流域水环境污染模型及其应用研究综述

杨 杰

贵州中佳检测中心有限公司

流域水环境污染模型及其应用研究综述

杨 杰

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目前，中国的流域水环境整体状况已进入大范围生态退化和复合性环境污染的新阶段，污染负荷不断增加、污染治理进展艰难，水污染加剧的态势未能得到有效遏制，水环境质量随着社会经济快速发展而下降乃至突变的潜在危险依然存在，水资源与水环境质量仍然是制约与胁迫我国经济社会发展的重大瓶颈。因此，急需研究流域水环境系统分析模拟技术，特别是涉及社会、环境、生态等诸多因素的模型系统。基于此本文分析了流域水环境污染模型及其应用。

流域水环境；污染模型；应用

1 、研究意义

从流域尺度出发，系统认识流域水环境系统特征，研究各种污染形成机制，遵循流域水资源和水环境联合协调管理的理念，才能有效地抑制水污染恶化的趋势，实现流域水污染问题的根本解决。

流域水体污染演化过程的研究是当前水环境保护措施的重要依据。流域水污染过程涉及社会经济、污染排放、气候及水资源循环系统变化等诸多因素，其演化机理极为复杂。成熟的流域水环境模型可以描述流域范围内污染物随时间和空间迁移与转化规律，对其影响因素进行研究，还可以在科学的参数率定基础上，对水环境发展趋势进行预测。流域水环境模型可用于水环境模拟和评价，进行水质预报和预测，辅助制定污染物排放标准、水质规划以及辅助进行水域的水质管理等，是流域水环境规划、管理、研究的重要工具。因此，急需研究流域水环境系统分析模拟技术。

2 、流域水环境污染模型及其应用

2.1 污染负荷模型

2.1.1 GWLF(GeneralizedWatershedLoadingFunc-tions)

GWLF模型是由宾夕法尼亚州立大学的Haith和Shoemaker共同开发的半分布式、半经验式的流域负荷模型，主要以月步长的形式模拟流域内不同土地利用类型产生的径流量、土壤侵蚀量和氮磷营养盐负荷。模型将整个流域视为一个单一的单元，并不对流域进行空间划分，仅对所有土地利用地区的负荷量进行简单加和.GWLF模型采用SCS曲线方程对地表径流进行计算模拟.利用改进的USLE方程计算进入水体中的土壤侵蚀产生量.对于污染负荷模拟，GWLF模型将进入水体的污染物按形态分为溶解态污染物和颗粒态污染物.溶解态污染负荷来源包括点源、农村径流和地下水;颗粒态污染负荷来源包括农村径流和城市径流.GWLF采用负荷方程将溶解态和颗粒态污染物与流量联系起来。

GWLF模型能够利用地理信息系统技术(GIS)和遥感技术(RS)提供的空间数据，在中等尺度流域的范围内进行非点源污染负荷估算.GWLF对数据的要求比较低，只需要土地利用信息、土地覆盖、土壤、径流参数、土壤侵蚀和营养物负荷等。其相对SWAT等大型分布式流域模型具有空间数据要求少、参数量少、模拟过程相对简单等优点，且模型不需要校准，尽管水文校准已证明对具有监测数据时非常有用。

2.1.2 PLOAD

PLOAD模型是由美国CH2MHILL水资源工程小组开发的基于GIS的流域非点源污染负荷模型，主要在年尺度上分析流域非点源的负荷量情况[9].PLOAD模型所需的数据分为GIS数据(包括流域边界数据和土地利用类型数据)和表格形式的数据，输入的数据以文件的形式传递给模型进行计算.PLOAD能够计算各种污染物的负荷，包括总悬浮物(TSS)、溶解性总固体(TDS)、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、氮和磷等，计算负荷量时以不同土地利用类型进行分类统计计算。PLOAD模型具有众多优点使其在许多区域得到广泛应用。该模型计算方法简单、易于理解、操作简便，而且计算结果可视化效果好。

2.2 流域水环境污染物归趋模型

流域水环境污染物归趋模型主要分为稳态和动态模型，本文主要分析动态水流水质模型：

当水流为非恒定流动，不管输入是否随时间而变，系统内的物质量将随时间而变，这种模型叫动态模型。WASP模型是美国EPA推荐使用的水质模型，适于对河流、湖泊、河口、水库及海岸的水质进行模拟，对在不同环境污染决策系统中的常规污染物和有毒污染物造成的各种水质状况进行分析和预测。WASP7.3的基本方程是基于质量守恒基本原则建立的，其水质模块的基本方程是一个平移、扩散质量迁移方程，对于任一无限小的水体，水质指标的质量平衡式为。

式中，ux、uy、uz分别为x、y、z坐标的流速，m/s；Ex、Ey、Ez为三维扩散系数，m2/s；SL为点源或非点源负荷，正为源，负为流失，g/(m3·d)；SB为边界负荷，包括上游、下游、底泥以及大气沉降，g/(m3·d)。

最新建立模型WASP的使用包括以下4个步骤：1)河网模型概化；2)水动力研究、质量传输研究、水质转化研究和环境毒理学研究；3)研究水流和底质中的物质转化；4)研究污染物的影响。水质模型的研究经历了3个阶段。第一阶段地表水水质模型研究对象仅是水体水质本身，主要是简单的氧平衡模型和涉及一些非耗氧类物质，属于一维稳态模型。第二阶段研究了多维模拟、形态模拟、多介质模拟及动态模拟等特征模型，其主要特点是将河网水动力水质模型、湖泊水动力水质模型及底泥作用模型纳入水质模拟模型中，典型模型有一维动态模型LAKECO、WRMMS，动态水质模型WASP 等。第三阶段水质模型研究不断深化、完善并广泛应用[26]。地表水水质模型依据数学表达式和输入条件随时间的变化情况分类，不变的为稳态模型，变化的为动态模型。WASP水质模型具有3个方面的作用：描述水质现状，提供一般性水质预测和提供特定位置水质预测。将WASP模型应用于曲江池的水质模拟取得了较满意的结果，NH3-N、NO3-N、DO模拟值与实测值的平均误差在可接受范围内，表明WASP模型满足水质模拟的要求。结合城市人工景观水体的水污染状况，基于WASP模型建立了城市人工景观水体富营养模型，并对模型中的参数进行了率定和验证。结果表明该模型对景观水体的水质变化模拟具有较好的适用性，可以为水系的优化管理和远期规划提供切实有效的理论支持。

总之，综合应用流域水环境模型技术，基于环境数理与计算机模拟定量描述流域系统及内部污染发生、传输及转化过程，已成为国际上常用的有效解析污染源与管理决策支持工具，因此进一步加强对其的研究非常有必要。

[1]曹慧群，赵鑫.流域水环境数值模拟技术应用及研究展望[J].长江科学院院报，2015，06：20-24+31.

[2]杨寅群.流域水环境系统模型研究及其应用[D].武汉大学，2012.

[3]魏莱.流域水环境信息管理系统的研究[D].西南交通大学，2015.