污水海洋处置研究中有机物生物降解作用分析

H1 3
x
(Hv) + (Huv) + (Hvv) =
t
xБайду номын сангаас
y
v
v
x νt H
＋ x
y
νt H
y
gn2
u 2 + v2 H1 3 v
gH
ξ y
fHu
其中，x、y — 空间水平坐标；u 、v — x、y 轴向流速；
t — 时间变量；g — 重力加速度；ξ—潮位；H — 总水深， H= z+ ξ，z 为静水深；f— 柯氏力参数（f = 2 ωsin φ，ω为地 球旋转角速度， φ为地理 纬度）；νt —紊 动粘性系数；n —糙
东西方向延伸 ，与排放口附近的水流状态 吻合。且工业水污 染 物排入 海中 后将 对受 纳水 域海 水水质 产生 一定 的不 利影 响，但综合分析，这种影响是局部的。
图 4 冬季平均 COD浓度等值线包络图 四、降解系数灵敏度分析 1．灵敏度定义 灵敏度分析是 数学模型参数取值和校正 的有效方法，其 目的在于确定 模型各参数对模拟结果影响 的大小，进而减小 因模型参数的不确定性产生的误差。
计算公式获得其近似值，即：
x= i ,k
y/
αk
≈
y i
(αk
+
Δαk )
y i
(αk
)
/ Δαk
2．降解系数灵敏度分析
选取模拟区内排放口周边 3 个测点，用 20 06 年 3 月平
均浓度贡 献值的变幅来分析该参数对 模型的影响。采用上述
公式计算得到参数灵敏度系数见表 1 。
在水质模型计算中，k 值取为 0 .0 5 ；根据季民等在天津 近海实验研究结果表明，降解系数 k 值介于 0 .02 3 ~0 .07 6 d -1 。由于曹妃甸距离塘沽较近，因此参考其实验结果，在灵
0.0090
（距排放口 3000m ）相对差值（%）
7.78 1.11 1.11 2 .22 3.3 3
灵敏 度系 数
0 .014 - 0.01 0.01 - 0.0 1 0.015
由表中结果可知：
（1 ）不考虑降解系数（k= 0）和考虑降解系数（k =0 .05 ） 时，引起计算结果的最大相对误差为 11 .8 8%，灵敏度系数 平均值为 0 .0 22 。
② 单方程模型；③ 两方程模型；④ 代数应力/ 通量模型。
针对本工程反 复调试模型，发现紊动粘性 系数的取值对计算
结果的敏感性并不大。
（3 ）扩散系数：物质的扩散主要由水流的紊动效应引起。
根据环境水力 学上的定义，扩散系数是拉 格朗日长度尺度与
紊 动 强 度的 乘 积 。 在 实际 应 用 中 ， Dx 、D y 分 别定 义 为
且经数学模型 验证，计算值与实测值相关 性高，吻合较好。
由于曹妃甸距 离塘沽较近，因此本次计算 中降解系数参考其
实验结果，取值为 0 .05 d- 1。
采用有限体积法对方程离散求解，结果如下：
（1 ）潮流场结果
冬季大潮过程涨急、落急流场图见图 2 、图 3 。
图 2 冬季大潮涨急流场图 图 3 冬季大潮落急流场图 （2 ）浓度场结果 由浓度等值线 包络图可以看出，污染带 基本呈细条状向
灵敏度分析包括局部灵敏度分析和全局灵敏度分析（包括
定量全局灵敏度分析、定性全局灵敏度分析），本文采用国内 使用较多的局部灵敏度分析方法。局部灵敏度分析也称一次变 化法，其特点是在其他参数不变的情况下，只针对某一个参数，
评价模型结果在该参数每次发生变化时的变化量。通常采用灵
敏度系数作为衡量参数灵敏度的标准，其简单形式是：
（2 ）离排放口越近，降解系数的灵敏度系数越大；离排 放口越远，灵敏度越小。k 的灵敏度系数平均值为 0 .01 8， 数值 较小。k 变 化 2 0% 所引起计算 结果的最大 绝对误差为
