基于水質(zhì)模擬系統(tǒng)軟件計(jì)算下的某河流水質(zhì)狀態(tài)分析研究

謝政廷，顧 峰，尤維鋒，蔣曉君

(1.無錫市太湖新城置業(yè)有限公司，江蘇 無錫 214121;2.無錫市新吳區(qū)水利局，江蘇 無錫 214000; 3.洛社鎮(zhèn)水利農(nóng)機(jī)服務(wù)站，江蘇 無錫 214023;4.無錫市太湖閘站工程管理處，江蘇 無錫 214023)

1 工程概況

某河流橫穿華北平原，全長400 km，流域面積超2500 km2，從支、干流角度出發(fā)，該河流屬海河水系，主要承擔(dān)農(nóng)田灌溉、防洪抗旱的功能，并在下游建有一個(gè)蓄水量達(dá)2000萬m3的小型水庫(達(dá)不到水庫規(guī)模)，為周圍20 km內(nèi)城市發(fā)展提供工業(yè)用水，并在上游建有一個(gè)日處理污水3萬t的趙家莊污水處理廠，日產(chǎn)中水2.5萬t。該河流流經(jīng)區(qū)域年均降水量較少，平均降雨量僅為500 mm，河流源頭來自太行山脈，河道上游水位高于下游，河流徑流量750～1000 m3/s，由于近幾年工業(yè)發(fā)展迅猛，河流水位逐年下降，局部河道出現(xiàn)干涸，水流自凈能力弱化嚴(yán)重，水流污染物增多，河流趨于富營養(yǎng)化[1-2]。

根據(jù)河流斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，污染成分主要為氮、磷、氨氮等元素，且水質(zhì)中檢測到的化學(xué)元素組成逐漸在增加。圖1為該河流在各區(qū)段斷面監(jiān)測水質(zhì)結(jié)果，從圖中可看出，各個(gè)時(shí)間段表現(xiàn)從河流上游斷面至下游斷面，氨氮濃度在上升，漲幅甚至超過100%，氨氮含量在5—9月內(nèi)，濃度有所降低，但進(jìn)入9月后，即逐漸入冬后，氨氮含量每月都在增高。除上游南武監(jiān)測斷面之外，化學(xué)需氧量濃度全年均在35 mg/L，峰值濃度達(dá)到195 mg/L，且化學(xué)需氧量濃度峰值區(qū)間集中在每年的3—6月。根據(jù)國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，該河流水質(zhì)污染成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安全區(qū)間，屬嚴(yán)重污染[3-4]。

圖1 典型區(qū)段斷面監(jiān)測水質(zhì)結(jié)果

2 水質(zhì)模型系統(tǒng)研究

為了更好描述水質(zhì)分布狀態(tài)，常用數(shù)學(xué)模型對(duì)水質(zhì)進(jìn)行表述，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)變化，來反映河流水質(zhì)狀態(tài)。常見的水質(zhì)模型有一維水動(dòng)力水質(zhì)模型、改進(jìn)后的二維模型、地表水模型，這些數(shù)學(xué)模型包括了水質(zhì)成分預(yù)測、水溫計(jì)算、水中物質(zhì)成分變化狀態(tài)監(jiān)測等[5-7]，但精度及不同區(qū)域地質(zhì)條件下的河流條件還需要更優(yōu)化匹配。為此，本文選用綜合水質(zhì)模型(WASP)進(jìn)行水質(zhì)模擬計(jì)算，該模型包括了水靜力學(xué)參數(shù)：水質(zhì)成分分析、水物理狀態(tài)演算、污染物成分分析等，另一方面水動(dòng)力學(xué)參數(shù)同樣可計(jì)算獲得，包括水質(zhì)污染物遷移過程、水質(zhì)擴(kuò)散源污染物的時(shí)間變化函數(shù)及其他水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。如圖2所示。

圖2 綜合水質(zhì)模型(WASP)坐標(biāo)體系

綜合水質(zhì)模型(WASP)遵循質(zhì)量守恒與動(dòng)量守恒，引入水單元為分析目標(biāo)，平衡方程確定如式(1)所示：

SL+SB+SK

(1)

式中:d為水質(zhì)濃度，mg/L；t為研究時(shí)間區(qū)間段，d；ux、uy、uz為不同方向上水流速，m/d；Ex、Ey、Ez為水三相擴(kuò)散系數(shù)，m3/d；SL、SB、SK為河流不同負(fù)荷率，g/(m3·d)；x、y、z為空間坐標(biāo)系中坐標(biāo)，c為污染物濃度，mg/L。

