QUAL2K模型在永定河懷來段水質(zhì)模擬中的應用

趙建國　李洪波　劉存歧　陳新勇　李霄宇

摘要：根據(jù)現(xiàn)場采集調(diào)查、實測取得河段的水體水質(zhì)和水文數(shù)據(jù)，使用QUAL2K模型模擬永定河懷來段DO、NH₄⁺-N和COD三種水質(zhì)參數(shù)，并進行驗證，結(jié)果表明：QUAL2K可以準確模擬永定河懷來段水體水質(zhì)，模擬擬合值和實測值的相關(guān)性較好，相對誤差均在20%以內(nèi)；對永定河懷來段水質(zhì)參數(shù)模擬精度最高的是DO，其次是COD和NH₄⁺-N；官廳水庫上游退地水生態(tài)濕地保護與修復綜合治理工程建設完成后，理論上洋河張家口市八號橋控制單元DO、NH₄⁺-N能夠達到Ⅲ類水體標準。

關(guān)鍵詞：QUAL2K模型；永定河懷來段；水質(zhì) 中圖分類號：X522 文獻標識碼：A

永定河屬于海河流域，洋河、桑干河在懷來縣朱官屯匯合后，形成永定河，而后懷來京西潔源污水處理廠產(chǎn)生的污水經(jīng)東沙河混入永定河，進入官廳水庫，永定河懷來段是永定河進入官廳水庫前最后的河段。河道每年接納大量來自上游和區(qū)域內(nèi)排放的污染物，導致富營養(yǎng)化問題嚴重，區(qū)域河流水質(zhì)下降。根據(jù)環(huán)保部印發(fā)的《國家環(huán)境保護標準“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，洋河張家口市八號橋控制單元由Ⅳ類升為Ⅲ類。永定河是官廳水庫入庫最后一個階段，河流水質(zhì)直接影響官廳水庫水環(huán)境質(zhì)量。為改善官廳水庫上游永定河水環(huán)境質(zhì)量，在永定河大秦鐵路上游至宋家營村南河灘地范圍內(nèi)實施退地水生態(tài)濕地保護與修復綜合治理工程，凈化永定河干流及東沙河水體。

QUAL2K模型是一個一維的綜合性河流水質(zhì)模型。模型適用于支狀河流，允許沿河有多個排污口、取水口、支流，也允許人流量有緩慢的變化，以分析人流點、面源負荷（包括數(shù)量質(zhì)量和位置）對受納河流水質(zhì)的影響。根據(jù)現(xiàn)場采集調(diào)查、實測取得河段的水體水質(zhì)和水文數(shù)據(jù)，模擬永定河懷來段水質(zhì)。

1永定河懷來段水質(zhì)優(yōu)化管理模型

1.1QUAL2K模型

QUAL2K模型是在QUAL2E模型的基礎上經(jīng)美國Tufts大學Steve Chapra和Greg Pelle-tier開發(fā)的。模型基本假定為：河流斷面為梯形，污染物平流和彌散作用只在主流方向發(fā)生，水量和污染物質(zhì)量守恒。模板基本控制方程為包括源匯項的對流擴散反應方程?？刂品匠掏ㄟ^在時間和空間中隱式向后差分方法求解。模型既可以用作穩(wěn)態(tài)模型，也可以用作時變的動態(tài)模型[3]。

QUAL2K模型基本方程為1維平流一擴散物質(zhì)遷移方程，該方程綜合考慮了平流擴散、稀釋、水質(zhì)組份自身反應以及相互作用、組份的外部源和匯對組份濃度的影響。對于任意一種水質(zhì)組分，有：

式中：C為污染物濃度，mg/L；z為河流縱向坐標，m；t為時間，s；Az為河流過水斷面面積，m²；DL為河流縱向離散系數(shù)，m²/s；u為河流斷面平均流速，m/s；S為外部的源和匯，g/s；V為計算單元的體積，m²。方程右邊的4項分別代表擴散、平流、組分反應和組分的外部源和匯。

1.2河流的分段結(jié)構(gòu)

應用QUAL2K河流水質(zhì)模型模擬永定河懷來段河流水質(zhì)，首先將河道劃分為為18個1km的單元，由于同一河段具有相同的水利和水質(zhì)參數(shù)，將研究水系分為3個河段，其中1～3單元為第一河段，為洋河與桑干河匯合前的河段，5～12為第二河段，為洋河與桑干河匯合后但沒有和東沙河匯合前的河段，14～18為第三河段，是干流與東沙河匯合后的河段。單元及河段劃分見圖1。

