张海波 邓保乐

(天津市环境监测中心,天津 300191)

常见河流水质模型及其应用过程中的注意事项

张海波 邓保乐

(天津市环境监测中心,天津 300191)

水体中污染物的浓度会随着时间及空间的改变而发生变化,水质模型就是描述其变化规律的数学方程。随着科学技术的进步,水质模型模拟精度逐渐提高,但也带来了运行参数增加、调试难度增大、资源消耗量增多等负面影响。在实际工作中,不能单纯追求高精度的先进模型,应该立足于已有资源,认清各类模型的适用条件和优缺点,选择最恰当的水质模型辅助工作。

水质模型 河流 应用 注意事项

水体中污染物的浓度会随着时间及空间的改变而发生变化,水质模型就是描述其变化规律的数学方程。一个恰当的水质模型能够有效描述污染物在水体中的迁移、转化规律,依据目前的水体质量、排污状况等信息来预测水体质量的变化情况,为水质管理提供决策依据。随着科学技术的发展,水质模型模拟精度逐渐提高,但也带来了运行参数增加、调试难度增大等负面影响。因此在实际应用过程中如果不考虑现有条件,单纯追求先进模型,不仅会增加工作负担,还可能无法取得预期结果。只有明确工作的目的和意义,针对性选择最恰当的水质模型,才能事半功倍。

1 河流水质模型发展历程

目前河流水质模型的发展已经经历了3个阶段:第1阶段是1925至1980年,该阶段研究的水体主要是水质本身,模型注重分析水质内部组分之间的规律关系,主要研究受生活、工业点源污染的河流系统,输入的污染负荷仅强调点源。第2阶段是1980至1995年,这一阶段的模型增加了状态变量(水质组分)的数量,在多维模型系统中加入了水动力模型,将底泥等作用纳入了模型内部,与流域模型进行连接从而使面源污染能被连入初始输入,对模型的约束条件更多,降低了预测的主观性。第3阶段是1995年至今,这一阶段充分考虑了大气污染物沉降对目标水体的影响,增加了大气污染模型,对一个给定的大气流域,能将动态或静态的大气沉降连接到一个给定的水流域,并对来自于该流域的负荷进行评估,从而更全面的掌握目标水体中污染物的迁移、转化规律。[1]

2 常见的河流水质模型

按空间尺度,水质模型可分为一维模型、二维模型、三维模型等;按污染物排放及空间分布状态,可分为稳态和非稳态模型;按照复杂程度,可分为单一模型、综合模型、模型体系等。各类水质模型中,应用比较广泛的模型有以下几种:

(1)零维模型。零维模型又称CFSTR模型,它是将河流分为i段,认为每一段均是一个快速搅拌反应水槽,对源漏项仅存在衰减反应的水质模型。其中第i河段模型积分解为:

式中:C为污染物在第i河段的浓度;C0为污染物初始浓度;Q为流量;k为衰减系数;V为河段水的体积。

(2)一维河流单组分稳态水质模型。当河流中河段均匀、排污连续恒定、水文条件稳定时,该河段的断面面积A、平均流速u、污染物输入量w、纵向弥散系数E、衰减系数k都不随时间变化。此时河流断面污染物浓度c是稳定而不随时间变化的,其基本方程为:

式中:x为断面到起点的距离;c为污染物浓度;u为流速;E为弥散系数;k为衰减系数。

(3)一维河流突发性排污的水质模型。当污染源在很短的时间内突发性排入质量为W污染物,它与流量为Q的河水迅速均匀混合,在x=0处形成一个平面污染源,则不同时间,不同流动距离处的污染物浓度为:

式中:x为断面至排污点的距离;c为断面污染物浓度;u为流速;E为弥散系数;k为衰减系数;W为污染物排放量;c0为排污点污染物初始浓度;A为排污点河流截面积;t为距事发时的时长。[2]

(4)QUAL-Ⅱ综合水质模型。由美国国家环保局于1973年开发,是一个具有多种用途的河流水质模型,可用于研究流入污水负荷对受纳河流水质的影响,也可用于非点源的研究,既可作为稳态模型也可作为随时间变化的动态模型,适用于混合较好的枝状河流,属于一维水质综合模型。[3]