其中水質(zhì)指標(biāo)濃度既可能是污染組分，亦可能是多種污染組分的混合料濃度，假設(shè)水單元為各向同性，簡化上述質(zhì)量平衡式，獲得一維水單元體質(zhì)量平衡方程如式(2)所示：

A(SL+SB)+ASK

(2)

式中：A指過水?dāng)嗝娼孛娣e，m2;D為污染物濃度，mg/L。

在水單元體質(zhì)量平衡基礎(chǔ)上，通過分析對(duì)象創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)，以水單元體的橫向、縱向及垂向?yàn)槿驂K體單元，網(wǎng)格內(nèi)包括水流質(zhì)與污染質(zhì)成分，且每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)部單元體的水動(dòng)力參數(shù)都是一致的，從空間上以主河道為河流網(wǎng)格概念，保證河流槽蓄水能力與實(shí)際接近或一致[8]。圖3為水質(zhì)模型的網(wǎng)格概念圖，表現(xiàn)了每個(gè)單元體水流在各個(gè)方向上遷移的動(dòng)態(tài)。在該水質(zhì)模型中還存在預(yù)測模塊，針對(duì)獲得的單元體水流遷移規(guī)律及水質(zhì)成分變化分析，依據(jù)模型的物理化學(xué)模擬作用，綜合預(yù)測水流中氧含量及氮含量等物質(zhì)的遷移表現(xiàn)。

圖3 綜合水質(zhì)模型(WASP)河流網(wǎng)格概念圖

3 基于水質(zhì)模型的模擬系統(tǒng)軟件在河流水質(zhì)狀態(tài)分析中應(yīng)用

3.1 模型匹配性檢測

為了保證模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對(duì)綜合水質(zhì)模型(WASP)與該河流水質(zhì)狀態(tài)實(shí)際數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行檢測，確保模型適合于該河流研究。本文將以馬莊水庫及趙家莊污水處理廠兩斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型模擬系統(tǒng)軟件計(jì)算數(shù)據(jù)匹配性開展檢測，并以相對(duì)誤差為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式如式(3)所示：

(3)

式中:δ為相對(duì)誤差；N實(shí)測、N模擬分別為實(shí)測與模型模擬計(jì)算水質(zhì)數(shù)據(jù)。

圖4為綜合水質(zhì)模型(WASP)與實(shí)測數(shù)據(jù)氨氮含量、化學(xué)需氧量濃度對(duì)比圖。從圖中可看出，馬莊水庫斷面綜合水質(zhì)模型(WASP)與實(shí)測數(shù)據(jù)氨氮含量相對(duì)誤差出現(xiàn)在9月份，達(dá)14.56%，各月份相對(duì)誤差較均勻，平均誤差為5.21%；化學(xué)需氧量相對(duì)誤差最高值為13.78%，出現(xiàn)在7月份，平均誤差為7.29%，該斷面全年化學(xué)需氧量平均濃度監(jiān)測結(jié)果與模型模擬計(jì)算結(jié)果分別為44.17 mg/L、45.27 mg/L。趙家莊污水處理廠斷面氨氮含量及化學(xué)需氧量相對(duì)誤差最大分別為13.101%、5.05%，氨氮含量及化學(xué)需氧量最低誤差均集中在4—8月。

圖4 模擬計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比結(jié)果(氨氮含量與化學(xué)需氧量)

分析相對(duì)誤差產(chǎn)生的原因主要集中在模型僅在理想狀態(tài)下考慮河流水質(zhì)的物理及化學(xué)溶解氨氮含量，但在實(shí)際狀態(tài)下，河流水質(zhì)中其他微生物及魚類動(dòng)物均會(huì)在一定程度上影響氨氮含量，例如微生物的光合作用等效應(yīng)。另一方面，模型模擬兩斷面的流量計(jì)算參數(shù)為當(dāng)月的平均流量值，但采集到的濃度數(shù)據(jù)并不一定與平均流量值有關(guān)，與水流測試狀態(tài)有很大的關(guān)聯(lián)；同理，某時(shí)間段內(nèi)河流化學(xué)元素濃度還受天氣因素影響，短時(shí)暴雨會(huì)使某一個(gè)區(qū)間內(nèi)氨氮含量或化學(xué)需氧量增大，這在模型模擬計(jì)算結(jié)果中是無法準(zhǔn)確體現(xiàn)的，因而造成一定的相對(duì)誤差。綜合比較采集數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果，全年氨氮含量或化學(xué)需氧量基本一致，整體變化規(guī)律亦是如此，含量濃度隨時(shí)間變化波動(dòng)性在模型模擬計(jì)算結(jié)果中體現(xiàn)較佳，且相對(duì)誤差值亦均在允許范圍內(nèi)，故綜合水質(zhì)模型(WASP)與該河流水質(zhì)狀態(tài)匹配性較佳，用該模型分析評(píng)價(jià)水質(zhì)狀態(tài)是科學(xué)合理的。

