闽江感潮河段水动力及污染物NH3-N特性

作者：廖庭庭来源：《武汉大学学报（工学版）》日期：2022-08-12人气：500

闽江是福建省最大的河流，径流量次于长江、珠江，位居全国第3；流域面积60 992 km²，约占福建全省面积的一半，流域范围内人口和工农业区众多，其河口地区又是福建省会城市福州所在地，交通和经济发达。强烈的人类活动影响通过闽江干流向下游河口三角洲和外海传递，引起诸如富营养化、赤潮、生物多样性减少、海岸侵蚀、海水入侵、河床下切和水位不断下降等一系列严重的环境和生态问题。因此，开展闽江下游感潮河段的水动力学特性研究，对闽江河道、河口及近海生态环境的保护、合理开发闽江河道、河口及近海资源具有重要的应用价值，并可为提高河道、河口及近海环境生态变化预测能力和海岸带开发与综合管理水平提供理论基础和科学依据，实现河口及其近海地区社会经济的可持续发展。

河口是由河流向海洋过渡的区域，河流与海洋动力条件不尽相同，水质情况亦不一样。影响河口地区盐水入侵的动力因素主要有上游径流、外海潮汐、风和波浪。

早在2009年，郑慧琼等^［1］调查统计，福州境内通过各种途径将废水排入闽江的工业企业共450家，以闽江干流流域统计，2009年闽江福州段工业企业污染源废水排放总量为1 868.05万t，COD排放总量为3 326.61 t，NH₃‒N排放总量为470.20 t。

潘东曦^［2］和武晶^［3］基于2003—2015年实测河道地形资料，分析南北港河道横向、纵向及平面的演变特征；研究成果均表明：2003—2015年，南北港河道总体呈现刷深趋势，其中2003—2008年下切速度较缓，2008—2011年、2011—2015年下切速度较快。倪冠韬^［4］利用营养指数法、潜在性营养化评价法、有机质指数清台和模糊数学法的评价结果，认为：闽江研究区域富营养化现象较为严重。基于闽江下游感潮河段地形不断调整，以及水质不容乐观的情势下，对其水动力及污染物NH₃‒N特性进行研究。

国内外研究较多涉及河流水动力、感潮河段污染物输移。1986年，Van 等^［5］采用水深平均模型模拟了北海南部营养物（N、P）和重金属（Cd，Hg，Cu，Pb，Zn，Cr）等物质的输移。李有为等^［6］以汊道众多的扬中场河段为例，建立了感潮河段二维浅水非恒定潮流数学模型，提出：潮流界附近的扬中河段涨潮动力不强，落潮期则持续时间较长；汊道分流比涨潮期趋向于无序状态且稳定在落急时刻附近。潘红波^［7］针对长江南京段建立平面二维水动力模型，分析其水流运动特征，基于拉格朗日法的随机游走模型，模拟污染物的对流输移及扩散输运，分析了典型工况条件下污染物的回落规律与停留时间。朱红伟等^［8］根据实验结果，分别针对静态水流和动态水流条件，利用菲克第1定律和第2定律，推导了感潮河段反映底泥污染物释放的公式。以浅水缓坡海滩为研究对象，Sun等^［9］模拟了波浪对污染物输移的影响，其结果与实测数据吻合良好。基于随机流动粒子法，Tompson 等^［10］建立了多孔介质中溶质输移数学模型，认为：该随机流动粒子法可较好地模拟饱和或非饱和介质中的对流扩散过程。很多学者通过修正方程^［11］、模拟流线^［12］、实验观测^［13］、化学反应^［14］、考虑吸附动力学^［15］和粗糙边界^［16］等深入研究了溶质输移。

针对感潮河段水动力与污染物扩散特性两方面的研究较少，该研究分析了闽江感潮河段水动力与污染物NH₃‒N扩散时空分布的特性，以期为闽江感潮河段污染物控制提供理论基础和科学依据。

1 研究方法

以水口电站坝下至入海口为研究对象，建立水动力-水质耦合数学模型。因河道不同高程物质组成不同，结合分层率定糙率验证水动力要素特性的研究成果^［17］，以2015年特征断面处污染物浓度，率定污染物NH₃‒N扩散衰减系数。在2020年污染物NH₃‒N排放规划的边界条件下，研究闽江下游感潮河段污染物浓度分布情况。