(5)WASP模型体系。是美国环境保护局提出的水质模型系统,包括D YN H YD和WA SP两个独立的运算程序,DY NH YD是水动力学程序,模拟水的运动,WASP是水质程序,模拟各种污染物的运动和相互作用。[4]

(6)BASINS模型体系。是美国环保局发布的多目标环境分析系统,基于GIS环境,可对水系和水质进行模拟。它最初用HSPF作为水动力和水质模型,后来集成了QUAL2E和一些其它模型,同时使用了土壤水质评价工具WEAT和ARCVIEW界面,可使用GIS从数据库提取数据。该体系中的HSPF程序,是当今最常用的水系模型之一,既能模拟标准化的营养过程,也能模拟水质组分的传输。[5]

(7)MIKE模型体系。由丹麦水动力研究所(DHI)开发,是一维动态模型,能用于模拟河网、河口、滩涂等多种地区的情况,研究变量包括水温、细菌、营养盐、水生生物、底泥、金属及用户自定义物质,能处理许多不同类型的水动力条件。[6]

3 各类水质模型的特征及适用条件

(1)零维模型。零维模型是最基础的水质模型,仅需要调试1个参数(即衰减系数k),即可完成运算。由于零维模型将河段分割成了孤立的水体,没有动态流程,因此得不到连续的沿程变化,无法用于浓度监控。这使得该模型多用于计算水域纳污能力,其适用对象主要为水网地区的河段,孤立或串连的塘坝等。

(2)一维水质模型。一维水质模型模拟了污染物沿河道连续扩散、衰减的过程,可细分为一维稳态水质模型、一维突发性排污的水质模型等,主要适用于宽深比不大,污染物在河段横断面上能够均匀混合的中小河流。其中一维稳态水质模型适用于河道均匀、排污恒定连续、水文条件稳定的河段,其特点是河流断面污染物浓度c不随时间变化;一维突发性排污的水质模型的运行虽然也需要河道均匀、水文条件稳定的河段,但其模拟的是污染源在很短的时间内突发性排入污染物的情况,因此主要适用于应急事故。

(3)二维、三维水质模型。与一维水质模型仅考虑污染物沿河道纵向扩散、衰减相比,二维、三维水质模型增加了污染物在宽度上的水平扩散和深度上的垂直扩散,因此能够适用于规模更大,水文条件更复杂的河流。由于没有引入新的污染物迁移转化因素,二维、三维水质同样可分为稳态水质模型和非稳态水质模型,分别适用于排污恒定连续的河段和突发性排污等非稳态河段。

(4)综合水质模型及模型体系。目前先进的水质模型均属于综合水质模型或模型体系,它是将水动力学模型、污染物迁移转化模型、河流区域信息系统等内容进行有机结合的综合载体。其特点为适用性很广,不仅能够在动态、静态之间自由转换,还可模拟各种污染物的运动和相互作用,研究变量包括水温、细菌、营养盐、水生生物、底泥、金属等诸多内容。

4 水质模型应用原则及注意事项

统计结果显示,WASP等模型体系虽然具有适用性广、数据精确度高等优势,但其计算过程复杂,运算必须的参数繁多。因此建立模型体系不仅需要大量的前期参数采集工作,还需要在模型调试过程中配备大量仪器设备和人员进行跟踪监测,确保数据准确可靠。实际工作中,受人力资源、经济条件等因素限制,往往难以引入最先进的模型体系,这就需要监测人员深入了解工作的目的和意义,选择模拟精度能够满足工作要求,现实条件又能够有效支撑的水质模型。筛选时需要注意以下问题:

