盘锦市水环境质量预警预报二维模型的构建与应用

陈 俊

(辽宁省抚顺水文局，辽宁 抚顺 113015)

随着社会经济的快速，人们逐渐意识到水环境安全面临越来越严重的威胁，开展水环境质量预报模型研究已成为管理水质安全的重要环节之一。通过构建市水环境质量预报模型，能预报水域内各断面的水质变化趋势，一旦发生重大水污染事件，该模型对事发地可能出现的水质时空变化过程进行快速模拟，评估水污染事件影响的范围和级别，启动应急处理预案，从而为水源地保护管理机构提供快速的决策依据，使管理者根据水域的功能和水体自净能力提出应对水体中污染物浓度超标的相应措施，以避免出现更大的水污染事故，确保当地居民的饮用水安全，防止出现更严重的二次污染，确保水体环境的变化在可控范围之内，从而保障经济、社会、环境3种效益的有机统一。近些年来，对于河流水质预报预警国内已取得一定研究成果，但是由于河流水质特征不同，其预警等级很难统一，需要结合区域水质实际状况，对其水环境预警等级进行标准划分。尤其是北方独流入海河流的季节性特点，其汛期和非汛期水体中污染物浓度变化较大，因此对于北方独立入海河流需要结合其河流水质变化特征制定相对应的水环境质量预警等级，通过构建基于二维非恒定流水质模型，分汛期以及非汛期对水中污染物扩散变化进行模拟。当某一断面污染物超标时，以超标断面位置为事故发生原点，利用预报模型模拟污染物浓度随时间变化过程，确定预警开始时间以及预警解除时间，实现污染物浓度变化趋势的可视化，为平原地区季节性河流水环境水污染事件的应急处理提供数据支撑。

1 水质预警等级划分

本文依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中划分的5类水，结合盘锦市地表水和地下水质实际状况，将盘锦市水环境质量预警等级确定为安全状态、初级预警、中级预警、高级预警、严重预警5个等级，分别对应水质类别中的Ⅰ—Ⅴ类水，结果见表1。

表1 盘锦地区水环境预警质量等级

2 水质预报模型建立

2.1 模型基本方程

针对平原地区独流入海季节性河流特点，采用圣维南方程组构建河流水质扩散模型。严格意义上讲河流水质模型都是三维结构。但在实际应用中，通常根据实际情况将水体的水质计算简化为二维、一维甚至零维来计算。本文采用河流水质模型基本方程如下：

(1)

式中，c—污染物浓度，mg/L；t—时间，s；ux、uy、uz—不同方向流速，m/s；Dx、Dy、Dz—不同方向扩散系数，m2/s；K—污染物降解速率，d-1。

2.2 水质模型求解

模型求解过程中需要对计算边界进行确定，在模型边界不明或者单一条件下，可以对模型进行解析解的直接计算。不过河流实际上具有复杂的边界，其水质模型的求解需要采用数学方法进行计算，本文主要对2种边界条件下的求解方法进行分析。

2.2.1无岸边限制的点源瞬时模型

近似无岸边限制的主要针对河面较宽的河流，如果污染源任何一点不是连续稳定排放，其浓度主要为时间函数。在x=0及t=0将M克污染物向河流中投放，则表示为点源的瞬时排放。本文无岸边限制的点源模型主要用于盘锦市水库扩散模型计算。水体中污染物的浓度为c(x，y，t)，则点源瞬时排放的水质污染模型计算方程为：

(2)

其计算初始条件为：

(3)

其计算边界条件为：

(4)

(5)

对上述水质模型进行逆变换，二维瞬时点源扩散方程可变换为：

(6)

当a和b均等于0，则原点即为污染排放点，原点假定坐标为(0，0)，其二维点源扩散模型计算方程为：

(7)

当左岸边为其污染源释放点，那么点源瞬时排放的二维扩散模型计算方程为：

(8)

2.2.2有岸边限制的点源瞬时模型

若河流宽度较低，水面计算范围较窄，污染总量为M克污染物向河流中投放。污染物扩散到岸边后，岸边会犹如镜子一般对污染物有所反射，另一个像源有所呈现，污染程度有所加剧。再次污染会由于岸边全发射而发生，本文有岸边限制的河流瞬时模型对盘锦市主要河流进行二维瞬时点源扩散模型的计算：

exp(-Kt)

(9)

当a=0或a=B时，在岸边排放点源。当a=B/2，在水面中心进行点源排放。模型中排放口为坐标原点，下游为x方向，对岸为y方向，通常在实际计算中只反射1次即可。

式中，x—排放点距离预测点的距离，m；y—排放口距离预测点的横向距离，m；t—预测时段，s；c—(x，y)位置点污染物的浓度，mg/L；M—污染物单位时间内的排放量，g/s；a—排放口距离河流岸边的距离，m；H—平均河流水深，m；Dx和Dy—纵向和横向河流混合(弥散)；ux和uy—横向和纵向河流流速均值，m/s；B—河流宽度均值，m；c0—污染物在河流浓度本底值，mg/L；n—反射计算次数；π—圆周率。

河流本底叠加浓度并未在方程中进行考虑，若需要考虑则以污染物只降解不扩散原则进行分析，在方程计算结果基础上将浓度c0exp(-Kt)进行叠加即可。

2.3 模型参数的确定

对模型参数的合理确定对于模型污染模拟精度影响较大，在水质模型中横向和纵向扩散系数需要在模型建立时进行确定，本文水质模型参数的确定主要通过经验公式方法进行估算。

2.3.1横向扩散系数确定

采用经验公式对天然河流横向扩散系数Dy进行确定，方程为：

Dy=aHu*

(10)