3.2 模型模擬軟件計(jì)算結(jié)果分析

圖5為依據(jù)綜合水質(zhì)模型(WASP)計(jì)算獲得該河流水質(zhì)氨氮含量與化學(xué)需氧量時(shí)間變化曲線與空間變化曲線。從時(shí)間變化線上來看，該河流各斷面氨氮含量最高區(qū)間集中在11月、12月、1月及2月區(qū)間段內(nèi)，而在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)，又以趙家莊污水處理廠斷面為最高值。分析出現(xiàn)這種原因主要是由于11月—次年2月為華北平原降水量最少的季節(jié)，河流水源補(bǔ)給量少，氨氮含量無法稀釋，導(dǎo)致氨氮含量處于較高水平。從化學(xué)需氧量時(shí)間線變化特征來看，各個(gè)斷面在6—9月的化學(xué)需氧量均呈逐漸降低的態(tài)勢，每個(gè)斷面化學(xué)需氧量濃度最低值均出現(xiàn)在該時(shí)間段內(nèi)，蓮花口斷面9月化學(xué)需氧量濃度相比6月份下降了38%；流域內(nèi)雨季集中在每年的夏季，溫度上升，上游雪水融化較快，河流獲得較大的稀釋作用，因而河流化學(xué)需氧量濃度降低。在12月、1月份各區(qū)段內(nèi)化學(xué)需氧量達(dá)到較高水平，趙家莊污水處理廠斷面1月份化學(xué)需氧量濃度是8月份的1.1倍。由此可見，河流獲得較大的水源補(bǔ)給，能顯著降低水質(zhì)污染。

5個(gè)斷面分別對(duì)應(yīng)著河流的上游、中游(2個(gè))、下游區(qū)段(2個(gè))，從空間變化特征上來看，如圖5(f)所示，隨著河流由上游往下游發(fā)展，氨氮含量逐漸遞增，峰值濃度出現(xiàn)在趙家莊污水處理廠，并且在中下游仍保持有效高水平。另一方面，氨氮含量與城市發(fā)展緊密聯(lián)系，蓮花口段位于工業(yè)園區(qū)，其斷面監(jiān)測到氨氮含量相比較少人煙的南武監(jiān)測斷面高了1.2倍，工業(yè)產(chǎn)區(qū)及人流量活動(dòng)大的區(qū)域，河流常常被限制至較窄的河面，污染物相對(duì)排放集中，這對(duì)河流水質(zhì)中氨氮含量的增長具有明顯作用。河流水質(zhì)中化學(xué)需氧量整體特征是全年各月份沿著下游上升的態(tài)勢，但也有一個(gè)特殊降低節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在南武水庫，根據(jù)實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段內(nèi)河面有所加寬，且河兩岸有較多的植被覆蓋，這就保證了在該區(qū)段內(nèi)化學(xué)需氧量濃度全年均在30 mg/L以下。由此可見，化學(xué)需氧量的濃度受到河兩岸地質(zhì)條件及工業(yè)產(chǎn)區(qū)分布影響，要改善河流水質(zhì)狀態(tài)，必須考慮調(diào)整區(qū)域工業(yè)產(chǎn)區(qū)分布，設(shè)置生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)，鞏固水土保持率，減少兩岸坡對(duì)河流水質(zhì)二次污染影響，保證提升河流水質(zhì)狀態(tài)。

圖5 水質(zhì)模型模擬計(jì)算結(jié)果

3.3 參數(shù)敏感性分析

依據(jù)水質(zhì)模型中各個(gè)輸入?yún)?shù)變量，研究參數(shù)靈敏度特征，為分析評(píng)價(jià)河流水質(zhì)狀態(tài)提供重要依據(jù)，且為探討提升河流水質(zhì)狀態(tài)方向提供參考。本文水質(zhì)模型中以該河流流經(jīng)區(qū)域降雨量及趙家莊污水處理廠排水參數(shù)為模型模擬預(yù)測結(jié)果影響最大的兩參數(shù)，故而選取這兩參數(shù)作為研究對(duì)象。

3.3.1 降雨量

流經(jīng)區(qū)域雨季集中在7—8月，以7月為例，降雨量分別做一定程度提升，其他參數(shù)保持不變，得到不同程度降雨量下氨氮含量與化學(xué)需氧量濃度變化曲線(圖6)。

