漢江武漢段河流富營(yíng)養(yǎng)化模型研究

漢江武漢段河流富營(yíng)養(yǎng)化模型研究

河流水質(zhì)模型是描述河流水體污染物流動(dòng)和轉(zhuǎn)化規(guī)律的數(shù)學(xué)方程。這是河流水質(zhì)模擬和污染控制的有力工具。如果使用的數(shù)學(xué)模型合理，將直接影響水質(zhì)模擬和污染控制結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，河流水質(zhì)模型的研究一直是國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的研究重點(diǎn)。近年來(lái)，從點(diǎn)源污染模型到全水生態(tài)模型，從一般水質(zhì)模型到綜合水質(zhì)生態(tài)模型的轉(zhuǎn)變，考慮到中毒和河流沉積物，逐漸轉(zhuǎn)向真實(shí)和定量化。在我國(guó),河流常被用來(lái)排泄民用和工業(yè)污水,在許多場(chǎng)合下,對(duì)水生植物群和水生動(dòng)物群帶來(lái)不良的影響.這些影響大多是排放有機(jī)污染物所引起,致使承納水體的溶解氧濃度發(fā)生變化.另外,排入無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)致使浮游植物過(guò)度滋生,當(dāng)其他條件(溫度增高、流速過(guò)緩等水力學(xué)條件)適合時(shí),河流滿足湖泊的某些特征,也會(huì)出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)象.針對(duì)這一情況,研究河流富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題,尋求產(chǎn)生的機(jī)理,為解決河流出現(xiàn)的特殊情況,減輕和控制由此所造成的經(jīng)濟(jì)損失,建立河流綜合水質(zhì)模型,了解各水質(zhì)成分與水生植物之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系,具有重要的意義.關(guān)于水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究,針對(duì)湖泊和水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化特點(diǎn)的研究較成熟.漢江武漢段水體具有多功能,是武漢市工農(nóng)業(yè)用水及生活飲用水源地,1992年、1998年、2000年漢江發(fā)生的“水華”現(xiàn)象,嚴(yán)重地影響了漢江的水質(zhì)狀況,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失.對(duì)河流富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的研究是十分必要的,關(guān)于這一問(wèn)題研究,在國(guó)內(nèi)未見(jiàn)報(bào)道.與湖泊和水庫(kù)相比,河流的一個(gè)顯著特征是水體的運(yùn)動(dòng),污染物質(zhì)的主要遷移方式是平移和彌散,污染物遷移轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在河道縱軸上,可以用一維的河流綜合水質(zhì)模型近似描述.建立河流綜合水質(zhì)生態(tài)模型,必須一方面既考慮水流特征,另一方面還要考慮以浮游植物為主的水質(zhì)狀況和生態(tài)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系和各水質(zhì)成分間的相互轉(zhuǎn)化,以及其間發(fā)生的一系列生物、化學(xué)和物理作用.WASP55是近年來(lái)美國(guó)EPA推出的較全面的綜合水質(zhì)模型,但其中參數(shù)眾多、實(shí)用性較差.本文以WASP5的理論為基礎(chǔ),建立符合漢江武漢段的水質(zhì)生態(tài)模型.本文采用的數(shù)學(xué)模型包括三個(gè)部分的理論:(1)河流水動(dòng)力學(xué);(2)污染物的對(duì)流擴(kuò)散守恒理論;(3)富營(yíng)養(yǎng)化動(dòng)力學(xué)理論.1水質(zhì)模型污染物進(jìn)入水體后,在水環(huán)境中將發(fā)生物理、化學(xué)和生物的變化反應(yīng),一般稱為稀釋擴(kuò)散過(guò)程、遷移傳遞過(guò)程、物質(zhì)轉(zhuǎn)化及生物的新陳代謝過(guò)程.1.1基本理論1.1.1u3000河道注意量河流水流應(yīng)滿足圣維南方程:連續(xù)方程:B?h?t+?Q?x=q(1)B?h?t+?Q?x=q(1)動(dòng)量方程:?Q?t+u?Q?x+gA?z?x+gAn2Q2R4/3=0(2)?Q?t+u?Q?x+gA?z?x+gAn2Q2R4/3=0(2)其中,z為水位;B為河寬;Q為流量;u,h分別為斷面平均流速及水深;q為單位長(zhǎng)度旁側(cè)入流量;R為水力學(xué)半徑;n為糙率.