湖泊岸线变化对水体污染物输移扩散影响研究

许猛　刘亚修　陈天力

摘要：为研究湖泊岸线变化情况对于水体污染物输移扩散的影响作用，选择某市的一个辖区，针对该辖区某湖泊岸线变化实施潮流场数值模拟。选用COD作为水体污染物实施输移扩散模拟，构建COD输移扩散模型。主要考虑6个点源的污染物输入，依据点源排污量分别在大潮与小潮作用的湖泊岸线变化情况下研究不同岸线类型的COD输移扩散情况。在大潮、小潮作用下，COD在修复岸线与自然岸线的输移扩散范围更小，在人工岸线的输移扩散范围大。可以看出，与人工岸线相比，自然岸线和修复岸线可以抑制COD在水体中的扩散范围。

关键词：岸线分类；水体污染物输移扩散；湖泊岸线；岸线类型

中图分类号：X524 文献标志码：A

前言

各种生活污水及工业废水一直被大量排入湖泊中，使湖泊岸线的水体环境质量日趋恶化。根据相关调查结果，大部分湖泊排污口都存在污染物超标排放问题，很多排污口附近水环境污染严重，对湖泊功能区有着严重损害。这一切都表明湖泊近岸水环境污染问题十分严重。其中湖泊近岸水环境质量的好坏不仅与人类活动情况相关，也与水域水动力条件息息相关，也就是与湖泊岸线变化情况相关。改善湖泊近岸水域环境质量最根本的策略是减少和控制排放陆源污染物，但该点实现难度较大。而通过对湖泊岸线变化与水体污染物输移扩散问题进行研究，所获得的研究结果则可以作为控制湖泊污染物总量的基础。对于湖泊这样一个有着有限空间资源的水域，其环境容量与其空间利用情况必然是紧密相关的。因此通过数值模拟的方法展开湖泊岸线变化对水体污染物输移扩散影响方面的研究，为湖泊近岸水域资源的可持续利用与环境保护提供参考依据。在该问题的研究中，国外很多学者都利用数值模拟的方法对该问题进行了研究，中国学者也做了大量的研究工作，针对多个地区构建了各种数值模型。现总结借鉴以往取得的研究成果，对不同类型湖泊岸线变化对水体污染物输移扩散的影响进行深入研究。

1 研究方法

1.1 湖泊岸线变化模型构建

试验区域选择某市的一个辖区，区内有着众多河流，水网密布，形成了多个湖泊。根据卫星影像资料，该区湖泊岸线有着较为明显的变化。

利用MIKE21水动力模型针对该区集湖泊岸线变化实施潮流场数值模拟。利用基于层次分析法的河湖岸线分类体系实施分类，共有三种类型，分别为自然岸线（指没有经过人为干扰的天然岸线，或由水陆相互作用形成的岸滩基本得到保留，原始的岸滩动态平衡未受到人工建（构）筑物明显影响的岸线，或整治修复后具有自然岸线形态特征及生态功能（透水、透气、具备动植物生长条件）的岸线）、人工岸线（指由永久性人工建（构）筑物组成的岸线，已完全丧失自然形态及水陆交互等生态功能）与修复岸线（指保留了部分自然岸线属性，尚需进一步修复完善的岸线），选取三种岸线作为岸线试验对象。

在数值模拟中构建的MIKE21二维水动力学模型由两个动量方程与一个连续方程构成，其中构建的连续方程如式（1）所示：

式（1）中，α表示潮位；β表示时间，单位为s；x表示X方向上的平均垂线流量分量；δ表示X方向上的坐标；ε表示Y方向上的平均垂线流量分量；西表示Y方向上的坐标。

构建的两个动量方程如下：

（1）X方向的动量方程具体如式（2）：

式（2）中，γ表示水深；η表示重力加速度；B表示谢才系数；rxx表示剪切应力在X方向上的分量；lw表示水的密度；ryy表示剪切应力在Y方向上的分量；Ω表示柯氏力参数；u表示风摩擦因子；M表示风速；Mx表示X方向上的风速分量；qa示空气密度；n表示X方向上的水深流速平均值。

（2）Y方向的动量方程具体如式（3）：

式（3）中，My表示Y方向上的风速分量；m表示Y方向上的水深流速平均值。

对数值模拟中的边界条件进行设置。其中初始条件具体如下：

①n：0.0m/s；②m：0.0m/s。

（3）闭边界的设置情况具体如下：法线方向上的流量设置为0。

开边界的设置情况具体如下：给定单位面积后，将时间一流量的过程线当作源汇项，将其加入到边界网格上，具体如式（4）：

接着确定基本参数，包括平涡粘性系数与糙率，各种岸线类型额定基本参数不同。

最后确定网格设置与计算范围。其中计算范围选取该湖泊某段岸线，东西距离约85km，南北距离约58km，其中上侧岸线为人工岸线，左侧岸线为修复岸线，下侧岸线为自然岸线。