0 .00 03 ，最大相对误差为 1 .9 8 %；k 变化 4 0%所引起计算 结果的最大绝对误差为 0 .0 00 5，最大相对误差为 3 .9 6%。
Dx = αxhu* , Dy = αyhu* ，为 剪切分 散与紊动 扩散之和 。其
中，摩阻流速 u* =
ghI
，
α x
,α y
为经验参数。
（4 ）降解系数：根据季民等在渤海湾天津近岸海域的实
验结果，在天津近海，C OD 初始浓度为 4 ~9 m g/ l，温度范
围是 1 0~ 28 ℃时，降解系数 k 值介于 0.0 23 ~0 .07 6 d-1 。并
摘 要：有机污染物的生物降解速率已成为若干 海区环境容量估算的重要参数。文中以曹妃甸海域为例，对水质模
型中降解系数进行灵敏度分析，衡量了该参数在计算过程中的贡献大小，对海域环境容量研究具有重要参考价值。
关键词：有机污染物；生物降解；降解速率；降解系数；灵敏度分析
中图分类号：******
文献标识码：A
工业水排放海域 水深相对较浅，在不考 虑风的瞬时效应 时，上、下水层的流速虽有差异，但分层现象并不明显。工业
水污染物以最佳的射流角度排入受纳水体后，水体中污染物浓 度将产生一个梯度，但由于工业水排放时本身就具有一定的流 速且以线性源的形式进行排放，同时，在风、浪及海水涡动的
垂向搅拌作用下，工业水污染物排入受纳水体后将迅速与周围 水体充分掺混稀疏，使垂向污染物浓度梯度迅速减小，乃至可 以忽略其垂向浓度梯度的存在。所以，可以将海水视为单一水
东边界定在京唐港，东西向距离曹妃甸甸头约 4 0k m ，西边
界定在涧河口，东西向距离甸头约 46 .7k m ，海域外边界取
在甸头以南约 3 0 km ，区域总覆盖面积约 5,7 00 km 2，具体
见图 1。 由图可见，曹妃甸以岬角的形态向南深入渤海湾，
甸头前即 为渤海湾潮流通道的深槽水 域，天然水深一般可达
解系数；R （c）—降雨或蒸发率，一般取 R（c ）=0 。
二、降解系数的确定[ 1]
有机物 由于生物降解所产生的浓度 变化可以用一级反应
式表达： C = C0e kt 式中：C －C OD 浓度，m g/ l；
C 0－C OD 初始浓度，m g/ l； ｔ－反应时间，d ；
ｋ－衰减速率系数，d -1。
采用曲线正交网格来概化水下地形。
参数选取：
（1 ）糙率：海域的糙率是个综合影响因素，与水深、床
面形态、植被条件等因素有关，本文取 n = 0.0 22 。
（2 ）紊动粘性系数：又称涡旋粘滞系数，依赖于紊动涡
旋，即紊动情况。它随着在水流中的位置及紊动情况而变化。
为了确定紊动粘性系数，常用的紊流模型有：① 零方程模型；
x = y / αk i ,k
式中，xi，k 为模型的因变量对第 i 观测点，第 k 参数的
灵敏度系数。
针对某一特定参数 k 的灵敏度系数值，在保证其它所有
参数不变时，使该参数 k 的值由 αk 变化为 αk + Δαk ，相 应的因变量值由 yi（ αk ）变化为 yi （αk + Δαk ），用下列
率。
2．浅水物质扩散方程
cc c
c
c
R(c )
h + u +v t xy
x Dx x
y Dy y σ+ kc + h
=0
其中，x、y—空间水平坐标；u 、v—x、y 方向流速；t—
时间变量；h — 水深；Dx、Dy—沿 x、y 轴向的涡动分散系 数；c —沿水深平均的物质浓度；σ—污染源强度；k—物质降
文章编号：1006- 7973（2011）01- 0174- 02
有机污染物的 降解速率在水质模型计算 中起着一定的作
