CN113723029A - 一种模拟再生水补给湖泊中污染物动态归趋分布的方法 - Google Patents

一种模拟再生水补给湖泊中污染物动态归趋分布的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟再生水补给湖泊中污染物动态归趋分布的方法，它包括（1）建立地形数据库；（2）建立水动力学模型；（3）建立逸度模型；（4）耦合模型。本发明公开的模拟再生水补给湖泊有机物动态归趋的水动力耦合逸度模型的方法所具有的积极效果在于可以模拟再生水补给湖泊的真实情景，可以准确描述再生水补给湖泊过程中有机物在环境系统归趋的时间和空间分异特征，进而能够为再生水的科学补给和污染物的有效管控提供可靠的理论依据。

Description

一种模拟再生水补给湖泊中污染物动态归趋分布的方法
技术领域
本发明属于再生水安全利用以及湖泊中有机污染物迁移归趋模拟技术领域，特别是涉及一种模拟再生水补给湖泊过程中有机污染物时空迁移归趋分布的方法。
背景技术
再生水作为一种重要的河湖生态补给水源，有效缓解了城市生态用水危机，然而由于再生水原水水质的复杂性以及处理工艺的局限性，其中含有大量微污染物，可通过河湖补给进入水环境的各介质中，继而影响水生态系统的安全与健康。因此，确定污染物随再生水补给进入湖泊后的环境归趋，对于再生水生态风险管控与湖泊环境污染防治尤为重要。
大量研究证实，加拿大特伦特大学的Mackay教授提出的逸度模型是确定污染物环境归趋的重要手段，它可以补充监测数据、预测未来情景，并可以基于迁移转化机理解释监测数据，为污染物的预先防范与修复管控提供科学指导。Mackay团队根据有机物在大气、水、沉积物之间的迁移转化机理陆续提出Ⅰ级（封闭稳态平衡系统）、Ⅱ级（开放稳态平衡系统）、Ⅲ级（开放稳态非平衡系统）、Ⅳ级（开放动态非平衡系统）逸度模型。国内外研究人员基于逸度模型原理相继开发了不同尺度的多介质归趋模型和软件，如Mackay等构建的QWASI模型即为专门针对湖泊的局部尺度模型，由于模型简单、可靠、易于计算，被广泛应用。传统的湖泊多介质模型通常基于介质混合完全均匀的假设，介质内各部分的物理化学性质完全相同，不考虑源排放和水动力学造成的空间特异性，然而，在再生水补给湖泊的情景中，这种传统局部尺度模型难以反映真实环境系统，逸度模型均一性的假设会导致测量值和预测值之间的差异；而大尺度模型的分辨率较低，不适用于模拟局部尺度的污染物归趋。
针对这一问题，本发明采用大尺度模型的思路，将湖泊区域进行网格划分，通过水动力学模型与IV级逸度模型的耦合，构建具有空间分异特征的动态多介质模型，适用于模拟再生水补给湖泊的真实情景；并结合参数敏感性分析，确定影响有机物环境归趋的关键因素，为后续地表水环境中PAEs的修复管控与再生水的安全利用提供有效的科学依据。
发明内容
大量研究证实，加拿大特伦特大学的Mackay教授提出的逸度模型是确定污染物环境归趋的重要手段，它可以补充监测数据、预测未来情景，并可以基于迁移转化机理解释监测数据，为污染物的预先防范与修复管控提供科学指导。Mackay团队根据有机物在大气、水、沉积物之间的迁移转化机理陆续提出Ⅰ级（封闭稳态平衡系统）、Ⅱ级（开放稳态平衡系统）、Ⅲ级（开放稳态非平衡系统）、Ⅳ级（开放动态非平衡系统）逸度模型。国内外研究人员基于逸度模型原理相继开发了不同尺度的多介质归趋模型和软件，如Mackay等构建的QWASI模型即为专门针对湖泊的局部尺度模型，由于模型简单、可靠、易于计算，被广泛应用。传统的湖泊多介质模型通常基于介质混合完全均匀的假设，介质内各部分的物理化学性质完全相同，不考虑源排放和水动力学造成的空间特异性，然而，在再生水补给湖泊的情景中，这种传统局部尺度模型难以反映真实环境系统，逸度模型均一性的假设会导致测量值和预测值之间的差异；而大尺度模型的分辨率较低，不适用于模拟局部尺度的污染物归趋。
