程晨健,李天文,陳靖,習(xí)永強,王超

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,陜西西安 710127)

0 引言

由于近年來工業(yè)化進程急劇加快,工農(nóng)業(yè)用水不斷增加并且污染嚴(yán)重,因此合理有效的進行水質(zhì)監(jiān)測、評價和治理已成為當(dāng)今研究刻不容緩的課題。傳統(tǒng)流域水質(zhì)評價是根據(jù)指定站點的生物與化學(xué)指標(biāo)監(jiān)測,來監(jiān)測流域內(nèi)指標(biāo)的長期變化趨勢,并建立水質(zhì)與土地利用的聯(lián)系。由于非點源污染具有離散型空間分布的特點,在測站歷史數(shù)據(jù)缺少或者不足的地區(qū)難以確定極端水質(zhì)問題。用水質(zhì)模型與 GIS可視化技術(shù)相結(jié)合的方法解決這一技術(shù)難題,一方面充分發(fā)揮了地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)管理、顯示和查詢優(yōu)勢;另一方面,利用地理信息系統(tǒng)手段使水質(zhì)模型的檢驗和校正顯得更為容易,也提高了水質(zhì)監(jiān)測的視覺表現(xiàn)力。此外,“3S”技術(shù)的發(fā)展也為水質(zhì)的實時動態(tài)應(yīng)用分析提供了有力保障。

以渭河下游為例,將 GIS作為污染源分析的前處理器和可視化顯示的后處理器,從而實現(xiàn)基于 WASP模型的河流一維水質(zhì)數(shù)值模擬。

1 研究區(qū)簡介

1.1 地理位置及自然條件

渭河是關(guān)中地區(qū)的主要河流和最重要的地表水源,發(fā)源于甘肅省渭源縣,在陜西境內(nèi)主要流經(jīng)西安、咸陽、寶雞、楊凌、渭南等市(區(qū)),由潼關(guān)注入黃河,省內(nèi)全長 502 km,流域面積 7.25萬 km2,分別占渭河全長和總流域面積的 61.37%和53.79%。

渭河流域有 21個湖庫(包括涇河流域 9個),集水面積在 100 km2以上支流有 176條,干流兩岸水系呈不對稱分布,南岸主要有石頭河、黑河、灃河、灞河等,北岸主要有千河、漆水河、涇河、石川河、北洛河等。涇河和洛河是渭河的最大支流,流域面積大,水體含沙量高,支流分布于寶雞、咸陽、楊凌、西安、渭南和銅川六市(區(qū))。渭河流域多年平均降水量610.4mm,地域分布呈南多北少、西多東少的趨勢。

1.2 渭河水質(zhì)概況

(1)水源嚴(yán)重短缺

我國是個淡水資源極端短缺的國家,關(guān)中地區(qū)又是我國北方資源型缺水地區(qū),其人均水資源為 357.5m3,占陜西省人均水資源的 25.5%,同時占全國人均水資源的 13.2%,單位耕地水資源量僅為全國的 10%,全省的 30%。因此,渭河流域水資源供給與社會經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾十分尖銳。

(2)河道生態(tài)水不足

關(guān)中地區(qū)降水多集中于夏秋兩季,每年 6～10月可得60%的降水和 70%的徑流。關(guān)中地區(qū)自產(chǎn)徑流約 70億m3/a,扣除汛期水量,僅余 20億 ～30億 m3/a水量,從渭河年取地表水約 20億 ～25億 m3,其中,渭河寶雞峽林家村引渭工程近 10年年平均取水量為 4.83億 m3,占河道水量的49.07%。1995年后,徑流量逐年減少,但引水量并沒有減少,且有加大趨勢,造成河道生態(tài)水量大幅下降,污徑比增高,水體污染物濃度得不到稀釋,污染指數(shù)居高不下。

(3)水量年際變化大,年內(nèi)分配不均,調(diào)節(jié)代價高

(4)水質(zhì)污染以有機型污染為主

(5)三門峽庫區(qū)泥沙淤積嚴(yán)重

2 水質(zhì)監(jiān)測及模擬

2.1 WASP模型簡介

2.1.1 WASP模型基本結(jié)構(gòu)及工作原理

WASP(W ater Quality Analysis Simulation Program)是美國環(huán)境保護局研發(fā)的可用于對河流、湖泊、河口、水庫、海岸等進行水質(zhì)模擬的模型系統(tǒng)。WASP包括兩個獨立的部分：DYNHYD水動力程序可模擬水體運動特征并獲取水文參數(shù),WASP水質(zhì)程序可模擬污染物的運動、演變及相互作用,二者可以組合使用,也可獨立運行。

