城市多排污口对河流水质影响的模拟研究.pdf

城市多排污口对河流水质影响的模拟研究 * 孙可明 1 李凯 1 韩亮 2 秦健 1 1. 辽宁工程技术大学力学与工程学院， 辽宁 阜新 123000;2. 辽宁省水文水资源勘测局， 辽宁 阜新 123000 摘要 通过实测阜新新邱长营子桥段 5 个连续排污口处污染物浓度， 采用水平二维水质迁移模型对细河城市段排污口 排出的生活废水及1 500 m长的细河河段进行模拟分析， 计算出多排污口在耦合叠加作用下， 河段内污染物的迁移扩 散和污染物浓度的分布特征。模拟分析得出 第 1、 2、 3 年污染物在 3 个监测断面处的横向迁移距离和纵向迁移距离， 污染物最大浓度所在的位置以及岸边处污染物浓度的分布规律曲线， 为城市污水治理和城市规划提供一定的科学依 据和指导。 关键词 多排污口; 迁移模型; 水质分析; 数值模拟 THE SIMULATION RESEARCH OF MULTIPLE SEWAGE OUTLETS INFLUENCE ON WATER QUALITY Sun Keming1Li Kai1Han Liang2Qin Jian1 1. School of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China; 2. Survey of Hydrology ＆ Water Resource in Liaoning，Fuxin 123000，China AbstractTaking five continuous sewage outlets of Xihe River in Fuxin for example，a two-dimensional horizontal transport model is used to analyze five drain outlets of domestic sewage and the river with the length of 1 500 m，computing the transport and dispersion of pollutants and the distributed characteristics of pollutant concentration，under the condition of drain outlets coupling. It is simulated that the longitude and latitude distance of pollutants transport at 3 monitoring cross sections in the 1st，2nd and 3rd year，the location of maximum pollutants concentration and the distributed curve of pollutants concentration at the bank of river，which can provide scientific basis and guidlines to sewage disposal and city planning. Keywordsmultiple sewage outlets;transport model;water quality analysis;numerical simulation * 国家自然科学基金 50874057 ; 辽宁省重点实验室项目 2008S111 。 0引言 城市中河流的城区段一般分布有众多排污口， 这 些排污口所排放的污染物种类、 浓度各异， 使得采集 污水样品的工作量加大， 甚至一一取样难以实现。为 此， 水质数学模型及其数值计算方法在水质预报、 预 警预测， 制定污染物排放标准和水质规划中得到广泛 应用， 是水污染防治的重要工具 ［ 1- 3］。 河流污染物迁移规律的数值模拟是环境治理的 一种常规方法。由于城市排污口的排污时间长， 污染 物又复杂多变， 所以水质迁移数学模型的数值计算方 法在污染物迁移和扩散分析中起到了重要作用 ［ 4］。 另外数值计算方法充分考虑守恒方程、 达西定律、 Fick 定律以及污染物种类、 浓度的变化等， 可以得到 令人满 意 的 结 果 和 对 工 程 实 际 有 一 定 的 指 导 意 义 ［ 5］。