针对这一问题，本发明采用大尺度模型的思路，将湖泊区域进行网格划分，通过水动力学模型与IV级逸度模型的耦合，构建具有空间分异特征的动态多介质模型，适用于模拟再生水补给湖泊的真实情景；并结合参数敏感性分析，确定影响有机物环境归趋的关键因素，为后续地表水环境中PAEs的修复管控与再生水的安全利用提供有效的科学依据。
发明内容
本发明克服了基于介质混合完全均匀的传统局部尺度多介质模型无法反映再生水补给湖泊的真实水环境系统的技术缺陷，提供一种模拟再生水补给湖泊过程中有机污染物迁移归趋和时空分布的方法，准确反映源排放和水动力学造成的空间特异性。
本发明的目的是采用大尺度模型的思路，将研究区域进行网格划分，并通过水动力模型与IV级逸度模型的耦合，构建具有空间分异特征的动态多介质模型，模拟再生水补给湖泊的真实情景。
为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：
一种模拟再生水补给湖泊过程中有机污染物时空迁移归趋分布的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）建立地形数据库
水体的轮廓和地形数据可由CAD规划图和谷歌地图生成，数据属性包括轮廓点的坐标信息和地面高程数据，采用MIKE Zero的Mesh Generator工具生成水体轮廓图，并进行湖泊区域高程赋值，最后采用网格生成器生成网格文件；
（2）建立水动力学模型
水动力模型采用MIKE 21 Flow Model FM软件，导入（1）生成的mesh文件，确定模型的边界条件，通常是边界的水位变化、流量变化或者是流速变化；最后确定模型的模拟时间，水动力模型的模拟结果包括湖泊的水深、流速和流量；
（3）建立逸度模型
逸度模型采用MIKE Zero的ECO Lab软件进行自定义建模；在模型里定义不同的参数，选用欧拉法、四阶龙格库塔法或五阶龙格库塔质量控制法进行积分求解；该模型包括三个主环境相：大气、水和沉积物，有机物在各相间处于非平衡、非稳态，建立Ⅳ级逸度模型；其中f是逸度，V是体积，Z是逸度容量，D ijk是从第i个环境相到第j个环境相的主要传输速率系数(i和j表示空气、水和沉积物三个环境相，取值分别为1、2和4)，下标k表示过程类别(d、p、w、D、Re、m和0分别表示扩散、干沉降、湿沉降、沉积、悬浮、降解和平流)。
水相：
df 2/dt=[T02+f 4（D 42d+D Re）+f 1（D 12d+D 12w+D 12p+D12r）-f 2（D 21d+D 24d+D 2m+D 02+ D D）]/V2Z2
沉积物相：
df 4/dt=[f 2（D 24d+D D）-f 4（D 4m+D 42d+D Re）]/V4Z4
空气相：
df 1/dt=0
（4）耦合模型
在已经建立好的水动力模型基础上，在MIKE 21 Flow Model FM 软件里选择ECOLab模块，在ECO Lab模型里定义不同的参数，选用四阶龙格库塔法进行积分求解，进行水动力模型与逸度模型耦合的计算，从而模拟有机污染物随再生水补给进入湖泊系统的迁移归趋和时空分布。
本发明进一步公开了模拟再生水补给湖泊中污染物动态归趋分布方法在定量化表征再生水中有机污染物环境归趋方面的应用。实验结果显示该模拟方法可以实现对再生水补给湖泊系统中有机污染物多介质时空迁移归趋分布的准确预测，污染物在湖泊水相和泥相中的模拟浓度与实测浓度相差均在0.7个数量级范围内，满足逸度模型精度要求，且与实测浓度空间分布规律一致，可以有效表达污染物分布的空间分异特征。
本发明更加详细的描述如下：
（1）建立地形数据库
水体的轮廓和地形数据可由CAD规划图和谷歌地图生成。数据属性包括轮廓点的坐标信息和地面高程数据。采用MIKE Zero的Mesh Generator工具生成水体轮廓图，并进行湖泊区域高程赋值，最后采用网格生成器生成网格文件。
