感潮河网区重金属污染迁移过程情景分析.pdf

·1 9 2 ·第一篇基础理论感潮河网区重金属污染迁移过程情景分析+窦明1 谢东瑜2 李晓华2( 1 ．郑州大学环境与水利学院郑州4 5 0 0 0 2 ； 2 ．中山大学水资源与环境系广州5 1 0 2 7 5 )擅要丰文针对感潮河网区重盘属污染问题，羹立了一维河流重垒属迁移转化崔型，结合2 0 0 5 年1 2 月北江镉污染事故背景资料，对模型参数进行宰定，经验证模拟效果较好针对佛山市境内的感潮河两区，设定了突发污染事故与大、中、小潮相遭遇的情秉．将情景资料代入重盘属模型进行模拟，结果发现：潮汐作用对量盒属迁移转化过程的影响很大# 潮水的疆托作用使水流往塞运动，从而出现污染物_ ；[ 集的现象．致使木体_ i 枉度急剧升高此外．当遭遇大潮时，北江较高的水位使污水流入西江，致使西江水体受到污染，而当遭遇中、小潮时，水流由西江流^ 北江，使北江受污水体得到稀释．有利于污染缓解关键词感期河同区重金属污染重盘属模型情景舟析1 引言感潮河网区因其便利的交通条件和丰富的水土资源成为我国经济发展的先驱，然而正是由于其特殊的地理位置又决定了在享受各种便利的同时，也深受水灾害的困扰和威胁受到潮流、径流相互作用的影响，感潮河段的水位、水流不断往复变化．构成极为复杂的水文现象和水动力学过程。

同时，随着经济的飞速发展，尤其是金属冶炼、电镀、电子以及化工等行业的增多．感潮河网区的工业企业向水体中排放的重金属废水量日益增多由于重金属污染物毒性强、污染性质复杂、不能被微生物降解等特点使得重金属对水生动植物和人类健康危害极大关于水体重金属污染的研究前人已傲了一些工作，但对于河道密集、水动力学条件复杂的感潮河网区研究较少．因此加强感潮河网区重金属污染物迁移转化规律的研究是一项十分有意义的研究本文以佛山市境内河网区为研究对象，开展在不同潮汐情境下重金属污染迁移转化过程的模拟研究佛山市地处广东中南部珠江三角洲腹地，全市为西、北江及其支流贯穿，是典型的三角洲河网区西江由高要市进人三水区境内后，由思贤溶与北江相通，主流折向南行至甘竹滩，通过甘竹溪与北江相通，再下至南华，分为东海和西海两条水道东海水道分流为小榄水道和鸡鸦水道，汇合后流入横门水道出海，部分经容桂水道汇合顺德支流后流人洪奇沥桂洲水道沟通鸡鸦水道与洪奇沥西海水道为西江下游主流，一支经中山磨刀门出海，另一支至江门流入银洲湖，汇合潭江支流从崖门出海西江干流在佛山市境内长6 9 ．1k m ，有支流河道1 1 条北江流经清远市进入三水区境内，至思贤溶与西江相通，主流折向东南行，流经三水西南至南海紫洞通顺德水道，经洪奇沥、沙湾水道由蕉门出海。

主流在三水芦苞、西南的分流入芦苞涌、西南涌至官窑附近汇合后流人珠江；在南海紫洞分流为潭洲水道，至西海口附近复与顺德水道汇合北江干流在佛山市境内长1 0 0 ．2 k m ．主要支流河道有1 3 条佛山市境内的河网水系如图1 所示潮汐作用对河网区径流的影响可上溯到思贤格，从而使北江和西江在不同潮位时出现水流互补的现象2 重金属迁移转化模型本文以2 0 0 5 年1 2 月在北江干流韶关至清远段发生的重金属镉荇染事故为背景，建立重金属迁移转化模型，结合事故发生时的实测资料对模型进行参数率定2 ．1 基本方程由于重金属足以一定比例存在于水体、悬浮物和底泥之中，因此．重金属在水体中的迁移将取决于它在·基金珥且：水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金( 2 0 0 5 8 0 ／6 ) ，河南省科技攻关计划项目( 0 6 2 4 4 4 0 0 4 3 ) 第一作者简介：窦明( 1 9 7 5 一) ，男，山东淄博人，副教授，工学博士，主要从事水资源与水环境研究E —m a i l ： d o I - 耐n g @ me d ul u l l第五章水环境学与水质运移理论·1 9 3 ·图l 佛山市河网水系图图2 重金属在水体中迁移转化的概念图这三相中的运动规律。