因此， 数值计算方法在河流污染物迁移和水 质分析中有广泛的应用。 1二维水质迁移的基本方程 二维水质迁移问题可分为水平二维和竖向二维 两种情况， 前者是水体的流速和污染浓度仅在水平面 的纵向、 横向变化， 在竖向混合均匀， 例如， 浅水湖泊 和浅宽河流等; 后者是水体的流速和污染浓度仅在纵 向和水深方向的变化， 在横向保持不变， 如河道型水 库等。 本文解决水平二维水质迁移问题， 其对流 － 扩散 二维水质迁移的控制方程， 见式 1 ［ 6- 7］ θs c t Δ － θsDL Δ c uc Sc 1 其中DL是动力弥散张量， m2 /d;θs为流体体积分 数;c 为溶质质量浓度， kg/m3;u 为达西速度， m/d; 71 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 Sc为单位时间单位体积溶质的量， kg/ m3d 。 对于二维水质迁移问题的弥散张量见式 2 、 式 3 θD Lii α1 u2 i | u | α 2 u2 j | u | 2 θD Lij θDLji α1 － α 2 uiuj | u | 3 其中 DLii为弥散张量中主对角线上的元素; DLij为副 对角线上的元素;α 为弥散度， m;α1 ， α 2分别为纵向 弥散度和横向弥散度。 本文主要研究城市排污口对河流水质的影响， Sc则代表城市的污水口 即点源或源汇项 ， 其定义 见式 4 Sc QscQ W b cQδ x － xi， y － yi 4 其中cQ为水中污染物的溶质质量浓度， kg/m3。 问题的边界条件 外部边界， 见式 5 n － QsDL Δ c 0 5 输入边界， 见式 6 c 0 6 输出边界， 见式 7 n － QsDL Δ c 0 7 其中 n 是边界外法线的方向向量。 2算例分析 模拟选取阜新市细河长营子桥新邱1 500 m段内 的 5 个连续排污口， 实测得到的新邱 5 个排污口污染 物浓度作为模拟数据， 表 1 为各排污口的参数统计 表。考虑该河段内 5 个城市生活废水排污口的污染 物在水体中叠加耦合后的浓度分布情况， 计算出污染 物在第 1 年、 第 2 年和第 3 年时 3 个监测断面处以及 岸边处的污染物浓度曲线。 表 1细河新邱段排污口的参数统计 排污口位置坐标 /mρ COD / mg L － 1 新邱 1 号 150， 200220. 2 新邱 2 号 250， 250408. 4 新邱 3 号 325， 150350. 2 新邱 4 号 400， 150440. 0 新邱 5 号 500， 250308. 6 1 号监测断面是位于河流中线处 y 200 m ， 2 号监测断面位于距 5 号排污口50 m处， 3 号监测断面 为 x 750 m处。图 1 为 1 号监测断面第 1 年、 第 2 年 和第 3 年的污染物浓度曲线。 1第 1 年; 2第 2 年; 3第 3 年 图 11 号监测断面污染物浓度曲线 从图 1 可看出 在 1 号排污口和 2 号排污口之 间， 污染物迅速上升， 大约在 x 170 m处达到最大 值， 由于 3 号排污口离 2 号排污口较远， 使得污染物 浓度迅速下降。污染物在第 1 年内的迁移距离达 100 m， 在第 2 年和第 3 年内的迁移距离分别为530 m 和600 m。超过 x 800 m处， 污染物浓度几乎为零。 图 2 的 2 号监测断面中， 在 y 200 m处， 3 个时间段 的污染物浓度均达到最大值， 其中， 第 3 年的浓度最 大值达 9 10 － 3 kg/m3。第 1 年污染物横向迁移的距 离为100 m， 第 2 年和第 3 年横向迁移距离分别为 200 m和250 m， 而 在 距 岸 边 75 m 处 才 能 检 测 到 污 染物。 1第 1 年; 2第 2 年; 3第 3 年 图 22 号监测断面污染物浓度曲线 图 3 为 3 号监测断面污染物浓度曲线。图 3 中 仅有第 2 年和第 3 年的污染物浓度曲线， 说明污染物 在第 1 年未扩散到 3 号监测断面。第 3 年污染物的 迁移距离和污染物浓度远远大于第 2 年相应的指标。 图 4 为岸边处污染物浓度曲线， 可看出第 1 年污染物 浓度曲线退化为一条直线， 说明第 1 年在岸边处的污 染物浓度值远小于第 2 年和第 3 年的浓度值。