基于河流水质混合模型预测在地表水环境影响分析中的应用

李立君

（ 盘锦市绿色发展服务中心，辽宁盘锦 124010）

1 引言

地表水环境影响预测与评价是项目环评的重要内容， 其中污水排放对地表水体水质影响的结果预测是关键。 Mike 模型是一款致力于水环境和水资源方面研究的水质数学模型， 是由丹麦水资源及水环境研究所（ DHI）研究人员共同合作开发出来的［1］。Mike 模型已经成为我国专门用来研究水环境影响评价的标准软件之一［2］。 Eco lab 是一个完备的、用于生态模拟的数值实验室， 它提供了从简单到复杂的解决方案［3］。该模块可用于河流、湿地、湖泊、水库等的水质模拟，预报生态系统的响应，简单到复杂的水质研究工作，水环境影响评价及水环境修复研究，水环境规划和许可研究，水质预报［4］。以盘锦市某河流为例， 采用Mike Eco lab 模型在污水排放不同情境条件下进行河流水质预测， 对污染物分布情况进行模拟分析，有针对性地提出环境保护措施和要求。

2 地表水体模型建立与预测情景设定

2.1 地表水体模型建立

以盘锦某条地表水体为例，根据计算范围，将模拟区域划分为三角形计算网格，见图1。 根据最不利要求，模型上边界采用枯水期监测流量20 m3/s，下边界水位数据2.5 m，同时以污染排污口断面的水质监测数据作为浓度边界条件，对上游断面D1 监测数据与预测计算值进行对比，得到地形数据的可靠性。 本次地表水的预测范围为排污口上游9 000 m 至排污口下游11 000 m，计算范围长约20 km。

图1 河流模型计算网格

2.2 预测情景设定

根据预测情景，污水排放量情景设定分别为5 000，10 000 m3/d，污染因子选取COD，NH3-N 和石油类，见表1。

表1 污水排放量情景设定

模拟河流水质情况见表2。

表2 模拟河流水质情况 mg/L

2.3 模型选用

模型控制方程采用平面二维数学模型， 模拟预测物质在宽浅水体中，在垂向达到均匀混合的状况，即满足《 环境影响评价技术导则 地表水环境》（ HJ 2.3—2018）所要求的预测情况。 水动力数学模型的基本方程为：

式中，u 为对应于x 轴的平均流速分量，m/s；v 为对应于y 轴的平均流速分量，m/s；zb为河底高程，m；f为科氏系数，f=2Ωsinφ，s-1；cz为谢才系数，m1/2/s；τsx，τsy分 别 为 水 面 上 的 风 应 力，τsx=r2ρaw2sinα，τsy=r2ρaw2cosα，r2为风应力系数，ρa为空气密度，kg/m3，w为风速，m/s，α 为风方向角；Am为水平涡动黏滞系数，m2/s；x 为笛卡尔坐标系x 向的坐标，m；y 为笛卡尔坐标系y 向的坐标，m；S 为源（ 汇）项，s-1。

水质数学模型的基本方程为：

式中，CS为源（ 汇）项污染物浓度，mg/L。

不考虑岸边反射影响的宽浅型平直恒定均匀河流，岸边点源稳定排放，浓度分布公式为：

式中，C（ x，y）为纵向距离x、横向距离y 点的污染物浓度，mg/L；m 为污染物排放速率，g/s。

2.4 计算结果验证

经反复验证，河床糙率即曼宁系数0.032、涡动黏滞系数0.29， 经计算机模拟并对比下游1 000 m断面D2 的监测数据表明， 模拟得到的数据各指标浓度计算值与实测值吻合较好，说明河床糙率、污染物衰减系数及其他参数选取合适、可靠。排水口下游污染物浓度计算值与实测值对比见表3。

表3 排水口下游污染物浓度计算值与实测值对比

3 预测结果及分析

在情景1 模式下，污染物预测结果见图2。

图2 情景1 模式下污染物预测结果

在情景2 模式下，污染物预测结果见图3。

图3 情景2 模式下污染物预测结果

通过以上模拟结果可知， 对于COD 和NH3-N等具备生物降解性质的污染物， 在较短的距离内能实现良好的混合和削减； 石油类污染物相对混合达标流程较长。在不同排放量的条件下，排放量增加会加大混合区的范围， 但即使在排放量增大一倍情形下，在本文所分析的河流水质和水文条件下，混合区面积仅增加15%左右。排放口实施近岸排放，污染物削减及达标混合区主要位于排放口所在下游的岸边处，对河流对岸和河流中心影响相对较小。

4 建议

根据模拟结果及分析得到的结论， 在加强环境管理方面提出以下建议：

（ 1）排污口尽量设置在河流中心。 根据分析结果， 污染物混合区主要集中在排放口所在河岸的下游，这些区域相对环境敏感目标较多，设置在河流中心有利于降低污染物排放对环境敏感目标的影响。

（ 2）排污口设置在近岸的河流，其控制监测点位设置在其所在岸边的下游更为符合监管和监控要求，在事故状态下，加强对下游水质的监测集中在岸边更为合理。