基于QUAL2K模型的青海省北川河水质模拟研究

魏自辉，玮黎思

（1.江苏南大环保科技有限公司，江苏 南京 210046；2.吉林大学新能源与环境学院，吉林 长春 130012）

1 概述

水质模型又称为水质数学模型，是水体水质的变化规律的数学计算，用于水质的模拟和预测。根据污染物进入河流后在水动力作用下进行的沉降、扩散、稀释和降解过程与水文特点之间相互响应的规律，可以建立相应的数学、物理、化学及实验模型，小模型的有机组合可以构成水质模型，对河流水环境进行模拟、预测和评价，这样的功能使水质模型成为水环境整治管理的重要工具。

从最早开发的一维稳态S-P（Streeter-Phelps）模型到现在的各种各样纷繁复杂的水质模型，例如WASP、QUAL2K、MIKE模型等，水质模型的研究在这将近100年的时间里得到了充分的应用。

1970年到现今，水质模型从一维到更高维数不断地创新，数学模型与计算机技术得到了更好的结合，出现了大量可用的水质模型：一维的CE-QUAL-RIV1、二维的 CE-QUAL-W2及一、二、三维都可模拟的CE-QUAL-ICM模型。QUAL2K模型是由QUAL-I到QUAL-II，再到QUAL2E，最后到QUAL2K，经过了四个阶段的演化，可用于完全混合的树枝状河流系统及多个支流流入、流出以及多个排污口排入和取水口取水的情况下的模拟。

由于QUAL-2K模型具有的诸多优点，其在我国具有广泛的应用。例如，张丽进行苏子河水质模拟，水质模拟值与实测值的相对误差均在10%以内，相关性较好，QUAL2K模型可以在苏子河正常使用[1]。何绍福等人应用QUAL2K 模型对排污负荷进行调试，通过试错法得出福建沙溪沙县段河流的最大允许排放量，即水环境容量[2]；魏炜等人认为 QUAL2K模型可以准确模拟浑河流域水质变化情况，协助分析如何排放污染物、排放多少可以满足其水功能区划[3]；左悦通过建立模型预测沈阳市南运河水系的饮水工程情况，确定了为使南运河水质达到水功能要求标准，在枯水期应引入 III类地表水，而丰水期需引入IV类地表水[4]。

鉴于QUAL2K模型在国内应用的广泛程度，本文以青海省湟水流域北川河为案例，将应用QUAL2K建立北川河的水质模型，验证QUAL-2K模型在我国高纬度高海拔地区的应用可靠性。

以北川河为研究对象，基于QUAL2K进行河流水质模型的研究、校准和验证，主要研究内容包括以下四个方面：收集关于水质模型的文献、资料，总结对比国内外对于QUAL2K模型的应用的相似性和差异性；分析北川河的主要污染源及污染状况，其污染主要由沿岸的工业、农业、生活污水排水口排入的污水造成；研究QUAL2K模型所需参数与国内河流监测数据提供的参数之间的差异，根据经验方法或文献资料中的公式进行转换；根据北川河数据，构建水质模型，并比较模拟值与实际值的相关性，QUAL2K模型的参数指标进行率定、校准，见图1。

图1 技术路线图

2 方法

QUAL2K模型假设污染因子在河流主流向上主要为平流和弥散，而在横向和纵向上是完全均匀混合的[5]。模型的基本方程是一维平流-弥散物质迁移方程，该方程表征其纵向弥散、浓度稀释、水质组分本身的物理化学反应、污染因子间的相互反应外界对水质组分浓度的影响。对于任一种因子，其水质方程为：

式（1）中：C——污染物浓度（mg/L）；x——河流纵向坐标（m）；t——时间（s）；Ax——河流过水断面面积（m2）；DL——河流纵向离散系数（m2/s）；u——河流平均流速（m/s）；S——外部的源和汇（g/s）；V——单元的体积（m3）。

3 研究区概况

北川河是湟水的一级支流。北川河的桥头桥、新宁桥-大通、润泽桥和朝阳桥为主要监测断面，其中控制断面是朝阳桥，位于西宁市城北区。本文用于监测模拟的北川河河道为43 429公里，根据水力、水质参数和特性相同的河道为同一河段的特点和河段划分规律，可将北川河划分为7个河段；再根据将每个河段划分为等长的计算单元的要求，把北川河划分为12个单元，见图2。

