采用一维水质模型计算河流纳污能力中设计条件和参数的影响分析

采用一维水质模型计算河流纳污能力中

设计条件和参数的影响分析

张文志

(广东省水文局惠州分局,广东　惠州　516001)

摘　要:分析采用一维水质模型计算河流纳污能力过程中,污染源概化、设计流量和流速、上游本底浓度、污染物综合衰减系数等设计条件和参数对计算结果的影响;讨论如何确定设计条件和参数,以提高计算结果的准确性和合理性。

关键词:纳污能力;一维水质模型;设计条件;参数;影响分析

中图分类号:T V149.2 文献标识码:B 文章编号:100129235(2008)0120019202收稿日期:2007202205

作者简介:张文志,男,湖北大悟人,主要从事水环境监测、水资源分析及评价工作。

纳污能力,是指水体在一定的规划设计条件下的最大允许纳污量。纳污能力随规划设计目标的变化而变化,反映了特定水体水质保护目标与污染物排放量之间的动态输入响应关系。其大小与水体特征、水质目标及污染物特性等有关,在实际计算中受污染源概化、设计流量和流速、上游本底浓度、污染物综合衰减系数等设计条件和参数的影响。

东江干流岭下至虾村河段位于东江干流惠州市境内,全长36k m,水质目标为Ⅱ类。本文以该段河段氨氮纳污能力计算为例,分析采用一维水质模型计算纳污能力过程中设计条件和参数对计算结果的影响,并讨论如何确定设计条件和参数,以提高计算结果的准确性和合理性。

1　一维水质模型概述

对于宽深比不大的河流,污染物在较短的时间内,基本上能在断面内均匀混合,污染物浓度在断面上横向变化不大,可用一维水质模型模拟污染物沿河流纵向的迁移问题来计算纳污能力。

在稳态或准稳态的情况下,一维水质数学模型为:

C (x )=C 0exp

-k

x u

(1)

式中　C 0———基准断面污染物的本底浓度,mg/L ;k ———污染

物综合衰减系数,d

-1

(计算时换算为s

-1

);u ———断面

设计流速,m /s ;x ———计算断面至基准断面的距离,m ;

C (x )———计算断面污染物的浓度,mg/L 。

2　污染源概化影响分析

通常情况下,考虑到计算的复杂性和一般规划本身的要求,需要将河段内排污口的分布加以概化。目前污染源概化主要采用两种方法:概化为均匀分布或概化为一个集中点。

2.1　均匀分布概化河段水环境容量计算公式

概化为均匀分布即认为污染物排放在同一河段内沿河

长均匀分布,并认为污染源源强在同一功能区内沿河长均匀

分布,概化示意见图1。此种概化实际上体现了污染物分布的一种平均状况,对某一河段也许存在一定偏差,但从统计、规划的特点来看,却综合反映了若干河段污染物排放的一种平均状态。

图1　均匀排放河段污染源概化示意图可以推导出均匀排放河段纳污能力的计算公式为:

m =kQ

L

u

C s -C 0exp

-k L u

1-exp

-k

L u

(2)

式中　m ———纳污能力,g/s (结果表示时换算为kg/d );

C S ———下游控制断面污染物的目标浓度,mg/L ;

L ———

计算河段的全长,m ;Q ———河段设计流量,m 3

/s ;

其它参数意义与公式1相同。

2.2　集中点概化河段水环境容量计算公式

概化为一个集中点即认为污染物排放在同一功能区内集中在一个点,所有污染物由这个点源排入,概化示意见图

2。此种概化实际上体现了污染物分布的一种集中状况。

图2　集中排放河段污染源概化示意图可以推导出集中排放河段纳污能力的计算公式为:

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12008年第1期・PE ARL R I V ER 人民珠江

m =Q

C s -C 0exp -k L u

exp -k

L 1u

(3)

式中　L 1———集中概化点距下游断面的距离,m ;其他各参数

意义与公式(2)相同。

污染源集中概化点的位置确定在污染源比较集中的地方,一般情况下,污染源比较分散,可认为这个点在河段的

1/2处。值得注意的是,对于有较大支流汇入的河段,计算更

为复杂,要考虑到汇入支流的水质水量情况,计算公式要调整。

2.3　计算结果影响分析

设计水文条件采用岭下站实测资料,设计流量和流速采用岭下水文站近10年90%保证率最枯月平均流量和相应条件下的流速,分别为流量166.2m 3/s,流速0.51m /s;上游本底浓度采用岭下站2006年水质监测平均值,为0.19mg/L;综合衰减系数借用相关研究成果,取0.07d -1。按两种概化

计算的纳污能力及比较见表

1。

表1　均匀分布概化与集中点概化纳污能力计算比较kg/d

均匀分布概化

集中点概化

L 1=1/4L

L 1=1/2L

L 1=3/4L

4736

466947374805

显然,采用均匀分布概化和集中点为中点的概化计算出的结果相当,集中点越靠近下游计算的结果越小,但相差不大。

3　上游本底浓度影响分析

根据不同的要求,计算时上游本底浓度的取值就不同,计算结果也有差异。选取不同的上游本底浓度(其它条件同

2.3),采用集中点概化(集中点为中点)计算的纳污能力见表2,上游本底浓度与纳污能力关系见图3。

表2　不同上游本底浓度所对应的纳污能力

C 0/(mg L -1)0.100.200.300.400.50m /(kg d -1)

5993

4597

3202

1806

411

图3　C 0与m 关系图

从表2和图3中可以看出,上游本底浓度的选取对计算结果的影响较大,纳污能力随上游本底浓度的增大呈直线下降。

4　设计流量和流速、综合衰减系数影响分析

由于综合衰减系数受流量和流速影响,所以把设计流量、流速和综合衰减系数一起分析。选取不同的流量(Q )、流速(u )(根据岭下站近年来的实测资料)和综合衰减系数

(k ),其它条件同2.3,采用集中点概化(集中点为中点)计算

的纳污能力见表3,不同综合衰减系数下纳污能力随流速变化关系见图4,不同流量、流速下纳污能力随综合衰减系数变化关系见图5。

表3　不同流量、流速和综合衰减系数所对应的纳污能力

kg/d

Q /

(m 3s -1)u /

(m s -1)k /d -1

0.020.050.070.100.150.200.250.301000.42276528982989312933723626389441761500.50412742934407458148805193551958582000.58548256735802600063406692705774353000.6682008451862188809322977910251107384000.7110918112281143811758123041286613444140405000.751363314000142491462615269169301661017309600

0.8416329157211598617389180731877419492202298000.9121745332282255333046238842474125619265161000

0.9827153277122808928660296293061831629326611200

1.04

3255833190336153426035352364663760238761

图4　不同综合衰减系数下m 随u 变化关系图

图5　不同流速下m 随k 变化关系图从表3、图4和图5中可以看出:

a)Q 和u 对m 影响相对较大,k 对m 影响相对较小。b)对于相同的Q 和u,随着k 的增加,m 也相应增加;对

于相同的k,随着Q 和u 的增加,m 也相应增加,但相对增幅逐渐减小。

(下转第43页)

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