水質模型在天津市河流應急監(jiān)測中的實用化設計

張海波

摘 要：通過分析現(xiàn)有成熟模型，選出既適合天津市河流，又具備簡單、易用等特征，在應急監(jiān)測工作中有應用潛力的模型，并對其進行實用化設計，建立輔助工具，從而提高水質模型的實用化程度，使其能夠在極端惡劣的條件下的完成應急監(jiān)測工作。

關鍵詞：應急監(jiān)測；水質模型；實用化設計；處置方案

中圖分類號：X830.7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0143-02

1 應急監(jiān)測的工作要點

應急監(jiān)測是一種特定目的的監(jiān)測，它要求監(jiān)測人員在第一時間到達事故現(xiàn)場，用小型便攜檢測儀器或裝置，在盡可能短的時間內判斷和測定污染物的種類、濃度、污染范圍、擴散速度和危害程度，為政府決策提供科學依據(jù)。因此，在應急監(jiān)測工作中，如何實現(xiàn)快速反應是重點和難點。

2 水質模型研究的現(xiàn)狀和實用意義

目前水質模型的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了3個階段：①1925—1980年，該階段研究的水體主要是水質本身，模型注重分析水質內部組分之間的規(guī)律關系，輸入的污染負荷僅強調點源；②1980—1995年，該階段的模型增加了狀態(tài)變量（水質組分）的數(shù)量，對模型的約束條件更多，降低了預測的主觀性；③1995—2014年，該階段充分考慮了大氣污染物的沉降對目標水體的影響，增加了大氣污染模型，并對來自于試驗流域的負荷進行評估，從而全面掌握目標水體中污染物的遷移、轉化規(guī)律。

在實際工作中發(fā)現(xiàn)，無論是方程簡單、參數(shù)含義明確的一維水質模型，還是模擬程度高、數(shù)據(jù)精確度高的大型模型，都存在在使用過程中需要較強的數(shù)學基礎的問題，計算過程比較依賴計算機等設施，在缺乏電源、通訊不暢等野外作業(yè)環(huán)境下難以發(fā)揮作用。因此，還需要對模型進行二次開發(fā)，建立實用性更強的輔助工具解決上述問題。

3 模型的選擇和建立

3.1 原假設

天津市的河流多數(shù)處于長寬比大于10、狹長狀、水流平緩、水文條件比較穩(wěn)定、水質波動不大的情況。應急監(jiān)測工作大多于事發(fā)后幾小時內進行，在此時間段內可以認為河流的水質背景值恒定，水質變化完全由事故造成。應急監(jiān)測工作大多針對事發(fā)地點和下游河段，構建模型時，可以將事發(fā)地作為起點。事故發(fā)生時，排入河道的污染物濃度往往高于河道水體背景值，水體背景值對污染物擴散的影響可以忽略。污染事故按照污染物的排放時間可分為兩類，即泄露、翻車、污水罐車偷排等瞬時排污類事故；企業(yè)暗管偷排類等長期排污事故。

綜合以上因素，可作出以下假設：①應急監(jiān)測中研究的河流為一維河流；②事故發(fā)生過程中的河流背景值對污染物的遷移擴散沒有影響，污染物濃度變化完全由污染事故造成；③事故發(fā)生地為研究河段的起點；④應急監(jiān)測河段可以虛擬為無限長的均勻河流中的一段；⑤發(fā)生瞬時排污事故時，污染物立即與河水完全混合，形成平面污染源；⑥發(fā)生長期排污事故時，認為被污染河段已經(jīng)處于穩(wěn)態(tài)。

結合模型特征進行篩選后發(fā)現(xiàn)，針對長期排污事故的一維河流穩(wěn)態(tài)水質模型和針對瞬時排污事故的一維河流突發(fā)性排污水質模型都具備應急監(jiān)測的潛力。

4 模型實用化設計

模型的解析解顯示，目標斷面的污染物濃度由初始濃度c0乘以距離x和時間t的代數(shù)式構成。因此，可以將斷面濃度與初始濃度的比值即c/c0設定為目標參數(shù)，以距離x和時間t為行和列建立二維數(shù)據(jù)表。此表格表征了在不同地點、不同時刻污染物濃度c與初始濃度c0的比值。

應急監(jiān)測時，在事故發(fā)生地下游污染物與河水均勻混合處采樣，記錄下采樣地點與事發(fā)地點的距離x1，采樣時事故已發(fā)生的時間t1，測出污染物濃度c1后，利用x1，t1在二維表中找到對應的比值，用c1除以該比值即可獲得事發(fā)地點的初始濃度c0，用c0乘以河流水量Q即可估算出此次事故中污染物排放量。

