張海波 鄧保樂

(天津市環(huán)境監(jiān)測中心,天津 300191)

常見河流水質模型及其應用過程中的注意事項

張海波 鄧保樂

(天津市環(huán)境監(jiān)測中心,天津 300191)

水體中污染物的濃度會隨著時間及空間的改變而發(fā)生變化,水質模型就是描述其變化規(guī)律的數(shù)學方程。隨著科學技術的進步,水質模型模擬精度逐漸提高,但也帶來了運行參數(shù)增加、調試難度增大、資源消耗量增多等負面影響。在實際工作中,不能單純追求高精度的先進模型,應該立足于已有資源,認清各類模型的適用條件和優(yōu)缺點,選擇最恰當?shù)乃|模型輔助工作。

水質模型 河流 應用 注意事項

水體中污染物的濃度會隨著時間及空間的改變而發(fā)生變化,水質模型就是描述其變化規(guī)律的數(shù)學方程。一個恰當?shù)乃|模型能夠有效描述污染物在水體中的遷移、轉化規(guī)律,依據(jù)目前的水體質量、排污狀況等信息來預測水體質量的變化情況,為水質管理提供決策依據(jù)。隨著科學技術的發(fā)展,水質模型模擬精度逐漸提高,但也帶來了運行參數(shù)增加、調試難度增大等負面影響。因此在實際應用過程中如果不考慮現(xiàn)有條件,單純追求先進模型,不僅會增加工作負擔,還可能無法取得預期結果。只有明確工作的目的和意義,針對性選擇最恰當?shù)乃|模型,才能事半功倍。

1 河流水質模型發(fā)展歷程

目前河流水質模型的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了3個階段:第1階段是1925至1980年,該階段研究的水體主要是水質本身,模型注重分析水質內部組分之間的規(guī)律關系,主要研究受生活、工業(yè)點源污染的河流系統(tǒng),輸入的污染負荷僅強調點源。第2階段是1980至1995年,這一階段的模型增加了狀態(tài)變量(水質組分)的數(shù)量,在多維模型系統(tǒng)中加入了水動力模型,將底泥等作用納入了模型內部,與流域模型進行連接從而使面源污染能被連入初始輸入,對模型的約束條件更多,降低了預測的主觀性。第3階段是1995年至今,這一階段充分考慮了大氣污染物沉降對目標水體的影響,增加了大氣污染模型,對一個給定的大氣流域,能將動態(tài)或靜態(tài)的大氣沉降連接到一個給定的水流域,并對來自于該流域的負荷進行評估,從而更全面的掌握目標水體中污染物的遷移、轉化規(guī)律。[1]

2 常見的河流水質模型

按空間尺度,水質模型可分為一維模型、二維模型、三維模型等;按污染物排放及空間分布狀態(tài),可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)模型;按照復雜程度,可分為單一模型、綜合模型、模型體系等。各類水質模型中,應用比較廣泛的模型有以下幾種:

(1)零維模型。零維模型又稱CFSTR模型,它是將河流分為i段,認為每一段均是一個快速攪拌反應水槽,對源漏項僅存在衰減反應的水質模型。其中第i河段模型積分解為:

式中:C為污染物在第i河段的濃度;C0為污染物初始濃度;Q為流量;k為衰減系數(shù);V為河段水的體積。

(2)一維河流單組分穩(wěn)態(tài)水質模型。當河流中河段均勻、排污連續(xù)恒定、水文條件穩(wěn)定時,該河段的斷面面積A、平均流速u、污染物輸入量w、縱向彌散系數(shù)E、衰減系數(shù)k都不隨時間變化。此時河流斷面污染物濃度c是穩(wěn)定而不隨時間變化的,其基本方程為:

式中:x為斷面到起點的距離;c為污染物濃度;u為流速;E為彌散系數(shù);k為衰減系數(shù)。

(3)一維河流突發(fā)性排污的水質模型。當污染源在很短的時間內突發(fā)性排入質量為W污染物,它與流量為Q的河水迅速均勻混合,在x=0處形成一個平面污染源,則不同時間,不同流動距離處的污染物濃度為:

式中:x為斷面至排污點的距離;c為斷面污染物濃度;u為流速;E為彌散系數(shù);k為衰減系數(shù);W為污染物排放量;c0為排污點污染物初始濃度;A為排污點河流截面積;t為距事發(fā)時的時長。[2]

(4)QUAL-Ⅱ綜合水質模型。由美國國家環(huán)保局于1973年開發(fā),是一個具有多種用途的河流水質模型,可用于研究流入污水負荷對受納河流水質的影響,也可用于非點源的研究,既可作為穩(wěn)態(tài)模型也可作為隨時間變化的動態(tài)模型,適用于混合較好的枝狀河流,屬于一維水質綜合模型。[3]