(1)认清使用模型的意义和精度要求,确保目标模型能够满足工作需要。虽然建立水质模型的最初目的是模拟污染物在河流中的迁移转化规律,但其作用不仅仅在于预测污染物浓度,例如利用下游监测数据反向运算模型,就可以实现推测事发地点、估算污染源强度、判断某个断面超标时段及浓度峰值出现时刻、判断某个时刻超标河段及浓度峰值出现地点等用途。因此必须明确使用模型的意义和精度要求,才能选择合适的模型。例如应急监测工作中,对时效性的要求远远高于数据精度,因此选择模型时应尽量选取参数较少、易于使用的简单模型。对于饮用水源地的日常监督工作,由于涉及人身安全,监测数据的准确性显得尤为重要,而其日常监督性质则决定了监测人员有充足的时间进行监测、调试,此时选择高精度水质模型更为恰当。

(2)确定目标河流符合模型的原假设和边界条件。水质模型本质上是描述污染物变化规律的数学方程,只能显示精确数值,无法表述模糊信息,因此任何一个模型都需要设置原假设和边界条件,对现实信息进行概括和提炼,待目标变量和控制参数建立后,才能利用数学方程进行运算,得到所需结果。

例如一维稳态水质模型假设:当河流中河段均匀、排污连续恒定、水文条件稳定时,该河段的断面面积A、平均流速u、污染物输入量w、纵向弥散系数E、衰减系数k都不随时间变化,此时河流断面污染物浓度c是稳定而不随时间变化的。在此前提下才能建立方程对水质进行预测。

因此在引入模型前,需要对模型的原假设和边界条件进行逐一检验,确保其与目标河流自身特征相匹配。

(3)分析现有资源能否支持模型运转。为确保模拟精度,模型在使用过程中需要周期性更新控制参数和边界条件,该过程需要投入大量人力物力。对于适用范围广、模拟精度高的模型,由于运算方程越复杂,运行时需要监控的参数众多,其维持正常运转时消耗的资源将远远大于简单模型。例如对于零维模型,只需要监控污染物初始浓度、流量、衰减系数3个参数,简单易测;对于一维稳态水质模型,需要监控平均流速、污染物输入量、纵向弥散系数、衰减系数4个参数,工作量有所增加;对于MIKE模型体系,由于研究对象包含了水温、细菌、营养盐、水生生物、底泥、金属等诸多内容,其监控内容不仅包括水体的动力学参数,还包括各类污染物的迁移、转化系数,工作难度极大增加。

因此在引入模型前,需要仔细核算现有资源能否维持模型运转,在能够承担的范围内选取精度最高的模型。

5 结语

模型的模拟精度越高、适用范围越广、纳入的影响因素数量越多,其运算方程的复杂程度越高。这意味着运算高精度的先进模型,需要监控更多的控制参数和初始条件,消耗更多的资源。因此在选用水质模型时,不能一味追求高精度和先进性,应该立足于已有资源,认清各类模型的适用条件和优缺点,选择最恰当的水质模型辅助工作。

[1]李继选,王军.水环境数学模型研究进展[J].水资源保护,2006,22(1).

[2]冯民权,郑邦民,周孝德.水环境模拟与预测[M].科学出版社,2009.

[3]张智,李灿,曾晓岚,张艳,QUAL2E模型在长江重庆段水质模拟中的应用研究[J].环境科学与技术,2006,29(1).

[4]刘兰岚,张永红.WASP水质模型在辽河干流污染减排模拟中的应用[J].环境科学与管理,2010,35(5).

[5]蔡芫镔,潘文斌,任霖光.BASINS3.0系统述评.安全与环境工程[J],2005,12(2).

[6]曹晓静,张航.地表水质模型研究综述[J].水利与建筑工程学报,2006,4(4).

The concentration of pollutants in water with time and space change, water quality model is the mathematical equation which describe the changes in its. With the progress of science and technology, water quality model simulation accuracy gradually improve, but also brought some negative effects,such as the operation parameters increase, the difficulty of debugging increase, the consumption of resources increase, etc. In work, we can't only focus on the advanced high precision model, should be based on the existing resources, recognize the application conditions and the advantages and disadvantages of the various models, select the most appropriate water quality model to assist work.

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张海波(1981.7-),男,天津市宁河县,汉族,天津市环境监测中心,工程师,理学学士,从事环境监测工作。