1.2 水体污染物输移扩散模型构建

由于水体污染物的成分十分复杂，通过当前技术很难分别对其含量进行测定，同时需氧有机污染物主要通过对水中的溶解氧进行消耗表现其危害，因此通常采用化学需氧量（COD）或生物化学需氧量（BOD）对需氧有机物的实际含量进行表示。而中国水域水质监测中普遍使用COD来代表，因此在研究中选用COD作为水体污染物实施输移扩散模拟。

通过数值模拟方法构建COD输移扩散模型，实施其输移扩散预测。模型主要考虑生物、化学、潮流物理等因素的作用对污染物扩散情况进行计算。在研究中结合污染物扩散COD输移扩散块，构建计算范围的COD输移扩散模型，其中模型控制方程具体如式（5）：

Kx=（Ux+Uy）-W×g+L×DF 式（5）

式（5）中，Ux表示X方向上COD的扩散系数；g表示COD实际浓度；Uy表示Y方向上COD的扩散系数；L表示水体污染源项；W表示衰减系数。

其中衰减系数W是由COD的实际衰减特性决定的，因此符合动力学以及反应规律，即符合式（6）：

Fy=a0exp（-W×A）×Kx 式（6）

式（6）中，a0表示初始的COD浓度；λ表示某时刻对应的COD浓度。

扩散系数Ux与Uy的计算公式具体如式（7）：

其中应用模型进行模拟时主要考虑6个点源的污染物输入。依据该市2022年的湖泊水质通报统计资料，6个点源的化学需氧量入湖量具体见表1。

6个点源的位置情况见图1。

就此完成COD输移扩散的数值模拟。

1.3 研究方法

应用构建的两种模型对湖泊岸线变化对COD输移扩散的影响效果进行探究。具体来说，在湖泊岸线变化模型的应用下，依据点源排污量对COD输移扩散模型的实际扩散情况进行分析。分别对三种类型岸线处的COD输移扩散情况进行研究与分析。

2 数值模拟结果

2.1 大潮湖泊岸线变化情况下三种岸线的数值模拟结果

以现状水质的COD浓度作为分界点，确定扩散范围。在大潮作用下，随着现状水质的COD浓度变化，得到高潮时刻计算范围内不同岸线类型的COD输移扩散情况见图2。

由图2结果表明，在大潮作用下，高潮时刻该范围内岸线变化后COD输移扩散范围小于岸线变化前的输移扩散范围。说明在大潮涨潮时，COD会受到内挤作用，使其输移扩散范围变小。也就是在高潮时刻，COD输移扩散范围会达到该过程中最小的规模。其中修复岸线、自然岸线即左侧岸线与下侧岸线的输移扩散范围变化最大，而人工岸线即上侧岸线的输移扩散范围变化相对较小，也就是说在大潮作用下的高潮时刻，修复岸线与自然岸线对于COD输移扩散范围的影响更大，而人工岸线对于COD输移扩散范围的影响则稍小。

2.2 小潮湖泊岸线变化情况下三种岸线的数值模拟结果

在小潮作用下，随着现状水质的COD浓度变化，得到高潮时刻计算范围内岸线变化后的COD输移扩散情况如图3（b）所示，岸线变化前的COD输移扩散情况则见图3（a）。

图3研究结果表明，在小潮作用下，高潮时刻该范围内岸线变化后COD输移扩散范围小于岸线变化前的输移扩散范围。说明在小潮涨潮时，COD同样会受到内挤作用，使其输移扩散范围变小。也就是在高潮时刻，COD输移扩散范围会达到最小。但相比大潮作用下，其收缩幅度更小，说明大潮对于COD输移扩散的影响较大，而小潮对于COD输移扩散的影响则相对较小。此时修复岸线的响应比较明显，也就是在小潮作用下的高潮时刻，修复岸线的COD输移扩散范围变化较大，收缩趋向更加明显，自然岸线的COD输移扩散范围变化居中，人工岸线的COD输移扩散范围变化最小。

2.3 结果讨论

在大潮和小潮的作用下，COD在修复岸线与自然岸线的输移扩散范围相对较小，而在人工岸线的输移扩散范围则相对较大。这表明自然岸线和修复岸线能够抑制COD在水体中的扩散范围，减少COD对湖泊水体水质的负面影响，相比之下，人工岸线的COD吸附和吸收能力相对较强，因此COD在人工岸线处更容易扩散。这种趋势在小潮作用下也是如此。

3 结束语

在研究中发现不同湖泊岸线类型变化对于水体污染物输移扩散的影响存在显著的差异，将COD作为代表水体污染物进行了研究，大小潮涨潮时，COD会受到内挤作用，使其输移扩散范围变小。大小潮落潮时，COD会受到外拉作用，使其输移扩散范围变大。通过实验得到：不同湖泊岸线类型变化对于水体污染物输移扩散的影响存在显著差异，湖泊岸线变化情况对于水体污染物输移扩散有着明显的影响作用，无论大小潮时，修复岸线和自然岸线对水质的影响更大，对于COD输移扩散范围的影响更大，人工岸线对水质的影响更小；COD在修复岸线和自然岸线处扩散范围更小，在人工岸线处扩散范围更大。修复岸线和自然岸线对环境保护作用更大，人工岸线对环境的不利影响较大。

基金项目：杭州市科技发展计划项目（20220919Y181）