二维水质模型在污染带长度计算中的应用

岸边污染带来确定水源地二级保护区长度 ,就是以饮用水源
取水口上游现有污染源为基础 ,计算其稀释扩散影响区域的
长度 ,以此推导保护区的长度。《地表水环境质量标准》
GB383822002 规定 :集中式生活饮用水地表水源地一级保护
区执行Ⅱ类水质标准 ,集中式生活饮用水地表水源地二级保
护区执行 Ⅲ类水质标准. 一级保护区长度采用饮用水源卫生
∮
C( QA , k ,α, ux)
<
C′f 1
(
QA )
f2
(
k)
f3
(αy)
f4
(
ux)
dQA dkdaydux
(4)
给定坐标 ( x , y) 后 , 联立求解式 (2) 、(3) 、(4) , 根据 QA , k ,αy
和 ux 的已知概率分布 ,即可求得污染带任一点( x , y) 质量浓
度 C 的概率分布[7] 。
在其他条件相同时 ,岸边排污形成的污染带长度大约是
中央排污形成污染带长度的 4 倍 ,而最大宽度相差不大 ,在
此选择以无边界岸边排放方式对污染物进行模拟和预测 。
2. 2 二维水质模型的反射问题 实际河渠或水库湖泊都有
固体边壁存在 ,当污染物迁移、扩散遇到边界时有 3 种可能
is an important tool of the water environment protection. Key words Pollution zone ; Two2dimensional water quality model ; Water environment
1 污染带的定义
Application of Two2dimensional Water Quality Model in Calculation of Pollution Zone REN Zhao2yang et al (Urban Construction and Environmental Engineering College , Chongqing University , Chongqing 400044) Abstract After water storing of Three Gorges Reservoir with 175 m , the water flow will slow down , and the dilution capacity of water will be decreased
pollution zone that caused by diferrent pollution sources is needed to observe in details , while the length of the pollution zone is the most important param2 eters. Two2dimensional water quality model is easy to use with high accuracy , can be used to calculate and forecast the length of the pollution zone ,and
当考虑边壁反射时 ,考虑 2 次以上边壁反射的计算结果均非
常接近。所以可以认为 ,一般算时如果没有特别条件约束 ,
考虑 2 次边壁反射即可以满足精度要求。对于宽度为 B 的
河流来说 :
C( QA , k ,α, ux) = { C0 + ux H
QA 4πEyx/
[ exp〔ux
uxy2 4 Eyx
significantly. In order to make the water in reservoir have domestic water , industrial and agricultural water supply , transport and other visual functions ,
A2
( k ) f3 ( αy ) f4 ( ux )
dQA dkdaydux
(7)
确定置信区间后 , 根据精度确定 α值 , 取 y = 0 , 联立式 (6) 、
(7) 可得对应于给定了 CS 、x 的污染带长度的概率分布以及 在一定概率及误差范围内的污染带长度 。
