基于WASP水质模型的汉江中下游调水前后水质模拟研究

柯 晶，李 晔，袁 江，李 昂，李松炳，古 琴

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070;2.湖北省环境科学研究院，湖北武汉430072)

汉江中下游流域是湖北省资源要素最为密集的地区之一，随着国家南水北调中线工程以及梯级电站开发项目的实施，流域生态环境将变得更加脆弱，汉江水质恶化的风险大大提高。目前，针对梯级电站开发及南水北调中线调水对汉江中下游水环境影响的研究较多，但针对该流域调水后的污染物排放负荷与水质响应关系的研究未见报道。因此，开展调水前后汉江中下游水体水质变化趋势与水质模拟分析与预测，根据模拟结果追溯其污染原因，对于控制该流域水体污染及生态环境安全风险控制具有重要意义。

流域水质模型是表达流域范围内污染物随时间和空间迁移与转化规律的数学关系方程。建立了流域污染物排放负荷与水质的响应关系，还可以在科学的参数率定基础上，对水质发展趋势进行预测［1］。笔者根据汉江中下游的水动力特性、水文、污染物负荷资料及水质监测资料，应用WASP7.3模型对梯级电站开发及南水北调中线调水前汉江中下游的水质进行模拟，并与实测数据对比分析模型的适用性，分析了主要污染物(高锰酸盐指数、氨氮)的时空分布和变化特征，并预测梯级电站开发及南水北调中线调水后的水质变化趋势，为汉江中下游流域水环境质量的改善及流域水生态保护提供理论依据。

1 流域概况

汉江中下游流域位于111°～115°E，30°～33°N。从汉江丹江口以下到汉江河口段，河长652 km，集水面积约为6.4万km2。沿途主要包括18个县市(区)，其中位于干流沿岸有13个，包括丹江口市、老河口市、谷城县、襄阳市、襄州区、宜城市、钟祥市、沙洋县、潜江市、天门市、仙桃市、汉川市和武汉市［2］。汉江中下游流域地势西北高、东南低，有山地、丘陵、平原、湿地等多种地貌。丹江口大坝段～汉江襄阳段长162 km;襄阳段～钟祥旧口段长170 km;钟祥旧口段～武汉段长320 km［3］。汉江中下游流域位于亚热带季风气候区，冬季受到蒙古高气压的影响，夏季受来自于太平洋高气压的影响，四季分明，光热充足，雨热同季。

2 WASP水质模型概述

2.1 简介 WASP(The water quality analysis simulation program)模型是应用最广泛的水质模型之一，最早由美国环保局开发出来，能够应用于自然或人为污染造成的各种不同水环境中，如地表河流、湖泊和水库、河口及海岸等［4］，同时还被称为万能水质模型。WASP7.3模型是由两个独立的可连接运行、也可分开执行的DYNHYD5和WASP7.3计算机程序组成的。其中，DYNHYD5是水动力程序，WASP7.3是水质模拟程序，水质模拟程序能够与其他水动力程序连接运行，还可单独运行［5－7］。WASP7.3 水质模拟程序由两个子程序组成:富营养化模型EUTRO和有毒化学物模型TOXI。EUTRO可模拟和预测BOD、富营养化、DO等物质在河流中的迁移转化过程。TOXI模块可对溶解态和吸附态物质在水体中的迁移转化情况进行模拟和预测［8－10］。

2.2 原理 WASP水质模块的基本方程是一个平移-扩散质量迁移方程，它能描述任一水质指标的时空变化。对于任一无限小的水体，污染物的质量平衡式为:

式中，Ux、Uy、Uz为水体 3个方向的流速，m/s;Ex、Ey、Ez为水体3个方向的扩散系数，m2/s;C为污染物浓度，mg/L;SL为点源和非点源污染，g/(m3·d);SB为边界污染物浓度，g/(m3·d);SK为动力转换项，g/(m3·d)。

