水质模型的河流水环境调控研究范文

《环境保护科学杂志》2015年第一期

1太浦河水质模拟与分析

1.1河流概化研究区域如图1所示。WASP模型的计算单元为一个个的单元体（Segment），根据支流位置和太浦河河道总体情况将太浦河干流划分成9个单元，标号为S1—S9，五条支流概化成五个单元体，分别为吴江七都支流，平望支流，汾湖镇支流，嘉善陶庄支流和丁栅支流，标号为T1—T5，如图2所示。

1.2模型参数输入

1.2.1模型系统信息模型网格概化干流划分为9个单元；使用EUTRO模块进行模拟；根据模拟需要确定模型开始时间和结束时间；所建模型没有输入非点源文件；采用EULER差分；选择一维网格运动波理论进行水动力学模拟；最大、最小时间步长调整系数取用模型默认值。

1.2.2单元体数据单元体控制数据含有4个选项，Segment选项主要用于输入模型计算初始时刻单元体数据，这些数据大部分来源于网格概化。初始浓度选项主要是各污染物指标的模拟计算初始浓度，在太浦河水质模拟中，根据目前所掌握的监测数据系列，论文主要考虑氨氮、总氮、有机氮、总磷、有机磷这几种常规污染物指标。

1.2.3流量通过现场调研，确定了太浦河水文水质定期监测点的位置。太浦河共设有5个断面，分别位于230省道，227省道，同黎线和上海青浦区练塘镇的225省道。水文水质监测从2013年1月开始，至2013年12月结束，水文参数在现场使用RiverSurveyor测定，所有水质数据在实验室采用国标方法测定。采用了太浦河2013年1月至12月的监测断面实测流量数据作为模型输入条件。

1.2.4边界条件采用太浦河2013年1月至12月的监测断面水质采样分析数据作为模型输入条件。主要分析氨氮、总氮、有机氮、无机氮、硝态氮、总磷、溶解氧、BOD5这几个常规污染物指标。

1.3模型参数的率定和验证利用太浦河2013年1—5月份实测流量、水温及主要水质指标等资料初步建立模型，选取S2、S3、S5、S8的氨氮、BOD5和总磷这三个水质指标进行参数率定。以BOD5的率定为例，如图4所示为S2、S3、S5和S8四个单元体的实测值和模拟值拟合曲线。WASP模型对太浦河水质参数率定的结果表明：模型S2、S3、S5和S8的BOD5相对误差最小值为0.2%，最大值为17.2%。相对误差均值为8.57%，模拟值与实测值的变化规律趋于一致，说明所选参数合理。以太浦河2013年7—12月实测水质数据以及边界资料对模型进行验证，各个指标实测值和模拟值的相对误差计算公式与参数率定相同。以BOD5为例，对S2、S3、S5和S8四个单元体的验证结果进行说明。模型四个单元体的BOD5相对误差最小值为0.06%，最大值为15.7%，相对误差均值为7.79%，模拟值与实测值拟合较好。

2太浦河水环境调控方案效果分析

2.1太浦河水环境风险通过对太浦河全年水质分析，结果表明，每年的春季末夏季初即4—6月份为水质最差期，氨氮和BOD5浓度都超过了Ⅲ类水质标准，因此在5月份开展调水改善太浦河及其下游水质具有实际意义。太浦河两岸水系发达，存在众多支流，通过降雨径流将大量泥沙、营养盐、农药及其他污染物带入太浦河中。一般降雨过后，水体会明显浑浊，同时由于污染物的进入水质指标也会上升。太浦河沿线存在众多化工企业，沿线分布了大量的排污口，部分直接排入太浦河，部分排到附近支流再排到太浦河。化工企业多为纺织、印染行业，污水中主要含氨氮和COD。一旦发生未经处理的污水泄漏事故，大量的氨氮或COD会排入太浦河，污染饮用水水源地。因此，本文设定了三种情景来描述太浦河可能存在的引起水质超标的情形，并提出了优化调控方案，如表1所示。

2.2调控方案效果分析

2.2.1枯水期累积性污染枯水期累积性污染发生后，调水为1000m3/s。见图4。图4为调水前和调水24小时后氨氮和BOD5的浓度分布图。其中S6单元单元体为苏沪跨界断面，作为评价调控效果的河段。该调水方案对S6单元水质改善效果明显。S6单元在调水前氨氮达到1.1mg/L，调水24小时后降低至0.7mg/L。与原水质相比，氨氮降低了约36%。S6单元在调水前BOD5达到4.5mg/L，调水24h后BOD5降低至3.2mg/L。与原水质相比BOD5降低了约29%。

