基于QUAL2K模型的青海省北川河水質(zhì)模擬研究

魏自輝，瑋黎思

（1.江蘇南大環(huán)?？萍加邢薰荆K 南京 210046；2.吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

1 概述

水質(zhì)模型又稱為水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，是水體水質(zhì)的變化規(guī)律的數(shù)學(xué)計(jì)算，用于水質(zhì)的模擬和預(yù)測(cè)。根據(jù)污染物進(jìn)入河流后在水動(dòng)力作用下進(jìn)行的沉降、擴(kuò)散、稀釋和降解過(guò)程與水文特點(diǎn)之間相互響應(yīng)的規(guī)律，可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，小模型的有機(jī)組合可以構(gòu)成水質(zhì)模型，對(duì)河流水環(huán)境進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，這樣的功能使水質(zhì)模型成為水環(huán)境整治管理的重要工具。

從最早開(kāi)發(fā)的一維穩(wěn)態(tài)S-P（Streeter-Phelps）模型到現(xiàn)在的各種各樣紛繁復(fù)雜的水質(zhì)模型，例如WASP、QUAL2K、MIKE模型等，水質(zhì)模型的研究在這將近100年的時(shí)間里得到了充分的應(yīng)用。

1970年到現(xiàn)今，水質(zhì)模型從一維到更高維數(shù)不斷地創(chuàng)新，數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了更好的結(jié)合，出現(xiàn)了大量可用的水質(zhì)模型：一維的CE-QUAL-RIV1、二維的 CE-QUAL-W2及一、二、三維都可模擬的CE-QUAL-ICM模型。QUAL2K模型是由QUAL-I到QUAL-II，再到QUAL2E，最后到QUAL2K，經(jīng)過(guò)了四個(gè)階段的演化，可用于完全混合的樹(shù)枝狀河流系統(tǒng)及多個(gè)支流流入、流出以及多個(gè)排污口排入和取水口取水的情況下的模擬。

由于QUAL-2K模型具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，其在我國(guó)具有廣泛的應(yīng)用。例如，張麗進(jìn)行蘇子河水質(zhì)模擬，水質(zhì)模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)，相關(guān)性較好，QUAL2K模型可以在蘇子河正常使用[1]。何紹福等人應(yīng)用QUAL2K 模型對(duì)排污負(fù)荷進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)試錯(cuò)法得出福建沙溪沙縣段河流的最大允許排放量，即水環(huán)境容量[2]；魏煒等人認(rèn)為 QUAL2K模型可以準(zhǔn)確模擬渾河流域水質(zhì)變化情況，協(xié)助分析如何排放污染物、排放多少可以滿足其水功能區(qū)劃[3]；左悅通過(guò)建立模型預(yù)測(cè)沈陽(yáng)市南運(yùn)河水系的飲水工程情況，確定了為使南運(yùn)河水質(zhì)達(dá)到水功能要求標(biāo)準(zhǔn)，在枯水期應(yīng)引入 III類地表水，而豐水期需引入IV類地表水[4]。

鑒于QUAL2K模型在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的廣泛程度，本文以青海省湟水流域北川河為案例，將應(yīng)用QUAL2K建立北川河的水質(zhì)模型，驗(yàn)證QUAL-2K模型在我國(guó)高緯度高海拔地區(qū)的應(yīng)用可靠性。

以北川河為研究對(duì)象，基于QUAL2K進(jìn)行河流水質(zhì)模型的研究、校準(zhǔn)和驗(yàn)證，主要研究?jī)?nèi)容包括以下四個(gè)方面：收集關(guān)于水質(zhì)模型的文獻(xiàn)、資料，總結(jié)對(duì)比國(guó)內(nèi)外對(duì)于QUAL2K模型的應(yīng)用的相似性和差異性；分析北川河的主要污染源及污染狀況，其污染主要由沿岸的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水排水口排入的污水造成；研究QUAL2K模型所需參數(shù)與國(guó)內(nèi)河流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供的參數(shù)之間的差異，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法或文獻(xiàn)資料中的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換；根據(jù)北川河數(shù)據(jù)，構(gòu)建水質(zhì)模型，并比較模擬值與實(shí)際值的相關(guān)性，QUAL2K模型的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行率定、校準(zhǔn)，見(jiàn)圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