水質(zhì)模型的水動(dòng)力學(xué)參量可以采用文獻(xiàn)中經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定.1.1.2水質(zhì)成分濃度ci物質(zhì)輸移對(duì)流擴(kuò)散方程為?ci?t+u?ci?x=??x(Ex?ci?x)+SLi+SBi+SΚi(3)?ci?t+u?ci?x=??x(Ex?ci?x)+SLi+SBi+SKi(3)其中,ci為水質(zhì)成分濃度;Ex為擴(kuò)散系數(shù);SLi為直接的擴(kuò)散負(fù)荷強(qiáng)度;SBi為邊界負(fù)荷強(qiáng)度;SKi為總動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化率.根據(jù)質(zhì)量守恒原理建立的對(duì)流擴(kuò)散方程,在該方程中考慮了污染物的直接負(fù)荷、邊界負(fù)荷以及水質(zhì)成分的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程.對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程可以由富營(yíng)養(yǎng)化的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述.1.1.3浮游植物生存狀況分析河流污染物質(zhì)主要分為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有毒物質(zhì).本文主要對(duì)前者進(jìn)行模擬計(jì)算,主要參數(shù)有:浮游植物、cBOD、有機(jī)氮、氨氮、硝氮、有機(jī)磷、無(wú)機(jī)磷、溶解氧、溫度、光照等.對(duì)于水中有機(jī)成分Ci(C,N,P)的生化轉(zhuǎn)化率從如下幾方面考慮,并且它們之間相互作用有如圖1所示關(guān)系,圖1中:cBOD為水中碳BOD;DO為水中溶解氧;NH3為水中氨氮;ON為水中有機(jī)氮;NO3為水中硝氮;CO2為水中二氧化碳;PHYT為浮游植物;OP為水中有機(jī)磷;OPO4為水中無(wú)機(jī)磷;sediment為泥沙耗氧;atmosphere為大氣復(fù)氧.(1)浮游植物動(dòng)力學(xué)系統(tǒng).浮游植物動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在富營(yíng)養(yǎng)化模型中占有重要位置,直接影響了其他幾個(gè)系統(tǒng).浮游植物的反應(yīng)項(xiàng)可以用浮游植物的出生率和死亡率來(lái)表示:Sk4j=(Gplj-Dplj-Κs4j)C4j(4)Sk4j=(Gplj?Dplj?Ks4j)C4j(4)其中,Splj為反應(yīng)項(xiàng),mgcarbon/L.d;C4j為浮游植物數(shù)量,mgcarbon/L;Gplj為出生率,d-1;Ks4j為沉降率,d-1;Dplj為死亡及呼吸率,d-1;j為劃分河段數(shù),無(wú)量綱.出生率Gplj是重要環(huán)境變量(溫度、光照和營(yíng)養(yǎng))的函數(shù),則GΡlj=Glmax(Τ)GRΙjGRΝj(5)GPlj=Glmax(T)GRIjGRNj(5)其中,Glmax(T)為溫度T時(shí)浮游植物最大出生率;GRIj為光照減弱因素,是T,I,f,D和Ke的函數(shù),無(wú)量綱;I為入射的太陽(yáng)輻射,Ly/d;f為光照強(qiáng)度,無(wú)量綱;D為水深,m;Ke為光減弱或衰減系數(shù),m-1;GRIj=g(T.I.f.D.Ke);GRNj為營(yíng)養(yǎng)限制因素,無(wú)量綱;GRNj=g(DIP.DIN);DIP,DIN為生長(zhǎng)所需物質(zhì),溶解無(wú)機(jī)磷和溶解無(wú)機(jī)氮,mg/L.浮游植物的死亡率常用浮游植物的生物遞減率來(lái)表示,其中包括浮游植物的內(nèi)源性呼吸、死亡率,具體表示為DRlj=Κ1R(Τ)+Κ1D(8)DRlj=K1R(T)+K1D(8)其中,DRlj為生物量遞減率,d-1;K1R(T)為內(nèi)源性呼吸率,d-1;K1D為死亡率,d-1.