（2）建立水动力学模型
水动力模型采用MIKE 21 Flow Model FM软件，其是一个基于非结构网格的水动力学模型。导入（1）生成的mesh文件，确定模型的边界条件，通常是边界的水位变化、流量变化或者是流速变化。最后确定模型的模拟时间。水动力模型的模拟结果包括湖泊的水深、流速和流量等。
（3）建立逸度模型
逸度模型采用MIKE Zero的ECO Lab软件进行自定义建模。在模型里定义不同的参数，可选用欧拉法、四阶龙格库塔法或五阶龙格库塔质量控制法进行积分求解。
逸度模型框架如图1所，该模型包括三个主环境相：大气、水和沉积物，分别用下标1、2和4表示，数字3被跳过了，因为在大多数研究中，它是指土壤单元，而本专利所涉及的湖泊为再生水补给的人工湖泊，岸边多为水泥、石头堆砌，因而忽略土壤相，简化模型。大气相由气态和颗粒物两个子相组成，水相由水和悬浮物两个子相组成，沉积相由孔隙水和固体两个子相组成。本研究考虑到空气相受大气平流影响非常大，应趋于背景浓度，因此，逸度不随时间发生变化，始终为大气背景浓度。
有机物在各相间处于非平衡、非稳态，因此可以建立Ⅳ级逸度模型：
水相：
df 2/dt=[T02+f 4（D 42d+D Re）+f 1（D 12d+D 12w+D 12p+D12r）-f 2（D 21d+D 24d+D 2m+D 02+ D D）]/V2Z2
沉积物相：
df 4/dt=[f 2（D 24d+D D）-f 4（D 4m+D 42d+D Re）]/V4Z4
空气相：
df 1/dt=0
D ijk是从第i个环境相到第j个环境相的主要传输速率系数(i和j表示空气、水和沉积物三个环境相，取值分别为1、2和4)，下标k表示过程类别(d、p、w、D、Re、m和0分别表示扩散、干沉降、湿沉降、沉积、悬浮、降解和平流)，如表1所示。Z为逸度容量(详见表2)。传输通量如表3所示，其他参数含义见表4。
表1 传输速率系数计算公式(D)
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表2 逸度容量计算公式(Z)
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表3 传输通量（T）计算公式
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表4逸度模型的参数
Figure DEST_PATH_IMAGE005
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（4）耦合模型
在已经建立好的水动力模型基础上，在MIKE 21 Flow Model FM 软件里选择ECOLab模块。在ECO Lab模型里定义不同的参数，选用四阶龙格库塔法进行积分求解，进行水动力模型与逸度模型耦合的计算，从而模拟有机污染物随再生水补给进入湖泊系统的迁移归趋和时空分布。
本发明主要考察了再生水补给湖泊时，有机物在不同环境相的分布归趋。重点是解决传统的湖泊多介质模型通常基于各介质完全均匀混合的假设，无法描述再生水补给湖泊的有机物归趋的空间分异特性问题。发明的难点在于水动力模型与IV级逸度模型的耦合。
本发明的创新点是在现有软件模型的基础上，采用大尺度多介质模型的思路，将研究区域进行网格划分，并通过水动力模型与IV级逸度模型的耦合，构建具有空间分异特征的动态多介质模型，模拟再生水补给湖泊的真实情景。
本发明公开的一种模拟再生水补给湖泊有机物动态归趋的水动力耦合逸度模型的方法与现有技术相比，所具有的积极效果在于可以模拟再生水补给湖泊的真实情景，可以准确描述再生水补给湖泊过程中有机物在环境系统归趋的时间和空间分异特征，进而能够为再生水的科学补给和污染物的有效管控提供可靠的理论依据。