3. 2 集中式生活饮用水地表水源地二级保护区的确定 用
C( QA , K,αy , ux) = C0 + ( ux H
2 QA 4πEyx/ ux )
(8)
图 1 水源地二级保护区计算示意图
如果要使控制点浓度 C ( QA , K,αy , ux) 等于水质功能区 要求的标准 CS ,则污染带的最大纵向扩散长度计算Ey
{
H(
收稿日期20061128排污强度都可认为是随机变量即污染带内任一点的污染物浓度都是一个不确定的随机变量污染物浓度按二维随机模型模拟当采用岸边排污时当排污口位于河道中心采用中心排污方式时为污染物的背景浓度mg个随机变量相互独立且它们的概率密度函数分别为f小于某一指定浓度值c的概率可表达的已知概率分布即可求得污染带任一点在其他条件相同时岸边排污形成的污染带长度大约是中央排污形成污染带长度的4二维水质模型的反射问题实际河渠或水库湖泊都有固体边壁存在当污染物迁移扩散遇到边界时有3种可能出现的情况一种是物质被边界完全吸收
防护带距离如图 1 所示[9] 。
岸边排放近似成半椭圆形状 ,在排放点轴线上即 y = 0
的条件下等浓度线长度最大。一般情况下 ,污染物在近岸水
域混合长度不大 ,长江近岸在 300～500 m ,中型河流在1 000 m
以内 ,污染物混合衰减量较小可忽略不计 ,为此 ,污染物浓度
场分布解析式由(2) 式简化得 :
时最常用的模型 。
作者简介 任照阳(1981 - ) ,男 ,河南郑州人 ,硕士研究生 ,研究方向 :水 污染控制理论与技术 。
收稿日期 2006211228
排污强度 QA 、流速 ux 、降解系数 k 和扩散经验系数 αy 都可认为是随机变量 ,即污染带内任一点的污染物浓度都是 一个不确定的随机变量[5] 。对于排污口下游任一点 ( x , y) 的 污染物浓度按二维随机模型模拟 ,当采用岸边排污时 ,由式 (1) 得 :
河流水质标准浓度 CS ,对应于 I ,II , …, V 类水质可得到相应 的 CS ( I) , CS ( II) , …, CS ( V) 的不同概率等浓度曲线 。将等浓 度曲线与污染源围起的区域内的污染物浓度与相应的水质
标准相比 ,超出水质标准浓度的区域即为污染带[8] 。
当岸边排放时污染带是由一条等浓度曲线与河岸线围
染物浓度高于同断面上最大浓度 5 %的区域[1] ,另一种定义
为排污口附近环境水域某污染物浓度高于该水体环境功能
要求的水质标准的区域[2 - 3] 。前一种定义方法未与环境水
质标准联系起来 ,且其范围的确定存在着人为的因素 。后
一种定义方法将污染带范围与环境水质标准紧密联系起
来 ,有利于进行环境水质控制 , 因此 , 逐渐得到了广泛的
QA 4πEyx/
·exp ( ux
-
uxy2 ) 4 Eyx
]
其中 : Ey =αyH
exp ( -
kx ) ux
(3)
gHI ; C0 为污染物的背景浓度 (mg/ L) ; H 为
平均水深 (m) ; g 为重力加速度 (m/ s2) ; I 为河流水力坡降
( ‰) 。根据随机变量的函数及其分布理论[6] ,当排污强度
成的狭长水域[3] 。假设污染带的长度为 L , 点 ( L ,0) 的质量
浓度为 CS ,则式 (2) 可变换为 :
C( QA , k ,αy , ux) = { C0 + ux H
2 QA
·
4πEyL/ ux
[ exp〔-
( ux ×02) (4 EyL)
〕]
+
exp〔-
kL 〕= ux
〔C0 + ux H
量最优化管理和保护水环境的目的 。目前 ,关于污染带长
度的计算公式很多 ,多是由二维水质数学模型推导而来 。
2. 1 二维水质模型 排入水体后污染物的二维浓度变化
可表示为 :
9C 9t
=
Ex
92 C 9x2
+
Ey
92 C 9y2
-
ux
9C 9x
-
uy
9C 9y
+
S(
x
,
y
,
C, t)
(1)
其中 : C 为距排污口纵向距离 x , 距岸边 y 点污染物浓度
出现的情况 ,一种是物质被边界完全吸收 ;另一种是物质被
35 卷 7 期 任照阳等 二维水质模型在污染带长度计算中的应用
1985
边界完全反射 ,即所谓镜像作用 ;第 3 种界于完全吸收与完