2.2.2雨季面源污染雨季太浦河的总磷浓度超标，采取两个方案，分别为600m3/s调水30小时和1000m3/s调水24小时。调水前和调水24小时后总磷的浓度分布图见图5。按照方案一，进行调水大约24小时后，S6单元总磷浓度达到地表水Ⅲ类水标准，S6单元总磷浓度最低值出现在调水开始后40小时，即停止调水后10小时左右，最低浓度约为0.16mg/L，与调水前相比，总磷浓度降低了60%。实施方案一，调水开始后17小时,S6单元总磷浓度已经能够达到地表水Ⅲ类水标准，S6单元总磷浓度最低值出现在调水开始后34小时，即停止调水后10小时左右，最低浓度为0.12mg/L，与调水前相比，总磷浓度降低了70%。对比方案一与方案二实施后的效果，两种调水方案都能使太浦河雨季总磷浓度达标。方案二达到预期调控目标的时间更短，且最终总磷浓度更低，但需要的水量较高。实际操作中可根据水环境风险管理目标进行方案的选择。

2.2.3突发水污染事故调控8吨/小时泄漏三小时后，汾湖段氨氮严重超标。氮存在于多种化学形态，分为有机和无机两种。在天然水体中，氮的主要形态包括硝酸根离子、亚硝酸跟离子、溶解性氮气、溶解性氨气和铵离子以及有机氮。大量的氨氮泄露进入水体后，硝化反应导致一部分氨氮转化成了硝态氮，并且引起溶解氧损失。见图6，泄漏事故发生后，氨氮浓度增加，无机氮和总氮浓度随之上升。硝化作用是影响氨浓度的主要过程之一，因为河流水体流动性较强，且反应时间有限，硝态氮浓度增加幅度较小。因此，在分析调控方案效果的时候，认为氨氮浓度下降主要是由于调水和抽水的作用，转化成硝态氮的比例非常低。采取的方案有调水和抽水两种。调水流量从200m3/s逐步升至1000m3/s，调水48小时。抽水流量从2m3/s逐步升至10m3/s，抽水48小时。不同实施方案调水6小时后氨氮浓度分布图见图7。事故发生后，S3单元氨氮浓度最高，调水3小时后，S4单元氨氮浓度最高，调水6小时后，污染带往下游迁移，此时S5单元氨氮浓度最高。大流量调水将污染带迅速地冲到下游，6小时后，下游单元的氨氮浓度比中流量调水时高。抽水时河流保持原有流量，污染物扩散较慢，6小时后，下游单元氨氮浓度低于调水时浓度。事故后S6单元氨氮浓度超标（大于1mg/L），见图8，从各方案实施后对S6单元氨氮浓度的变化看，从事故段支流抽水时S6单元氨氮浓度峰值最低，但是氨氮浓度下降最慢，达标耗时最长。调水流量越大，氨氮浓度下降越快，S6单元在调水1000m3/s实施后达标耗时最短。此外几种方案中跨界断面达标耗时都相对较长（最短的大约为20h），因此根据实际环境中风险管理与敏感目标保护需要，可适当延长调水时间以缩短达标耗时。

3结语

本文以太浦河监测断面实测数据位基础，应用WASP7.52模型中的EUTRO模块对太浦河水质进行模拟，假设了三种水质超标的情形，并提出调控方案，改善水质。主要结论如下：（1）应用WASP7.52对太浦河河网进行概化，确定了主要参数，利用2013年上半年和下半年的水质参数对模型进行校准和验证，结果表明，太浦河水质模型的模拟值和实测值误差较小，数值曲线变化规律趋于一致，WASP模型在太浦河具有很好的适用性。（2）运用模型研究流域水资源优化调控技术方案，包括枯水期区域累积性污染、雨季面源污染的水资源优化调控技术方案，以及在突发污染事件发生时，通过抽调水改善水质减小事故影响范围，降低水污染风险的方案。模型计算结果表明调水和事故河段抽水可以改善河道水质，调水和抽水量越大，改善作用越明显。发生突发污染事故后，较之于调水，在事故段抽水短期内能够更快的降低污染物含量，减小对下游的危害。（3）较之于传统的考虑单一因子的优化方案比选，本研究利用现代数值分析技术系统性地解决河流水质水量资源配置问题。对水质达标过程中的相关环节进行了设定和分析，包括河流水质现状、初始水文条件、污染物入河负荷等的设定和选取，构建出一套适用于研究区域的系统性优化方案。

作者：殷洪钱新姚红,夏必胜高海龙单位：污染控制与资源化研究国家重点实验室南京大学环境学院