水污染物传输与扩散模型在河流水质监测中的应用

水污染物传输与扩散模型在河流水质监测中的应用

章凯

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摘要:河流水质监测是一项重要的环境管理工作,对于保护水资源、维护生态系统平衡和公众健康具有重要意义。传统的现场采样和实验室化学分析方法存在一定局限性,因此需要引入更加先进的理论模型和计算方法来改善水质监测的效率和准确性。本文重点讨论了水污染物的传输与扩散模型在河流水质监测中的应用,阐述了相关模型的理论基础、数值求解方法以及在实际案例中的应用情况,并分析了模型的优缺点及未来发展方向。

关键词:水质监测 污染物传输模型 扩散模型 数值模拟 河流

引言:河流作为重要的水资源,其水质状况直接关乎人类的生存和发展。由于工业化和城市化进程的快速推进,各种污染物进入河流的情况日益严重,对水生态环境造成了严重破坏。因此,加强河流水质监测工作,及时发现和控制污染源,维护水环境质量成为当务之急。传统的河流水质监测主要依赖于人工采样和实验室化学分析,这种方法存在一些不足,如覆盖范围有限、反应滞后、费时费力等。近年来,借助水动力学和环境化学等学科理论,结合数学建模和数值计算方法,发展了一系列水污染物传输与扩散模型,为河流水质监测提供了新的解决方案。本文将系统阐述水污染物传输与扩散模型的理论基础、数值求解技术以及在实际河流水质监测中的应用情况,分析模型的优缺点,并对未来发展方向进行展望。

一、水污染物传输与扩散模型概述

水污染物在河流中的传输与扩散过程是一个复杂的物理化学过程,受多种因素的影响。为了准确描述和预测这一过程,研究人员提出了多种数学模型。

基本理论方面,主要借鉴了流体动力学、质量传递和化学动力学等学科的理论基础。其中,流体动力学方程(如连续性方程、动量方程和能量方程等)用于描述河流的流动状态;质量传递方程(如对流-扩散方程)用于描述污染物在河流中的迁移扩散过程;化学反应动力学方程用于描述污染物的转化过程。通过耦合这些方程,可以建立综合性的水污染物传输与扩散模型。

根据污染物的性质和模型考虑的影响因素不同,模型可以分为多种类型。常见的有: 1)保守性污染物模型,仅考虑污染物的对流和扩散过程。 2)非保守性污染物模型,考虑了污染物的降解、沉淀等化学反应过程。 3)悬浮质模型,专门描述悬浮颗粒物在水体中的迁移转化规律。 4)溶质模型,专门描述溶解性污染物在水体中的传输过程。 5)多介质模型,考虑了污染物在水-土壤-大气间的交换转移过程。

这些模型根据实际问题的需求,通过合理化简或耦合,可以形成不同的模型形式,为解决河流水质监测及污染控制问题提供有力的理论支持。

二、数值求解方法

由于水污染物传输与扩散模型通常是一组高度非线性的偏微分方程组,很难获得解析解,因此需要采用数值求解方法来近似求解。常用的数值求解方法主要有:

1. 差分法 差分法是最经典的数值求解方法之一。它将偏微分方程按空间和时间离散化,得到一组代数方程组,再采用直接法(如三角分解法)或迭代法(如高斯-塞德尔迭代法)求解。差分法操作简单,计算效率较高,但对复杂的几何边界条件处理较为困难。
2. 有限元法 有限元法是当前应用最为广泛的数值求解方法。它将计算域离散为许多小的单元,在每个单元上构造近似解的分片多项式,使残差在整个区域上的某种范数最小,从而获得方程的数值解。有限元法适用性强,能够较好地处理复杂的边界条件,但计算量较大。
3. 有限体积法 有限体积法是基于控制体的积分形式求解偏微分方程,具有严格满足保守性的特点。它先将计算区域划分为一系列控制体积,然后将控制方程在每个体积上积分离散化,最终获得离散代数方程组。该方法常应用于流体力学和传输过程的数值模拟。
4. 随机方法 除了上述经典的网格方法,近年来随机方法(如随机游走法、蒙特卡罗法等)在解决扩散问题中也有一定应用,尤其擅长处理存在强烈随机扰动的问题。

无论采用何种数值方法,由于方程的强非线性性,往往需要耦合迭代技术、自适应网格加密技术、前后处理技术等,以提高计算精度和效率。选择合适的离散格式、求解算法和参数率定方法,对获得理想的模拟结果至关重要。

三、实例分析

1. 案例1:某河流污染事故模拟

某化工厂发生溶剂泄漏事故,大量有机溶剂进入附近河流。为评估污染物的传输扩散情况及对下游的影响,研究人员构建了一个二维水污染物传输与扩散模型。

模型考虑了河流的流速分布、溶剂的对流扩散过程以及降解反应动力学等因素。通过现场采样获取河流水文参数和溶剂理化性质,对模型进行率定和验证。

数值模拟结果显示,溶剂首先沿河流方向快速下游传输,同时向两岸扩散。随着时间推移,由于扩散和降解作用,溶剂浓度逐渐衰减。预测表明,若不采取应急措施,溶剂将在3天后到达20公里外的城镇取水口,对当地供水系统造成严重威胁。

2. 案例2:某河口水质评价

某河流注入大海后形成河口区,受潮汐等影响,该区域发生着复杂的水体运动。为评估该河口区的富营养化状况,研究者建立了一个三维多介质水污染物传输模型。

该模型耦合了营养盐在水-沉积物-生物体之间的迁移转化过程。模型考虑了河口区的流场、潮汐、风生流、浪流等多种水动力学过程,以及藻类生长的动力学方程。

长期模拟显示,受人口和工业排放的影响,河口区存在一定的富营养化风险。模型预测了不同情况下氮磷盐的时空分布,为治理河口富营养化提供了重要依据。

四、模型优缺点分析

水污染物传输与扩散模型在河流水质监测中具有重要的应用价值和广阔的发展前景。这种模型能够较为准确地模拟和预测水污染物在河流中的传输扩散过程,揭示污染物的时空迁移规律,为污染控制和环境管理提供科学依据。与传统的人工采样和实验室分析相比,模型具有覆盖范围广、时间连续、操作灵活的优势,可大幅提高监测效率。模型还能模拟各种复杂情况下的污染扩散过程,包括不同的水文条件、污染物性质、边界条件等,展现出良好的适用性。

不可否认,水污染物传输与扩散模型的建立和数值求解过程较为复杂,需要大量的基础理论支撑,对研究人员的数学和计算机水平有较高要求。模型参数的率定需要大量实测数据支持,这给现场监测工作带来一定压力。模型也无法完全精确地描述所有复杂的物理化学过程,存在一定误差。

结语:传统的人工采样和实验室化学分析方法在河流水质监测中存在一些缺陷和不足,而水污染物的传输与扩散模型为解决这些问题提供了新的思路。通过数学建模和数值计算方法,可以对河流中污染物的迁移扩散规律进行准确模拟和预测,为制定污染控制对策提供重要依据。当前,这一领域的理论研究和应用实践仍在不断推进之中,模型的适用性和精度有待进一步提高,需要持续加强基础理论研究、优化求解算法、完善参数率定方法等。

参考文献：

[1]赵钱垒.跨界河流水质监控研究——以辽河干流流域为例[J].山西化工,2023,43(07):225-227.DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2023.07.091.

[2]王正冉.聊城市河流水质综合评价及污染源解析[D].黑龙江大学,2022.DOI:10.27123/d.cnki.ghlju.2022.001322.