河流重金属污染物迁移转化的数值模拟

文章编号:100027709(2007)0320022204河流重金属污染物迁移转化的数值模拟窦明1马军霞1谢平2李桂秋1(1.郑州大学环境与水利学院,河南郑州450001;2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072)摘要:在重金属模型研究成果的基础上建立了一维河流重金属迁移转化模型。描述了重金属随水流的迁移过程以及在不同相态之间的转化关系,并运用泥沙工程学原理给出了重金属随泥沙沉降、再悬浮的半经验表达式。结合镉污染事故实测资料,对模型进行了参数率定和验证。计算结果表明,模拟结果较准确,能反映重金属随水流运动和变化的过程。关键词:重金属;迁移转化;数值模拟;镉污染中图分类号:X522;P333.4文献标志码:A收稿日期:2007202227,修回日期:2007203222基金项目:国家自然科学基金资助项目(50679075、50579052),河南省杰出青年科学基金资助项目(0512002500),水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金资助项目(2005B016)作者简介:窦明(19752),男,博士、副教授、硕导,研究方向为水资源与水环境等,E2mail:dou—ming@163.com1概述目前,国内外关于重金属迁移转化的数学模型不多,通常可分为经验模型、整体模型和分相模型三类。其中,整体模型是把河流作为一个整体,将重金属污染物在河流中的运动规律用质量平衡方程进行描述;分相模型是将重金属污染物在河流中的运动过程分成溶解相、悬浮相和底泥相,针对各相态分别建立子模型后再进行耦合[1]。在国外的研究成果中,DonaldJ.O’Connor(1988年)曾研究了河流系统吸附有毒物质模型,对河流中有毒物质与固体物质之间的相互作用与转化途径进行了概化,由于模型中许多函数关系和参数难以确定,故仅是一个概念性模型[2]。美国环境保护署在1991年开发了WASP4综合水质模型,由水动力学模型、基本水质模型、富营养化模型和有毒化学物质模型四个子模型构成,其中有毒化学物质模型可以模拟重金属的迁移转化过程,然而该模型在考虑悬浮相和溶解相重金属之间相互作用关系时尚未能很好地解决重金属在两相之间的分配关系。此外,国外学者还建立了许多经验模型来描述重金属迁移转化的函数关系式,计算简单、适用于对大尺度长系列重金属输移过程的估算,但对实测资料依赖性较强、适应性差、无法阐明重金属迁移转化的复杂机理[3]。近年来,国内学者在重金属迁移转化机理方面也作了较多研究。黄岁朴梁等(1995年)结合环境化学和泥沙动力学基本原理,研究了重金属污染物在河流中迁移转化数学模型,并对恒定均匀流不冲不淤的水流泥沙运动给出了重金属污染物迁移转化数值解[2]。申献辰等(1997年)对重金属铅等在黄河中游天然河道中的输送和迁移进行模拟研究,完成了重金属在不同水情期、不同含沙量、泥沙不同冲淤格局、不同流量下的水质模拟[4]。何用(2004年)根据水沙运动与污染物相互作用关系,分析了泥沙颗粒运动及重金属吸附解吸不平衡过程,并结合水沙数学模型,建立了重金属迁移转化的耦合模型[1]。王志文(2004年)以溶解相重金属为主要研究对象,建立了平原感潮河网区重金属迁移转化模型[5]。目前,国内研究主要集中在泥沙对重金属迁移转化影响问题上,从各自的研究重点建立了不完整的分相模型(即溶解相、悬浮相、底泥相中的一相或两相)和整体模型,然而不足之处是理论方法上探讨多,缺乏实际应用。本文在分析现有研究成果基础上,建立了一维河流重金属分相模型,并结合2005年北江镉污染事故范例对模型进行了参数率定和验证。第25卷第3期2007年6月水电能源科学WaterResourcesandPowerVol.25No.3June.2007·32·第25卷第3期窦明等:河流重金属污染物迁移转化的数值模拟重金属模型的计算范围从北江干流飞来峡(清远市境内)至三水区芦苞断面(佛山市境内),全长100km,共划分了71个计算断面,河段步长为1～2km。时间范围取2005年12月24日8∶00～2006年1月19日8∶00,时间步长为10min。模型计算时边界条件取值为:①水动力学边界条件。上边界取飞来峡的下泄流量值,根据粤防总下达的八号～十号调度令,2005年12月23日20∶00～2005年12月30日20∶00飞来峡的下泄流量调整为180m3�s,此后恢复为160m3�s;下边界采用佛山环保局提供的三水站同步水位监测值。②水质边界条件。上边界取飞来峡出水镉浓度监测值,下边界取为镉最小监测限值0.0005mg�L。初始条件取值为:①水动力学初始条件。由于北江河底坡降较大,水动力模型的初始水位的赋值显得尤为重要。按照从上游至下游各计算断面的水位呈均匀递减的原则,可对飞来峡坝下和三水站的水位进行组合,使第一