污染物质的迁移、扩散、降解及水质模型研究

污染物质迁移、扩散、降解及水质模型研究也是环境水力学研究领域中的重要课题之一。近年来,在基础实验、原型观测和数学模型等方面都取得了显著的进展。

(1)地表水。蒲迅赤、赵文谦和李克锋等采用实验方法研究了紊动、污染物初始浓度、复氧速率和压力对有机污染物降解规律的影响,实验表明:①在有机污染物浓度相同的情况下,紊动强度越高,有机污染物降解速率常数越大,即降解速度快。②在紊动水体中有机污染物降解反应一般更符合二级反应规律,只有在水体复氧速率较大、水体中溶解氧浓度保持恒定或变化很小的条件下,有机物降解可简化为一级反应。③根据实验资料分析计算表明,压力愈高,有机污染物降解速率愈小。④有机物种类不同,其降解过程的基本规律相同,主要差异是降解速率常数不同,降解的快慢不一样。⑤在复氧速率较高的情况下,有机物浓度对降解不产生影响,而在低复氧速率情况下,有机污染物浓度对降解会产生影响;李然、赵文谦和李嘉对水面复氧进行了系列实验研究,提出了水体紊动复氧过程的概化模型,并用理论分析与实验研究相结合的方法得到了表面传质系数及复氧系数与紊动动能和平均流速关系的表达式,使新的理论概念具体实用化。

Higashino和Kanda为了研究紊流中溶解物质的释放过程设计了方槽流动试验。他们发现无论方槽的深度如何,溶解物质的释放过程都会随着水流速度的增大而加快;水槽越深,溶解物质的释放过程越慢;溶解物质的浓度越大,释放过程越快。但是仅仅从物理因素上分析溶解物质的释放过程是不充分的。

为了确定弯曲河道中具有最佳横向混合效率的排污口位置,Boxall等设计了一个复杂断面的S形水槽。以着色粒子代表污染物,他们分析了排污口在水槽中心线、凹岸和凸岸的混合效果,发现排污口布置在中心线时污染物的混合效果最好,但由于投资等因素实际工程中是不可行的;排污口布置在凹岸时污染物的混合效果优于排污口布置在凸岸,混合时间快并且浓度比较均匀,对实际工程中排污口的布置具有指导作用。

Niño等利用水槽研究了水体在表面剪切应力(如风生应力)的作用下产生的密度分层问题,并与POM(Princeton Ocean Model)的数值解进行了比较。结果表明,在不同Richardson数条件下,数值计算的结果与理论分析的一致性优于模型试验与理论分析的一致性,其中的原因也在进一步调查之中。

“三峡水库水污染控制研究”课题组和长江上游水环境监测中心对三峡库区有代表性的两个江段(全长310km)实施了水文水质同步观测。水文观测项目包括断面水位和流量、观测点流速和水深,水质观测指标包括水温、p H、SS、CODMn、BOD5 等14项。课题组还对重庆市、嘉陵江和长江汇流口、涪陵市岸边污染带的流速分布、污染物浓度分布进行了同步观测。原型观测成果基本反映了三峡库区天然河道水流的水质运动输运特点,为深入研究三峡库区江段自然特性积累了丰富的资料,也为三峡库区水质模型开发和其他河流水质模型研究提供了宝贵的基础数据和验证资料。李锦秀、廖文根和黄真理以三峡整个库区作为研究对象,分析了三峡水库建成前水流、水质运动规律和变化特点,开发了一维非恒定水流水质数学模型,利用稳定性比较好的四点隐格式有限差分法进行模型数值求解。模型中充分考虑了三峡水库建成前后水流条件巨大变化对库区水流水质的影响,对主要水质模型参数,如污染物纵向离散系数、有机污染物衰减系数和大气复氧系数等建立了与水流条件相关的经验关系式,建立的数学模型经过三峡库区江段长河段水文水质和污染源同步观测资料验证,具有较高的模拟精度,可为预测三峡水库水流水质总体变化趋势提供技术支持。

