汉江武汉段河流富营养化模型研究

汉江武汉段河流富营养化模型研究

河流水质模型是描述河流水体污染物流动和转化规律的数学方程。这是河流水质模拟和污染控制的有力工具。如果使用的数学模型合理，将直接影响水质模拟和污染控制结果的准确性。因此，河流水质模型的研究一直是国内外科学家的研究重点。近年来，从点源污染模型到全水生态模型，从一般水质模型到综合水质生态模型的转变，考虑到中毒和河流沉积物，逐渐转向真实和定量化。在我国,河流常被用来排泄民用和工业污水,在许多场合下,对水生植物群和水生动物群带来不良的影响.这些影响大多是排放有机污染物所引起,致使承纳水体的溶解氧浓度发生变化.另外,排入无机营养物质致使浮游植物过度滋生,当其他条件(温度增高、流速过缓等水力学条件)适合时,河流满足湖泊的某些特征,也会出现富营养化的现象.针对这一情况,研究河流富营养化问题,寻求产生的机理,为解决河流出现的特殊情况,减轻和控制由此所造成的经济损失,建立河流综合水质模型,了解各水质成分与水生植物之间的动力学关系,具有重要的意义.关于水体富营养化的研究,针对湖泊和水库富营养化特点的研究较成熟.汉江武汉段水体具有多功能,是武汉市工农业用水及生活饮用水源地,1992年、1998年、2000年汉江发生的“水华”现象,严重地影响了汉江的水质状况,造成了巨大的经济损失.对河流富营养化问题的研究是十分必要的,关于这一问题研究,在国内未见报道.与湖泊和水库相比,河流的一个显著特征是水体的运动,污染物质的主要迁移方式是平移和弥散,污染物迁移转化主要发生在河道纵轴上,可以用一维的河流综合水质模型近似描述.建立河流综合水质生态模型,必须一方面既考虑水流特征,另一方面还要考虑以浮游植物为主的水质状况和生态系统之间的相互关系和各水质成分间的相互转化,以及其间发生的一系列生物、化学和物理作用.WASP55是近年来美国EPA推出的较全面的综合水质模型,但其中参数众多、实用性较差.本文以WASP5的理论为基础,建立符合汉江武汉段的水质生态模型.本文采用的数学模型包括三个部分的理论:(1)河流水动力学;(2)污染物的对流扩散守恒理论;(3)富营养化动力学理论.1水质模型污染物进入水体后,在水环境中将发生物理、化学和生物的变化反应,一般称为稀释扩散过程、迁移传递过程、物质转化及生物的新陈代谢过程.1.1基本理论1.1.1u3000河道注意量河流水流应满足圣维南方程:连续方程:B∂h∂t+∂Q∂x=q(1)B∂h∂t+∂Q∂x=q(1)动量方程:∂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为水位;B为河宽;Q为流量;u,h分别为断面平均流速及水深;q为单位长度旁侧入流量;R为水力学半径;n为糙率.水质模型的水动力学参量可以采用文献中经验公式来确定.1.1.2水质成分浓度ci物质输移对流扩散方程为∂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为水质成分浓度;Ex为扩散系数;SLi为直接的扩散负荷强度;SBi为边界负荷强度;SKi为总动态转化率.根据质量守恒原理建立的对流扩散方程,在该方程中考虑了污染物的直接负荷、边界负荷以及水质成分的动态转化过程.对于富营养化问题,动态转化过程可以由富营养化的动力学模型来描述.1.1.3浮游植物生存状况分析河流污染物质主要分为营养物质和有毒物质.本文主要对前者进行模拟计算,主要参数有:浮游植物、cBOD、有机氮、氨氮、硝氮、有机磷、无机磷、溶解氧、温度、光照等.对于水中有机成分Ci(C,N,P)的生化转化率从如下几方面考虑,并且它们之间相互作用有如图1所示关系,图1中:cBOD为水中碳BOD;DO为水中溶解氧;NH3为水中氨氮;ON为水中有机氮;NO3为水中硝氮;CO2为水中二氧化碳;PHYT为浮游植物;OP为水中有机磷;OPO4为水中无机磷;sediment为泥沙耗氧;atmosphere为大气复氧.