贺磊　刘梅群　罗旖旎　张东

摘  要：基于主流三维水动力-水质模型系统Delft3D对郧西天河主要污染指标氨氮、高锰酸盐指数进行二维水质扩散时空模拟及可视化研究，通过对比实际监测数据验证合理性，为丹江口水库重要入库支流天河突发水污染情况提供思路。

关键词：水环境;软件模型;可视化;GIS;空间分析

前言

随着近年来环境保护力度的不断加强以及群众对生态环境问题的愈发关注，面对可能发生的水污染事故，如污水处理厂非正常工况排污、污染源泄露等，常规的水质扩散模型因计算较为复杂、选取参数众多、可视化程度不高、表现不够直观，在事故发生中往往需要较长时间响应，同时在面对复杂工况下，如支流汇入影响、浅滩、挡水工程、多点扩散等情况，较难进行综合分析。通过将水质模型与GIS结合，能够快速、直观的对水体污染物扩散、迁移情况进行预测和可视化输出，为下一步决策提供理论参考。本文通过选取丹江口水库重要入库支流天河为研究对象，假定天河中游城市区排污断面贾家坊为污染源输入断面，对天河进行二维水质扩散时空模拟及可视化研究，并结合近六年水质实测情况进行分析对比，验证合理性，为今后天河突发水污染情况提供思路。

1 河流常用模型及适用范围

1.1 河流一维模型

一维水质模型主要研究对象为污染物的浓度在各个断面上随时间的变化的情况[1]，对于流量小于150m3/S，污染物在横断面上均匀混合的中、小型河段，可采用河流一维模型进行扩散、迁移分析。计算公式为：

式（1）中，C为预测点x处污染物预测浓度，mg/L;C0为初始点污染物浓度，mg/L;K为污染物的衰减系数，1/d;x为预测点离排放点的距离，m;u为设计流速，m/s;Cp为排放的废污水污染物浓度，mg/L;Qp为废污水排放流量，m³/s;Ch为排污口断面自然背景值，mg/L;Qh：河流流量，m³/s。

1.2 河流二维模型

对于流量大于150m3/S，且污染物在河段横断面上非均匀混合的大型河段，即存在纵向、横向的显著差异，此时一维模型不能满足需要，需采用二维模型进行计算。对于顺直河段，忽略横向流速及纵向离散作用，不考虑污染物排放随时间的变化[2]，二维对流扩散公式为：

式（2）中，C为污染物预测浓度，mg/L;x为预测点离排放点的距离，m;u为设计流速，m/s;Ey为污染物的横向扩散系数，m2/s;y为计算点到岸边的横向距离，m。

1.3 小结

河流一维模型在应用中偏于理想化，但采用二维模型计算分析也面临计算工作量大的问题，通常需要借助专业计算软件进行。

2 软件可视化模型的建立

Delft3D是目前世界上应用广泛的三维水动力-水质模型系统，其在水流、水动力、水质等方面的具有强大的计算能力。计算过程遵循现有物理运行规律，采用网格化的方式，降低了运算难度的同时提高了运算速度。同时系统能与GIS软件对接，有强大的前后处理功能，通过结合Matlab环境组件，将结果进行可视化输出。

2.1 模拟排污点的确定

天河上游保护区、中游城市区、下游恢复区分别设有天河水库、贾家坊、观音三个断面，三个断面均拥有近六年的水质实际监测数据，同时贾家坊断面设有国家基本水文站，拥有近五十年水位、流量、降雨、蒸发等水文监测资料，断面位置位于郧西城区排污口下游。通过假定贾家坊断面为天河污染源输入断面，利用软件模拟污染物扩散、迁移至观音断面的情况，模拟结果与实际监测值进行对比，验证其合理性。