上述水质模型中大都只考虑清水水质,近年来许多学者在对河流水质问题研究中发现含沙水流水质分布规律较清水情况有很大差异。天然河流中,泥沙输移是普遍存在的现象,泥沙往往作为污染物质的携带介质,从陆地表面侵蚀物汇入河流的同时将污染物带入水体。同时通过泥沙的沉降、悬浮、吸附与释放,影响水体中污染物的沿程分布。李锦秀和廖文根等在对三峡水库一维水流水质数学模型研究中,根据对三峡长河段水文、水质同步观测资料的分析,初步探讨了泥沙对多个水质参数的影响。石伟、王光谦通过对黄河下游花园口、跞口水文站1982～1985年实测水质监测数据的各级流量频率分析,得到黄河下游河道在平滩流量下对污染物输运能力最大,此时河道中的溶解氧也最多,也就是说,在平滩流量下黄河下游河道的水环境容量最大。河流在平滩流量时不仅输沙能力最大,而且输运污染物能力也最大。黄河下游水环境容量萎缩是平滩流量降低的必然结果。同时,通过统计分析得知含沙量对黄河下游水质监测数据中的耗氧量及溶解氧量影响不大,即黄河下游水体水溶液的耗氧量和溶解氧基本不变。

有不少学者对河道水温及悬浮污染物质分布进行了研究,有人提出立面二维非定常模型,并考虑了自由水面的变化和河道宽度的变化,采用全显式的有限体积法。该模型适用于大尺度水域中较长期的流动、水温及悬浮物质迁移问题;邓云、李嘉和罗麟等建立了预测大型深水库水温分层的立面二维浮力流模型,该模型得到水库水温实测资料检验,并应用到溪洛渡、锦屏、紫坪铺等大型水库水温预测研究中。

杜彦良等建立了部分水深平均二维计算模型,推导得出瞬时点源垂向均匀混合的纵向距离及垂向部分水深的理论表达式,并建立了线源排放垂向均匀混合的纵向距离及垂向部分水深的函数关系,已应用于长江河口段罗丹明示踪剂瞬时源排放浓度场的计算中。华祖林和刘晓东根据分层流紊动扩散能力在水平与垂直方向存在明显差异的特征,建立了三维代数应力通量模型。模型以有限体积法离散,SIMPLEC方法求解速度、压力和温度耦合方程组。对于各向异性的分层流,代数应力通量模型与双方程k-ε 模型相比,前者保留了各向异性的湍流基本物理特性,较好地反映了分层流中存在的浓度(或温度)跃层,对研究分层流产生、发展、直到消失的内在机理具有较大的理论与工程实际意义。

此外,沈永明、王亚玲和孙昭晨等采用两相湍流精细模拟的理论和方法,用Eulerian坐标系中多流体模型统一描述两相各自的运动,并分别对两相本身的湍流输运规律以及相间相互作用规律进行模拟,建立了水环境两相分层流的双流体模型;郝瑞霞等编制了湍浮力流动的三维数学模型计算软件,该计算软件用浮力修正的k-ε 双方程湍流模型封闭雷诺时均方程组,结合SIMPLE 算法,首次将隔离法用于三维复杂边界条件处理上,使其不但能模拟由冷热水密度差产生的浮力分层流动现象,也可以应用于天然河道的流动、传热问题中;马福喜和李志伟采用大涡模拟的方法对环境中污染物的运动规律进行研究。数值计算及物理模型试验得出了污染物在对称的物理空间中运动不对称性和污染物团显示出凸凹特性的定性结论;以及污染物前锋位置与污染物扩散宽度、污染物团运动速度的关系;刘成、何耘和李行伟等利用荷兰Delft水力研究院的Delft 3D 数学模型,根据模拟的结果,建议综合长江口环境容量和排放口的稀释、扩散和降解作用等因素,适当处理污水后再外排,并根据排放口的位置及季节调整相应的污水处理等级,以保护长江口和杭州湾的水环境。(www.xing528.com)

