基于QUAL2K模型的鶴壁衛(wèi)河水質(zhì)模擬預(yù)警研究

張亞麗，王藝銘，史淑娟，翟曉藝，姚志鵬

1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南省高校農(nóng)業(yè)資源利用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002 2.河南省環(huán)境監(jiān)測中心，河南 鄭州 450004 3.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

隨著水環(huán)境保護和污染治理強度的持續(xù)加大，水質(zhì)預(yù)報預(yù)警已經(jīng)成為當代水環(huán)境管理的重要內(nèi)容和技術(shù)手段，對于降低水質(zhì)污染程度、減小水污染損失和改善水質(zhì)具有重要意義。水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)是以水質(zhì)預(yù)警方法為基礎(chǔ)建立的系統(tǒng)，是一個集監(jiān)測、計算、模擬和管理為一體的系統(tǒng)[1]。其原理就是在水質(zhì)監(jiān)測與評價、模擬預(yù)測或者生物活性等分析的基礎(chǔ)上，分析警情存在的可能性，根據(jù)預(yù)報警度及污染源的分析，提出對應(yīng)的解決方案來削減警患，主要包括選取預(yù)警指標、劃定預(yù)警等級及各等級警限、確定警情及后期針對警情的解決方案等[2-3]。國外的水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)研究起步較早且已較為成熟，如美國在俄亥俄河及密西西比河、英國在特棱特河和泰恩河等、法國在塞納河、德國和奧地利等國在多瑙河均建立了較完善的在線監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)[4-6]。在我國，隨著幾次特大水污染事件的發(fā)生，重要流域的水質(zhì)預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)也逐步得到了重視和積極探索，如馬中雨等[7]研究了不同類型環(huán)境污染物(渾濁度、石油類、亞硝酸鹽、苯、砷化物、錳等)條件下斑馬魚的活性及在線系統(tǒng)報警特征；王巍巍等[8]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水庫藻類預(yù)警模型。利用水質(zhì)模型進行水質(zhì)預(yù)測是水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)的核心之一，如胡琳等[9]利用MIKE11模型在東苕溪水源地進行水質(zhì)預(yù)警及保護研究；李林子等[10]基于EFDC和WASP模型，建立了南京化工園突發(fā)水污染事故影響的預(yù)測模型，并以龍翔甲苯罐區(qū)泄漏為例進行了事故情景模擬。QUAL2K水質(zhì)模擬模型靈活且功能齊全，對數(shù)據(jù)資料的要求不高，近年來被廣泛應(yīng)用于混合較好的樹枝狀中小河流[11-14]。因此，本文提出了一套基于QUAL2K模型的河流水質(zhì)預(yù)報預(yù)警方法，選取海河流域鶴壁衛(wèi)河作為實證研究，以期為減少流域水污染損失和改善河流水質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

鶴壁衛(wèi)河發(fā)源于山西境內(nèi)的太行山南麓，是中國海河水系南運河的支流，自新鄉(xiāng)合河鎮(zhèn)算起在鶴壁范圍內(nèi)河流全長399 km，是海河流域在河南省范圍內(nèi)最大的河流，是 “十二五”《重點流域水污染防治規(guī)劃(2011—2015年)》規(guī)定的水污染重點整治區(qū)。根據(jù)鶴壁市環(huán)境質(zhì)量公報，鶴壁衛(wèi)河從2009年至2013年連續(xù)5年水質(zhì)級別為重度污染，廢水污染物主要來自于工業(yè)和城鎮(zhèn)生活廢水，特別是工業(yè)廢水。2011—2013年主要污染物的排放總量都表現(xiàn)為逐年下降的趨勢，工業(yè)污水排放量也下降了近40.6萬t，鶴壁河流污染源總量控制取得了一定成效。但水質(zhì)并沒有明顯好轉(zhuǎn)，水質(zhì)污染問題依然突出。為提高水質(zhì)模擬的精度和便于模型參數(shù)的率定，在河段選取時盡可能保證河段較為順直，河道較為規(guī)整，水流穩(wěn)定，河段的長度要適當。選擇河南省水質(zhì)控制斷面?？h柴灣和湯陰五陵之間的河段為研究區(qū)，中間增選了?？h橋和屯子橋2個一般監(jiān)測斷面。研究區(qū)域位置示意圖見圖1，研究斷面基本情況見表1。本文以2013年為監(jiān)測期和預(yù)警期，選取COD和NH3-N作為監(jiān)測因子，水質(zhì)評價結(jié)果表明均屬于劣V類水，氨氮是主要的超標因子，超標率為302%～506%。

