二維水質監測模型參數率定的研究

水資源是社會發展的重要資源之一。水資源的綜合開發利用,不僅要考慮它所提供的足夠數量的合格水質,而且還應考慮它接納污染的能力,一個地區水環境容量的大小也是該地區水資源是否豐富的重要標志之一。如果不能合理地利用水環境容量,就會造成水資源的破壞或浪費,因此在進行水資源的綜合開發利用時,應該弄清該區域的水環境容量即該區域的污染物最大允許排放量。郁江是貴港市較大的河流,該水域納污能力是貴港市水功能區管理和排污總量控制的一個核心問題,準確定量該水體納污能力是科學合理制定水污染控制規劃的基礎,也是校核水功能區劃的依據。河流二維模型適用于污染物非均勻混合時的大型河流,對于水利條件復雜多變、排污范圍大的水體(如大型的河流、河口、海灣、淺湖等),當排放到河流中的污染物在完成橫向混合前這段過程,污染物在縱向和橫向都存在濃度梯度,這時就需要采用二維水質監測模型對其進行描述。在河床形狀較為規則、水量穩定的條件下,可采用二維穩態水質監測模型對其進行模擬,這樣既可以滿足計算精度的要求,又可大大簡化計算過程。本文利用2008年11月26日測定的貴港劉公圩至東津84km郁江河段水文水質資料,并選用高錳酸鹽指數和氨氮為模擬對象對,對二維水流水質監測模型進行參數率定,并通過誤差分析驗證模型計算精度可滿足水環境容量計算分析的要求。1污染物擴散系數k對于順直河段,且污染物排放不隨時間變化時二維水流水質對流擴散方程為u?C?x+v?C?z=Ex?2C?x2+Ez?2C?z2?KCu?C?x+v?C?z=Ex?2C?x2+Ez?2C?z2-ΚC,(1)其中,C為污染物濃度(mg/L),X為延河水流向的坐標(m),Z為垂直x軸的橫向坐標(m),u為河水縱向流速(m/s),v為河水橫向流速(m/s),Ex、Ez分別為縱向、橫向擴散系數(m2/s),K為污染物衰減系數(d-1)。(1)污染物排放強度kC(x,z)=exp(?kX86400U)(C0+mhπEzXU√[exp(?Uz24EzX)+exp(?U(z?2B)24EzX)])?(2)C(x,z)=exp(-kX86400U)(C0+mhπEzXU[exp(-Uz24EzX)+exp(-U(z-2B)24EzX)])?(2)其中,C(x,z)是坐標為(x,z)的污染物濃度(mg/L),M是污染物排放強度(g/s),C0是上游污染物濃度(mg/L),h是平均水深(m),K是綜合衰減系數(1/d),B是河水寬度(m),I是河流平均比降,其它符號意義同(1)式。Ez由泰勒公式求出Ez=(0.058h+0.0065B)ghI???√Ez=(0.058h+0.0065B)ghΙ。(3)(2)水質目標濃度msM=[Cs-C(x,y)]×Q,(4)當y=0時,M=[Cs-C(x,0)]×Q,(5)其中,M為水域納污能力(kg/s),CS為水質目標濃度值(mg/L)。2水質指標的確定模型的計算區域為貴港劉公圩至東津84公里郁江河段,在計算區域內共有多個排污口。2008年11月26號對研究區域進行水文、水質、污染源的同步監測,水質監測結果見表1。利用表1資料對模型參數進行率定,并選用高錳酸鹽指數和氨氮為模擬對象。(1)河段斷面設計流量Qip。根據多年流量資料推求,設計流量選用保證率為90%的枯水期流量,飲用水源區取95%設計流量。(2)污染物控制濃度標準(Cs)確定。由于各功能區水質控制目標是以水質類別來表達的,而水質類別給定的是污染物的濃度范圍。因此,在確定Cs值時應考慮規劃河段內各功能區的實際情況,要具體問題具體分析、從嚴控制,而不能一概采用規劃目標最高濃度限值。(3)初始斷面的污染物背景濃度(C0)確定。郁江各級功能區的C0值采用實測值。(4)橫向擴散系數(Ez)確定,如表2。(5)CODCr與CODMn分析方法之間換算系數r=(CODCr/CODMn)=2.5。(6)計算邊界條件的確定。水位邊界條件根據2008年計算區域的上下游的實測水位資料確定。水質邊界條件:入流邊界高錳酸鹽指數和氨氮的濃度根據2008年排入郁江下游的主要污染源排放量確定。率定得到的二維模型參數值為高錳酸鹽指數降解系數:0.21/d;氨氮降解系數:0.30/d。3水環境容量生物氮、cocdr和cod-氨氮模型納污能力把通過公式(2)計算得出的貴港市郁江各功能區控制斷面高錳酸鹽和氨氮指數的計算值與測量值進行比較(表3、表4)。從表3和表4可以看出,高錳酸鹽指數計算值與測量值之間的相對誤差平均值為18.7%,氨氮計算值與測量值之間的相對誤差平均值為25.8%。這表明模型計算精度可滿足水環境容量計算分析的要求。根據貴港市規劃河段內現狀水質和入河排污口中主要污染物,確定貴港市規劃河段污染物模擬指標為COD和氨氮。應用二維穩態水質監測模型得出貴港市各水功能區氨氮、CODCr納污能力計算為:郁江橫縣-貴港保留區年污染物最大允許納污量,氨氮為2851.5t、CODCr為43681.9t;郁江貴港飲用水源區年污染物最大允許納污量,氨氮為2071.5t、CODCr為33040.9t;郁江貴港城區工業用水區年污染物最大允許納污量,氨氮為3126.0t、CODCr為42928.9t;郁江貓兒山港口過渡區年污染物最大允許納污量,氨氮為1896.3t、CODCr為27324.0t。4建立穩態水質監測模型的建議本文利用2008年11月26日測定的貴港劉公圩至東津84km郁江河段水文水質資料,選用高錳酸鹽指數和氨氮為模擬對象建立了二維穩態水質監測模型。通過模型誤分析得出,該模型計算精度可滿足水環境容量計算