水环境污染水平及污染源分布数值模拟研究
2023-04-29李德军李静
李德军 李静
关键词：水环境污染；污染源分布；数值模拟；污染负荷估算；因子分析法
中图分类号：X830.3 文献标志码：A
前言
大量的工业、农业和生活污水等进入河流，破坏了河流生态系统平衡，水环境污染、水生态破坏等问题凸显。但是影响水环境的因素很多，增加了水环境治理项目的难度。为做好水环境治理工作，精准的水环境污染水平模拟及污染源分布数值模拟尤为重要，该模拟可以为有关部门制定治理措施提供科学的参考依据。一些学者展开如下研究。陈鼎豪等人将经典一维水质模型作为基础，利用人工测量的方式获取河流流速，通过自动差值计算流场，并替换一维模型中的对流场，求解对流扩散方程，构建水质模拟预测模型。朱悖等人提出基于压力-状态-响应的水环境风险模拟模型。综合分析水污染源的风险性、风险敏感性以及影响水环境污染的主要因素，建立风险评价指标和评价体系，利用冷热点格局方法模拟水环境风险分布情况。上述模拟方法过于重视水环境污染程度的分析，而忽略了污染源分布。文章利用多源污染负荷估算和因子分析法分别对水环境污染水平和污染源分布情况进行数值模拟分析，以期为水环境治理提供有效的参考依据。
1研究地区概况
（1）气候特征：研究区域为亚热带季风气候，四季特征变化显著，降水量非常充沛。冬季和夏季温差较大，气温最高月份和最低月份为7月与1月，两个月的平均气温分别为29.9℃和1.2℃，在低温时期常伴有降雪和霜冻。
（2）水文特征：河流总长度为2585千米，流域面积为218km2，河流平均宽度为119m。每年的7-9月份为汛期，在此期间水位涨幅较大，水流湍急，水流量最高可达213 m2/s，大量泥沙会堆积在河床两侧，年均输沙率为5.6 kg/s。该流域附近防洪堤长度为48.03 km，还建有8处丁字坝，防洪等级较高，近20年没有出现过严重的地质灾害。
（3）地形与岩层：河流周围地势平坦，多为平原，地势起伏不大，整体上呈现出东高西低的趋势。上部岩层由粉质黏土、粉土构成，底部基岩主要是泥质砂岩。
（4）水环境面临的主要问题：水资源不足，该河流属于季节性河流，每逢干旱时期会出现断流现象，自净能力较差，河流难以受纳输入的污染。缺乏引水工程，储水备水能力不足，并且流域附近人口多，水源严重缺乏；环境设备覆盖率不高，污水处理设施不够先进，覆盖程度低；污染源众多，河流附近分布众多污染源，主要包括生活、养殖、农业废水等，不仅影响美观，还会加重河流污染。
2基于污染负荷计算的水环境污染水平数值模拟
2.1水环境模型建立
2.1.1水动力控制方程
要想准确模拟出水环境污染水平，需将水环境模型为载体，而水动力控制方程是水环境模型构建的基础，在静水压力假设的基础上，根据水深积分获得二维水动力控制方程如式（1）：
在水环境污染水平模拟过程中，需要确定影响水质的指标，文章将溶解氧、总氮、总磷、硝酸盐、高锰酸钾指数和氨氮作为因素指标。利用上述方法模拟该河流污染水平，模拟结果如图1所示，各指标的质量标准见表2。
由图1可知，六种污染指标的模拟值和实际值之间的吻合度非常高，拟合的数据点基本都在1：1线上，只有个别点偏离程度较大。表明此种模拟方法准确度较高。另外能够看出该河流中溶解氧数值较低，说明河流中微生物多，耗氧量大，总氮和总磷含量均为中等，高锰酸钾和氨氮的含量偏高。由此得出，该河流污染水平较高，水质较差。
4.2污染源数值模拟
利用上述因子分析方法确定了四个主因子，分别为F1、F2、F3和F4，不同污染指标的主因子得分见表3。
表3显示：主因子F1以总氮和总磷为主要变量，这主要是人类活动造成的，主要污染源来自工业废水，其中大部分来自橡塑制造企业，因此F1代表的污染源以工厂为主；主因子F2以溶解氧和硝酸盐为主要变量，其中溶解氧污染严重地段主要在生活垃圾场，硝酸盐则是由于农田、菜地施肥和喷洒农药造成的；主因子F3以高锰酸钾为主要变量，表明水中有机物总量较多，污染源多为生活污水，有可能是排污管道泄漏导致；主因子F4只要一个主要变量为氨氮，由于畜牧业养殖污水排放造成。根据上述主因子的综合数值，模拟出污染源分布情况见图2。
利用因子分析法得出影响四个主因子的主要污染指标，根据污染形成原因模拟出各类污染源的分布情况。如图2所示，主因子F1分布的地区为工厂，F分布区为农田，F<3/sub>为生活区，F4是畜牧养殖区。经过与当地规划图进行对比，证明了污染源模拟结果和实际情况相符。
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结束语
在制定水环境治理措施时，需要依据准确而有效的信息数据进行制定，因此，提出水环境污染水平及污染源分布数值模拟分析。构建水动力方程，将水中的污染物与生化过程变成数值模型，利用污染负荷估算法模拟河流污染程度，通过参数展示水环境变化过程，分类污染源，并且通过因子分析法确定主因子，计算不同主因子对应的主要污染指标，分析污染成因，进而模拟出污染源的分布情况，实现污染源分布数值模拟分析。通过实验分析结果可知，文章方法的模拟结果与实际结果一致，评估指标纳什系数与决定系数最高达到了0.97和0.99，这两个数值均接近1，进一步验证了该方法的拟合性较高，其数值模拟结果可信度较高，能够为当地河流水环境治理提供科学的参考依据。