图2 是重金属在水体中溶解态、悬浮态和底泥态的物理运动物质交换，吸附和解吸物 质交换，以及沉降和再悬浮物质交换的概念性示意根据参考文献[ 1 ] ，给出水体中重金属随水、悬浮物、底泥迁移转化的基本方程组：鲁+ u r e a = 罾可2 q 一毛( ‘咀一q ) + 蜀u o —q )悬浮态方程：鲁巾c I = 和c f 饯( 局吗一C o ) 一w 警n ’底泥态方程：～百# c b + ；甲c ．= K ．( C o —q ) 一丘抚q —q ) + ”i a c ．·1 9 4 -第一篇基础理论式中：G ，q ，q 分别为溶解态、悬浮态和底泥态重金属的浓度，m e ／L ；五= ( u n “ ) 分别代表在* ，y ，j 三个坐标方向的流速分量；E = ( 臣．E ．丘) 代表* ，，，z 三个坐标方向水体的扩散系数( 分子扩散与紊流扩散之』．．．～r 和) ；i = ( 吼，毋，吼) 分别代表底泥在* ，，，z 三个坐标方向迁移运动的流速矢量；V = ( 去，茜，詈) ，V2=，o．2．2 ，r ( 孝，毒，孝J ；K I 为吸附系数，l ／s ；局为重金属在悬浮物和水中的分配系数；口为单位水体中悬浮物音量·k ∥L ；K b 为解嗳系数，l ／s ；^ 为底泥和水的分配系数；c o 为吸附边界层溶解态浓度．m g ／L ；“ 詈为悬浮物的综合沉降量。

通常，在研究水体中重金属污染负荷含量时主要足针对溶解态和悬浮态，因此将式( 1 ) 中溶解态方程和悬浮态方程相加，并令C = G + 氏，可得到重金属随水、悬浮物迁移的总量模型，即：譬+ ；v c = E v2 c 一∞譬+ 毛魄q —C d )( 2 )考虑到感潮河时区复杂的水动力学条件，故将重金属迁移转化基本方程简化为一维模型同时，模型中只考虑溶解态和悬浮态的迁移转化过程；悬浮态的沉降与再悬浮过程可根据泥沙工程学原理，采用经验公式来表达由此，得出一维水体重金属迁移转化模型的具体表达式：警+ u 誓= 丘等+ K b ( 矗一c ) + 亡[ 民““G —K u - “ c ]( 3 )式中：h 为第i 河段的平均水深，m ；H 为综合影响常数；K 为悬移系数；m 、n 为指数，根据相关文献资料给定n ；2 ，m = 4 乞2 模型参数率定 模型参数率定以2 0 0 5 年1 2 月发生的北江镉污染事件同步监测资料为依据，计算范围从- I e , 江于流飞来峡水库至佛山市三水区芦苞断面，全长1 0 0 k i n ，共划分为7 1 个计算断面，河段步长为1 —2 k m ；时间范围取2 0 0 5 年1 2 月2 4 日8 ：0 0 至2 0 0 6 年1 月1 9 日8 ：0 0 ，时间步长为1 0 r a i n 。

1 ) 边界条件水动力边界条件：上边界取为飞来峡的下泄流量值，根据粤防总下达的八号、九号、十号调度令，2 0 0 5 年1 2 月2 3 日2 0 ：0 0 至2 0 0 5 年1 2 月3 0 日2 0 ：0 0 飞来峡的下泄流量调整为1 8 0 m 3 ／s ，此后恢复为1 6 0 m 3 ／s ；下边界采用佛山环保局提供的三水站同步水位监测值水质边界条件：上边界取飞来峡出水浓度监测值，下边界取为最小监测限值n0 0 0 5 m 昏／L 2 ) 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得第一计算时段的水位值与韧始值相差不大通过试算取飞来峡坝下的初始水位为1 3 ．4 4 m ，三水站的水位为0 ．O m ，各断面均匀递减0 ．1 9 2 m 初始流量设为0 ．0 m 5 ／s 水质模型的韧始浓度均设为0 ．0 m e e L 3 ) 率定结果根据佛山市环保局提供的同步水质监测资料，选取监测断面凤城大桥作为验证断面，重金属镉浓度计算值与实测值的拟合情况见图3 ，参数率定结果见表1 。