附图说明
图1 为有机物在三种环境相的迁移情况；
图2 为研究区域示意图；
图3 为采样点位置示意图；
图4 为研究区域湖底高程示意图（图中颜色根据高程大小实际显示为由浅至深的渐变彩色）；
图5 为研究区域网格示意图（图中颜色根据高程大小实际显示为由浅至深的渐变彩色）；
图6 为研究区域水流方向示意图（图中湖区颜色根据水流速度大小实际显示为由浅至深的渐变彩色）；
图7 为研究区域流速分布示意图（图中湖区颜色根据水流速度大小实际显示为由浅至深的渐变彩色）；
图8 为水中DBP实测和模拟值对比示意图；
图9 为底泥中DBP实测和模拟值对比示意图；
图10 为湖泊水相中DBP的传输通量示意图；
图11 为湖泊沉积相中DBP的传输通量示意图；
图12 为湖泊空气相中DBP的传输通量示意图；
图13 为第10天水中DBP浓度分布示意图（图中湖区颜色根据水中DBP浓度大小实际显示为由浅至深的渐变彩色）；
图14 为第90天水中DBP浓度分布示意图（图中湖区颜色根据水中DBP浓度大小实际显示为由浅至深的渐变彩色）；
图15 为第10天底泥中DBP浓度分布示意图（图中湖区颜色根据底泥中DBP浓度大小实际显示为由浅至深的渐变彩色）；
图16 为第90天底泥中DBP浓度分布示意图（图中湖区颜色根据底泥中DBP浓度大小实际显示为由浅至深的渐变彩色）。
具体实施方式
下面参照具体的实施例进一步描述本发明，但是本领域技术人员应该理解，本发明并不限于这些具体的实施例。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为常规方法，其中所用的试剂，如无特别说明，均为常规市售试剂。
实施例1
本发明所用样品采集及测定方法
1.1样品采集
选取天津J湖为研究对象，如图2所示，根据现场实际情况确定了7个采样位置，具体如图3所示，水样采样点命名为W-1（补水口）、W-2、W-3、W-4、W-5（出水口）、W-6、W-7，底泥采样点命名为S-2、S-3、S-4、S-5（出水口）、S-6和S-7，各采样点取1.5L水样，用洗净的棕色玻璃瓶盛装，表层沉积物样品使用不锈钢抓泥斗采集，转移到清洁的锡纸袋中，保存至4℃冰箱。W-1检测到的污染物浓度作为模型输入数据，其他点的浓度数据用于模型准确度验证。
1.2样品浓度检测
水和底泥依据有机物的种类需要进行不同的前处理。本专利以邻苯二甲酸二丁酯（Dibutyl phthalate，DBP）的模拟为例，水样经0.45 μm混合纤维滤膜过滤后，经过固相萃取前处理，采用气相色谱质谱法进行DBP浓度检测。底泥经过冷冻干燥，超声离心预处理后，采用气相色谱质谱法进行DBP浓度检测。
1.3研究区域网格划分
以J湖为例，建立该区域的地形图，水体的轮廓和地形数据均由CAD规划图提供，利用MIKE Zero软件建立研究区域图，如图4所示，湖底的地面高程是-0.96 m～-2.3 m。将J湖划分成了1039个小网格，如图5所示。
1.4模型构建
采用MIKE 21建立水动力模型，模拟步长为1天，模拟时长为90天。IV级逸度模型采用ECOLab软件进行编程，利用MIKE 21软件实现水动力与逸度模型的耦合，模拟时间与水动力一致，采用四阶龙格-库塔法求解微分方程。IV级逸度模型如公式（1）-（3）所示，模型输出不同环境相的DBP浓度结果如公式（4）-（6）所示，水中DBP的浓度单位是μg/L，沉积物中DBP的浓度单位是μg/kg，空气中DBP的浓度单位是μg/m³；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
实施例2
水动力和逸度模型耦合计算
2.1湖泊水动力学模拟结果
