河南省典型污染河流水质模拟与分析

2017-03-16王潇磊邢梦林刘奕尧郑瑶娄亚敏

科技创新与应用 2017年5期

王潇磊　邢梦林　刘奕尧　郑瑶　娄亚敏

摘要：以河南省内典型污染河流贾鲁河、惠济河、卫河为研究对象，基于WASP模型对COD、氨氮、总磷进行水质模拟。研究发现，模拟值与实际值误差范围基本控制在±10%以内，并且模拟目标污染物的年内时空分布规律与变化趋势同实测值整体上是一致的，表明WASP模型对河南省内典型河流进行水质模拟具有较好的有效性和可行性。

关键词：河南省；典型河流；WASP模型；水质模拟

1 概述

水资源是支撑河南省社会经济可持续发展和美丽河南建设不可替代的基础性的自然资源和战略资源[1]，所以用水安全至关重要。作为水质预报和环境质量管理有效工具，水质模型在近年来取得了较大的进展[2]，在生产、教学、科研领域均起着重要的指导作用，已被应用于水污染治理及水环境保护规划中[3]。本研究以河南省内典型污染河流贾鲁河、惠济河、卫河为研究对象，基于WASP模型对COD、氨氮、总磷进行水质模拟，通过对比模拟值和实际值的相对误差，探讨模型的适用性和可行性。

2 模型分析

2.1 WASP模型建立

WASP水质分析模拟程序（Water Quality Analysis Simulation Program）是由美国环保局USEPA研发的新一代水质模型系统[4]，能够模拟和预测由于自然和人为污染引起的各种复杂水质状况，因其广泛的适用性所以被称作“万能水质模型”。建立WASP模型，首先要搜集三条河流相关的水文资料，如流量、流速、污染物排放量等数据，接着完成河网的概化和分段与参数的输入，在此基础上对COD、氨氮和总磷进行水质模拟，继而建立水质模型。在模型的运行过程中调整相关的水文参数，从而得到符合实际的水质模型。按此设计思路，我们建立WASP模型的技术路线（见图1）。

2.1.1 河网的概化和分段

在WASP软件中，段是表示针对水体进行物理结构上的划分，即将水体从网格或节段上进行单元划分。段是WASP模型正常运行需要输入的第一类也是最重要的参数，段决定了水动力模块构架的河流水动力框架。河网概化和分段的主要原则如下：在河流水文特征剧烈变化处；取水口或饮水口处；支流或排污汇口处；具备实测数据的典型断面处，如水文站点等；能够收集完整和全面的背景资料处。

2.1.2 水动力学参数的确定

水动力学参数主要用来确定河道的水力特性，它的计算在WASP模型中占有重要的地位，计算准确与否直接关系到模型的精度。本研究选取流速参数：a.流速指数；b.水深参数；c.水深指数；d.等4项指标为主要参数因子。

2.1.3 参数的设置

目前常用的设置有以下四种方法：

理论法：从机理的角度出发来推算参数值，但在机理不明的情况下大多数参数值的推算困难，且误差较大；

实验法：采取实验手段测算参数，但受到人力、物力、财力等各方面的限制；

经验法：主要是根据前人已有成果和资料，类比推求参数值；

模型校正法：将水文水质监测资料录入模型，通过运用经验公式、查阅文献资料、类比流域其他河段、参考模型使用手册参数范围等手段确定参数取值范围。

2.2 贾鲁河水质模拟

2.2.1 数据预处理

数据预处理主要是将收集到的水文、水质资料进行整理转化，将其变为可以直接输入WASP模型的数据，预处理的主要内容有：输入文件的建立、水体分段、参数设置、数据的有效性检查等。

（1）输入文件的建立。模型起始时间为2013年1月1日到2013年12月31日，模拟类型为富营养化EUTRO，方程求解方法為欧拉方程，数据库属性的具体设置可见图2。（2）河网的概化与分段。根据现有的水文资料和分段原则将贾鲁河共分为3段，分别为中牟陈桥、扶沟摆渡口和西华大王庄。计算每段的水体体积、各段的长度、宽度、深度等参数，然后根据软件的要求，逐项输入到Segment中。具体分段信息见图3。

（3）参数的设置。由于河流水质模拟涉及的参数较多，无法进行全面深入研究，因此，在本研究中，选用流量、特征污染物浓度作为参数。参数输入后，其率定方法采用试算法，具体操作过程是先将其他参数固定在用户设定的初始值，WASP模型只对某一个目标参数在其取值范围内反复测算，不断率定使模拟计算值与检测值相差最小时使系统最优。精确调整20℃时COD衰减速度系数Kd、20摄氏度时硝化速度系数K12，根据WASP用户手册中20°C时COD衰减速度系数Kd的取值范围0-5.6d-1为基础，通过计算可得到的COD衰减速度系数平均为0.216d-1。

