松花江典型有機(jī)污染物動(dòng)態(tài)數(shù)值模型構(gòu)建與模擬.pdf

1、地表水承載著各種有機(jī)污染物,尤其是我國(guó)的天然河流——它無(wú)時(shí)無(wú)刻不在見(jiàn)證著當(dāng)?shù)氐墓I(yè)發(fā)展速度和由此帶來(lái)的工業(yè)廢水、非點(diǎn)源污染、突發(fā)事件所排放的污水。這些有毒有機(jī)化合物進(jìn)入河流后將對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生直接或間接的影響,危害著人類(lèi)健康安全,因此明晰有機(jī)污染物在水體中的歸趨,對(duì)于有效改善水質(zhì)狀況及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估將具有重要意義。
　　基于實(shí)驗(yàn)室分析有機(jī)污染物在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律常受到種種局限,譬如時(shí)間成本、人力成本、設(shè)備條件等等,而數(shù)學(xué)模型在這方面則

2、扮演了重要角色。本文構(gòu)建了兩種數(shù)學(xué)模型對(duì)松花江中典型有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè)。
　　本文研發(fā)了動(dòng)態(tài)多介質(zhì)模型,它耦合了水力學(xué)子模型和逸度Ⅳ子模型,用于模擬有機(jī)污染物的長(zhǎng)期環(huán)境行為。首先采用一維運(yùn)動(dòng)波方程計(jì)算天然河流動(dòng)態(tài)流量、水深和流速;其次逸度Ⅳ方程模擬污染物在多介質(zhì)環(huán)境中的分布,其內(nèi)部的所有參數(shù)具有時(shí)空變化性。
　　動(dòng)態(tài)多介質(zhì)模型模擬了2007年松花江8種多環(huán)芳烴在多介質(zhì)環(huán)境中的歸趨變化,采用柯西不等式系數(shù)

3、法(TIC)對(duì)松花江中8種多環(huán)芳烴的水相模擬濃度進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果顯示所有模擬結(jié)果與相應(yīng)監(jiān)測(cè)濃度匹配較好,TIC值均小于0.5。以污染物萘為代表,計(jì)算了它在每個(gè)環(huán)境介質(zhì)的質(zhì)量通量,結(jié)果顯示環(huán)境系統(tǒng)的總輸入和總輸出分別為140.61×103Kg和140.26×103Kg,相對(duì)誤差為0.25％,證明了模型質(zhì)量守恒。從模型參數(shù)的靈敏度分析結(jié)果得知,點(diǎn)源源強(qiáng)和河水流量對(duì)污染物水中濃度影響最大,靈敏度系數(shù)分別為0.97和0.90。
　　動(dòng)態(tài)多

4、介質(zhì)模型模擬了2007年松花江中8種酚類(lèi)污染物在多介質(zhì)環(huán)境的行為變化。基于2007年不同水文季節(jié)的監(jiān)測(cè)濃度,通過(guò)納什效率系數(shù)(NSE)、百分比偏差系數(shù)(PBIAS)和均方根-測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差比(RSR)三種統(tǒng)計(jì)學(xué)測(cè)試方法評(píng)估模型的預(yù)測(cè)能力。整體而言,模擬濃度與監(jiān)測(cè)濃度吻合度較好,大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)同時(shí)滿(mǎn)足 NSR<0.5,RSR<=0.7和 PBIAS∈[-70%,+70%]條件。雖然存在若干奇異點(diǎn),但配對(duì)T檢驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明當(dāng)置信水平為0.05時(shí),P

5、>0.05接受零假設(shè)即模型所有模擬值與監(jiān)測(cè)值無(wú)顯著差異。以2,4-二氯苯酚為代表對(duì)污染物從河流系統(tǒng)到其它環(huán)境介質(zhì)的分配路徑和質(zhì)量通量變化進(jìn)行了評(píng)估,模型模擬期間水體平流的質(zhì)量通量最大,凈河流輸出通量約為4500.1kg。采用蒙特卡洛方法考查模型輸入數(shù)據(jù)對(duì)輸出結(jié)果的影響程度。模型預(yù)測(cè)了2012年枯水期河流中酚類(lèi)污染水平,與2007年同期進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)松花江的酚類(lèi)污染得到了顯著削弱。研究結(jié)果顯示,動(dòng)態(tài)多介質(zhì)模型完全可以應(yīng)用于松花江點(diǎn)源污染,

6、為當(dāng)?shù)貨Q策者制定水污染控制方案提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
　　針對(duì)突發(fā)水污染事件,本文研發(fā)了一維污染物遷移轉(zhuǎn)化模型,它耦合了一維運(yùn)動(dòng)波方程和平流-擴(kuò)散-反應(yīng)方程。模型內(nèi)部包括揮發(fā)、光解和生物氧化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及在懸浮顆粒物沉降和再懸浮作用下的水層和沉積層之間的擴(kuò)散質(zhì)量交換過(guò)程。模型應(yīng)用在松花江硝基苯突發(fā)水污染事件中,模擬了污染物在水層和沉積層中的濃度變化。針對(duì)水層濃度采用NSE、PBIAS、RSR和TIC四種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法評(píng)價(jià)模型表現(xiàn)力,結(jié)

7、果顯示模型的整體模擬效果令人滿(mǎn)意。通過(guò)靈敏度分析得知,河流流速是影響水層硝基苯濃度最靈敏的輸入?yún)?shù),這意味著它對(duì)污染物的水中濃度分布和變化起到至關(guān)重要的作用。研究結(jié)果顯示,污染物遷移轉(zhuǎn)化模型完全有能力為松花江及與其水文特征相似的其它天然河流的水污染控制和預(yù)警提供可靠信息。
　　通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型可為水環(huán)境生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo),從而預(yù)防、減少和修復(fù)水污染所造成的生態(tài)破壞,避免發(fā)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失,切實(shí)維護(hù)人類(lèi)健康和生態(tài)系統(tǒng)平衡,使百姓生