1.1　模型基本情况

闽江下游感潮河段水动力水质模型基本方程包括水动力和水质控制方程，其中水动力模块主要采用动量方程和连续性方程，水质模拟主要采用质量守恒控制方程，建立二维数学模型。

1.1.1　数学模型

水流连续方程：

（1）

x、y方向水流运动方程：

（2）

（3）

式中： $t$ 为时间； $x$ 、 $y$ 为笛卡尔坐标系坐标； $η$ 为水位； $h$ 为静止水深； $p_{a}$ 为当地大气压强； $u$ 、 $v$ 分别为 $x$ 、 $y$ 方向上的速度分量； $f$ 为科氏力系数， $f = 2 ω s i n φ$ ， $ω$ 为地球自转角速度， $φ$ 为当地纬度； $g$ 为重力加速度； $ρ$ 、 $ρ_{0}$ 为水的密度和水的相对密度； $S_{x x}$ 、 $S_{x y}$ 、 $S_{y x}$ 、 $S_{y y}$ 分别为辐射应力分量； $S$ 为源项； $T_{i j}$ 为剪应力； $τ_{b x}$ 、 $τ_{b y}$ 为河床切应力； $τ_{s x}$ 、 $τ_{s y}$ 为风剪应力；（ $u_{s}$ ， $v_{s}$ ）为源项水流流速。字母上带横杠的是平均值，例如， $\bar{u}$ ， $\bar{v}$ 为沿水深平均的流速。

紊动扩散系数反映不同水动力条件下污染物的扩散现象，对于有降解过程的污染物来说，河道污染物对流扩散降解的浓度变化规律的关系式：

（4）

式中： $C$ 为水中污染物的浓度； $E_{x}$ 、 $E_{y}$ 为横向和纵向紊动扩散系数； $K$ 为衰减系数； $q_{0}$ 为源汇处单位面积上的流量； $C_{0}$ 为初始断面的污染物浓度。降解过程满足一级反应方程式： $d C / d t = - K C$ 。

1.1.2　数值计算方法

直角坐标系下，水流运动的控制方程可用如下通用形式表示：

（5）

式中： $φ$ 为通用变量； $Γ$ 为广义扩散系数； $S$ 为源项。以三角形与四边形单元所构成的混合网格为控制体，待求变量存储于控制体中心。采用有限体积法对控制方程进行离散，用基于同位网格的压力耦合方程组的半隐式方法（semi-implicit method for pressure linked equations，SIMPLE）处理水流运动方程中水深和速度的耦合关系。离散后的代数方程组可以写成如下形式：

（6）

式中： $A_{P}$ 、 $A_{E j}$ 与 $b_{0}$ 为系数； $N_{e}$ 表示控制体的边数，对不同的计算网格 $N_{e}$ 的取值不同； $ϕ_{P}$ 、 $ϕ_{E j}$ 为通量。

用Gauss迭代法求解离散后的代数方程组，具体步骤如下：

1）给全场赋以初始的猜测水位。

2）计算动量方程系数，求解动量方程。

3）计算水位修正方程的系数，求解水位修正值，更新水位和流速。

4）根据单元残余质量流量和全场残余质量流量判断是否收敛。在工程计算中，一般来说当单元质量流量达到全局质量流量的0.01%，全场残余质量流量达到进口流量的0.5%时即可认为迭代收敛。

1.1.3　研究区域

考虑局部区域加密，生成三角形网格。网格大小为5~100 m，网格总数为11 883个。采用2015年10月水下地形（1∶500）数据，采用最临近插值点法进行插值，得到研究区域每个网格单元高程，如图1所示。

图1 研究区域（单位：m）

Fig.1 Study area（unit: m）

1.2　边界条件

因重点研究污染物的扩散范围，故主要关注多年平均流量和最小下泄流量等不利条件下的水动力和污染物浓度时空分布情况。上边界为水口电站的流量边界，下边界为外海潮位边界，具体工况条件如表1所示。曼宁系数 $M$ 采用分层糙率取值。简言之，因不同高程处河道植物特性不同，其阻水不同，产生的床面糙率亦不同，故将河道分为若干层，糙率分别取值。

表1 工况条件

Table 1 Working conditions

工况	流量/（m³·s^-1）	外海实时潮位时间
1	1 741.2	2015/1/20—2015/1/24
2	1 741.2	2015/9/27—2015/10/1
3	308.0	2015/1/20—2015/1/24
4	308.0	2015/9/27—2015/10/1

1.3　模型验证

引用福州市环境科学研究院编制《水口水库下泄流量、北港分流比河污染源对闽江下游溶解氧影响的物理模型研究》提供的2013年闽江氨氮入河污染综合普查数据作为2015年验证数据；引用《福州市环境总体规划》规划年2020年氨氮污染源作为现况污染源数据。国控及省控相关监测点位位置如图2所示。