計算出c0后，用標準值除以c0，將計算結果放入表格進行比較。如果計算結果小于二維表中給定的比值，則該比值相對應地點、時刻的水質超標，反之則達標。利用此二維表，既可以迅速判斷出某一地點的水質何時超標、何時達標，也可以判斷在某一時刻哪些河段超標，哪些河段達標。

由于天津市的一般河流長度<30 km，事故發(fā)生至初次應急監(jiān)測的時間一般不超過24 h，因此將距離序列定為1～30 km，時間序列定為1～24 h，經(jīng)實地測量估算出目標河流、目標污染物的彌散系數(shù)E和衰減系數(shù)k后，代入模型運算，即可得到滿足應急監(jiān)測工作需要的二維數(shù)據(jù)表。

5 實用性分析

此二維表格能夠起到的輔助作用有三個方面：①根據(jù)應急監(jiān)測數(shù)據(jù)估算污染源排放強度；②判斷某個斷面在哪些時間內處于超標狀況，什么時候污染物濃度最高；③判斷在某個時刻哪一河段處于超標狀態(tài)，該河段哪個斷面的污染物濃度最高。

為了提高置信度，使用時可依據(jù)測量參數(shù)的波動范圍，分別計算出最差情況下和最好情況下的水質狀況表，將監(jiān)測結果帶入不同表格即可得到水質波動的范圍。決策時需按照最差情況考慮，即可最大程度地保證處置方案的有效性。

受模型自身條件和假設條件的限制，應用時需要注意下述幾種情況：①污染物在河道中不能存在酸堿中和、沉淀、吸附等高速率理化反應。②不能存在支流、面源污染、底質釋放等其他干擾源；③只能較好地模擬污染物與河水充分混合后的河段，不能模擬混合前的河段，因此，在應急監(jiān)測過程中，只有在污染物與河水充分混合處采集的數(shù)據(jù)才能較準確估算源強等信息。④在實際情況中，污染物的排放和混合過程不會瞬間完成，因此模型中的初始濃度c0是虛擬點源濃度，不是事發(fā)地點的實際監(jiān)測值。⑤模型中各時間、各地點的濃度c是扣除環(huán)境本底值后，完全由事故造成的波動值。

6 結束語

綜上所述，WASP等大型模型雖然模擬程度高、數(shù)據(jù)精確度高，但由于參數(shù)繁多，計算、調試困難，在應急監(jiān)測工作中難以應用。一維水質模型等雖然存在限制因素多、誤差大等問題，但具備簡單、參數(shù)極易獲取等特征，使用時還能進一步開發(fā)成應用性更強的輔助工具，更符合應急監(jiān)測的要求。endprint

基于天津市河流現(xiàn)狀和一維水質模型設計的二維表能在一定程度上簡化運算，能輔助決策的制訂，其主要用途為估算源強、判斷某個斷面超標時段和濃度峰值出現(xiàn)時刻、判斷某個時刻超標河段和濃度峰值出現(xiàn)地點。但由于模型本身的局限性，推算結果僅供參考，估算值與實測數(shù)據(jù)沖突時應以實測數(shù)據(jù)為準。

參考文獻

[1]李繼選，王軍.水環(huán)境數(shù)學模型研究進展[J].水資源保護，2006，22（1）.

[2]馮民權，鄭邦民，周孝德.水環(huán)境模擬與預測[M].北京：科學出版社，2009.

[3]張智，李燦，曾曉嵐，等.QUAL2E模型在長江重慶段水質模擬中的應用研究[J].環(huán)境科學與技術，2006，29（1）.

[4]劉蘭嵐，張永紅.WASP水質模型在遼河干流污染減排模擬中的應用[J].環(huán)境科學與管理，2010，35（5）.

[5]蔡芫鑌，潘文斌，任霖光.BASINS3.0系統(tǒng)述評[J].安全與環(huán)境工程，2005，12（2）.

[6]曹曉靜，張航.地表水質模型研究綜述[J].水利與建筑工程學報，2006，4（4）.

[7]馮素萍，鄒曉東，朱英，等.大汶河水系主要河流BOD1-20降解規(guī)律的研究[J].山東大學學報（理學版），2004，39（5）.

[8]慕金波，韓言柱.實驗室法測定南四湖及入湖河流的BOD降解系數(shù)[J].江蘇環(huán)境科技，1996，9（2）.

[9]董林，李華.潮汐河網(wǎng)可降解有機物降解系數(shù)研究[J].環(huán)境科學研究，1990，3（6）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： By analyzing the existing maturity models to elect both for Tianjin rivers， but also with a simple， easy to use and other characteristics， have potential applications in emergency monitoring work model， and its practical design， build auxiliary tools to increase the degree of practical water quality model， making it possible to complete the emergency monitoring work in extreme conditions.