采用MIKE 21建立水动力模型，模拟步长为1天，模拟时长为90天；研究区域的水流方向如图6所示。研究区域的流速如图7所示，为2.09×10-7～0.02 m/s，补水点和出水点附近流速稍大，在0.01~0.02 m/s左右，其他区域，尤其是边界处，流速很缓慢，存在死水区，与湖泊实际情况一致。
2.2对本发明方法有效性和准确性的检测
对湖泊水中和底泥中DBP浓度的实测值和模型模拟值进行对比，分别如图8和图9所示。在水相中，从采样点2到7点，实测值和模拟值分别相差0.14、0.10、0.28、0.12、-0.04和0.21对数单位，均小于0.7，说明模型模拟水中DBP的浓度效果较好。在沉积相中，从采样点2到7点，实测值和模拟值分别相差-0.05、-0.04、-0.06、-0.03、0.00、-0.01对数单位，均远小于0.7，说明模型模拟沉积物中DBP的浓度效果较好。基于本专利构建的模型能够准确获得再生水补给湖泊过程中DBP在湖泊水体、底泥介质中的浓度时空分布，从而能够为后续再生水的科学补给和有机物的有效管控提供更加可靠、精准的理论依据。
2.3 DBP在湖泊中的归趋
PAEs进入湖泊水相的途径包括再生水补给（T02）、大气湿沉降（T12w）、大气干沉降（T12p）、降雨（T12r）、大气向水体扩散（T12d）、沉积物向水体扩散（T42d）和沉积物再悬浮（TRe），离开的途径包括水平平流流出（T20）、水中的降解反应（T2m）、挥发（T21d）、水体向沉积物扩散（T24d）和悬浮物沉积（TD）。湖泊水相中PAEs的来源与损失情况如图10所示，紫色渐变柱状图代表PAEs的来源，橘色渐变柱状图代表PAEs的输出。再生水补给是湖泊中DBP的主要来源，占其总来源的88.5%，水平流流出与降解反应是DBP的主要去除机制，其中水平流流出去除的占总去除通量的46.6%；DBP在水中的降解量占总去除通量的46.3%，这主要与DBP在水和沉积相中的质量分布以及半衰期有关。
PAEs进入湖泊沉积相的途径包括水相向沉积相扩散（T24d）和悬浮物再沉降（TD），离开的途径包括沉积相向水相扩散（T42d）、沉积相的降解（T4m）和沉积物再悬浮（TRe）的过程。湖泊沉积相中PAEs的来源与损失情况如图11所示。对于DBP，水相对沉积相的输入以扩散（T24d）为主，占沉积相输入通量的75.2%.沉积相的DBP消耗去除主要以沉积相到水相的扩散（T42d）为主，分别占沉积相输出通量的68.6%，DBP的净输入通量是0.580 kg/y，均为由水相转移到沉积物。
PAEs进入空气的途径包括大气平流流入（T01）和水相挥发（T21d），离开的途径包括大气平流流出（T10）、大气湿沉降（T12w）、大气干沉降（T12p）、降雨（T12r）和大气向水体扩散（T12d），这些过程的转移通量如图12所示。大气平流流入是空气中PAEs的主要来源，DBP占总输入通量的99.9%，大气平流流出是其输出的主要途径，分别占总输出通量的97.7%。DBP从空气到水的净输入通量是8.347 kg/y。
2.4 DBP浓度时空分布
对研究区域DBP浓度进行模拟，图13、图14分别为第10天和第90天水中DBP浓度分布，第10天，水中DBP的浓度为0.189 ± 0.055 μg/L；第90天，水中DBP的浓度为0.251 ±0.144 μg/L。其浓度分布与水动力模型密切相关，流速低的位置，DBP更容易积累，浓度更高。图15、图16分别为第10天和第90天底泥中DBP浓度分布，第10天，底泥中DBP的浓度为3.373 ± 1.277 μg/kg；第90天，底泥中DBP的浓度为21.839 ± 32.676 μg/kg，可以看出，J湖底泥中DBP的浓度空间差异性很大，尤其是远离进水口的边界，DBP的浓度差异更大。
2.5模型敏感性分析
当模型的系统误差无法消除时，参数的准确性，特别是对某些敏感参数的准确性，是模型研究中最重要的因素之一。通过敏感性分析，可以很好地概述模型中最敏感的组件，本研究仅对参数进行敏感性分析。选择参数的变化量为10%，敏感性系数(S)按以下公式计算；