从 3 个时间段内， 岸边仅在 300 ～ 750 m内存在污染物， 其 81 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 1第 2 年; 2第 3 年 图 33 号监测断面污染物浓度曲线 1第 1 年; 2第 2 年; 3第 3 年 图 4岸边处污染物浓度曲线 他位置不含污染物成分。图 5 中 3 条曲线依次代表 3 个时间段的压力水头， 随时间的增长， 流体水头压 力消 散 距 离 也 逐 渐 增 大， 最 大 的 消 散 距 离 大 约 为180 m。 1第 1 年; 2第 2 年; 3第 3 年 图 5压力水头曲线 3结语 本文采用对流 － 扩散模型模拟了阜新市细河城 市段多个排污口排污情况的污染物浓度场， 通过计算 3 个监测断面以及岸边处的污染物浓度， 绘制了相应 的污染物浓度分布曲线， 计算结果表明 沿河流方向， 污染物在第 3 年沿河道迁移了600 m， 横向扩散达 250 m， 且污染物最大质量浓度值为 9 10 － 3 kg/m3， 而在 3 号监测断面处只能观测到第 2 年和第 3 年的 污染物迁移扩散情况。最后， 在岸边处第 1 年的污染 物浓度与其他两年的污染物浓度相比， 不在同一量 级， 退化为一条直线， 并且仅在 300 ～ 750 m内存在污 染物， 其他范围内不存在污染物。 本文采用的二维水平迁移模型揭示了多排污口 耦合作用下， 污染物在河流及岸边的浓度分布特征， 直观地反映了城市多排污口生活污水 COD 的二维分 布， 为保护和利用细河水提供了科学依据。 参考文献 ［ 1］ 韩言柱， 王永香. 排污口密集的城市河流简化有机物迁移模型 ［J］ . 山东环境， 1998 3 9- 11. ［ 2］ 王旭， 李克锋， 李然， 等. 地区河段多排污口耦合作用的水质模 拟［J］ . 武汉大学学报， 2008， 41 2 24- 27. ［ 3］ 樊立萍， 于海斌， 袁德成. 城市排污系统对河流水质影响的仿真 研究［J］ . 计算机仿真， 2005， 22 5 251- 255. ［ 4］ 蒋文良， 李宽良， 王士天. 地下水环境中污染物迁移预测实验数 学模型基本方程谈讨［J］ . 矿物岩石， 1998 2 178- 181. ［ 5］ 郑曙光， 诸宏博. 污染物迁移的数值模拟研究［J］ . 西部探矿工 程， 2004， 20 10 21- 23. ［ 6］ 侯玲， 赵元慧， 郎佩珍， 等. 有机污染物的迁移转化与模拟研究 ［J］ . 东北师大学报， 1999 2 49- 56. ［ 7］ 段德宏， 王根霞， 王萍， 等. 多排水口二维河流水质计算机模拟 ［J］ . 兰州交通大学学报， 2004 6 9- 11. 作者通信处李凯123000辽宁省阜新市中华路 47 号辽宁工程 技术大学 711 信箱 E- maillikai0417 yeah. net 2009 － 11 － 27 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 全球气候真的在变化吗 近百年来全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化， 它对生态系统和社会经济产生了并将继续产生重大影响。借 助极地冰芯、 树木年轮、 地质探测、 海洋气象浮标、 气象卫星、 长期气象观察记录等研究， 越来越多的观测事实证明了这一判断。 最近 100 年 19062005 年 全球平均地表气温上升了 0. 74 ℃ 0. 56 ～ 0. 92 ℃ 。20 世纪后半叶北半球平均温度很可能比近 500 年中任何一个 50 年时段更高， 也可能是在过去至少1 300年中最高的; 而且自 1850 年以来最暖的 12 个年份有 11 个出现在 1995 至 2006 年。过去 50 年温度每 10 年平均上升 0. 13 ℃ ， 是过去 100 年平均升高量的 2 倍。 气候变暖还造成了海平面升高、 降水变化以及极端气候发生频率增加等。海水温度升高已经延伸至3 000 m深度， 20 世纪全 球海平面平均上升约 0. 17 m; 温度升高和降水的变化已经造成气候极端事件的增加， 2006 年， 各种极端事件的发生已经打破了 多项历史记录。 91 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期