用，甚至已成 为若干海区环境容量估算的 重要参数。为了衡 量有机污染物 的降解速率取值对浓度计算 结果的贡献大小， 本文以渤海湾 曹妃甸海域为例，对降解系 数进行了灵敏度分
析，对该海域环境容量研究具有重要参考价值。 一、纳污海域水质模型
敏度分析中，降解系数的变化幅度分别取 2 0 %和 4 0%。 表 1 降解系数灵敏度分析结果
测点
k＝0.05 k＝0 增加 20% 减少 20% 增加 40% 少 40%
浓度 贡献 值
0.0323 0.0307 0.0312 0.0305 0.03 14
S1
绝对差值 0.0309 0.0014 - 0.0002 0.0003 - 0 .000 4 0.00 05
第 11 卷 第 1 期 2011 年 1 月
中国水运 Chi na Wat er Tr a ns por t
Vol . 11
No. 1
Ja nur y
2011
污水海洋处置研究中有机物生物降解作用分析
朱 静，李洪波，杨 晶，陈新永
（河北省水环境科学试验室 河北省环境科学研究院，河北 石家庄 050037）
（距排放口 1000m ）相对差值（%）
4.53 0.6472 0.97 1 1.294 1.618
灵敏 度系 数
0 .028 - 0.02 0.03 - 0.0 2 0.025
浓度 贡献 值
0.0113 0.0099 0.0103 0.0097 0.01 05
S2
绝 对差 值
0.0012 - 0.0002 0.0002 - 0 .000 4 0.00 04
体，采用沿水深平均的平面二维非恒定流和物质扩散数学模型 来描述水流和污染物的运动形态。模型如下：
1．浅水潮流方程 连续方程：
ξ ( Hu ) ( Hv)
+
+
=0
t
x
y
动量方程：
(Hu) + (Huu ) +
t
x
(Huv) = y
x νt H
u＋ x
y νt H
u y
gn 2 u 2 + v 2 u gH ξ+ fHv
五、结论
（1 ）由参数灵敏度分析不难看出，在纳污海域污染物输 移扩散模 拟计算中或是环境容量研究 中，是否考虑有机污染 物在水体中的降解对计算结果有一定影响，但 k 的取值变化 对计算结果影响较小，为不灵敏的参数。
（2 ）曹妃甸海域距离天津海域较近，因此，水质计算和 海域环境 容量研究中，降解系数的取 值参考季民等在天津海 域的实验成果（取为 0 .0 5）是可行的。
k 的数值是温度的函数，它和温度之间的关系可表示为：
k T
= θT T1
kT
1
若取 T1 =20 ℃，以 k2 0 为基准，则任意温度 T 的 k 值为： kT = k20θT 20
式中：θ称为 k 的温度系数，数值在 1 .04 7 左右（T=1 0 -3 5
℃）。
三、实例计算
曹妃甸 工业区位于渤海湾西北侧海 域，本次计算模型的
2 5m 以上，最大水深可达 4 1m 。
图1 计算条 件：取初始水位、初始流速 、初始浓度场为零。
收稿日期：2 01 0- 1 1- 22 作者简介：朱 静（1 98 2- ），女，河北石家庄人，河北省环境科学研究院工程师，硕士生。
第1期
朱 静等：污水海洋处置研究中有机物生物降解作用分析
175
潮位边界条件由 20 06 年 3 月的渤海水动力模拟结果提供。
0.0101
（距排放口 2000m ）相对差值（%）
1 1.88 1.98 1.98 3 .96 3.9 6
灵敏 度系 数
0 .024 - 0.02 0.02 - 0.0 2 0.0 2
浓度 贡献 值
0.0097 0.0089 0.0091 0.0088 0.00 93
S3
绝 对差 值
0.0007 - 0.0001 0.0001 - 0 .000 2 0.00 03