(1)浮游植物动力学系统.浮游植物动力学系统在富营养化模型中占有重要位置,直接影响了其他几个系统.浮游植物的反应项可以用浮游植物的出生率和死亡率来表示:Sk4j=(Gplj-Dplj-Κs4j)C4j(4)Sk4j=(Gplj−Dplj−Ks4j)C4j(4)其中,Splj为反应项,mgcarbon/L.d;C4j为浮游植物数量,mgcarbon/L;Gplj为出生率,d-1;Ks4j为沉降率,d-1;Dplj为死亡及呼吸率,d-1;j为划分河段数,无量纲.出生率Gplj是重要环境变量(温度、光照和营养)的函数,则GΡlj=Glmax(Τ)GRΙjGRΝj(5)GPlj=Glmax(T)GRIjGRNj(5)其中,Glmax(T)为温度T时浮游植物最大出生率;GRIj为光照减弱因素,是T,I,f,D和Ke的函数,无量纲;I为入射的太阳辐射,Ly/d;f为光照强度,无量纲;D为水深,m;Ke为光减弱或衰减系数,m-1;GRIj=g(T.I.f.D.Ke);GRNj为营养限制因素,无量纲;GRNj=g(DIP.DIN);DIP,DIN为生长所需物质,溶解无机磷和溶解无机氮,mg/L.浮游植物的死亡率常用浮游植物的生物递减率来表示,其中包括浮游植物的内源性呼吸、死亡率,具体表示为DRlj=Κ1R(Τ)+Κ1D(8)DRlj=K1R(T)+K1D(8)其中,DRlj为生物量递减率,d-1;K1R(T)为内源性呼吸率,d-1;K1D为死亡率,d-1.(2)磷循环.模型中包含有3个磷变量:浮游植物磷、有机磷、无机磷.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)氮循环.模型中包含有4个氮变量:浮游植物氮、有机氮、硝氮、氨氮,未考虑反硝化反应.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个状态参量:PHYT_C,NH3,NO3,cBOD,DO.未考虑消化作用,对于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般梯度法确定数的初始值总动态转化率SKi中的各种参数,采用最优化参数推求法,以全局近似最优解作为待估参数的初始值,进行一般梯度法寻求全局的精确最优解.计算中,为避免不同测次分别估值产生的离散性大的缺点,采用了以所有测次数据同时构造目标函数值进行参数估计,一次求得参数值,实践证明,用这种方法确定的参数,用于水质模型作水质长期趋势预测是可信的.2宗关断面水质成分采用建立的数学模型,对1992年汉江武汉段、新港—龙王庙河段水质成分进行数值模拟.水动力学边界条件:汉川断面的1992年流量,龙王庙断面的水位(均采用水文实测资料);水质成分边界条件:新港断面,龙王庙断面(水质成分的检测资料).河道地形是采用1994年实测的水下地形.实测数据由武汉市环境检测中心提供,各断的参量是断面平均值,即实测资料是断面上各点的平均值.计算河段布置图如图2所示,水动力学计算是根据上游的多年水文资料进行参数率定和结果检验的,其中糙率为0.025.将宗关断面水质成分数值模拟值与实测值进行对比,结果如表1所示.由此可见,模拟计算值与实测值吻合较好,最大相对误差17%.说明采用河流水动力学、污染物的对流扩散守恒理论、富营养化溶解氧动力学理论建立起来的河流综合水质生态模型理论可靠合理,计算方法准确,可以用于汉江武汉段计算,模型符合汉江武汉段的基本情况,结果可信.图3～图6是1992年宗关断面水质成分与实测值的比较,其中:系列1—断琴口,系列2—宗关,系列3—江汉桥.从图可以看出,在浮游植物快速生长的2月底至3月初,其营养物质相应降低,BOD5相应增