由图3 可见，模型计算的镉表1参数率定结果符号参数名称率定值氏解吸系数2 ．6 ×1 0 ’1 2岛再悬浮系数1 ．1 ×1 0 一m丘-沉降系数鱼0x 1 0 一”^平衡态下底泥与水体浓度倍数4 0 0 0污染浓度值与实测值的拟台情况较好模型能反映出镉污染物随水流的迁移转化过程3 潮汐作用对污染迁移过程影响的情景模拟为了能描述出潮汐作用对重金属污染迁移过程的影响，本文采用情景分析法，设定污染事故发生背景，并使其与下游不同的潮位边界条件相遭遇．再运用上面建立的一维河流重金属模型，模拟出不同情境下重金属污染物的迁移转化过程第五章水环境学与水质运移理论·1 9 5 ·图3 重金属模型计算值与实测值比较3 ．1 情景的设定·情景设定在北江上游清远市与佛山市三水区交界处的一家冶炼厂突然排放高浓度含镉工业废水( 如图1 ) ．排污量为1 0 0 0 t ，污染物浓度为1 0 0 0 m g ／L ，排污过程为持续排放4 h 水文资料上游来水取9 0 ％保证率最枯月平均流量，下游边界条件设定为与黄埔潮位站枯水期典型太、中、小潮位相遭遇( 由于潮位的变化是按照一个固定周期往复循环，因此本文主要根据污染事故发生时间与下游潮位峰值时间相同步来设定情景) ，大、中、小潮的选取如图4 ，下游水位边界条件中其他潮位站的时间过程也与黄埔站同步。

水质条件取2 0 0 4 年实测水质资料作为河流的本底值童趟*^ 一／大潮／中囊少相[ _ 二! 二塑 ；『＼A 轧A 蕊A 积Af ＼A ／A 从滞掣i V 箩i 嫩燃选谑磋t t ／连0 1 ．蔓，F图4 黄埔潮位站枯水期水位变化过程3 ．2 模拟结果分析 将不同情境下的水文条件、水质条件代人到重金属模型进行计算，选取北江上南海第二水厂、南庄水厂、龙江水厂断面和西江上高明水厂断面作为代表性断面，输出结果并绘制各断面镉浓度变化过程图( 如图5 ) 针对模拟结果，分析如下：( 1 ) 从空间上看，水体中的镉污染物随着水流方向整体呈减少趋势这是由于重金属不同其他污染物，本身不会发生衰减、降解等生化反应，只能被水流稀释或经沉降、吸附作用将溶解态和悬浮态重金属转化为底泥态，从而导致水体中污染物浓度的降低在北江上选取的三个代表性断面分别是在北江及其支流的顺流方向而设，对比图5 ( d ) 、( 6 ) 、( c ) 可以看出，三个断面的镉浓度最大值依次为0 ．5 8 9 m g ／L ( 南海第二水厂，事故后1 5 h 出现) ，0 ．1 4 7 m g ／L ( 南庄水厂，事故后3 8 h 出现) ，0 ．0 4 5 m ∥L ( 龙江水厂，事故后3 8 h 出现) ，这说明水体中镉污染浓度随水流运动而整体下降。

高明水厂代表西江干流上的断面，北江与西江通过思贤涪发生水流交互补给，从而带动污染物质的交换 2 ) 潮汐作用造成河道内水流往复震荡，对污染物的迁移过程影响较大纵观这4 个断面的污染浓度过程可见，镉浓度变化呈剧烈的升降运动，浓度峰值比各值高达数十倍，这与重金属模型在凤城大桥断面模拟的浓度变化过程差别很大究其原因主要是自思贤涪以下的北江、西江河段都受到潮汐作用的影响，水流随潮位的变化呈往复震荡，受此影响污染物也随水流在各断面进行前后运移将浓度峰值和谷值数据与同一^1／}一越栏·1 9 6 ·第一篇基础理论00 5 §州 话拦t 0 30 200 1时间( h )02 04 06 08 01 呻1 2 0 时脚( h ) ( c )时间( h )02 04 06 080“n1 2 0时间( h ) ( d )图5 突发事故在不同潮位下的镉污染模拟结果断面同时期的流量资料进行对比发现：浓度出现峰值时．则流量位于波谷( 此时流量为负值．即下游河道的水受潮汐作用回涌) ；浓度出现谷值时，则流量位于波峰( 此时流量为正值，即上游河道的水向下游流动) 如在与大潮遭遇的情境下，南海第二水厂断面在事故发生1 5 h 和。