事故应急监测与处置技术[M].北京：中国环境科学出版社,1996.

[3]傅国伟.河流水质数学模型及其模拟计算[M].北京：中国环境科学出版社,1987.