3 汉江中下游流域水质模拟与分析

3.1 河流概化与分段 对汉江干流水质进行模拟之前，必须把汉江干流河道概化，对河道进行分段。综合考虑汉江水文条件与特点、汉江湖北段监测断面、支流汇入、取水口与排污口等设置状况，将汉江中下游干流分为65段。

3.2 污染负荷 以2012年汉江各河段的污染负荷作为模型验证和预测的污染负荷(表1和2)。

表1 2012年汉江干流行政区点源污染负荷汇总

表2 2012年汉江干流行政区非点源污染负荷汇总

3.3 流量 模型计算中，要对各段的边界流量和河道的起始流量进行输入，并在各段加入各河段内汇入支流的流量。经综合考虑，在收集资料不完整的情况下，现使用沿河各水文站(黄家港、襄阳、皇庄、沙洋、仙桃)的多年平均流量作为模型计算中的入河流量;南水北调工程实施后，各水文站的流量变化值作为预测模型中的入河流量。

3.4 参数确定 WASP水质模型需率定的重要参数有:20℃时硝化速度系数k12、20℃时高锰酸盐指数衰减速度系数kc。参照汉江中下游水质模拟已有的研究成果和WASP用户使用手册，经过率定核算直到校验结果满意为止，最后确定参数如下:20℃时硝化速度系数k12=0.1 d－1，20℃时高锰酸盐指数衰减速度系数kc=0.25 d－1。另外，20℃下硝化速率的温度系数取值为1.07;硝化的氧气限制半饱和系数取值为2。

3.5 模型验证 为检验所选用水质模型在该研究中的实用性和可靠性，采用以现状多年平均的水文条件作为水动力过程边界条件，以沈湾监测断面水质作为水质模型的上边界条件，以表1和2中污染源污染负荷作为点源和面源污染入汇的污染负荷。采用所选用模型对2012年汉江中下游15个水质监测断面的高锰酸盐指数(CODMn)和氨氮浓度进行模型验证。由图1和2可知，高锰酸盐指数和氨氮浓度模拟值与监测值的拟合度结果均较好。高锰酸盐指数的模拟值与实测值相对误差都小于20%，平均误差为16.7%;氨氮浓度模拟值与实测值的相对误差都小于25%，平均误差为21.5%。可见，该模型能够较好地模拟汉江水质的变化趋势，选用该模型对汉江中下游干流河道进行水质模拟计算及预测。

3.6 梯级电站开发及调水后水质预测 根据南水北调之后的预测流量等水文参数，采用河流一维水质模型，模拟汉江中下游干流沿程水质分布，预测中线调水工程对汉江中下游水环境的影响。对调水前后不同污染负荷通过一维模型计算得出预测结果。Ⅱ类水质标准中高锰酸盐指数为4 mg/L，氨氮浓度为0.5 mg/L;Ⅲ类水质标准中高锰酸盐指数为6 mg/L，氨氮浓度为1 mg/L。

由图3a和图4a可知，调水前枯水期，汉江中下游水质达Ⅱ类水质标准;调水后汉江干流中下游各段河道水质中常规污染物高锰酸盐指数上升5.7% ～27.7%，氨氮浓度升高14.5% ～33.1%。在襄樊、沙洋、武汉段会出现Ⅲ类水体。由图3b和图4b可知，调水前平水期，汉江中下游水质基本达Ⅱ类水质标准;调水后汉江干流中下游各段河道水质中常规污染物高锰酸盐指数上升4.4% ～24.7%，氨氮浓度升高13.0% ～29.2%。在襄樊、沙洋、武汉段高锰酸盐指数会超过Ⅱ类水质标准，氨氮浓度也有超过Ⅱ类水质标准的趋势。由图3c和图4c可知，调水前丰水期，汉江中下游水质基本达Ⅱ类水质标准;调水后汉江干流中下游各段河道水质中常规污染物高锰酸盐指数上升3.1% ～24.7%，氨氮浓度升高9.2% ～25.7%，但基本达到Ⅱ类水质标准。