EUTRO和 TOXI是兩個子模型,它們可以裝入水質(zhì)程序中,其中 TOXI可以模擬有毒物質(zhì)的污染,包括有機化合物、金屬及泥沙;EUTRO用來分析傳統(tǒng)污染,包括溶解氧、生化需氧量、營養(yǎng)素等。WASP模型可以靈活、準(zhǔn)確的反映水體對流、彌散、雜質(zhì)負荷及邊界交換等的動態(tài)變化。

圖1 WASP水質(zhì)模型結(jié)構(gòu)圖

WASP模型的基本方程是基于質(zhì)量守恒原理的擴散遷移方程,能描述多種水質(zhì)指標(biāo)在時空中的變化特征。其質(zhì)量守恒可用數(shù)學(xué)表達式為：

式中：C為水質(zhì)因子濃度,單位 mg/L;T為時間步長,單位 s;SL點源、非點源負荷,單位 g/(m3?d);SB為邊界負荷,單位 g/(m3?d);SK總動力轉(zhuǎn)化率,單位 g/(m3?d);Ex,Ey,Ez水體縱、橫、垂向擴散系數(shù),單位 m2/s;Ux,Uy,Uz為水體縱、橫、垂向流速,單位 m/s。方程左端?c指水體中任一點(x,y,z)處污染物濃度在某?t一時刻的水質(zhì)因子濃度;方程右端是指由于擴散作用引起該點污染濃度的變化量;方程右端是指由于遷移作用引起物質(zhì)濃度的變化。

2.1.2 W ASP水質(zhì)模擬因子選定

水質(zhì)模擬主要是研究的化學(xué)需氧量,即 COD(Chem ical Oxygen Demand)的變化特征及規(guī)律。所謂 COD,是在一定技術(shù)條件下,采取強氧化劑處理水樣所消耗的氧化劑量。衡量水中有機物質(zhì)含量多少的指標(biāo)常常采用 COD值,其值越大,水體受有機物污染越嚴(yán)重,反之則說明水體受有機物的污染越輕微。目前應(yīng)用最普遍的測定方法是酸性高錳酸鉀氧化法與重鉻酸鉀氧化法,前者氧化率較低,但操作相對簡單,常用來作為測定有機物含量的相對值的指標(biāo);后者氧化率高、再現(xiàn)性好,適用于測定水樣中有機物的總量。

2.2 水質(zhì)模擬

2.2.1 準(zhǔn)備工作

1)河段概化分段

渭河河流河道橫斷面變化多端,河水縱橫交錯、匯流眾多,若把每個細節(jié)都考慮在內(nèi),測算工作量龐大,模擬監(jiān)測水質(zhì)污染的計算費時費力,所以抓住主要因素,進行合理的河道分段就顯得十分必要。根據(jù)渭河斷面監(jiān)測站位置,結(jié)合渭河下游干流河段的調(diào)蓄及輸水能力,綜合考慮研究目標(biāo)和精度要求,將渭河流域下游從咸陽到潼關(guān)分為 7個水體分區(qū)。具體的劃分見表 1。

表1 渭河下游干流分段表

2)圖幅數(shù)字化

利用 GIS軟件進行圖形的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的編輯工作。在測站上完成了渭河流域地形圖的數(shù)字化、圖形拼接、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化工作;屬性數(shù)據(jù)則主要包括化學(xué)需氧量(COD)監(jiān)測數(shù)據(jù)、斷面信息、水資源質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)、社會與人文信息等。

2.2.2 水質(zhì)模型的簡化

理論上來說,水質(zhì)模擬應(yīng)采用三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,求得沿河長、河寬、水深上各點污染物濃度在任一時刻的數(shù)值。但在實際操作中受技術(shù)水平和經(jīng)濟等條件的限制,加之研究資料有限,在滿足模型要求前提下,應(yīng)盡可能的簡化模型。

對一維河流水質(zhì)研究,結(jié)合基本假設(shè)前提,公式(1)可簡化為：

式中：C為水質(zhì)指標(biāo)濃度,單位 mg/L;T為時間步長,單位 s;Ex水體縱向擴散系數(shù),單位 m2/s;Ux水體縱向流速,單位 m/s;K為污染物衰減指數(shù)。

2.2.3 模型參數(shù)確定

1)水力學(xué)參數(shù)

在 WASP模型中,水力學(xué)參數(shù)因為用來確定河道的水力特性而有著非常重要的地位。常見的水力學(xué)參數(shù)主要包括水力學(xué)因子 a、b、c、d等。根據(jù) WASP模型手冊,WASP能夠通過用戶設(shè)定的水力學(xué)參數(shù)值求出 volum值,并且在用戶無法給出水流信息時,通過 a、b、c、d值確定 segment的流量、流速和水位的關(guān)系。根據(jù)歷年水文資料,計算出渭河下游咸陽、臨潼、華縣等斷面的水力學(xué)因子參數(shù)值分別為：