圖1 研究區(qū)域位置示意圖Fig.1 Map of the study area

表1 鶴壁衛(wèi)河典型斷面概況Table 1 Typical water quality monitoring sections of Hebi Wei River

1.2 基于QUAL2K模型的水質(zhì)模擬

QUAL2K模型是美國環(huán)保署(USEPA)開發(fā)的QUAL系列模型，由QUAL2E水質(zhì)模擬模型改進而來，考慮了水體污染物質(zhì)間的相互作用，使用有限差分求解一維平流擴散物質(zhì)遷移方程，數(shù)據(jù)資料較易收集[12-15]。模擬思路首先根據(jù)水體水質(zhì)，將模擬河道劃分為一系列恒定非均勻流河段，再將河段劃分為一系列通過輸移、擴散等形成的均勻混合、首尾相連的若干計算單元，各單元根據(jù)物質(zhì)均衡定律計算相應(yīng)方程。模擬過程一般包括：資料搜集調(diào)查；河段及單元的劃分；模型參數(shù)的確定；模型的驗證[13]。

1.3 水質(zhì)預(yù)警方法

在對研究區(qū)水環(huán)境狀況進行調(diào)查、現(xiàn)狀評價的基礎(chǔ)上，選取一定的水質(zhì)指標進行水質(zhì)的模擬預(yù)測，從而根據(jù)評價及預(yù)測結(jié)果確定水質(zhì)警戒等級及相應(yīng)的水質(zhì)指標，進行警情判定。首先采用定性的方法進行水質(zhì)預(yù)警等級、精度及各級警限值的初步判定，初步構(gòu)建水質(zhì)預(yù)警體系。之后，進行數(shù)據(jù)的量化分析，確定量化的水質(zhì)預(yù)警指數(shù)及預(yù)警等級。最后，針對預(yù)警劃分結(jié)果進行分析，提出相應(yīng)的預(yù)防及解決方案。

1.3.1 預(yù)警指數(shù)確定方法

在水質(zhì)模擬基礎(chǔ)上，利用式(1)或式(2)進行COD、氨氮的預(yù)警研究。對于斷面預(yù)警和研究期各指標水質(zhì)預(yù)警，均按照最不利原則，選取最大值。

(1)

(2)

式中：Iij為i指標在j監(jiān)測點的預(yù)警指數(shù)；Cij為i指標在j監(jiān)測點的預(yù)測濃度；Ciok表示i指標的k級警限值；Ciok+1表示i指標k+1級的警限值。m為2個或者2個以上多分級預(yù)警值相同的個數(shù)。當Cij小于所給警限時，預(yù)警指數(shù)取1，當Cij大于所給警限時，預(yù)警指數(shù)取最大值5。

1.3.2 警情確定

依據(jù)污染水質(zhì)即將造成的危害程度、變化趨勢、緊迫性和解決的困難程度等，進行預(yù)警等級的劃分[16-18]，具體警情判定見表2。

表2 預(yù)警級別劃分Table 2 Division of the alert levels

2 基于QUAL2K模型的衛(wèi)河鶴壁水質(zhì)模擬及分析

2.1 河段及計算單元的劃分

按照河段劃分原則并結(jié)合實際情況，本文選定柴灣-?？h橋、浚縣橋-屯子橋、屯子橋-五陵3個河段，河段長度分別為13.9、8.44、15.83 km。擬定計算單元長度為2 km，全程共有19個，3個河段分別有7、4、8個計算單元。