從圖6中可看出，當(dāng)降雨量提升度較小時(shí)，河流水質(zhì)中氨氮含量與化學(xué)需氧量變化并不明顯，只有當(dāng)降雨量提升幅度超過10%時(shí)，水質(zhì)中氨氮含量與化學(xué)需氧量顯著降低，且隨著降雨量愈大，濃度降低愈明顯：7月份提升幅度15%降雨量情況下，北蘇斷面氨氮含量僅有正常雨量下的75%。降雨量刺激了河流水質(zhì)中污染物濃度的降低，但不可忽視的是，在蓮花口斷面處，15%降雨增長量下的氨氮含量與化學(xué)需氧量濃度相比正常雨量下是增大了，兩者上漲幅度分別為45%、25%，筆者分析當(dāng)降雨量提升15%，達(dá)到91.6 mm，人類活動(dòng)區(qū)域降雨量超過一定程度時(shí)，會(huì)形成城市內(nèi)澇或其他洪澇災(zāi)害，此時(shí)地面上工業(yè)活動(dòng)及人生活垃圾等污染物會(huì)進(jìn)入河道，造成河流水質(zhì)逆向污染，呈現(xiàn)水質(zhì)污染成分濃度增高的局面。綜合降雨量對(duì)水質(zhì)狀態(tài)影響，降雨量一定程度上會(huì)提高水質(zhì)污染物的凈化，提升水質(zhì)清潔度，但豐水年降雨量超過一定程度時(shí)，降雨會(huì)帶來河流水質(zhì)二次污染。

圖6 降雨量敏感特征參數(shù)

3.3.2 趙家莊污水處理廠排水參數(shù)

圖7為趙家莊污水處理廠排水參數(shù)敏感性特征曲線。當(dāng)設(shè)定為排水流量一定下，改變排出水質(zhì)污染物的濃度，以提升污染物濃度5%、10%、15%開展分析。從整體變化特征來看，河流水質(zhì)狀態(tài)變化與污染物濃度并無顯著關(guān)聯(lián)性，排除水污染物濃度在一定程度上會(huì)被河流中水質(zhì)稀釋，而這種稀釋可能是排出水稀釋河水，亦可能是河流水質(zhì)稀釋排出水，故而關(guān)聯(lián)性并不顯著，僅僅在排出水初始斷面，即趙家莊污水處理廠監(jiān)測數(shù)據(jù)相比正常情況下要高，但隨著河流流動(dòng)，水質(zhì)狀態(tài)與正常排出水污染物濃度近乎一致。當(dāng)改變?yōu)榕欧潘|(zhì)污染物濃度一定，設(shè)定不同排水流量時(shí)(圖8)，隨著排出水流量的增大，各監(jiān)測斷面不論是氨氮含量，亦或是化學(xué)需氧量含量濃度，均有所降低，提高15%排水流量，河流水質(zhì)中化學(xué)需氧量含量濃度降低了24.8%。污水處理廠中排出水質(zhì)相比河流水質(zhì)清潔度更高，當(dāng)排水流量增大時(shí)，河流水質(zhì)污染成分被稀釋愈強(qiáng)，表明污水處理廠中排水量越多，河流水質(zhì)狀態(tài)較佳。

圖7 污水處理廠排水參數(shù)敏感性特征曲線(流量一定，污染物濃度改變)

圖8 污水處理廠排水參數(shù)敏感性特征曲線(濃度一定，排水量改變)

4 結(jié) 論

(1)以相對(duì)誤差作為評(píng)判依據(jù)，綜合水質(zhì)模型(WASP)模擬計(jì)算全年氨氮含量或化學(xué)需氧量與斷面實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致，且相對(duì)誤差值亦均在允許范圍內(nèi)，模型匹配性較佳。

(2)基于綜合水質(zhì)模型(WASP)分析了河流水質(zhì)在時(shí)間與空間上的狀態(tài)，獲得該河流水質(zhì)在水源補(bǔ)給量較少的月份中，污染物濃度較高，而6—9月河流水源補(bǔ)給量充足，水質(zhì)污染物濃度降低；河流水質(zhì)受河兩岸地質(zhì)條件及工業(yè)產(chǎn)區(qū)空間分布影響，工業(yè)產(chǎn)區(qū)及人流量活動(dòng)大的區(qū)域，水質(zhì)狀態(tài)不佳。

(3)對(duì)區(qū)域降雨量及趙家莊污水處理廠排水參數(shù)開展敏感性分析，研究獲得降雨量一定程度上會(huì)提高水質(zhì)污染物的凈化，提升水質(zhì)清潔度，但降雨量超過一定程度時(shí)，降雨會(huì)帶來河流水質(zhì)二次污染；污水處理廠中排出水質(zhì)污染物濃度與河流水質(zhì)狀態(tài)并無明顯關(guān)聯(lián)，但排出水量與河流水質(zhì)狀態(tài)成反比。