突发污染事件条件下湘江水质数值模拟分析

宾赞 陈加娜 谢晖 张会芳

（国家城市供水水质监测网长沙监测站 湖南长沙 410015）

按照国家地表水水质评定标准，湘江湘潭—濠河口河段的水质属于第Ⅴ类，主要适用于农业用水区及一般景观要求水域，这一类水域在受外界环境影响时，还是存在发生污染事故的可能性。本文将在水动力水质模拟的基础上模拟突发污染事故发展演变过程。

1 水文基本资料

本论文将运用Saint-Venant方程组的控制方程求解水动力条件，并在此基础上，加入水质模块，建立模型来模拟湘江下游河段的污染物扩散和传播过程。在水动力模型中，上游边界条件将采用湘潭水文站的流量监控数据，下游边界条件将采用湘阴水文站的流量监控数据，检验条件将采用长沙站的流量监控数据。这些数据一般由各水文站观测记录提供，但观测的数据一般存在一定的误差，因此在运用原始数据时，必须对其进行基本的数据处理。

从水质监测结果可以明显看出，湘江在湘潭某河段内，类大肠菌群的比例严重超标。从最近一年的岳华水文站的监测数据可以明显看出，湘江该河段2/3以上的断面的类大肠杆菌含量超过160000mg/l，远远超过国家规定的V类地面水水质标准；同时观察长沙水文站历年的监测数据，可以看出湘江该河段每年将近1/2的断面的类大肠杆菌含量超过100000mg/l，并且离岸越近，类大肠杆菌的浓度越高，这是因为表明长沙市大量的的生活污水和工农业生产废水由此排入湘江，滋生出大量的类大肠杆菌。

该河段内的类大肠菌群污染主要来自于一维水动力水质数学模型是在水动力模型的基础上，叠加水质计算模型而构成，主要用于计算复杂水域和长远距离的河段的水质计算。

2 不同断面污染物浓度分布情况

在湘江湘潭段三种不同流量情况下，根据下游湘阴在高水位和低水位时河段内三个主要研究断面的污染物浓度和时间变化图，分析污染物向下游扩散过程中，浓度和传播速度变化规律。其中高水位代表考虑河段下游洞庭湖顶托的最不利情况，低水位表示正常水位流量关系情况。

表1 湘潭段流量和湘阴段高低水位情况

（1）湘潭流量为6600m3/s时

图1为湘阴段高水位时污染物扩散的运动图，经计算可得到以下变化规律：

1）低水位时污染物向下游扩散的速度比高水位时的扩散速度慢，而且到达下游的的污染物浓度也相对较小；

2）水位越高，污染物在向下游传播的过程当中，其浓度波形变化越大，浓度减小为原来浓度的1/5，下游断面污染物历时延长。

图1 流量6600m3/s、水位34m时污染物的扩散运动

（2）湘潭流量为3040m3/s时

图2为湘阴段低水位时污染物扩散的运动图，经计算可得到以下变化规律：

1）在高水位的情况下，污染物的初始历时为5h，到达河口断面的历时则将近20h，污染时长增大为原来的4倍，历时增长；

2）在高水位情况下，污染物到达长沙市时，其浓度已经不到原来1/5，河口断面的污染物已经基本降解。

图2 流量3040m3/s、水位23m时污染物的扩散运动

（3）湘潭流量为1300m3/s时

根据湘阴段高低水位时污染物扩散的运动图，经计算可得到以下变化规律：

1）水位较高时，长沙站断面的污染物浓度已经降解为初始浓度的一半，在污染发生后的22天里，经计算得河口断面污染物浓度基本上没有较大的改变，这说明污染物传播到河口时，己经完全被降解，不会影响到河口的水质；

2）污染物在向下游传播的过程当中，在高水位和低水位两种情况下，污染物的浓度波形分布的变化都比较大，但是由于高水位下污染物浓度降解快，所以其波形跨度相对比较大。

同时，根据三种流量下的所得的不同结果，可以看出：在相同水位情况下，河道上游流量越小，污染物的浓度受河床地形变化的影响越显著，在甚至在河床地形变化比较大的地方，污染物的浓度值的变化将变得无规律可寻。

3 数值计算结果与分析

根据图1～图4中的数据，经过计算可以得到不同流量下、不同水位情况下，污染物到达下游的具体时间和污染物在各断面的峰值浓度，具体的计算结果如表2所示。

表2 污染物在各断面的峰值浓度

综合三种不同流量、两种不同水位，总共六种不同情形，即六种不同的水动力条件，根据不同情况下各水文站记录的污染物浓度分布情况，可以看出，在污染物初始浓度一定时，在六种水动力条件下，经计算可得污染物的扩散时间和扩散到各河段的浓度，根据计算结果可以发现污染物的扩散和传播具有一下几个方面的特点：

（1）在流量相同的情况下，水位越高河流的流速越慢，污染物向下游扩散的速度也越慢，污染物到达下游同一断面时的浓度也相对较低。

（2）在水位相同的情况下，流量越大污染物传播速度越快，污染物到达下游同一断面的浓度也相对较高。

（3）污染物在向下游传播过程中，其浓度会逐渐减小，但污染物到达下游断面后的延续时间却会逐渐增大。

（4）流量越小，污染物的浓度变化受到河床地形条件的影响越明显。当河床地形变化较剧烈时，污染物的浓度波形甚至会出现很大的畸变现象，通常表现为浓度在一定时间内忽大忽小。

4 结论

利用三种不同流量、两种不同水位情况，即六种不同水动力情况，分析了污染物受到水动力条件的影响，得出的主要结论是：河道内水流流速越大（包括水位较低和流量较大）的情况下污染物迅速向下游传播速度越快，浓度变化较小，污染物持续时间增长。

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