山東省水資源開發(fā)利用規(guī)劃中水質(zhì)預(yù)測模型的建立

山東省水資源開發(fā)利用規(guī)劃中水質(zhì)預(yù)測模型的建立

根據(jù)不同年規(guī)劃的水質(zhì)目標(biāo)，采用合適的水質(zhì)模型，計算河流、湖泊和水庫的環(huán)境容量，即允許排放。事實上，這是由于水質(zhì)預(yù)測的應(yīng)用，即在已知河流水質(zhì)條件（特定污染物濃度）的情況下，采用確定的水質(zhì)模型，并計算上游無論允許污染的排放（或濃度）。這實際上是預(yù)測水質(zhì)預(yù)測的逆運算和預(yù)測。為了解決河道、湖泊的短期或適時水質(zhì)預(yù)測,還需建立適時水質(zhì)預(yù)測模型,以便實施水質(zhì)管理措施,和對排污狀況進行調(diào)控。1計算河流劃分根據(jù)水質(zhì)規(guī)劃目標(biāo),在了解各河段功能的基礎(chǔ)上,劃分計算河段。1.1入口至認(rèn)同混合代村壩至王臺橋:主要為農(nóng)業(yè)用水,其次為工業(yè)用水,兼有漁業(yè)用水。匯河入口以下混合區(qū):主要接納匯河污水后混合稀釋區(qū)。大汶口至代村壩:農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水區(qū),兼有漁業(yè)用水。泮河口以下混合區(qū):接納泮河污水混合稀釋區(qū)。大汶口至谷里:農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水區(qū)。新泰城區(qū)至谷里:工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)。1.2北調(diào)東南方規(guī)劃方案東平湖是山東省第二大淡水湖泊,接納全部大汶河流域的來水,根據(jù)南水北調(diào)東線規(guī)劃方案,承擔(dān)調(diào)蓄任務(wù)。濟南市、泰安市、淄博市將從東平湖直接取水,同時黃河洛口以下河段缺水或斷流時,還將向黃河補水,故東平湖在今后山東省的供水中將起到重要作用,對東平湖的水質(zhì)保護意義重大。2預(yù)測條件、預(yù)測要素和控制段2.1河流平均速度的測定(1)水文條件:選用河流恒定流條件下的各河段的流量、平均流速、控制河段的流量、流速,可以是實測資料,也可以是平水期、枯水期的均值。(2)排污口污染物濃度,污水流量(或污染物排放量),該資料可以是實時實測資料,也可是歷年監(jiān)測的均值。2.2金屬污染較嚴(yán)重經(jīng)分析,大汶河及東平湖的主要污染物質(zhì)為化學(xué)需氧量即CODCr,重金屬污染不明顯,揮發(fā)酸、砷、氰化物等從歷年監(jiān)測情況看一般不超標(biāo)。另外,生化需氧量BOD一般與COD有良好的相關(guān)關(guān)系,可不作為預(yù)測要素,因此影響本流域水體的主要污染物為COD,故以該要素為預(yù)測對象。2.3污水總量及排放情況雖然河流各級支流眾多,排污口分散于沿河各處,但有污水監(jiān)測控制的排污口主要有汶河上的歷次(萊蕪入境)、石汶河(含瀛汶河)、泮河、柴汶河上的各溝橋(新泰市區(qū)污水)、西周河(新泰市區(qū)新汶鎮(zhèn)污水)、大汶河干流上的海子沙(磁窯鎮(zhèn)污水)、康匯河(肥城市區(qū)及石橫工業(yè)區(qū)污水)。以上排污口的污水流量和COD濃度可根據(jù)預(yù)期的實際排放量或監(jiān)測資料確定。預(yù)測控制斷面為大汶口(海子河入流口上)、代村壩(康匯河入流口以下)、王臺橋(干流入湖口)、東平湖汶河入口擴散段(湖口以下1km)。