(2)磷循環(huán).模型中包含有3個(gè)磷變量:浮游植物磷、有機(jī)磷、無(wú)機(jī)磷.SΚ8=DΡΙC4AΡC-Κ83θΤ-2083C8?C4ΚmΡC+C4-VS3D(1-fD8)C8(9)SΚ3=Κ83θΤ-2083C8?C4ΚmΡC+C4-DΡΙC4AΡC-VS3D(1-fD3)C3(10)SK8=DPIC4APC?K83θT?2083C8?C4KmPC+C4?VS3D(1?fD8)C8(9)SK3=K83θT?2083C8?C4KmPC+C4?DPIC4APC?VS3D(1?fD3)C3(10)(3)氮循環(huán).模型中包含有4個(gè)氮變量:浮游植物氮、有機(jī)氮、硝氮、氨氮,未考慮反硝化反應(yīng).SΚ7=DΡΙC4AΝC-Κ71θΤ-2071C7?C6ΚΝΙΤ+C6-VS3D(1-fD7)C7(11)SΚ1=Κ71θΤ-2071C7-GΡΙC4ΡΝΗ3AΝC-C6ΚΝΙΤ+C6Κ12θΤ-2012C1(12)SΚ2=Κ12θΤ-2012C1C6ΚΝΙΤ+C6-GΡΙC4(1-ΡΝΗ3)AΝC(13)(4)溶解氧平衡.其中涉及了5個(gè)狀態(tài)參量:PHYT_C,NH3,NO3,cBOD,DO.未考慮消化作用,對(duì)于cBOD:SΚ5=Κ1DC4AΟC-ΚDθΤ-20DC5-VS3D(1-fD5)C5(14)SΚ6=ΚaθΤ-20a(C5-C6)-ΚDθΤ-20C5-6414Κ12θΤ-2012C1-3212Κ1RθΤ-201RC4-SΟDD+GΡΙC4(3212+4814aΝC(1-ΡΝΗ3))(15)1.2般梯度法確定數(shù)的初始值總動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化率SKi中的各種參數(shù),采用最優(yōu)化參數(shù)推求法,以全局近似最優(yōu)解作為待估參數(shù)的初始值,進(jìn)行一般梯度法尋求全局的精確最優(yōu)解.計(jì)算中,為避免不同測(cè)次分別估值產(chǎn)生的離散性大的缺點(diǎn),采用了以所有測(cè)次數(shù)據(jù)同時(shí)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行參數(shù)估計(jì),一次求得參數(shù)值,實(shí)踐證明,用這種方法確定的參數(shù),用于水質(zhì)模型作水質(zhì)長(zhǎng)期趨勢(shì)預(yù)測(cè)是可信的.2宗關(guān)斷面水質(zhì)成分采用建立的數(shù)學(xué)模型,對(duì)1992年漢江武漢段、新港—龍王廟河段水質(zhì)成分進(jìn)行數(shù)值模擬.水動(dòng)力學(xué)邊界條件:漢川斷面的1992年流量,龍王廟斷面的水位(均采用水文實(shí)測(cè)資料);水質(zhì)成分邊界條件:新港斷面,龍王廟斷面(水質(zhì)成分的檢測(cè)資料).河道地形是采用1994年實(shí)測(cè)的水下地形.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由武漢市環(huán)境檢測(cè)中心提供,各斷的參量是斷面平均值,即實(shí)測(cè)資料是斷面上各點(diǎn)的平均值.計(jì)算河段布置圖如圖2所示,水動(dòng)力學(xué)計(jì)算是根據(jù)上游的多年水文資料進(jìn)行參數(shù)率定和結(jié)果檢驗(yàn)的,其中糙率為0.025.將宗關(guān)斷面水質(zhì)成分?jǐn)?shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表1所示.由此可見(jiàn),模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好,最大相對(duì)誤差17%.說(shuō)明采用河流水動(dòng)力學(xué)、污染物的對(duì)流擴(kuò)散守恒理論、富營(yíng)養(yǎng)化溶解氧動(dòng)力學(xué)理論建立起來(lái)的河流綜合水質(zhì)生態(tài)模型理論可靠合理,計(jì)算方法準(zhǔn)確,可以用于漢江武漢段計(jì)算,模型符合漢江武漢段的基本情況,結(jié)果可信.圖3～圖6是1992年宗關(guān)斷面水質(zhì)成分與實(shí)測(cè)值的比較,其中:系列1—斷琴口,系列2—宗關(guān),系列3—江漢橋.從圖可以看出,在浮游植物快速生長(zhǎng)的2月底至3月初,其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相應(yīng)降低,BOD5相應(yīng)增