全反射之间。对于水质而言 ,完全反射为最不利情形。
不计边壁反射 ,直接采用公式 (2) 计算得到污染带长度。
〕+
exp〔-
ux
(2 B - Y) (4 Eyx)
2
〕+
exp〔-
ux
(2B + y) (4 Eyx)
2
〕]}exp〔-
kx 〕 ux
(5)
3 污染带计算的应用
3. 1 污染带长度的随机计算 根据二维水质模型 , 对在排
污口下游各点按一定概率分布的水质浓度 ,将浓度相等的各
点连接即可得到不同概率下的河流污染物等浓度线 。给定
三峡水库修建后在正常水位 175 m 时平水区长约 657 km ,
流速由 2 m/ s 左右降为 0. 2～0. 5 m/ s ,水面平均宽度 1. 1 km ,平
均水深约 7 m ,水流稀释能力下降 ;此外 ,随着库区开发性移民
政策的实施及污染负荷的变化 ,污染带将会发生变化。
目前对污染带的定义主要有两种方法 :一种定义为污
(mg/ L) ; Ex 和 Ey 分别为 x 和 y 方向的弥散系数 (m/ s) ; ux 和 uy 分别为 x , y 方向上环境介质流速分量 (m2/ s) ; S ( x , y , C , t) 为单位时间 、单位体积的污染物的输入量[4] 。式 (1) 是
对大型的河流 、河口 、海湾和浅湖水质进行模拟和预测研究
QA πEyL /
〕exp〔ux
kL 〕 (6) ux
由式(4) 可得出河流污染带长度的概率为 :
P( CS - α< C < CS < +α) = p[ CS - α< C ( QA , k ,α, ux)
< Cs + α ] =
∮ f ( Q ) f CS - α< C( QA , K,α, ux) < CS < +α 1
C( QA , k ,αy , ux) = { C0 + ( ux H
2 QA
·
4πEyx/ ux )
exp[ -
uxy2 (4 Eyx)
]}exp (
-
kx ) ux
(2)
当排污口位于河道中心 ,采用中心排污方式时 ,由式(1) 得 :
C( QA , k ,αy , ux) = [ C0 + ux H
共识 。
2 二维水质模型对污染带长度的确定
受到污染的水体 ,如不及时采取必要的防范措施 ,将会
对河流水生生态及下游用水产生严重影响 ,因此 ,污染带的
计算被越来越多地应用到水环境保护等领域 。对污染带进
行研究计算 ,将有助于排污单位 、环评单位和水质管理部门
科学决策污水处理程度和最佳排放方式 ,以达到污水排放
摘要 三峡水库 175 m 蓄水以后 ,水流速度减缓 ,水体的稀释能力将显著下降。为了使库区的水源具备生活用水、工农业供水、航运、景 观等多种功能 ,需要对库区各污染源造成的污染带进行详细的观察 ,而污染带长度是诸要素中最重要的参数之一。二维水质模型简便 易行、具有较高的精确度 ,可用于污染带长度的计算及预测 ,是保护水环境的重要工具。 关键词 污染带 ;二维水质模型 ;水环境 中图分类号 S11 + 3 文献标识码 A 文章编号 0517 - 6611(2007) 07 - 01984 - 02
QA 、降解系数 k 、扩散经验系数 αx 、流速 ux4 个随机变量相互
独立且它们的概率密度函数分别为 f1 ( QA) , f2 ( k) , f3 (αy) 和 f4 ( ux) 时 ,随机变量 C 小于某一指定浓度值 C′的概率可表达
为:
P( C < C′) = P[ C( QA , k ,α, ux) < C′] =
安徽农业科学 ,Journal of Anhui Agri. Sci. 2007 ,35 (7) :1984 - 1985 ,2037 责任编辑 庆 责任校对 庆
二维水质模型在污染带长度计算中的应用
任照阳 , 邓春光 1
2 (1. 重庆大学城市建设与环境工程学院 ,重庆 400044 ;2. 重庆市环境科学研究院 ,重庆 400020)
QA CS -
C0) }
(9)
利用公式(9) 计算污染源稀释扩散到不同水质目标(II、III 类)
所需的距离 X2 、X3 , 即不同水质目标对应的岸边污染带长
度 ,这两段距离之差即为二级保护区的长度 ,二级保护区长
度 = X2 - X3 。图 1 中 : X2 为污染物从污染源排出 ,稀释扩散