河南省典型污染河流水質(zhì)模擬與分析

王瀟磊　邢夢林　劉奕堯　鄭瑤　婁亞敏

摘 要：以河南省內(nèi)典型污染河流賈魯河、惠濟(jì)河、衛(wèi)河為研究對象，基于WASP模型對COD、氨氮、總磷進(jìn)行水質(zhì)模擬。研究發(fā)現(xiàn)，模擬值與實(shí)際值誤差范圍基本控制在±10%以內(nèi)，并且模擬目標(biāo)污染物的年內(nèi)時(shí)空分布規(guī)律與變化趨勢同實(shí)測值整體上是一致的，表明WASP模型對河南省內(nèi)典型河流進(jìn)行水質(zhì)模擬具有較好的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：河南?。坏湫秃恿?；WASP模型；水質(zhì)模擬

1 概述

水資源是支撐河南省社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和美麗河南建設(shè)不可替代的基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略資源[1]，所以用水安全至關(guān)重要。作為水質(zhì)預(yù)報(bào)和環(huán)境質(zhì)量管理有效工具，水質(zhì)模型在近年來取得了較大的進(jìn)展[2]，在生產(chǎn)、教學(xué)、科研領(lǐng)域均起著重要的指導(dǎo)作用，已被應(yīng)用于水污染治理及水環(huán)境保護(hù)規(guī)劃中[3]。本研究以河南省內(nèi)典型污染河流賈魯河、惠濟(jì)河、衛(wèi)河為研究對象，基于WASP模型對COD、氨氮、總磷進(jìn)行水質(zhì)模擬，通過對比模擬值和實(shí)際值的相對誤差，探討模型的適用性和可行性。

2 模型分析

2.1 WASP模型建立

WASP水質(zhì)分析模擬程序（Water Quality Analysis Simulation Program）是由美國環(huán)保局USEPA研發(fā)的新一代水質(zhì)模型系統(tǒng)[4]，能夠模擬和預(yù)測由于自然和人為污染引起的各種復(fù)雜水質(zhì)狀況，因其廣泛的適用性所以被稱作“萬能水質(zhì)模型”。建立WASP模型，首先要搜集三條河流相關(guān)的水文資料，如流量、流速、污染物排放量等數(shù)據(jù)，接著完成河網(wǎng)的概化和分段與參數(shù)的輸入，在此基礎(chǔ)上對COD、氨氮和總磷進(jìn)行水質(zhì)模擬，繼而建立水質(zhì)模型。在模型的運(yùn)行過程中調(diào)整相關(guān)的水文參數(shù)，從而得到符合實(shí)際的水質(zhì)模型。按此設(shè)計(jì)思路，我們建立WASP模型的技術(shù)路線（見圖1）。

2.1.1 河網(wǎng)的概化和分段

在WASP軟件中，段是表示針對水體進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)上的劃分，即將水體從網(wǎng)格或節(jié)段上進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧６问荳ASP模型正常運(yùn)行需要輸入的第一類也是最重要的參數(shù)，段決定了水動(dòng)力模塊構(gòu)架的河流水動(dòng)力框架。河網(wǎng)概化和分段的主要原則如下：在河流水文特征劇烈變化處；取水口或飲水口處；支流或排污匯口處；具備實(shí)測數(shù)據(jù)的典型斷面處，如水文站點(diǎn)等；能夠收集完整和全面的背景資料處。

2.1.2 水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的確定

水動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要用來確定河道的水力特性，它的計(jì)算在WASP模型中占有重要的地位，計(jì)算準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到模型的精度。本研究選取流速參數(shù)：a.流速指數(shù)；b.水深參數(shù)；c.水深指數(shù)；d.等4項(xiàng)指標(biāo)為主要參數(shù)因子。

2.1.3 參數(shù)的設(shè)置

目前常用的設(shè)置有以下四種方法：

理論法：從機(jī)理的角度出發(fā)來推算參數(shù)值，但在機(jī)理不明的情況下大多數(shù)參數(shù)值的推算困難，且誤差較大；

實(shí)驗(yàn)法：采取實(shí)驗(yàn)手段測算參數(shù)，但受到人力、物力、財(cái)力等各方面的限制；

經(jīng)驗(yàn)法：主要是根據(jù)前人已有成果和資料，類比推求參數(shù)值；

模型校正法：將水文水質(zhì)監(jiān)測資料錄入模型，通過運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式、查閱文獻(xiàn)資料、類比流域其他河段、參考模型使用手冊參數(shù)范圍等手段確定參數(shù)取值范圍。

2.2 賈魯河水質(zhì)模擬

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將收集到的水文、水質(zhì)資料進(jìn)行整理轉(zhuǎn)化，將其變?yōu)榭梢灾苯虞斎隬ASP模型的數(shù)據(jù)，預(yù)處理的主要內(nèi)容有：輸入文件的建立、水體分段、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)的有效性檢查等。