图2 北川河水系图

4 结果与讨论

4.1 点源分布情况

河流可根据支流的入口和污染源的位置进行划分。北川河没有大型的出流口，因此都是入流点源，点源的流量及污染物排放状况会影响干流的水质状况，见表1。

表1 北川河点源污染排放位置

4.2 参数确定

根据北川河的实际情况，本文的曼宁系数取n=0.05。QUAL2K 模型要求用户输入各个河段的河床坡度S0、曼宁系数n、河道底宽B0和两侧的边坡ss1、ss2。河床坡度由河道上下游高程差与河段长度的来计算。北川河河段的相关水力参数见表2。

表2 北川河水力学参数

水质参数是QUAL2K模型中的一个关键参数，能否准确律动水质参数直接决定了河流水质模型在水质预测方面的准确性与精确性，决定了此水质模型是否实用。模拟的项目不同，则所需的水质参数也不同。本文根据青海省北川河的实际研究情况，选用BOD和NH3-N进行研究。本文根据以往实验的BOD和NH3-N的综合降解系数，根据水质的实测数据进行调整，反复在检验和调节参数的过程中循环，直至模拟结果与实测值的对比结果达到最稳定和理想的状态。

4.3 模拟结果

根据模型的要求，需要知道源头的设计流量、COD和氨氮的初始浓度以及水温、气温，因为本文主要选用2013年河流的水质实测值与模拟值的月值进行比较，因此，需将2013年每月的源头初始条件分别输入，再进行模型的验证。本研究利用监测数据，对每月的河流终点水质模拟结果进行验证，来检验实测值与参数的模拟值的相关性。用2013年月份数据监测资料对比。

通过表3和图3可以看出，CBOD模拟值与实测值的相对误差最小为1%，出现在9月，最大出现在1、2月，为16%，全年平均相对误差为11%。

表3 CBOD 模拟值与实测值对比

图3 CBOD模拟值与实测值对比图

通过表4和图4可以看出，氨氮的模拟值与实测值的相对误差最小出现在6 月和8月，为1%，最大出现在1月，为17%，全年平均相对误差为7%。CBOD 与NH3-N的相对误差均在20%以内，相关性较好，QUAL2K模型可以运用于北川河的水质模拟与预测。比较CBOD和氨氮的结果可知，水质模拟值与实测值的误差在枯水期较丰水期大，应与不同季节河流流量不同有关：流量大则水位深，河流断面更符合模型假设条件所要求的梯形形状，模拟的结果就更准确。另外，就图4的大致趋势来看，1月CBOD值较高，可能是流量较小的影响；5月CBOD趋于最高峰，除了流量较小外，温度上升导致水中复氧减弱，CBOD降解变慢，也会造成测量值较大的影响。氨氮的污染状况主要在5～6月达到了峰值，据推测，可能因为春夏季的降水导致地面径流冲刷，同时5～6月河岸的植被覆盖率较低，无法通过截留作用降低降水的氨氮浓度。

表4 氨氮模拟值与实测值对比

图4 氨氮模拟值与实测值对比图

5 结语

本文基于QUAL2K，建立了北川河的水质模型，为北川河流域的水环境安全管理提供服务。通过本次研究，总结出以下结论：（1）QUAL2K 模型模拟的结果较为准确地反映了北川河2013年逐月的水质状况，模拟值与实测值存在一定的误差，但在20%以内。因此可得出结论，QUAL2K模型可以运用于北川河水质状况的模拟，并可以为水质模型在中国北方河流的运用做出一定的推广。水质模型对于控制北川河河道污染、模拟和预测不同水文、水力条件下河流的情况并进行准确的水环境管理，具有非常重要的意义。（2）北川河的CBOD值在1月和5月最大，除了流量影响，温度的升高会导致CBOD降解速率的变化；氨氮的浓度在5月和6月达到高峰，降水造成的地表径流和植被较少导致无法截留的叠加影响是主要原因。但总体来看，模型模拟的折线趋势与实测值基本相同，说明模拟较为准确。

由于实验条件的限制和研究数据的缺乏，在本次论文的研究当中，对很多因素没有进行研究和探讨；除了BOD与氨氮以外，河流污染还有许多其它水质数据没有进行比较和验证，若完善这方面的数据，可以更好地预测北川河的水质状况。

本文已经确定QUAL2K模型可以较好地应用于北川河流水质的模拟，因此，可以通过模型做进一步的模拟，预测未来河流水质变化的相关条件，可以进行水环境容量、污染削减量等方面的研究，或者与其它软件结合提高模拟值的准确度，将为北川河的水环境规划与管理提供更加有效的帮助，通过进一步的完善，实现北川河流域环境、生态和经济增长方面的协调。