(5)WASP模型體系。是美國環(huán)境保護局提出的水質模型系統(tǒng),包括D YN H YD和WA SP兩個獨立的運算程序,DY NH YD是水動力學程序,模擬水的運動,WASP是水質程序,模擬各種污染物的運動和相互作用。[4]

(6)BASINS模型體系。是美國環(huán)保局發(fā)布的多目標環(huán)境分析系統(tǒng),基于GIS環(huán)境,可對水系和水質進行模擬。它最初用HSPF作為水動力和水質模型,后來集成了QUAL2E和一些其它模型,同時使用了土壤水質評價工具WEAT和ARCVIEW界面,可使用GIS從數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)。該體系中的HSPF程序,是當今最常用的水系模型之一,既能模擬標準化的營養(yǎng)過程,也能模擬水質組分的傳輸。[5]

(7)MIKE模型體系。由丹麥水動力研究所(DHI)開發(fā),是一維動態(tài)模型,能用于模擬河網(wǎng)、河口、灘涂等多種地區(qū)的情況,研究變量包括水溫、細菌、營養(yǎng)鹽、水生生物、底泥、金屬及用戶自定義物質,能處理許多不同類型的水動力條件。[6]

3 各類水質模型的特征及適用條件

(1)零維模型。零維模型是最基礎的水質模型,僅需要調試1個參數(shù)(即衰減系數(shù)k),即可完成運算。由于零維模型將河段分割成了孤立的水體,沒有動態(tài)流程,因此得不到連續(xù)的沿程變化,無法用于濃度監(jiān)控。這使得該模型多用于計算水域納污能力,其適用對象主要為水網(wǎng)地區(qū)的河段,孤立或串連的塘壩等。

(2)一維水質模型。一維水質模型模擬了污染物沿河道連續(xù)擴散、衰減的過程,可細分為一維穩(wěn)態(tài)水質模型、一維突發(fā)性排污的水質模型等,主要適用于寬深比不大,污染物在河段橫斷面上能夠均勻混合的中小河流。其中一維穩(wěn)態(tài)水質模型適用于河道均勻、排污恒定連續(xù)、水文條件穩(wěn)定的河段,其特點是河流斷面污染物濃度c不隨時間變化;一維突發(fā)性排污的水質模型的運行雖然也需要河道均勻、水文條件穩(wěn)定的河段,但其模擬的是污染源在很短的時間內突發(fā)性排入污染物的情況,因此主要適用于應急事故。

(3)二維、三維水質模型。與一維水質模型僅考慮污染物沿河道縱向擴散、衰減相比,二維、三維水質模型增加了污染物在寬度上的水平擴散和深度上的垂直擴散,因此能夠適用于規(guī)模更大,水文條件更復雜的河流。由于沒有引入新的污染物遷移轉化因素,二維、三維水質同樣可分為穩(wěn)態(tài)水質模型和非穩(wěn)態(tài)水質模型,分別適用于排污恒定連續(xù)的河段和突發(fā)性排污等非穩(wěn)態(tài)河段。

(4)綜合水質模型及模型體系。目前先進的水質模型均屬于綜合水質模型或模型體系,它是將水動力學模型、污染物遷移轉化模型、河流區(qū)域信息系統(tǒng)等內容進行有機結合的綜合載體。其特點為適用性很廣,不僅能夠在動態(tài)、靜態(tài)之間自由轉換,還可模擬各種污染物的運動和相互作用,研究變量包括水溫、細菌、營養(yǎng)鹽、水生生物、底泥、金屬等諸多內容。

4 水質模型應用原則及注意事項

統(tǒng)計結果顯示,WASP等模型體系雖然具有適用性廣、數(shù)據(jù)精確度高等優(yōu)勢,但其計算過程復雜,運算必須的參數(shù)繁多。因此建立模型體系不僅需要大量的前期參數(shù)采集工作,還需要在模型調試過程中配備大量儀器設備和人員進行跟蹤監(jiān)測,確保數(shù)據(jù)準確可靠。實際工作中,受人力資源、經(jīng)濟條件等因素限制,往往難以引入最先進的模型體系,這就需要監(jiān)測人員深入了解工作的目的和意義,選擇模擬精度能夠滿足工作要求,現(xiàn)實條件又能夠有效支撐的水質模型。篩選時需要注意以下問題:

(1)認清使用模型的意義和精度要求,確保目標模型能夠滿足工作需要。雖然建立水質模型的最初目的是模擬污染物在河流中的遷移轉化規(guī)律,但其作用不僅僅在于預測污染物濃度,例如利用下游監(jiān)測數(shù)據(jù)反向運算模型,就可以實現(xiàn)推測事發(fā)地點、估算污染源強度、判斷某個斷面超標時段及濃度峰值出現(xiàn)時刻、判斷某個時刻超標河段及濃度峰值出現(xiàn)地點等用途。因此必須明確使用模型的意義和精度要求,才能選擇合適的模型。例如應急監(jiān)測工作中,對時效性的要求遠遠高于數(shù)據(jù)精度,因此選擇模型時應盡量選取參數(shù)較少、易于使用的簡單模型。對于飲用水源地的日常監(jiān)督工作,由于涉及人身安全,監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性顯得尤為重要,而其日常監(jiān)督性質則決定了監(jiān)測人員有充足的時間進行監(jiān)測、調試,此時選擇高精度水質模型更為恰當。

(2)確定目標河流符合模型的原假設和邊界條件。水質模型本質上是描述污染物變化規(guī)律的數(shù)學方程,只能顯示精確數(shù)值,無法表述模糊信息,因此任何一個模型都需要設置原假設和邊界條件,對現(xiàn)實信息進行概括和提煉,待目標變量和控制參數(shù)建立后,才能利用數(shù)學方程進行運算,得到所需結果。

例如一維穩(wěn)態(tài)水質模型假設:當河流中河段均勻、排污連續(xù)恒定、水文條件穩(wěn)定時,該河段的斷面面積A、平均流速u、污染物輸入量w、縱向彌散系數(shù)E、衰減系數(shù)k都不隨時間變化,此時河流斷面污染物濃度c是穩(wěn)定而不隨時間變化的。在此前提下才能建立方程對水質進行預測。

因此在引入模型前,需要對模型的原假設和邊界條件進行逐一檢驗,確保其與目標河流自身特征相匹配。

(3)分析現(xiàn)有資源能否支持模型運轉。為確保模擬精度,模型在使用過程中需要周期性更新控制參數(shù)和邊界條件,該過程需要投入大量人力物力。對于適用范圍廣、模擬精度高的模型,由于運算方程越復雜,運行時需要監(jiān)控的參數(shù)眾多,其維持正常運轉時消耗的資源將遠遠大于簡單模型。例如對于零維模型,只需要監(jiān)控污染物初始濃度、流量、衰減系數(shù)3個參數(shù),簡單易測;對于一維穩(wěn)態(tài)水質模型,需要監(jiān)控平均流速、污染物輸入量、縱向彌散系數(shù)、衰減系數(shù)4個參數(shù),工作量有所增加;對于MIKE模型體系,由于研究對象包含了水溫、細菌、營養(yǎng)鹽、水生生物、底泥、金屬等諸多內容,其監(jiān)控內容不僅包括水體的動力學參數(shù),還包括各類污染物的遷移、轉化系數(shù),工作難度極大增加。

因此在引入模型前,需要仔細核算現(xiàn)有資源能否維持模型運轉,在能夠承擔的范圍內選取精度最高的模型。

5 結語

模型的模擬精度越高、適用范圍越廣、納入的影響因素數(shù)量越多,其運算方程的復雜程度越高。這意味著運算高精度的先進模型,需要監(jiān)控更多的控制參數(shù)和初始條件,消耗更多的資源。因此在選用水質模型時,不能一味追求高精度和先進性,應該立足于已有資源,認清各類模型的適用條件和優(yōu)缺點,選擇最恰當?shù)乃|模型輔助工作。

[1]李繼選,王軍.水環(huán)境數(shù)學模型研究進展[J].水資源保護,2006,22(1).

[2]馮民權,鄭邦民,周孝德.水環(huán)境模擬與預測[M].科學出版社,2009.

[3]張智,李燦,曾曉嵐,張艷,QUAL2E模型在長江重慶段水質模擬中的應用研究[J].環(huán)境科學與技術,2006,29(1).

[4]劉蘭嵐,張永紅.WASP水質模型在遼河干流污染減排模擬中的應用[J].環(huán)境科學與管理,2010,35(5).

[5]蔡芫鑌,潘文斌,任霖光.BASINS3.0系統(tǒng)述評.安全與環(huán)境工程[J],2005,12(2).

[6]曹曉靜,張航.地表水質模型研究綜述[J].水利與建筑工程學報,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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張海波(1981.7-),男,天津市寧河縣,漢族,天津市環(huán)境監(jiān)測中心,工程師,理學學士,從事環(huán)境監(jiān)測工作。