（4）流量的输入。以2013年1月到2013年12月为周期，以中牟陈桥、扶沟摆渡口、西华大王庄3个水文站的流量监测数据为基础，对模型进行流量的输入。流量的输入界面可见图6。（5）入河污染物的输入。选取COD、氨氮和总磷3因子为参数指标。贾鲁河干流河道各段汇入的总污染量即为生活污水污染量和工业污水污染量的总和，在模型中分段将污染物总量输入，各支流污染物汇入同干流河道汇流的河段中。

2.2.2 模拟结果分析。WASP软件可以生成两种格式的图形，二维空间网格图和X/Y坐标折线图，可用折线的方式显示不同污染物在不同监测断面的模拟结果。以中牟陈桥段为例，其COD、氨氮、总磷模拟值和实测值的变化特征可见图4。从水质的模拟结果来看，贾鲁河中氨氮、COD和总磷含量在1-12月间无明显的变化规律，呈现出波动性的变化特征。

2.2.3 模型的验证

不同污染物在各段监测断面的误差统计见表1。研究发现，模拟值与实测值之间存在误差，但误差范围基本控制在11%以内，并且模拟目标污染物的年内时空分布规律与变化趋势同实测值整体上是一致的，因此表明WASP模型对贾鲁河干流进行水质模拟的适用性，并且具有较好的有效性和可行性。

分析误差产生的原因有：（1）常规污染的模拟，尤其是氨氮，不只是单纯的物理性沉淀溶解，还有浮游生物、溶解氧、光照、三氮转化等因素参与到化学平衡中。由于系统较为复杂，实测数据项目的不足，本研究部分化学反应被忽略，因此模拟结果具有一定的误差。（2）本研究流量变化变化采用月均输入、污染物采用年均量计算获得月均污染量，这与实际污染物汇入有较大差别。（3）部分流量数据有缺失。

2.3 惠济河水质模拟

惠济河是淮河的二级支流，发源于开封市黄河口，属于季节性河流[5]。采用同样方法对惠济河进行水质模拟，以开封太平岗桥为例，其COD、氨氮、总磷模拟值和实测值的变化特征可见图5。

从水质的模拟结果来看，惠济河中氨氮、COD和总磷含量在1-12月间无明显的变化规律，呈现出波动性的变化特征。将WASP模型模拟出的水质数据与收集到的监测断面2014年实测数据进行对比，计算实测值与模拟值的相对误差。

不同污染物在各段监测断面的误差统计见表2。研究发现，模拟值与实测值之间存在误差，但误差范围基本控制在30%以内，并且模拟目标污染物的年内时空分布规律与变化趋势同实测值整体上是一致的，因此表明WASP模型对惠济河干流進行水质模拟的适用性，并且具有较好的有效性和可行性。

2.4 卫河水质模拟

卫河是河南省海河流域最大的河流，流经焦作、新乡、鹤壁、安阳和濮阳[6]，河南省境以上河长达286km，对卫河进行水质模拟，以修武段为例，其COD、氨氮、总磷模拟值的变化特征可见图6。

从水质的模拟结果来看，卫河中氨氮、COD和总磷含量在1-12月间无明显的变化规律，呈现出波动性的变化特征。将WASP模型模拟出的水质数据与收集到的监测断面2013年实测数据进行对比，计算实测值与模拟值的相对误差。不同污染物在各段监测断面的误差统计见表3。研究发现，模拟值与实测值之间存在误差，但误差范围基本控制在10%以内，并且模拟目标污染物的年内时空分布规律与变化趋势同实测值整体上是一致的，因此表明WASP模型对卫河干流进行水质模拟的适用性，并且具有较好的有效性和可行性。

3 结束语

通过上述研究，得出如下结论性认识：（1）将WASP水质模型应用于贾鲁河、惠济河和卫河流域，对三条河流COD、氨氮和总磷进行水质模拟研究。从水质的模拟结果来看，贾鲁河、惠济河和卫河中氨氮、COD和总磷含量在1-12月间无明显的变化规律，呈现出波动性的变化特征。（2）虽然受实测数据局限性的影响，模拟计算值和实测值存在一定的误差，但模拟目标污染物在时空分布规律上与实测值均有较好的一致性。本研究通过对已有数据的模拟分析，得到了相对合理的计算结果，因此，确定WASP模型适用于贾鲁河、惠济河和卫河的水质模拟。

参考文献

[1]周凯，张毅川，王智芳，等.河南省水环境质量评价[J].生态环境学报，2015，24（10）：1676-1681.

[2]基于水质模型的污染监控预警和应急管理研究[J].北方环境，

2013，29（5）：53-58.

[3]阮丽丽.水环境预测模型的开发及应用研究[J].2012.

[4]唐大元.WASP水质模型国内外应用研究进展[J].安徽农业科学，2011，39（34）：21265-21267.

[5]田景环，邱林，柴福鑫.惠济河水质管理信息系统的研制[J].中国环境监测，2005，21（3）：6-9.

[6]郑保华，曹宏斌.河南省卫河流域引黄退水退沙成因分析及建议[J].河南水利与南水北调，2010（7）：51-52.

作者简介：王潇磊（1980-），男，工程师，主要从事环境监测工作。