（1）輸入文件的建立。模型起始時(shí)間為2013年1月1日到2013年12月31日，模擬類型為富營養(yǎng)化EUTRO，方程求解方法為歐拉方程，數(shù)據(jù)庫屬性的具體設(shè)置可見圖2。（2）河網(wǎng)的概化與分段。根據(jù)現(xiàn)有的水文資料和分段原則將賈魯河共分為3段，分別為中牟陳橋、扶溝擺渡口和西華大王莊。計(jì)算每段的水體體積、各段的長度、寬度、深度等參數(shù)，然后根據(jù)軟件的要求，逐項(xiàng)輸入到Segment中。具體分段信息見圖3。

（3）參數(shù)的設(shè)置。由于河流水質(zhì)模擬涉及的參數(shù)較多，無法進(jìn)行全面深入研究，因此，在本研究中，選用流量、特征污染物濃度作為參數(shù)。參數(shù)輸入后，其率定方法采用試算法，具體操作過程是先將其他參數(shù)固定在用戶設(shè)定的初始值，WASP模型只對某一個(gè)目標(biāo)參數(shù)在其取值范圍內(nèi)反復(fù)測算，不斷率定使模擬計(jì)算值與檢測值相差最小時(shí)使系統(tǒng)最優(yōu)。精確調(diào)整20℃時(shí)COD衰減速度系數(shù)Kd、20攝氏度時(shí)硝化速度系數(shù)K12，根據(jù)WASP用戶手冊中20°C時(shí)COD衰減速度系數(shù)Kd的取值范圍0-5.6d-1為基礎(chǔ)，通過計(jì)算可得到的COD衰減速度系數(shù)平均為0.216d-1。

（4）流量的輸入。以2013年1月到2013年12月為周期，以中牟陳橋、扶溝擺渡口、西華大王莊3個(gè)水文站的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對模型進(jìn)行流量的輸入。流量的輸入界面可見圖6。（5）入河污染物的輸入。選取COD、氨氮和總磷3因子為參數(shù)指標(biāo)。賈魯河干流河道各段匯入的總污染量即為生活污水污染量和工業(yè)污水污染量的總和，在模型中分段將污染物總量輸入，各支流污染物匯入同干流河道匯流的河段中。

2.2.2 模擬結(jié)果分析。WASP軟件可以生成兩種格式的圖形，二維空間網(wǎng)格圖和X/Y坐標(biāo)折線圖，可用折線的方式顯示不同污染物在不同監(jiān)測斷面的模擬結(jié)果。以中牟陳橋段為例，其COD、氨氮、總磷模擬值和實(shí)測值的變化特征可見圖4。從水質(zhì)的模擬結(jié)果來看，賈魯河中氨氮、COD和總磷含量在1-12月間無明顯的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出波動(dòng)性的變化特征。

2.2.3 模型的驗(yàn)證

不同污染物在各段監(jiān)測斷面的誤差統(tǒng)計(jì)見表1。研究發(fā)現(xiàn)，模擬值與實(shí)測值之間存在誤差，但誤差范圍基本控制在11%以內(nèi)，并且模擬目標(biāo)污染物的年內(nèi)時(shí)空分布規(guī)律與變化趨勢同實(shí)測值整體上是一致的，因此表明WASP模型對賈魯河干流進(jìn)行水質(zhì)模擬的適用性，并且具有較好的有效性和可行性。

分析誤差產(chǎn)生的原因有：（1）常規(guī)污染的模擬，尤其是氨氮，不只是單純的物理性沉淀溶解，還有浮游生物、溶解氧、光照、三氮轉(zhuǎn)化等因素參與到化學(xué)平衡中。由于系統(tǒng)較為復(fù)雜，實(shí)測數(shù)據(jù)項(xiàng)目的不足，本研究部分化學(xué)反應(yīng)被忽略，因此模擬結(jié)果具有一定的誤差。（2）本研究流量變化變化采用月均輸入、污染物采用年均量計(jì)算獲得月均污染量，這與實(shí)際污染物匯入有較大差別。（3）部分流量數(shù)據(jù)有缺失。

2.3 惠濟(jì)河水質(zhì)模擬

惠濟(jì)河是淮河的二級(jí)支流，發(fā)源于開封市黃河口，屬于季節(jié)性河流[5]。采用同樣方法對惠濟(jì)河進(jìn)行水質(zhì)模擬，以開封太平崗橋?yàn)槔?，其COD、氨氮、總磷模擬值和實(shí)測值的變化特征可見圖5。