2 方法

QUAL2K模型假設(shè)污染因子在河流主流向上主要為平流和彌散，而在橫向和縱向上是完全均勻混合的[5]。模型的基本方程是一維平流-彌散物質(zhì)遷移方程，該方程表征其縱向彌散、濃度稀釋、水質(zhì)組分本身的物理化學(xué)反應(yīng)、污染因子間的相互反應(yīng)外界對(duì)水質(zhì)組分濃度的影響。對(duì)于任一種因子，其水質(zhì)方程為：

式（1）中：C——污染物濃度（mg/L）；x——河流縱向坐標(biāo)（m）；t——時(shí)間（s）；Ax——河流過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）；DL——河流縱向離散系數(shù)（m2/s）；u——河流平均流速（m/s）；S——外部的源和匯（g/s）；V——單元的體積（m3）。

3 研究區(qū)概況

北川河是湟水的一級(jí)支流。北川河的橋頭橋、新寧橋-大通、潤(rùn)澤橋和朝陽(yáng)橋?yàn)橹饕O(jiān)測(cè)斷面，其中控制斷面是朝陽(yáng)橋，位于西寧市城北區(qū)。本文用于監(jiān)測(cè)模擬的北川河河道為43 429公里，根據(jù)水力、水質(zhì)參數(shù)和特性相同的河道為同一河段的特點(diǎn)和河段劃分規(guī)律，可將北川河劃分為7個(gè)河段；再根據(jù)將每個(gè)河段劃分為等長(zhǎng)的計(jì)算單元的要求，把北川河劃分為12個(gè)單元，見(jiàn)圖2。

圖2 北川河水系圖

4 結(jié)果與討論

4.1 點(diǎn)源分布情況

河流可根據(jù)支流的入口和污染源的位置進(jìn)行劃分。北川河沒(méi)有大型的出流口，因此都是入流點(diǎn)源，點(diǎn)源的流量及污染物排放狀況會(huì)影響干流的水質(zhì)狀況，見(jiàn)表1。

表1 北川河點(diǎn)源污染排放位置

4.2 參數(shù)確定

根據(jù)北川河的實(shí)際情況，本文的曼寧系數(shù)取n=0.05。QUAL2K 模型要求用戶輸入各個(gè)河段的河床坡度S0、曼寧系數(shù)n、河道底寬B0和兩側(cè)的邊坡ss1、ss2。河床坡度由河道上下游高程差與河段長(zhǎng)度的來(lái)計(jì)算。北川河河段的相關(guān)水力參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 北川河水力學(xué)參數(shù)

水質(zhì)參數(shù)是QUAL2K模型中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，能否準(zhǔn)確律動(dòng)水質(zhì)參數(shù)直接決定了河流水質(zhì)模型在水質(zhì)預(yù)測(cè)方面的準(zhǔn)確性與精確性，決定了此水質(zhì)模型是否實(shí)用。模擬的項(xiàng)目不同，則所需的水質(zhì)參數(shù)也不同。本文根據(jù)青海省北川河的實(shí)際研究情況，選用BOD和NH3-N進(jìn)行研究。本文根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)的BOD和NH3-N的綜合降解系數(shù)，根據(jù)水質(zhì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)在檢驗(yàn)和調(diào)節(jié)參數(shù)的過(guò)程中循環(huán)，直至模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果達(dá)到最穩(wěn)定和理想的狀態(tài)。

4.3 模擬結(jié)果

根據(jù)模型的要求，需要知道源頭的設(shè)計(jì)流量、COD和氨氮的初始濃度以及水溫、氣溫，因?yàn)楸疚闹饕x用2013年河流的水質(zhì)實(shí)測(cè)值與模擬值的月值進(jìn)行比較，因此，需將2013年每月的源頭初始條件分別輸入，再進(jìn)行模型的驗(yàn)證。本研究利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)每月的河流終點(diǎn)水質(zhì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，來(lái)檢驗(yàn)實(shí)測(cè)值與參數(shù)的模擬值的相關(guān)性。用2013年月份數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)資料對(duì)比。