1.3參數(shù)率定

1.3.1水力學參數(shù) 河流的流量、流速、河寬主要用于計算河流污染物在水體中的輸送。根據(jù)水文數(shù)據(jù)的實測值，采用流量系數(shù)法，模擬流量變化下的河流水文資料：

式中V為平均速率，m/s；H為水深，m；A為水流橫截面積，m²；Q為流量，m³/s；a、b、α、β為經(jīng)驗系數(shù).b和β的和必須小于等于1，自然河道曼寧系數(shù)取值0.05。確定永定河懷來段水力學參數(shù)值，見表1。

1.3.2水質(zhì)參數(shù) 模型所需的水質(zhì)參數(shù)根據(jù)所選擇模擬的指標有DO、NH₄⁺-N和COD，參數(shù)因子中復氧系數(shù)Ka選取O，Connor-Dobbins公式計算得到，耗氧系數(shù)K6的確定是利用高錳酸鉀法確定水體耗氧系數(shù)，天然水體的縱向彌散系數(shù)Exi根據(jù)QUAL2K模型提供的經(jīng)驗系數(shù)確定，其他參數(shù)根據(jù)模型推薦值，參照實測數(shù)據(jù)適當調(diào)整，經(jīng)過反復調(diào)試后，確定水質(zhì)參數(shù)，見表2。

2模擬結(jié)果分析及驗證

QUAL2K模型的率定期選定2016年11月到2017年10月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其進行統(tǒng)計并取平均值，和項目監(jiān)測得到的水文數(shù)據(jù)，選取DO、NH₄⁺-N和COD作為因子對永定河懷來段水體水質(zhì)進行模擬，結(jié)果見圖2。模擬結(jié)果與2017年11月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證，確定模型可以準確模擬水質(zhì)變化情況。度沿河段呈下降趨勢，且模擬結(jié)果相對誤差最大為13.94%，模型精度較高；洋河和桑干河匯合后COD值明顯下降，說明桑干河水質(zhì)優(yōu)于洋河，干流與東沙河匯合后，COD值顯著增高，說明東沙河來水水質(zhì)惡劣，匯合后降低說明，河流對污染物有一定的自凈作用，模擬結(jié)果的相對誤差平均值為0.95%；DO質(zhì)量濃度沿河段呈下降趨勢，但干流與東沙河匯合后，DO明顯上升，說明東沙河DO值高于永定河來段干流，模擬結(jié)果相對誤差最大為-1.69%。

應用QUAL2K模型對永定河懷來段DO、NH₄⁺-N和COD模擬結(jié)果相對誤差均在20%以內(nèi)，說明QUAL2K模型能夠很好的對永定河懷來段進行水質(zhì)模擬。

3優(yōu)化方案

為改善官廳水庫上游永定河水環(huán)境質(zhì)量，在永定河大秦鐵路上游至宋家營村南河灘地范圍內(nèi)實施退地水生態(tài)濕地保護與修復綜合治理工程。項目區(qū)面積約467hm²，濕地治理面積333hm²，主要建設內(nèi)容包括：河道疏灘浚工程、濕地兩側(cè)防護林工程、人工濕地工程、濕地恢復工程等。項目生態(tài)系統(tǒng)修復后，出水水質(zhì)COD、BOD、NH₄⁺-N、總磷的處理效率均為33%。濕地的凈化效率帶入模型，水質(zhì)改善實施效果模擬，COD、NH₄⁺-N的質(zhì)量濃度到八號橋時分別為19.96mg/L和0.46mg/L，理論上洋河張家口市八號橋控制單元能夠達到Ⅲ類水體標準。

4結(jié)論

QUAL2K可以準確模擬永定河懷來段水體水質(zhì)，模擬擬合值和實測值的相關(guān)性較好，相對誤差均在20%以內(nèi)。

對永定河懷來段水質(zhì)參數(shù)模擬精度最高的是DO，其次是COD和NH₄⁺-N。

官廳水庫上游退地水生態(tài)濕地保護與修復綜合治理212程建設完成后，理論上洋河張家口市八號橋控制單元DO、NH₄⁺-N能夠達到Ⅲ類水體標準。

（收稿日期：2017-12-29）