表2 監(jiān)測站斷面水利參數(shù)

2)縱向彌散系數(shù)Ex

縱向彌散系數(shù) Ex是表征流動水體中污染物在沿水流方向(或縱向)彌散的速率系數(shù),單位常用 m2/s,物理意義為每秒鐘污染物在縱向彌散的面積。

本研究根據(jù)劉享立(H.Liu)于 1980年提出的公式求算Ex,具體表達為：

根據(jù)以往研究結(jié)果分析及以上公式的估算,本文取渭河下游的縱向彌散系數(shù)為 Ex=30m2/s。

3)COD一級降解系數(shù) K

在利用模型對 COD進行模擬時需要考慮 COD是否降解的問題。由于COD是多種物質(zhì)的綜合指標(biāo),只能通過總的降解系數(shù)求解,因此我們將COD的降解都看做是一級降解來模擬。為了能夠準(zhǔn)確的確定渭河下游干流水質(zhì)的模型參數(shù),結(jié)合實測水文資料,采用兩點法計算降解系數(shù) K,公式如下：

式中：c1為上游斷面污染物濃度,mg/L;c2為下游斷面污染物濃度,mg/L;u為河流平均流速,km/d;Δx為上、下游斷面間距;

最終,對計算得到的每個 K值取算數(shù)平均值,結(jié)果 K=0.1d-1。

4)入河污水量

在計算渭河下游干流的 COD入河污染量時,可以將污染物分為兩部分考慮——工業(yè)排污和生活排污。WASP模型中各個 Segment的COD入河污染總量(kg/d)等于排入該河段的工業(yè) COD排放量和生活污染 COD排放量的總和。利用陜西省環(huán)境統(tǒng)計年報以及年鑒資料,匯總各個出工業(yè)污染和生活排污,最后確定入河污染量。

2.2.4 W ASP模型構(gòu)建

在 WASP主菜單下的“Pre-processor”中選擇“Dataset”項對文件名、文件說明、模型類型、時間區(qū)間、水動力類型等進行參數(shù)設(shè)置,并且鍵入 Segment的分段數(shù)據(jù)。根據(jù)所構(gòu)建的水質(zhì)模型,在 TOXI程序下,模擬渭河干流下游河段污染物COD的時空變化規(guī)律。

圖2 WASP模型參數(shù)設(shè)置

2.2.5 模擬結(jié)果輸出

為檢驗水質(zhì)模擬結(jié)果的可行性和有效性,研究以 2003年4月平水期時渭河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù),對下游干流水域的水質(zhì)狀況進行檢驗?zāi)M,圖 3為 WASP模擬生成的 xy-plot圖,誤差結(jié)果如表3 。

圖3 COD模擬結(jié)果 xy-plot圖

表3 實驗誤差分析

利用公式：實驗誤差 =|COD實測 -COD模擬|/COD實測值,得到 COD模擬的誤差值最大為 11%,最小為 3.9%,平均誤差為6.97%;同時實測值與模擬值變化趨勢基本相同(圖 4),由此判斷,實驗結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性基本滿足精度要求 。

圖4 誤差分析圖

2.2.6 基于 GIS生成 WASP空間格網(wǎng)圖

利用 ESRI公司的 ArcGIS軟件,在已數(shù)字化完成的地形圖上進行 WASP模型生成結(jié)果的圖形化,在空間數(shù)據(jù)的編輯中,突出行政邊界、河流及其河流分區(qū),從而建立相應(yīng)的 SHP文件。屬性數(shù)據(jù)則對應(yīng)存儲相應(yīng)空間地物的屬性特征。通過二維彩色水系圖,對不同污染程度的河流污染度進行色彩渲染,達到數(shù)據(jù)可視化的效果。如圖 5、6和 7,主窗中為A rcGIS生成的SHP圖像,主要有河段分區(qū)層、監(jiān)測站點層和行政區(qū)劃層,圖中漸變色表示水體污染物濃度,不同的顏色表示不同污染濃度的數(shù)值高低,同時實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的查詢功能。

3 水質(zhì)模擬結(jié)果分析

根據(jù) WASP水質(zhì)程序模擬渭河下游 1、8和 11三個月的COD濃度特征結(jié)果,分析渭河水質(zhì)在枯、豐、平水期這三個階段的變化狀況;同時以 WASP空間格網(wǎng)圖為基礎(chǔ),模擬下游地區(qū)污染物的空間分布。