2.2 河流边界的绘制及网格的生成

网格可以将连续的空间离散化，利用GIS绘制河流边界，将结果输入至Ddlft3D-RGFGRID中进行河道轮廓控制线Splines的绘制及网格生成。在绘制Splines的过程中应遵守河流基本走向，从上游至下游进行绘制。

2.3 边界条件的设定

根据实际情况对网格进行开边界，并设置基本参数。河流的边界条件主要为入流断面、出流断面的流量、流速、水位、污染物背景浓度等，本文主要依据天河历史水文流量监测资料、天河水库水质监测资料来确定流量、污染物背景浓度值。根据历史监测资料计算，背景断面天河水库氨氮、高锰酸盐指数浓度取值分别为0.086 mg/L、1.90 mg/L。不考虑降雨、蒸发、支流汇入造成的影响，入流断面水流参数按照实测逐月平均流量输入，出流断面水流参数按照平均流速0.205 m/s设置;入流断面污染物传输浓度按照贾家坊2015年～2020年月度实测值进行输入，出流断面污染物传输浓度按照背景值设置。

2.4 污染物排放点及影响因素的确定

结合天河实际情况，将断面贾家坊拟定为污染排放点，考虑污染物的自然衰减，通过查询相关资料，确定天河主要污染物综合衰减系数氨氮为0.100 1/d[3]、高锰酸盐指数为0.025 1/d[4、5]。

2.5 模拟时间段及模型参数的确定

模拟数据最终需对比实际监测数据，因此本文模拟时间段范围为2015年1月1日至2020年12月28日，软件模拟步长3 min。软件模拟采用固定地形，平均水深为1m。其他参数设定见下表2.5.1。

2.6 模拟数据及可视化输出

按照上述参数设置，进行软件模拟并进行可视化输出，将浓度同颜色进行对应，红色为设定上限值（危险值），可视化输出示意图见图2.6.1。

3 模拟数据与实测数据分析对比

2015年1月至2020年12月观音断面共计70次监测数据（2020年2月、2020年3月因疫情原因缺少监测数据），数据结果显示氨氮与高锰酸盐指数模拟值与预测值相关性明显，其中相对偏差在30%以内的值氨氮有30个、高锰酸盐指数有67个，分别占对比总数的42.9%、95.7%;相对偏差在20%以内的值氨氮有22个、高锰酸盐指数有55个，分别占对比总数的31.4%、78.6%;相对偏差在10%以內的值氨氮有17个、高锰酸盐指数有22个，分别占对比总数的24.3%、31.4%。

4 结论

通过软件模拟值与实测值比较，发现其具有明显的相关性，其中高锰酸盐指数相关性优于氨氮。对于偏离的数据，由于软件模拟采用二维模型演算，缺少地形高程变化，污染物衰减系数也采用的参考值，加之演算模拟过程相对封闭，未考虑支流汇入、河岸点源污染、降雨、蒸发等因素，可能是造成软件模拟与实测数据偏离的主要原因。相信在完善参数条件设定后，软件模拟的准确度能进一步提升。

参考文献：

[1]孙耀，杨武年﹐李刚.基于GIS技术的河流污染动态模拟系统[J].测绘科学，2007，32（3）：86-87.

[2]吴迪军，黄全义，孙海燕，等.突发性水污染扩散模型及其在GIS平台中的可视化[J].武汉大学学报：信息科学版，2009，34（2）：131-134;

[3]朱晓娟，沈万斌，等.吉林省松花江干流氨氮综合衰减系数分段研究[J].科学技术与工程：环境科学，2013，13（10）：2758-2761;

[4]刘巍，BOD COD与高锰酸盐指数的理论内涵及倍率关系研究[J].东北水利水电：水环境，2009，9：61-62;

[5]寇晓梅，汉江上游有机污染物 CODCr综合衰减系数的试验确定[J].水资源保护，2005，21（5）：31-33;

作者简介：贺磊（1986～ ），男，汉族，湖北十堰人，本科学历，助理工程师，主要从事水环境监测工作。