Ng和Yip用渐近式均质化方法推导出输运方程,用于求解明渠中溶解物质与悬浮物质之间的动力吸附交换问题,其中三个重要的控制参数为:悬浮物数量、水体中固-液比率和吸附动力参数。通过计算化学污染物与细小固体颗粒同时注入水流中的吸附交换过程,发现当上述三个参数足够高时,污染物团的对流、扩散能够通过吸附交换过程来控制。Bouras等介绍了一种三维的用于计算天然河道和试验水槽自由水面流动的软件——AEA Technology公司的CFX。在给出代码特征、基本假定和边界条件后,他们用这个软件计算了一个梯形断面弯曲水槽中污染物的扩散过程,清晰地显示了污染物在不同时段的浓度界面。

Fernandes和Karney利用特征线法(MOC)将非恒定流的理论融入求解对流-扩散-衰减方程中,通过离散一维水质方程,计算了简单管道中氯的分布规律随阀门开度变化而改变的过程,为应用水锤理论分析复杂管网中的水质问题开拓了新的思路。Jong-Kyu等提出用修正特征线方法的水动力学模型求解二维对流-扩散方程,这种模型能够有效地提高数值计算精度,并较好地模拟了韩国Pusan港海域的污染物输运过程。Raimundo提出一种基于Monte Carlo方法的数学模型,用于研究污染物团的扩散过程,他们发现污染物团的尺寸是涡量速度场的函数,污染物的凝聚随着涡量强度的减小而快速降低。

Jin利用MIKE21计算了Huntington海滩附近流场和污染物输运的通道,通过现场采集的数据,包括潮位、波浪、风速及流速等不断对模型进行率定,得到了很好的模型参数,为近海污染物的扩散和输运以及水质预报提供了工具。El-Sadek利用MIKE11计算了比利时Flemish流域的水质问题,其中考虑了四种主要的指标:DO、BOD、NH 4—N 和NO3—N,通过连续8年的模拟掌握了该流域的水质状况,为政府采取相应的措施提供了参考。

Ganoulis等提出基于模糊集理论的数学模型,用于评价水体污染中输出变量的不确定性。该模型将输入变量和物理参数数值的不确定性作为模糊数(fuzzy number),然后用模糊数学的方法进行演进,最后对输出变量进行评估,从而预报水质的情况。这种模型成功地用于希腊Thermaikos海湾污染问题的计算中。

(2)地下水。张蔚臻等调查搜集了大量的野外地下水污染实测资料,进行了深入的理论研究,取得了如下研究成果。

1)在区域非均匀含水层中污染物运移机理及预测预报随机模型的应用基础研究中,提出了非饱和弥散系数与土壤含水量有较大影响的结论,根据区域非饱和土壤空间变异性和随机分布的基本特点,应用空间随机场的工具,以土壤渗透性能为空间随机变量,建立了非饱和、吸附性溶质平均浓度所满足的基本方程和浓度方差的基本方程。同时,提出了确定宏观参数的途径,系统地提出了有机氮到无机氮转化的理论模型。

2)在灌排条件下化肥流失及其对地下水环境影响的研究中,论证了化肥在灌排条件下的运移过程中大孔隙的存在,及其对氮素的运移转化过程产生决定性的影响。建立了包括土壤大孔隙、土壤骨架和氮素转化运移特征的氮素转化运移模型,得到了简化模型解析表达式和暗管出流中氮素浓度的计算方法,为拟定灌溉排水条件下减少氮素淋滤和提高氮素利用率的控制措施提供依据。

王超等在分析野外现场观测资料的基础上,建立了河流污水饱和入渗对沿岸地下水质影响的数学模型。模型中采用分块连续方式描述非线性水力特性,分析氮迁移转化过程,用有限差分格式离散水分和污染物在土壤中运移方程,应用分散平均方法估算水力传导率;邱元锋等尝试利用随机模拟方法求解地下水污染问题,与通常数值方法相比较,其突出优点是方法简单,程序设计简单、计算工作量小。随机模拟方法对求解一类边界问题不仅计算速度快而且精度高,对二类边界问题的求解,涉及到移动质点首次到达边界后被立即吸收或返回的概率问题,这一概率值的大小直接影响计算结果,其适宜值的选取决定于实践经验和对求解问题的理解程度;此外,刘立才等运用二维有限单元法,建立了水量水质耦合模型,对岩溶水资源进行了数值模拟评价。在此基础上,以现状开采量和历史水质污染的演变趋势为基准,对未来10年的岩溶水水位水质进行了预测。