汉江流域的水文季节变化较为鲜明，枯水期和丰水期的水文数据相差很大。综合分析不同时期的水质变化，不难看出调水对枯水期水质影响明显，而在平水期和丰水期干流的水质情况良好。南水北调中线工程及梯级开发使得大量河水被拦截，使得原本水量最少的枯水期的流量急剧减少，同时流速也变小，导致污染物迁移转化作用减弱，这些均是导致水质恶化的重要原因。因此，为了使南水北调和梯级电站开发后汉江水质不受影响，必须加大污染物排放治理力度，减少污染物入河负荷十分必要。

根据汉江中下游流域社会经济发展的实际情况，调查统计2012年的污染源数据。结果显示，汉江流域污染物排放最大的是襄阳市和荆门市。虽然调查显示大部分的企业、工业园区均设有污水处理设施，对于污染严重的企业，经处理后的废水和污染物排放量仍然较大，还在继续污染受纳水体。值得注意的是，襄阳、荆门地区配套城市管网设施不够完善，仍有部分生活污水未经处理直接排入地表水体。汉江中下游流域污染非点源污染源中，农村生活污染源中COD与氨氮的入河量占非点源污染源入河量的50%以上，以农业人口相对来说较多的枣阳、天门和仙桃等地区的农村生活污水产生量为最大。

4 结语

(1)根据汉江中下游水流特性和水质特点，运用WASP模型进行水质模拟。结果表明，高锰酸盐指数的模拟值与实测值相对误差都小于20%，平均误差为16.7%;氨氮浓度的模拟值与实测值的相对误差都小于25%，平均误差为21.5%，满足水质模拟的精度要求。

(2)调水前，汉江中下游水质基本达Ⅱ类水质标准;调水后，该流域各段河道水质中CODMn、氨氮浓度都有所升高，在枯水期的部分河段，如沙洋段水质会出现超标现象，武汉段和襄阳段出现水质超标的风险很大。根据预测结果，当地环保部门应加强对汉江流域水环境的保护，采取相应措施，如严格控制流域污染排放总量，完善流域配套城市管网设施建设，加强规模化畜禽养殖污染防治工作等，以遏制汉江中下游流域水污染趋势。

(3)基于WASP7.3水质模型的排污河水质模拟结果较满意，能够为汉江中下游流域水质预报和预测，污染物排放标准、水质规划的制定，以及水域水质的管理提供一定的理论依据。

［1］郝芳华，李春晖，赵彦伟.流域水质模型与模拟［M］.北京:北京师范大学出版社，2008.

［2］张孝军，胡家庆，封光寅，等.汉江中游洪水特性分析［J］.长江工程职业技术学院学报，2004，21(3):6 －7，43.

［3］管光明，陈士金，饶光辉.汉江流域规划［J］.湖北水利发电，2006(3):9－12.

［4］李云生，刘伟江，吴悦颖，等.美国水质模型研究进展综述［J］.水利水电技术，2006，37(2):68 －73.

［5］廖振良.WASP －5 系统及其述评［J］.上海环境科学，2001，20(1):3 －6.

［6］陈美丹，姚琪，徐爱兰.WASP水质模型及其研究进展［J］.水利科技与经济，2006，12(7):420 －422.

［7］赵蜀汉，徐汉光.曼宁公式应用于水体纳污能力设计参数计算的探讨［J］.水利水电快报，2002，23(19):24 －26.

［8］张荔，孙程，林金辉，等.WASP6水质模型在渭河流域水环境容量解析中的应用［J］.水资源与水工程学报，2006，17(6):12 －14.

［9］TIM A W，ROBERT B A，JAMES L M，et al.Water Quality Analysis Simulation Program(WASP)Version6.0 DRAFT:User’s Manual［Z］.Atlanta:US Environmental Protection Agency，MS Tetre Tech，2001:1 －130.

［10］杨家宽，肖波，刘年丰，等.WASP6水质模型应用于汉江襄樊段水质模拟研究［J］.水资源保护，2005，21(4):8－10.