Figure 462014DEST_PATH_IMAGE008
Y 1.1和Y 0.9分别代表了试验参数在+10%和-10%变化时的估计浓度。
灵敏度系数绝对值越大，参数越敏感。
灵敏度系数大于0.5的参数被认为是模型中影响较大的参数。对影响DBP分布的参数分别进行了计算，结果显示，水相中T02、G02、G20、Koc、Kow、Km2和Km4分别是0.921、0.675、0.675、-0.019、0.000、0.732和0.012，沉积相中T02、G02、G20、Koc、Kow、Km2和Km4分别是0.843、0.675、0.675、0.620、0.000、0.682和0.542。可以看出，补水口的浓度和流量是对其较敏感的参数，Koc是对模型沉积相中浓度影响较大的参数，Km2是对水相和沉积相中DBP浓度影响较大的参数。
比较性的结论：由此表明本发明所述的方法相比基于均相假设的传统局部尺度多介质模型，能够更准确的模拟再生水补给湖泊的真实情景，能够准确定量再生水补给湖泊中有机污染物的时空分布归趋。
在详细说明的较佳实施例之后，熟悉该项技术人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。且本发明亦不受说明书中所举实例实施方式的限制。

Claims (2)

1.一种模拟再生水补给湖泊中污染物动态归趋分布的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）建立地形数据库
水体的轮廓和地形数据可由CAD规划图和谷歌地图生成，数据属性包括轮廓点的坐标信息和地面高程数据，采用MIKE Zero的Mesh Generator工具生成水体轮廓图，并进行湖泊区域高程赋值，最后采用网格生成器生成网格文件；
（2）建立水动力学模型
水动力模型采用MIKE 21 Flow Model FM软件，导入（1）生成的mesh文件，确定模型的边界条件，通常是边界的水位变化、流量变化或者是流速变化；最后确定模型的模拟时间，水动力模型的模拟结果包括湖泊的水深、流速和流量；
（3）建立逸度模型
逸度模型采用MIKE Zero的ECO Lab软件进行自定义建模；在模型里定义不同的参数，选用欧拉法、四阶龙格库塔法或五阶龙格库塔质量控制法进行积分求解；该模型包括三个主环境相：大气、水和沉积物，有机物在各相间处于非平衡、非稳态，建立Ⅳ级逸度模型；
其中f是逸度，V是体积，Z是逸度容量，D ijk是从第i个环境相到第j个环境相的主要传输速率系数(i和j表示空气、水和沉积物三个环境相，取值分别为1、2和4)，下标k表示过程类别(d、p、w、D、Re、m和0分别表示扩散、干沉降、湿沉降、沉积、悬浮、降解和平流)；
水相：
df 2/dt=[T02+f 4（D 42d+D Re）+f 1（D 12d+D 12w+D 12p+D12r）-f 2（D 21d+D 24d+D 2m+D 02+ D D）]/V2Z2
沉积物相：
df 4/dt=[f 2（D 24d+D D）-f 4（D 4m+D 42d+D Re）]/V4Z4
空气相：
df 1/dt=0
（4）耦合模型
在已经建立好的水动力模型基础上，在MIKE 21 Flow Model FM 软件里选择ECO Lab模块，在ECO Lab模型里定义不同的参数，选用四阶龙格库塔法进行积分求解，进行水动力模型与逸度模型耦合的计算，从而模拟有机污染物随再生水补给进入湖泊系统的迁移归趋和时空分布。
2.权利要求1所述模拟再生水补给湖泊中污染物动态归趋分布的方法在定量化表征再生水中有机污染物环境归趋方面的应用。
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