長(zhǎng)江南京段污染物模型研究

□葉 南 張海波 金 哲 肖旎旎

一、概述

水質(zhì)模型是一類(lèi)用于描述水環(huán)境中物質(zhì)變遷過(guò)程的數(shù)學(xué)方程，求解這些方程可以得到水體中污染物的擴(kuò)散在時(shí)間和空間維度上的定量描述。但水質(zhì)模型是一類(lèi)經(jīng)過(guò)抽象和簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)工具，其求解結(jié)果存在本身的局限?，F(xiàn)在，常用的河流水質(zhì)模型多用于點(diǎn)源排放的納污河流，非點(diǎn)源污染物的水質(zhì)模型研究還需要深入，尤其是水質(zhì)模型中的二維和三維模型。

在當(dāng)前的河道水質(zhì)模型研究中，常用的一類(lèi)模型是QUAL2E 模型，該模型是USEPA 提出的河流綜合水質(zhì)模型。實(shí)踐表明，該模型能夠應(yīng)用于綜合性和多用途的河流水質(zhì)分析之中。本文將以這一模型為基礎(chǔ)，以長(zhǎng)江南京段為背景，研究其污染物的擴(kuò)散規(guī)律。

二、QUAL2E 模型

（一）QUAL2E 基本模型結(jié)構(gòu)概述

QUAL2E 模型屬于一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，利用這一模型可定量計(jì)算在特定的溶解氧水平下的稀釋河流，以及評(píng)價(jià)在一定的污染物量級(jí)和發(fā)生地條件下的水質(zhì)狀況。利用這一模型還可以對(duì)水質(zhì)常見(jiàn)參數(shù)進(jìn)行模擬和分析，如溶解氧、生化需氧量等。從原理上看，QUAL2E 模型假定存在主流輸送以及若干支流匯入，并且沿著河流可能存在多個(gè)污染源、取水口等。QUAL2E 模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為一維平流-擴(kuò)散質(zhì)量遷移方程：

上式中M 表示考察的物質(zhì)質(zhì)量，X 為距離，t 為時(shí)間度量，C 為考察的物質(zhì)在河流中的濃度，Ax 為坐標(biāo)X處的河流橫斷面面積，DL 表示物質(zhì)的縱向擴(kuò)散系數(shù)，u為河流平均流速，S 為外部的源/漏。

（二）計(jì)算單元?jiǎng)澐?/h3>

水質(zhì)模型的模擬計(jì)算需要將河流進(jìn)行劃分，再在單個(gè)的河段單元中進(jìn)行逐個(gè)計(jì)算。在給定的河流單元中，繼續(xù)將該河段劃分為等長(zhǎng)的計(jì)算單元進(jìn)行處理。通過(guò)上述步驟，河流即可被轉(zhuǎn)化成混合反應(yīng)器，因此可以完成物質(zhì)的輸送和擴(kuò)散分析。在進(jìn)行計(jì)算單元的劃分時(shí)，通常選取以下類(lèi)型中的一種或幾種，即源頭水單元、支流匯入主流節(jié)點(diǎn)單元、標(biāo)準(zhǔn)單元、交匯點(diǎn)單元、河流系統(tǒng)中的最后一個(gè)單元、輸入單元、水口單元等。為了保證計(jì)算精度，河流計(jì)算單元的劃分不能過(guò)粗。反之，劃分過(guò)密，則要大大增加計(jì)算量。從實(shí)踐的角度說(shuō)，將計(jì)算單元的長(zhǎng)度取為500m 是合適的。