(11)

式中，a—量纲为1的横向扩散系数；g—重力加速度，m/s2；I—水力坡降，%；h—水深均值，m。横向扩散系数a取值具体见表2。

表2 河流不同类型下的横向扩散系数a参考值

2.3.2纵向离散系数确定

纵向扩散系数要远大于纵向离散系数，采用表3中经验方程对河流纵向离散系数进行确定。本文主要采用中国水电科学院推荐的公式进行纵向离散系数的确定。

表3 河流纵向离散系数经验计算公式

2.3.3断面设计流速和水深

河流污染物在水体的传输需要河流流量、流速以及水面宽度，对于河流有断面实测数据的，通过流速、水深和断面流量之间的正向相关性，对计算河段的水力特征进行计算：

u=aQb

(12)

H=αQβ

(13)

式中，Q—河流断面流量，m3/s；u—河流断面平均流速，m/s；H—断面平均水深，m。a、b、α、β—经验系数，其取值主要通过河段水文数据进行确定。

对方程(12)进行线性转换，转化后的方程为：

y=B0+B1x

(14)

因此，y和x的线性回归方程即可表达为断面流速均值，和2020年的汛期和非汛期实测水文资料进行相关性分析，得到盘锦地区主要河流流速和水深流速之间的相关方程，具体见表4。

表4 盘锦市河流断面经验公式

对于无实测水文资料的河段，河道比降以及糙率可以采用曼宁公式进行平均流速的计算，或者采用内插、类比方法对设计流速和水深进行推求。

3 模型应用

3.1 模型验证

本文以盘锦地区杜家水文站为验证计算节点，结合杜家水文站汛期和非汛期2015—2020年实测苯酚采样监测指标进行模型验证，选择在有岸边限制条件下的瞬时点源二维水质扩散模型进行计算，由方程(9)研究确定苯酚降解系数K=0，河流中心为点源释放点，污染物挥发酚标准浓度为0.005，污染物浓度C0的本底值0.0029mg/L，汛期和非汛期模型参数见表5。

表5 模型参数设置

表6 模型验证结果

以苯酚作为模拟污染指标，苯酚主要用于农药以及化工企业，具有很强的毒性且很难在水体中得到有效降解。从2015—2020年杜家水文站的断面苯酚监测指标可看出，其各年份苯酚指标汛期和非汛期浓度均低于0.004mg/L，汛期由于进入河流内的污染物有所增多其汛期苯酚浓度总体要高于非汛期。通过建立的点源二维水质扩散模型验证结果可看出，各年份下模型模拟的苯酚浓度和监测浓度之间的误差总体低于±30%，满足水质模拟的规范精度要求，可以用建立的水质模拟进行不同突发水质情景模拟分析。

3.2 突发情景模拟分析

假定向红旗水库上游的杜家水文站断面附近释放1t的挥发酚污染源，通过建立的瞬时点源二维水质模型，选择有岸边限制的边界条件，结合MATLAB软件对红旗水库上游污染物浓度变化进行模拟，汛期和非汛期不同时刻的污染物浓度扩散模拟结果如图1—2所示。

图1 汛期不同时刻挥发酚浓度空间分布

从汛期和非汛期盘锦地区红旗水库上游不同时间的挥发酚浓度维空间变化图可看出，污染团随着水流向下游漂移，污染物浓度逐步降低但污染范围有所增加。非汛期污染物浓度降低幅度明显低于汛期污染物浓度降低幅度。因此，水流流速是污染物移动速率的主要因素，污染物向下游漂移因素的决定性因素是顺水方向的河流流速。横向和纵向扩散系数是污染范围增加的主要影响因子。水体的自净能力以及污染物的自身降解是其浓度逐步降低的主因。通过模拟可看出水体中污染物浓度随着时间的增加逐步减小。当污染物扩散范围达到下游临界值后，最高浓度会低于标准值。当扩散范围低于下游临界值时，水体污染物浓度会在某时段内超过标准浓度值。对于水质控制点，当该污染物浓度超过标准浓度，对应表1中的预警等级浓度标准，则认为发生突发水质事件，此时进行水质预警。红旗水库位于杜家水文站下游2km处，设有应急入盘取水口，本文对不同时段应急取水口的挥发物浓度也进行了模拟，通过模拟分析，当挥发酚浓度超标8.3min后，即发出突发水质预警，在25.3min后浓度回降到标准浓度以下，从发出预警到预警解除时间为17min。非汛期预警开始时间为66.5min，解除预警的时间为106.5min，污染预警持续时间为40min。相比于汛期，非汛期峰值浓度预警时间有所延缓。

图2 非汛期不同时刻挥发酚浓度空间分布

4 主要结论

(1)在构建水质预报模型时，若需要叠加河流本底浓度时，则以污染物只降解不扩散原则进行分析，在二维点源扩散模型计算方程基础上将浓度c0exp(-Kt)进行叠加即可。

(2)对于无实测水文资料的河段的水质模拟，可以采用曼宁公式结合河道比降及糙率进行平均流速的计算，或者采用内插、类比方法对设计流速和水深进行推求。

(3)构建好的水质模型，可以为城市水质突发应急事件作为模拟平台，当预测污染物浓度超过预警等级对应的标准值后，即发出预警，当浓度低于预警等级标准后，即可解除预警，预警时间内污染物浓度时空变化可以为水质突发应急响应措施提供重要的支撑。