水质泥沙一维数学模型在黄河下游应用分析

张海锋 陈莉红 李兰涛

（黄河水利委员会水文局，河南 郑州 450004）

界定一定水质状况对应的水体容纳污染物的数量为水环境容量，则可用水环境容量表征水环境资源的多少［1］。河流是污染物迁移载体，污染物是借助于河流中的水流和泥沙来输运的。黄河来流流量的大小影响着河流携带污染物的能力，也影响着河流的水环境容量及其自净能力［2］。进入黄河的泥沙，给黄河造成一定污染，同时由于其组成含有相当数量的黏土矿物、无机胶体和一定数量的有机胶体、有机无机复合胶体，对排入黄河的种类繁多的污染物具有显著的吸附作用，某种程度上表现出净化水质的效果。

泥沙对河流水质模拟的影响主要体现在以下几个方面。①泥沙本身作为具有很大不确定性的面污染源的产物，还具备能够解吸污染物并可能对水体产生二次污染的特性，大大增加水质模拟的难度。②水体含沙量变化的随机性和泥沙与污染物相互作用的复杂性，不经使河流水质模型的结构变得复杂，而且水质模型的精度也会相应下降。

本文分析多泥沙河流水流含沙量对河流污染物迁移转化突出影响，将一维水质数学模型中加入泥沙因素，在简单河段进行多泥沙河流的氨氮迁移转化水质模型应用，取得了一些效果。

1 理论基础

污染物在水体中的迁移转化与众多因素有关，是个十分复杂的过程。在诸多影响因素中，河道的河床形态、河流水文、水力条件、河道水体温度、pH 值、水体初始污染浓度、泥沙吸附与解析、泥沙沉淀与再悬浮是重要的影响条件［3］。

河流内由于各种作用（河段内污染物的降解与增生、沉淀与再悬浮、泥沙的吸附与解吸、引入与引出、降雨与渗漏作用等）使水体的某项污染物在单位时间内的变化量称为源漏项∑Si，则

式中∑Si为河段水流污染物的源漏项，mg/（L.d）；K1为污染物的一级降解系数，d-1；Ks为含沙量变化对污染物浓度引起的增减速率，d-1；ΔS泥沙变化量，mg/L。

因为河流得离散系数Ed一般要比分子扩散系数Em、紊动扩散系数Et大得多，后者与前者相比，常常可以忽略不计，则

于是，可得河流一维水质迁移转化基本方程形式

式中C 为河段中某污染物浓度，mg/L；t 为时间，d；x为河水得流动距离，km；u为河段水流的平均流速，km/d;E为河段水流的纵向离散系数，km2/d；C1为流入反应单元的水流污染物浓度，mg/L。

对于一个均匀多泥沙河段，可得下面的一维均匀河段的水质迁移转化基本方程：

河流一维水质迁移转化基本方程形式：

式中C 为河段中某污染物浓度，mg/L；t 为时间，d；x为河水得流动距离，km；u为河段水流的平均流速，km/d;E为河段水流的纵向离散系数，km2/d;C为流入反应单元的水流污染物浓度，mg/L；

对于一般不受潮汐影响的内陆河流，扩散、离散作用相对于移流作用常常很小，此时可直接解得排污引起的下游浓度变化为：

式中C0为上游端水体污染物浓度，mg/L；S0为上游端水体泥沙浓度，mg/L；S1为上游端水体引起的下游端水体泥沙浓度，mg/L。

2 初步应用验证

黄河高村站到泺口站河段是黄河典型河段，属地上悬河，河段基本无入流河道，入河排污口少，河道属性简单，为模型验证提供良好的试验条件。

黄河下游氨氮降解系数及含沙量变化对污染物浓度引起的增减速率Ks［4］值见表1：

表1 丰枯水期黄河下游K1，KS值

为验证模型的合理性和可靠性，用2006年山东水文水资源局提供的监测数据进行验证。氨氮实测值与预测值对比见表2。

表2 氨氮实测值与预测值对比表

由表2可知，采用式4模拟的氨氮浓度值与实测值对比，相对误差在5%以内，模型所用参数是合理的，模型满足预测要求，模型可作为水质预测的适用工具。

3 结论

3.1 在多泥沙河流中，泥沙因素是不可忽视的因素，因此本文把源漏项的泥沙项单独列出来作为一个重点考虑项，十分必要。

3.2 上述数据是在断面水文条件相似、流量比较稳定、河道均匀、实验室监测背景相同的条件下取得的，具有一致性，所以计算结果比较好。对于水文条件的河道复杂要考虑离散作用，应对系数k1、ks进行拟合检验。

3.3 对于上游来水突然增大或减少，由于泥沙的沉淀与再悬浮作用对系数k1影响很大，在有条件的情况下应对系数ks进行验证。

3.4 实测资料相对匮乏，在条件允许的情况下，应对系数k1、ks进行校核，探索在复杂条件下泥沙对水质迁移转化的作用。

3.5 黄河下游山东河道相对简单，并且污染物仅考虑了氨氮。有关方面应给予支持，进行基于污染物和不同河段经济研究，探讨污染物在复杂黑路条件中的演进规律，泥沙与污染物相互影响的机理，为黄河水资源保护，为保护黄河健康生命做出科学技术支持。

［1］吴泽宁.基于生态经济的区域水质水量统一优化配置研究［D］.南京：河海大学，2004.

［2］雒文生.水环境分析及预测［M］.武汉：武汉水利电力大学出版社，2000.

［3］白玉川，顾元棪，邢焕政，等.水流泥沙水质数学模型理论及应用［M］.天津：天津大学出版社，2005.

［4］胡国华.多泥沙河流水质模型研究［J］.安全与环境学报，2004.08.