3水質(zhì)預(yù)測數(shù)學(xué)模型3.1生物化學(xué)轉(zhuǎn)化污染物進入水體后,發(fā)生各種運動變化,如稀釋擴散,沉淀、吸附、凝聚、揮發(fā)等物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程;水解、氧化、分解、化合物等化學(xué)轉(zhuǎn)化過程;碳水、硝化、厭氧等生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。在這些過程的綜合作用下,污染物濃度降低。將污染物在水體環(huán)境中的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程經(jīng)過各種數(shù)學(xué)方法處理,構(gòu)造水質(zhì)變化規(guī)律的各種數(shù)學(xué)表達式,即形成水質(zhì)數(shù)學(xué)模型。對于河道一般考慮采用恒定流條件下的一維均勻混合和沿程降解的水質(zhì)模型。(1)徑流xCh=QsCs+qzCzQs+qzCh=QsCs+qzCzQs+qz式中,Ch:支流入干流經(jīng)混合后的污染物濃度,mg/L;Qs:河段上斷面流量,m3/s;qz:排污口或支流匯入流量m3/s;Cs:河段上斷面污染物濃度,mg/L;CZ:排污口或支流口污染物濃度,mg/L;(2)斷面預(yù)測斷面的污染物濃度C=Coexp(?kx/u)C=Coexp(-kx/u)式中,C:河段下斷面(預(yù)測斷面)的污染物濃度,mg/L;Co:河段上斷面的污染物濃度,mg/L;x:上下斷面間的距離,km;u:河段平均流量,km/d;k:污染物衰減系數(shù),1/d。當(dāng)上斷面處,有支流匯入(或排污口進入)時,則Co=Ch(3)污染物擴散區(qū)k大汶河入東平湖后,如忽略水流的擴散作用,當(dāng)入湖水量穩(wěn)定時,湖口處污染物濃度遞減,則距入湖口r處的水質(zhì)濃度為C=Coexp(?kφHr2/2q)C=Coexp(-kφΗr2/2q)式中,C:距入湖口為r處的污染物濃度,mg/L;Co:入湖口控制斷面的污染物濃度,mg/L;k:污染物衰減系數(shù),1/S;φ:污染物在湖水中的擴散角,弧度;H:擴散區(qū)的平均水深,m;r:擴散區(qū)末端距入湖控制斷面的距離,m;q:入湖流量,m3/s。3.2參數(shù)的確定(1)污染衰減系數(shù)k表1(2)河流的平均流量枯水期仍采用表1的數(shù)值,平水期河段平均流速參照水文資料,具體數(shù)值見表2。(3)入湖口水流擴散角度在平、枯水期均取φ=π/3(4)平均入湖口水深h枯水期H=0.87m,平水期H=0.90m4模型建立與驗證選擇2002、2003年兩年豐、枯水期共4次水質(zhì)監(jiān)測資料,輸入主要排污口的水質(zhì)濃度(COD)、流量,輸入河段的平均流速、對比斷面的實測水質(zhì)(COD),采用以上水質(zhì)模型逐河段連續(xù)演算得各控制斷面的水質(zhì)濃度,驗證情況見表3~表6。5擬誤差的原因通過兩年共4次平水期與枯水期實測資料驗證,預(yù)測方案基本可行。特別是大汶口控制斷面,與實測值相當(dāng)接近,其相對誤差小于10%,王臺橋與入湖口誤差則較大,但預(yù)測結(jié)果對水質(zhì)控制仍有較大的參考價值。經(jīng)分析造成水質(zhì)模擬誤差的原因有以下幾方面的因素:(1)各斷面水質(zhì)監(jiān)測資料在時間上不同步,特別是排污口監(jiān)測資料與主要控制斷面的水質(zhì)資料在取樣時間上常相差10~20天,由于排污口的水流和河道水流并非恒定,故造成較大的預(yù)測誤差。(2)排污口和河道主控斷面采樣時,有時未測流量,排污口流量和斷面流量不得不借用水文部門的相近時間的測量值,由于流量在時間上的變化,造成預(yù)測誤差。(3)由于環(huán)保部門僅在