图2 闽江下游省控断面位置分布图

Fig.2 Location distribution of provincial control section in the downstream of Minjiang River

根据各省控断面（如图2所示）的实测污染物浓度数据，以实时下泄流量（上边界）和潮位（下边界）为边界条件，将水动力与水质耦合数值模拟。

进行污染源的排污口概化时应遵循如下原则：

1）当工业企业排污口污染物排放流量较大（超过单元总量的10 %），必须作为独立的概化排污口处理。

2）其他排污口若距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口。

3）距离较远并且排污量均比较小的分散排污口，可概化为非点源入河。

4）大型的污水处理厂需作为概化排污口考虑。

5）城市人口聚集地需概化排污口。

从而，得出概化排污口分布，如图3所示；概化排污口浓度如表2所示。

图3 概化排污口位置分布图

Fig.3 Distribution of generalized sewage outlet

表2 现状2015年与规划年2020年排污概化成果

Table 2 Result of generalized sewage outlet in 2015 (current situation) and 2020 (planning year)

排污口编号	污水厂编号	面源范围	氨氮年排放量/m³
排污口编号	污水厂编号	面源范围	2015年	2020年
1	W10	闽清县、梅城镇、梅溪镇、白樟镇、云龙乡	469.89	413.38
2	-	鸿尾乡	88.12	77.52
3	-	白沙镇	88.51	77.87
4	W7	竹崎乡、甘蔗街道	220.69	194.15
5	-	上街镇、荆溪镇	340.88	299.89
6	W1	建新镇、鼓楼区、台江区部分	245.47	215.95
7	W2	鼓楼区、晋安区、台江区、盖山镇部分	2 118.8	1 864.01
8	W3、W6	鼓楼区、晋安区、台江区、盖山镇部分	1 788.13	1 573.10
9	W4	城门镇、罗洲镇部分	226.58	199.33
10	W9	-	263.96	232.22
11	-	南通镇、南屿镇	278.06	244.62
12	W8	尚干镇、祥谦镇、青口镇、罗洲镇部分	518.03	455.74
13	W5、W11	罗兴街道、首占镇、吴航街道、航城街道、营前街道	1 140.23	1 003.11
总计	-	-	7 787.36	6 850.91

污染物NH₃‒N平均浓度对比成果如图4所示。由于魁岐站点靠近福州主城区，内河排污量较大，尤其是光明港内河污染较大且较复杂，且随着涨退潮的波动，水质波动范围较大，计算最大值为0.6 mg/L，最小值为0.26 mg/L。此外，由于人工监测取样时刻受附近污染源的影响，存在较大的波动性，魁岐站点的月平均值的计算结果跟单次取样存有一定的差距。总体看来，验证成果与实际情况基本相符，可进行深入研究。

图4 验证成果对比图

Fig.4 Comparison of verification results

2 计算成果分析

2.1　污染物NH₃-N浓度最大值分布

以闽江下游河潮河段福州段为研究对象，根据非恒定流条件下污染物浓度分布成果，从中绘制了现状排污条件下研究区域内污染物NH₃‒N浓度最大值分布图，如图5~8所示。经数据分析，得出：

图5 污染物NH₃‒N浓度最大值分布图（工况1）（单位：km）

Fig.5 Maximum concentration distribution of pollutant NH₃‒N (in the first working condition) (unit: km)

图6 污染物NH₃‒N浓度最大值分布图（工况2）（单位：km）

Fig.6 Maximum concentration distribution of pollutant NH₃‒N (in the second working condition) (unit: km)

图7 污染物NH₃‒N浓度最大值分布图（工况3）（单位：km）

Fig.7 Maximum concentration distribution of pollutant NH₃‒N (in the third working condition)(unit: km)

图8 污染物NH₃‒N浓度最大分布图（工况4）（单位：km）

Fig.8 Maximum concentration distribution of pollutant NH₃‒N (in the fourth working condition)(unit: km)

1）排污时空分布特点。闽江北港污染物排污口集中，排放量较大，并且北港排污量是南港排污量的3.9倍。

2）河道束窄，限制分流。在南北港分汊口处，北港平均河宽仅南港的1/4.99。

3）南港冲淡作用明显。据福建省水文局分析，10年一遇洪水频率条件下，北港过流仅是南港的1/2.4。

2.2　NH₃-N浓度变化的面积对时间的响应

本小节以福州段（如图9所示）的污染物各浓度所占的面积为研究对象，相应浓度面积百分比随时间的变化如图10~13所示。

图9 研究区域示意图

Fig.9 Schematic diagram of study area

图10 相应浓度面积百分比的变化（工况1）

Fig.10 The area percentage change of corresponding concentration（in the first working condition）

