跨流域调水工程水质变量相互关系

参照QUAL-Ⅱ综合水质模型,针对南水北调中线工程实际情况和需要,在建立中线干线工程水质模型时,考虑以下9种水质变量:①溶解氧(DO);②氨氮;③亚硝酸氮;④硝酸氮;⑤生化需氧量(BOD);⑥叶绿素-a;⑦可溶性磷;⑧假想的一种可降解物质;⑨假想的一种不可降解物质。可根据需要在模型中选择一种或多种水质变量进行模拟,各变量间的关系如图4.1所示。

图4.1　各水质变量间的相互关系图

1—水体复氧作用;2—底泥耗氧;3—碳化BOD(CBOD)耗氧;4—藻类等生物的光合作用产氧;5—氨氮氧化过程耗氧;6—亚硝酸氮氧化过程耗氧;7—碳化BOD(CBOD)的沉淀作用;8—藻类等生物对于硝酸氮的吸收;9—藻类等生物呼吸作用产生可溶性磷;10—藻类等生物对于可溶性磷的吸收;11—藻类等生物的死亡和沉淀;12—藻类等生物呼吸作用产生氨氮;13—底泥释放氨氮;14—氨氮经氧化转化为亚硝酸氮;15—亚硝酸氮经氧化转化为硝酸氮;16—底泥释放可溶性磷

图中以箭头的形式表示了除假想的可降解物质和不可降解物质外各水质变量之间的相互作用关系,各水质变量间相互作用关系以水体溶解氧含量为中心,发生一系列化学反应,同时也包含沉淀等物理过程。

由于南水北调中线工程总干渠为人工明渠,且工程对其引水水质要求较高,渠道内并不存在底泥,因此上图中底泥释放水质变量(13、16)以及底泥耗氧(2)的过程在建立中线工程总干渠水质模型时不予考虑。

针对上述9种不同的水质变量,其迁移方程具有相同的形式,只是化学反应增长或衰减项有所不同,则针对每一种不同的水质变量,其化学反应增长或衰减项如下。

4.1.2.1 叶绿素-a

叶绿素-a的反应过程如下:

式中:μ为藻类生长率;ρA为藻类呼吸速率;σ1为藻类沉淀速率;H为平均水深。

4.1.2.2 氮循环

考虑一般情况下水体中存在3种不同形态的氮:氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮,氨氮在一定情况下可氧化为亚硝酸氮,进一步氧化后可转化为硝酸氮。则3种物质的反应项分别如下:

氨氮:

式中:α1为藻类生物量中氨氮的比例;σ3为水底生物的氨氮释放速率,在中线工程总干渠中,不考虑此项;KN1为氨氮氧化速率。

亚硝酸氮:

式中:KN2为氨氮氧化速率。

硝酸氮:

4.1.2.3 碳化BOD(CBOD)

碳化BOD的变化速率可参考一级反应动力学,则其反应项如下:(www.xing528.com)

式中:K1为碳化BOD(CBOD)的降解速率;K3为由于沉淀作用而引起的碳化BOD(CBOD)消耗速率。在碳化BOD(CBOD)的变化过程中,只有降解时消耗溶解氧,沉淀过程并不消耗溶解氧。

4.1.2.4 溶解氧

溶解氧的反应项如下:

式中:OS为溶解氧的饱和浓度;O为溶解氧浓度;α3为单位藻类光合作用的产氧率;α4为单位藻类呼吸作用的耗氧率;α5为单位氨氮氧化时的耗氧率;α6为单位亚硝酸氮氧化时的耗氧率;K2为复氧系数;K4为底泥耗氧系数,在南水北调中线干线工程中不考虑此项;其余符号意义同前。

4.1.2.5 可降解物质与不可降解物质

任选可降解物质的反应项如下:

式中:K6为该可降解物质的降解速率,当其为0时,就得到了任选不可降解物质的对应反应方程。

4.1.2.6 水质变量外部源项

模型中,水质变量的外部源项主要考虑两个方面:①有支流汇入或分流出河渠;

②水质变量点源投入。

式中:q为河渠沿线单位长度汇入或分流出的流量;C为汇入或分流出河渠的水质变量浓度;SC为水质变量点源浓度。

4.1.2.7 模型基本方程

将上述不同水质变量的反应项带入水质基本控制方程,即可得到模型基本方程:

式中:C、C1、L、CA、CP、CN1、CN2、CN3、O分别为可降解物质、不可降解物质、BOD、叶绿素-α、溶解性磷、氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮以及溶解氧的浓度;SC、SC1、SL、SCA、SCP、SCN1、SCN2、SCN3、SO分别为上述9种水质变量的点源浓度;E为纵向离散系数;其余各系数参见上述各小节。

图4.2　河道任意非边界断面均衡域示意图