從水質(zhì)的模擬結(jié)果來看，惠濟(jì)河中氨氮、COD和總磷含量在1-12月間無明顯的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出波動(dòng)性的變化特征。將WASP模型模擬出的水質(zhì)數(shù)據(jù)與收集到的監(jiān)測斷面2014年實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計(jì)算實(shí)測值與模擬值的相對誤差。

不同污染物在各段監(jiān)測斷面的誤差統(tǒng)計(jì)見表2。研究發(fā)現(xiàn)，模擬值與實(shí)測值之間存在誤差，但誤差范圍基本控制在30%以內(nèi)，并且模擬目標(biāo)污染物的年內(nèi)時(shí)空分布規(guī)律與變化趨勢同實(shí)測值整體上是一致的，因此表明WASP模型對惠濟(jì)河干流進(jìn)行水質(zhì)模擬的適用性，并且具有較好的有效性和可行性。

分析誤差產(chǎn)生的原因有：（1）常規(guī)污染的模擬，尤其是氨氮，不只是單純的物理性沉淀溶解，還有浮游生物、溶解氧、光照、三氮轉(zhuǎn)化等因素參與到化學(xué)平衡中。由于系統(tǒng)較為復(fù)雜，實(shí)測數(shù)據(jù)項(xiàng)目的不足，本研究部分化學(xué)反應(yīng)被忽略，因此模擬結(jié)果具有一定的誤差。（2）本研究流量變化變化采用月均輸入、污染物采用年均量計(jì)算獲得月均污染量，這與實(shí)際污染物匯入有較大差別。（3）部分流量數(shù)據(jù)有缺失。

2.4 衛(wèi)河水質(zhì)模擬

衛(wèi)河是河南省海河流域最大的河流，流經(jīng)焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽和濮陽[6]，河南省境以上河長達(dá)286km，對衛(wèi)河進(jìn)行水質(zhì)模擬，以修武段為例，其COD、氨氮、總磷模擬值的變化特征可見圖6。

從水質(zhì)的模擬結(jié)果來看，衛(wèi)河中氨氮、COD和總磷含量在1-12月間無明顯的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出波動(dòng)性的變化特征。將WASP模型模擬出的水質(zhì)數(shù)據(jù)與收集到的監(jiān)測斷面2013年實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計(jì)算實(shí)測值與模擬值的相對誤差。不同污染物在各段監(jiān)測斷面的誤差統(tǒng)計(jì)見表3。研究發(fā)現(xiàn)，模擬值與實(shí)測值之間存在誤差，但誤差范圍基本控制在10%以內(nèi)，并且模擬目標(biāo)污染物的年內(nèi)時(shí)空分布規(guī)律與變化趨勢同實(shí)測值整體上是一致的，因此表明WASP模型對衛(wèi)河干流進(jìn)行水質(zhì)模擬的適用性，并且具有較好的有效性和可行性。

分析誤差產(chǎn)生的原因有：（1）常規(guī)污染的模擬，尤其是氨氮，不只是單純的物理性沉淀溶解，還有浮游生物、溶解氧、光照、三氮轉(zhuǎn)化等因素參與到化學(xué)平衡中。由于系統(tǒng)較為復(fù)雜，實(shí)測數(shù)據(jù)項(xiàng)目的不足，本研究部分化學(xué)反應(yīng)被忽略，因此模擬結(jié)果具有一定的誤差。（2）本研究流量變化變化采用月均輸入、污染物采用年均量計(jì)算獲得月均污染量，這與實(shí)際污染物匯入有較大差別。（3）部分流量數(shù)據(jù)有缺失。

3 結(jié)束語

通過上述研究，得出如下結(jié)論性認(rèn)識(shí)：（1）將WASP水質(zhì)模型應(yīng)用于賈魯河、惠濟(jì)河和衛(wèi)河流域，對三條河流COD、氨氮和總磷進(jìn)行水質(zhì)模擬研究。從水質(zhì)的模擬結(jié)果來看，賈魯河、惠濟(jì)河和衛(wèi)河中氨氮、COD和總磷含量在1-12月間無明顯的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出波動(dòng)性的變化特征。（2）雖然受實(shí)測數(shù)據(jù)局限性的影響，模擬計(jì)算值和實(shí)測值存在一定的誤差，但模擬目標(biāo)污染物在時(shí)空分布規(guī)律上與實(shí)測值均有較好的一致性。本研究通過對已有數(shù)據(jù)的模擬分析，得到了相對合理的計(jì)算結(jié)果，因此，確定WASP模型適用于賈魯河、惠濟(jì)河和衛(wèi)河的水質(zhì)模擬。

參考文獻(xiàn)

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[6]鄭保華，曹宏斌.河南省衛(wèi)河流域引黃退水退沙成因分析及建議[J].河南水利與南水北調(diào)，2010（7）：51-52.

作者簡介：王瀟磊（1980-），男，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測工作。