（三）水力學(xué)參數(shù)設(shè)定

QUAL2E 模型的計(jì)算精度直接受到河流水力學(xué)參數(shù)輸入精度的影響，這是因?yàn)镼UAL2E 模型是一維模型，要求河流必須具有穩(wěn)態(tài)特性。概括而言，在對(duì)QUAL2E模型進(jìn)行水力學(xué)參數(shù)輸入時(shí)主要控制出流系數(shù) 、梯形過(guò)流斷面、縱向彌散系數(shù)。上述三類(lèi)參數(shù)中，出流系數(shù)主要由河流流量、河流的平均流速和河流水深綜合決定，而梯形過(guò)流斷面參數(shù)主要由河流的水深控制，還受河道過(guò)流斷面面積、水力半徑、曼寧系數(shù)等影響。縱向彌散系數(shù)具有一定的假定特征，即認(rèn)為河流只在縱向存在速度梯度，通過(guò)計(jì)算河流的平均水深、平均流速、曼寧系數(shù)等來(lái)綜合計(jì)算縱向的彌散系數(shù)。

三、長(zhǎng)江南京段水質(zhì)污染物構(gòu)成分析

（一）污染物來(lái)源分析

南京段地處長(zhǎng)江下游，積聚了大量水質(zhì)污染物，加之本身也處在工業(yè)比較發(fā)達(dá)的長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，大量工業(yè)和生活污水對(duì)南京段的水質(zhì)造成了較為明顯的影響?？梢?jiàn)，在長(zhǎng)江南京段建立相應(yīng)的污染物模型對(duì)于分析水質(zhì)具有重要意義。南京段的污染物來(lái)源主要有以下幾類(lèi)：1.生活污水。長(zhǎng)江南京段是一個(gè)人口稠密的地區(qū)，而城市生活污水在現(xiàn)有的水平下處理率比較低，是長(zhǎng)江南京段污染物的主要來(lái)源之一。2.工業(yè)污染物。這類(lèi)污染物主要來(lái)自長(zhǎng)江沿線(xiàn)的化工原料、食品制造業(yè)等，這類(lèi)工業(yè)污水的處理率比較低，通常都是直接排入長(zhǎng)江。在進(jìn)行水質(zhì)分析時(shí)，必須將工業(yè)園區(qū)的污水排放口作為點(diǎn)源來(lái)處理。3.農(nóng)業(yè)污染物。長(zhǎng)江南京段的農(nóng)業(yè)污染物主要來(lái)自于上游安徽段。4.航運(yùn)污染。長(zhǎng)江歷來(lái)是黃金水道，每天都有大量的運(yùn)輸船舶從長(zhǎng)江段經(jīng)過(guò)，所造成的污染不容忽視，船運(yùn)帶來(lái)的污染是南京段長(zhǎng)江水質(zhì)問(wèn)題的重要因素之一。

（二）模型建立

本次研究所采用的水樣依照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》的要求進(jìn)行，所采集的水樣以0.5～1m的表層水為主。對(duì)水樣監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水溫、總磷、溶解性總氮、透明度、溶解性總磷、總氮和葉綠素a，以上幾類(lèi)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果用于后續(xù)的模型模擬和分析計(jì)算。利用QUAL2E 模型建立南京段污染物模型時(shí)，選擇模擬的時(shí)間跨度為半年（180天），模擬次數(shù)為10 次，其中一次模擬計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)下表：

從模擬的總體結(jié)果來(lái)看，葉綠色a的含量和溶解性氮的含量相關(guān)性并不明顯，但從總趨勢(shì)上看，卻和溶解性磷的含量有一定的正相關(guān)系，模型對(duì)溶解性氧的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近。但由于南京段沿江分布的污水排出口較多，而且對(duì)于雨水等導(dǎo)致面源污染的污染物匯入在模型中較難精確的輸入，利用QUAL2E 模型在進(jìn)行這類(lèi)分析時(shí)存在不足，模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果誤差較大。這需要建立起水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步改善模型，并和有關(guān)部門(mén)加強(qiáng)合作后才能建立起實(shí)時(shí)性更好的水質(zhì)監(jiān)測(cè)模型，這是需要加強(qiáng)的后續(xù)工作。

QUAL2E 模型模擬計(jì)算結(jié)果表