图11 相应浓度面积百分比的变化（工况2）

Fig.11 The area percentage change of corresponding concentration（in the second working condition）

图12 相应浓度面积百分比的变化（工况3）

Fig.12 The area percentage change of corresponding concentration（in the third working condition）

图13 相应浓度面积百分比的变化（工况4）

Fig.13 The area percentage change of corresponding concentration（in the fourth working condition）

从图10~13和数据分析，可知：

1）总体上，污染物浓度越小，相应的浓度面积百分比越大。

2）4个工况变化趋势一致；随着时间的推移，感潮河段污染物浓度是一个动态变化的过程。

3）对于4个工况，各自的2个峰值之间的时差为12 h，与潮位峰值时差几乎相等。

4）在4个工况条件下，研究区域NH₃‒N浓度变化平均值分别为：-0.015 4、-0.014 6、-0.028 9和-0.027 6 mg/L。

由此可以看出：

1）4个工况的污染冲淡程度，分别是：工况1<工况3，工况2<工况4。

2）在不同流量和同潮周期条件下，流量对污染物浓度的影响非常大。

3）从工况1与工况2计算成果对比可以看出：潮水有一定的冲淡效果，但不是十分显著。

4）在4个工况条件下，研究区域NH₃‒N浓度减少0.03 mg/L（含）以上的面积百分比的平均值分别为：1.18%、1.15%、10.08%和9.91%；对于小流量（308 m³/s）而言，2020年后污染物NH₃‒N浓度变化更大。

因此，再次说明了潮水有一定的冲淡作用，但并不是非常显著，比如：工况1与工况2仅差0.03 %。

2.3　污染物面积变化对潮位的响应

图14~17给出了污染物面积变化对潮位的响应。从图14~17可以看出：

图14 污染物面积变化对潮位的响应（工况1）

Fig.14 Response of the change of pollutant area to tide level（in the first working condition）

图15 污染物面积变化对潮位的响应（工况2）

Fig.15 Response of the change of pollutant area to tide level（in the second working condition）

图16 污染物面积变化对潮位的响应（工况3）

Fig.16 Response of the change of pollutant area to tide level（in the third working condition）

图17 污染物面积变化对潮位的响应（工况4）

Fig.17 Response of the change of pollutant area to tide level（in the fourth working condition）

1）随着潮位变化，污染物浓度减少0.03 mg/L的面积占比也随之不断调整和变化。

2）随着海水退潮，污染物浓度减少0.03 mg/L的面积占比不断增大，说明潮水带走了一定的污染物；随着潮水退至最低点，污染物浓度减少0.03 mg/L的面积占比持续增大；之后，潮水上涨，污染物浓度减少0.03 mg/L的面积占比增大达到极大值并开始减小；随着潮水涨至峰值，污染区浓度变化面积持续减小；在退潮过程中，污染物浓度减少0.03 mg/L的面积占比降至极小值。

3）污染区浓度变化面积占比与潮位峰值存在相位差（时间差），在工况1与工况3条件下，相位差为48 min；在工况2与工况4条件下，相位差为60 min。由此可见：低潮水变化时相位差大于高潮水变化时的相位差。

4）进一步说明：涨潮过程中，潮水对闽江污染物具有先聚集后冲淡作用，总体呈现冲淡的趋势。

2.4　国控断面（白岩潭）污染物浓度变化情况

限于篇幅，仅展示最不利工况（工况3）条件下，污染物浓度的变化，成果如图18所示。从图18可以看出：

图18 工况3条件下污染物浓度变化

Fig.18 The change of pollutant concentration in the third working condition

1）大部分时间段维持Ⅲ类水。

2）以天为单位，每天9：00—21：00，污染物浓度偏高，白岩潭断面水质为Ⅳ类水；可能是由于生活污水排放量加大导致水质恶化。

3）同工况条件下，白岩潭断面2020年水质整体比2015年略差。

3 结论

1）通过闽江下游感潮河段水动力特性和污染物扩散特性的模拟，揭示了感潮河段污染物氨氮的分布规律，得出了污染物氨氮主要集中于北港。

2）潮水有一定的冲淡作用，流量对污染物的冲淡效果更为显著；时间上污染区浓度变化：低潮水变化时相位差大于高潮水时的相位差；空间上污染区浓度变化：潮水与江水互相作用，污染物先聚集后冲淡。

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1 研究方法

1.1 模型基本情况

1.2 边界条件

1.3 模型验证