圖 5 8月 COD濃度 xy-p lot圖及空間格網(wǎng)圖

圖 6 11月 COD濃度 xy-plot圖及空間格網(wǎng)圖

圖 7 1月 COD濃度 xy-p lot圖及空間格網(wǎng)圖

總體來說,渭河下游每年呈現(xiàn)出豐、枯、平水期三個階段交錯的水文特征,全年 60%的降水多集中在 7、8月份前后,枯水期為 12月到次年 2月,降水占全年降水總量的 5%～17%,平水期為 3、4、5、6、11這五個月,約為 全年的 23% ～35%。由圖 5、6、7的 xy-p lot表明,渭河下游干流河段,1月COD濃度較大,大多數(shù)站點模擬值均大于 25 mg/L,而 COD濃度在 8月和 11月較小,模擬結(jié)果在 8.1～21.1 mg/L和9.3～20.8mg/L之間,1月 COD濃度約為 8月和 11月污染濃度的 2倍,換言之枯水期COD濃度是豐水期和平水期COD濃度的 2倍左右。渭河一年歷經(jīng)兩次平水期,在此階段河水化學(xué)污染物濃度均相對較高,達到國家劣 V級污染標(biāo)準(zhǔn)。在4月到 8月間,由于渭河流域降水量的顯著增加,水體自凈能力的不斷增強,COD濃度也急劇降低;而 8月到 11月的豐水期和平水期階段,COD濃度處于全年的低谷,11月則呈現(xiàn)小幅上升趨勢,從 11月到次年 1月 COD濃度又逐漸升高,在枯水期又達到 COD濃度的另一峰值,全年水質(zhì)均接近或達到劣V類水質(zhì)要求,COD濃度每年基本符合該變化規(guī)律。

4 結(jié)論

(1)從全年水質(zhì)監(jiān)測模擬情況來看,渭河下游水質(zhì)污染情況也隨著豐、枯、平水期交錯而表現(xiàn)出明顯差異。即渭河下游河段每年 1～4月份水質(zhì)的污染程度較高,其它月份水質(zhì)污染程度則相對較小。由此判斷,渭河下游水質(zhì)整體處于較嚴(yán)重的污染程度,應(yīng)盡快采取一些科學(xué)管理方法和環(huán)境治理手段凈化渭河水質(zhì)情況。

圖 8 各 Seg分站 COD濃度變化圖

(2)由空間格網(wǎng)圖 5、6、7并結(jié)合圖 8的 Seg分站 COD濃度變化圖可以看出,在 1、8、11三個月中,咸陽 -西安一帶以及渭南城區(qū)附近都為COD濃度較大的河段;究其原因主要是在 Seg1,Seg2對應(yīng)咸陽、西安地區(qū)處于工業(yè)及生活污水排放量較大。具體來說,Seg2的天江人渡站 COD濃度為渭河下游峰值,平均為 30mg/L;隨后COD濃度逐漸減小,在 Seg3-Seg5段又趨于平緩,平均值約為 19.5 mg/L;流經(jīng)渭南市附近,COD濃度又一次迅速增加,Seg6達到全程的又一較大值,平均濃度為 21.3 mg/L,隨后 COD濃度降至 12 mg/L左右;下游全程的總趨勢為 COD濃度逐漸減小,其間在 Seg2與Seg6處出現(xiàn)較大值。從這組 COD濃度變化數(shù)據(jù)看出,城市的工業(yè)排污和生活污水的排放也是導(dǎo)致渭河水質(zhì)污染的重要原因。

(3)從污染的成因方面分析渭河下游水質(zhì)變化,主要由于以下幾個方面原因：第一,渭河干流河道生態(tài)水量匱乏,年內(nèi)徑流量分配嚴(yán)重不均;第二,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理性差,污染型工業(yè)分布過于密集,大量工農(nóng)業(yè)污水排放于渭河下游;第三,政府職能部門對污水處理缺乏科學(xué)完善的管理體制。要解決渭河下游的污染問題,首先要抓源頭,即工業(yè)生活污水的排放,政府及相關(guān)部門需要合理調(diào)整和優(yōu)化下游地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),保護渭河水資源,提高水資源利用率,并建立科學(xué)的管理體制。其次,需要構(gòu)建數(shù)字渭河,利用現(xiàn)代“3S”技術(shù)對渭河下游流域采取科學(xué)的數(shù)字化信息管理,通過真實可靠的數(shù)據(jù)來反映渭河水環(huán)境狀況,進行合理監(jiān)測、分析和信息反饋。

(4)水質(zhì)模型與 GIS技術(shù)的發(fā)展為水質(zhì)監(jiān)測和信息管理提供了強有力保障,通過 GIS軟件和 WASP模型直觀系統(tǒng)的反映出流域內(nèi)水量分布狀況和水質(zhì)變化情況。同時,GIS能提供一套以地理空間數(shù)據(jù)為背景的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示方法。并且GIS也可作為一個界面進行空間精度水質(zhì)監(jiān)測模型擬合。

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