Key words： emergency monitoring； water quality model； practical design； disposal programendprint

基于天津市河流現(xiàn)狀和一維水質模型設計的二維表能在一定程度上簡化運算，能輔助決策的制訂，其主要用途為估算源強、判斷某個斷面超標時段和濃度峰值出現(xiàn)時刻、判斷某個時刻超標河段和濃度峰值出現(xiàn)地點。但由于模型本身的局限性，推算結果僅供參考，估算值與實測數(shù)據(jù)沖突時應以實測數(shù)據(jù)為準。

參考文獻

[1]李繼選，王軍.水環(huán)境數(shù)學模型研究進展[J].水資源保護，2006，22（1）.

[2]馮民權，鄭邦民，周孝德.水環(huán)境模擬與預測[M].北京：科學出版社，2009.

[3]張智，李燦，曾曉嵐，等.QUAL2E模型在長江重慶段水質模擬中的應用研究[J].環(huán)境科學與技術，2006，29（1）.

[4]劉蘭嵐，張永紅.WASP水質模型在遼河干流污染減排模擬中的應用[J].環(huán)境科學與管理，2010，35（5）.

[5]蔡芫鑌，潘文斌，任霖光.BASINS3.0系統(tǒng)述評[J].安全與環(huán)境工程，2005，12（2）.

[6]曹曉靜，張航.地表水質模型研究綜述[J].水利與建筑工程學報，2006，4（4）.

[7]馮素萍，鄒曉東，朱英，等.大汶河水系主要河流BOD1-20降解規(guī)律的研究[J].山東大學學報（理學版），2004，39（5）.

[8]慕金波，韓言柱.實驗室法測定南四湖及入湖河流的BOD降解系數(shù)[J].江蘇環(huán)境科技，1996，9（2）.

[9]董林，李華.潮汐河網(wǎng)可降解有機物降解系數(shù)研究[J].環(huán)境科學研究，1990，3（6）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： By analyzing the existing maturity models to elect both for Tianjin rivers， but also with a simple， easy to use and other characteristics， have potential applications in emergency monitoring work model， and its practical design， build auxiliary tools to increase the degree of practical water quality model， making it possible to complete the emergency monitoring work in extreme conditions.

Key words： emergency monitoring； water quality model； practical design； disposal programendprint

基于天津市河流現(xiàn)狀和一維水質模型設計的二維表能在一定程度上簡化運算，能輔助決策的制訂，其主要用途為估算源強、判斷某個斷面超標時段和濃度峰值出現(xiàn)時刻、判斷某個時刻超標河段和濃度峰值出現(xiàn)地點。但由于模型本身的局限性，推算結果僅供參考，估算值與實測數(shù)據(jù)沖突時應以實測數(shù)據(jù)為準。

參考文獻

[1]李繼選，王軍.水環(huán)境數(shù)學模型研究進展[J].水資源保護，2006，22（1）.

[2]馮民權，鄭邦民，周孝德.水環(huán)境模擬與預測[M].北京：科學出版社，2009.

[3]張智，李燦，曾曉嵐，等.QUAL2E模型在長江重慶段水質模擬中的應用研究[J].環(huán)境科學與技術，2006，29（1）.

[4]劉蘭嵐，張永紅.WASP水質模型在遼河干流污染減排模擬中的應用[J].環(huán)境科學與管理，2010，35（5）.

[5]蔡芫鑌，潘文斌，任霖光.BASINS3.0系統(tǒng)述評[J].安全與環(huán)境工程，2005，12（2）.

[6]曹曉靜，張航.地表水質模型研究綜述[J].水利與建筑工程學報，2006，4（4）.

[7]馮素萍，鄒曉東，朱英，等.大汶河水系主要河流BOD1-20降解規(guī)律的研究[J].山東大學學報（理學版），2004，39（5）.

[8]慕金波，韓言柱.實驗室法測定南四湖及入湖河流的BOD降解系數(shù)[J].江蘇環(huán)境科技，1996，9（2）.

[9]董林，李華.潮汐河網(wǎng)可降解有機物降解系數(shù)研究[J].環(huán)境科學研究，1990，3（6）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： By analyzing the existing maturity models to elect both for Tianjin rivers， but also with a simple， easy to use and other characteristics， have potential applications in emergency monitoring work model， and its practical design， build auxiliary tools to increase the degree of practical water quality model， making it possible to complete the emergency monitoring work in extreme conditions.

Key words： emergency monitoring； water quality model； practical design； disposal programendprint