2.2 模型參數(shù)的確定

包括設(shè)計流量、設(shè)計溫度、COD、氨氮的初始濃度及相關(guān)水力學(xué)參數(shù)等。以上游水流分叉處衛(wèi)輝小河口監(jiān)測斷面(國控斷面)的參數(shù)作為水質(zhì)模擬的邊界條件。取衛(wèi)輝監(jiān)測斷面各項污染指標2011—2012年5月平均實測濃度的均值作為水質(zhì)模擬的初始濃度值。根據(jù)常年監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用年平均流量作為設(shè)計流量。采用各相應(yīng)監(jiān)測期的平均水溫作為模擬的設(shè)計溫度。源頭確定的各項水質(zhì)水量參數(shù)：溫度17.53 ℃，流量7.07 m3/s，COD 29.33 mg/L，氨氮8.71 mg/L。

在水質(zhì)模擬中，降解系數(shù)一般是采用類比法。根據(jù)中國環(huán)境規(guī)劃院《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》(2003)，海河流域中河南省范圍內(nèi)COD、NH3-N的降解系數(shù)KCOD、KNH3-N分別為0.05～1.07、0.06～0.6(1/d)。由于影響降解系數(shù)的因素較多，指南建議對于不同的河段采用不同的方法，或多種方法結(jié)合推求。鑒于所提供的降解系數(shù)取值范圍較大，不利于提高水質(zhì)模擬精度。本文根據(jù)一維河流水質(zhì)模擬公式，利用2011—2012年5月自動監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算各河段KCOD、KNH3-N，結(jié)果見表3。

表3 河段降解系數(shù)計算初始值Table 3 Initial degradation coefficientsof the river section

2.3 鶴壁衛(wèi)河水質(zhì)模擬與驗證

將參數(shù)初始值帶入模型進行模型率定期河道污染物的模擬，模型采用改進的歐拉差分格式求解，當河段概化后的計算單元數(shù)等于1時，令邊界初始條件為0，即可求得不同時段、不同距離點處污染物的濃度變化情況。對比模擬結(jié)果與實測值，結(jié)果表明相對誤差較大(9%～26%)，特別是?？h橋-屯子橋段。因此，重點進行此河段參數(shù)的調(diào)整，相應(yīng)減小河流縱向彌散系數(shù)，增大污染物降解系數(shù)，進行反復(fù)修改，調(diào)整后的降解系數(shù)參數(shù)值見表4。

表4 降解系數(shù)模型參數(shù)確定結(jié)果Table 4 Determined degradation coefficientsof the river section d-1

利用2013年5月的同期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行模型驗證，各河段COD模擬值與實測值的相對誤差平均為2.30%，絕對誤差均值為0.69 mg/L，NH3-N模擬值與實測值的相對誤差平均為1.50%，絕對誤差均值為0.17 mg/L，即COD 模擬的總精度達到了97.7%，NH3-N模擬的總精度達到了98.5%，表明河流水質(zhì)模擬效果較好。

表5 各河段水質(zhì)模擬值與實測值對比Table 5 Comparisons of the modeling value and the observed value of Hebi Wei River

3 鶴壁衛(wèi)河水質(zhì)預(yù)報預(yù)警及分析

3.1 水質(zhì)預(yù)警等級和警限的確定

2012年由原環(huán)境保護部、發(fā)展和改革委員會、財政部、水利部共同發(fā)布的關(guān)于印發(fā)《重點流域水污染防治規(guī)劃(2011—2015年)》，要求規(guī)劃目標年海河重度污染流域水質(zhì)有所改善，衛(wèi)河水質(zhì)基本達到V類。因此，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》V類水作為判斷有無警情發(fā)生的基準，同時結(jié)合衛(wèi)河劣V類水的水質(zhì)現(xiàn)狀及可操作性，具體確定COD、NH3-N各級預(yù)警的警限值(表6)。