通過(guò)表3和圖3可以看出，CBOD模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差最小為1%，出現(xiàn)在9月，最大出現(xiàn)在1、2月，為16%，全年平均相對(duì)誤差為11%。

表3 CBOD 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖3 CBOD模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

通過(guò)表4和圖4可以看出，氨氮的模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差最小出現(xiàn)在6 月和8月，為1%，最大出現(xiàn)在1月，為17%，全年平均相對(duì)誤差為7%。CBOD 與NH3-N的相對(duì)誤差均在20%以內(nèi)，相關(guān)性較好，QUAL2K模型可以運(yùn)用于北川河的水質(zhì)模擬與預(yù)測(cè)。比較CBOD和氨氮的結(jié)果可知，水質(zhì)模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差在枯水期較豐水期大，應(yīng)與不同季節(jié)河流流量不同有關(guān)：流量大則水位深，河流斷面更符合模型假設(shè)條件所要求的梯形形狀，模擬的結(jié)果就更準(zhǔn)確。另外，就圖4的大致趨勢(shì)來(lái)看，1月CBOD值較高，可能是流量較小的影響；5月CBOD趨于最高峰，除了流量較小外，溫度上升導(dǎo)致水中復(fù)氧減弱，CBOD降解變慢，也會(huì)造成測(cè)量值較大的影響。氨氮的污染狀況主要在5～6月達(dá)到了峰值，據(jù)推測(cè)，可能因?yàn)榇合募镜慕邓畬?dǎo)致地面徑流沖刷，同時(shí)5～6月河岸的植被覆蓋率較低，無(wú)法通過(guò)截留作用降低降水的氨氮濃度。

表4 氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖4 氨氮模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于QUAL2K，建立了北川河的水質(zhì)模型，為北川河流域的水環(huán)境安全管理提供服務(wù)。通過(guò)本次研究，總結(jié)出以下結(jié)論：（1）QUAL2K 模型模擬的結(jié)果較為準(zhǔn)確地反映了北川河2013年逐月的水質(zhì)狀況，模擬值與實(shí)測(cè)值存在一定的誤差，但在20%以內(nèi)。因此可得出結(jié)論，QUAL2K模型可以運(yùn)用于北川河水質(zhì)狀況的模擬，并可以為水質(zhì)模型在中國(guó)北方河流的運(yùn)用做出一定的推廣。水質(zhì)模型對(duì)于控制北川河河道污染、模擬和預(yù)測(cè)不同水文、水力條件下河流的情況并進(jìn)行準(zhǔn)確的水環(huán)境管理，具有非常重要的意義。（2）北川河的CBOD值在1月和5月最大，除了流量影響，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致CBOD降解速率的變化；氨氮的濃度在5月和6月達(dá)到高峰，降水造成的地表徑流和植被較少導(dǎo)致無(wú)法截留的疊加影響是主要原因。但總體來(lái)看，模型模擬的折線趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值基本相同，說(shuō)明模擬較為準(zhǔn)確。

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制和研究數(shù)據(jù)的缺乏，在本次論文的研究當(dāng)中，對(duì)很多因素沒(méi)有進(jìn)行研究和探討；除了BOD與氨氮以外，河流污染還有許多其它水質(zhì)數(shù)據(jù)沒(méi)有進(jìn)行比較和驗(yàn)證，若完善這方面的數(shù)據(jù)，可以更好地預(yù)測(cè)北川河的水質(zhì)狀況。

本文已經(jīng)確定QUAL2K模型可以較好地應(yīng)用于北川河流水質(zhì)的模擬，因此，可以通過(guò)模型做進(jìn)一步的模擬，預(yù)測(cè)未來(lái)河流水質(zhì)變化的相關(guān)條件，可以進(jìn)行水環(huán)境容量、污染削減量等方面的研究，或者與其它軟件結(jié)合提高模擬值的準(zhǔn)確度，將為北川河的水環(huán)境規(guī)劃與管理提供更加有效的幫助，通過(guò)進(jìn)一步的完善，實(shí)現(xiàn)北川河流域環(huán)境、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方面的協(xié)調(diào)。