表6 鶴壁衛(wèi)河水質(zhì)預(yù)警指標的警限值Table 6 Standard limits of the warningindex of Hebi Wei River mg/L

3.2 警情的判定

選取鶴壁衛(wèi)河典型斷面柴灣、?？h橋、屯子橋及湯陰五陵為預(yù)警研究區(qū)，預(yù)警指標為COD和NH3-N。預(yù)警時間為2013年6月中上旬，預(yù)測日期與自動檢測站監(jiān)測時間保持一致。分別取上游水流分叉處衛(wèi)輝小河口監(jiān)測斷面6月2日、6月9日和6月16日的水質(zhì)參數(shù)作為河段模擬的輸入值，按照上述方法進行水質(zhì)模擬，預(yù)測各斷面COD約為21～40 mg/L，NH3-N質(zhì)量濃度約為3.2～8.1 mg/L。利用式(1)或式(2)并根據(jù)相應(yīng)預(yù)警等級(V類)警限，分別計算各監(jiān)測斷面單項指標的預(yù)警值Iij。具體計算結(jié)果見表7。

表7 鶴壁衛(wèi)河各斷面污染物預(yù)警指數(shù)和級別Table 7 Warning index and grade of contaminants invarious sections of Hebi Wei River

由表7可知， COD基本處于無警、輕警2個警度級別，氨氮在預(yù)測期內(nèi)的各個斷面大多都是巨警，污染物濃度嚴重超標。6月2日所有監(jiān)測斷面重警；6月9日除柴灣斷面外其他3個斷面均為巨警；6月16日全天所有監(jiān)測斷面均為巨警。綜上可知，所選流域在監(jiān)測時間段內(nèi)，水質(zhì)總體污染嚴重，預(yù)警級別高，亟需采取有效措施緩解水污染情況，改善警情。無警狀態(tài)下，應(yīng)注重水質(zhì)防護，繼續(xù)總量控制，嚴格控制水中污染物濃度，保持水質(zhì)的無警狀態(tài)。一旦出現(xiàn)輕警，就應(yīng)當采取措施，加強管理，強化污水處理，及時消除污染源，嚴格控制并及時消減總量排放，改善水質(zhì)并防治水質(zhì)的進一步惡化。出現(xiàn)中警和更嚴重的警情時，則更需加強管理力度與管理規(guī)模，在排污總量控制的同時，更要注重水質(zhì)污染現(xiàn)狀的治理，找出根源，消除警患，改善水質(zhì)。

4 結(jié)論

在水質(zhì)現(xiàn)狀評價基礎(chǔ)上，提出了一種基于QUAL2K水質(zhì)模型的河流水質(zhì)預(yù)警方法。以海河流域鶴壁衛(wèi)河?？h柴灣和湯陰五陵之間的河段為研究對象，研究結(jié)果表明，河流COD和NH3-N水質(zhì)模擬精度分別達到97.7%和 98.5%，模擬精度高，模擬效果較好；所選河段預(yù)警時段內(nèi)COD基本處于無警、輕警2個警度級別，氨氮濃度嚴重超標，大多是巨警，是造成所選監(jiān)測斷面水環(huán)境污染、預(yù)警指數(shù)居高不下的重要原因。在水質(zhì)預(yù)報預(yù)警過程中，應(yīng)該牢牢把握削減總量排放、改善水質(zhì)、預(yù)警防范等，促進主要污染物減排、強化重點河段防控、加強環(huán)境執(zhí)法等途徑加快推進水環(huán)境保護工作。對已污染的水體，針對不同警情等級采取針對性的排警措施,如完善生態(tài)補償機制、確保河流斷面達標和加大工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度等。