王瀟磊　邢夢林　劉奕堯　鄭瑤　婁亞敏

摘 要：以河南省內典型污染河流賈魯河、惠濟河、衛(wèi)河為研究對象，基于WASP模型對COD、氨氮、總磷進行水質模擬。研究發(fā)現，模擬值與實際值誤差范圍基本控制在±10%以內，并且模擬目標污染物的年內時空分布規(guī)律與變化趨勢同實測值整體上是一致的，表明WASP模型對河南省內典型河流進行水質模擬具有較好的有效性和可行性。

關鍵詞：河南省；典型河流；WASP模型；水質模擬

1 概述

水資源是支撐河南省社會經濟可持續(xù)發(fā)展和美麗河南建設不可替代的基礎性的自然資源和戰(zhàn)略資源[1]，所以用水安全至關重要。作為水質預報和環(huán)境質量管理有效工具，水質模型在近年來取得了較大的進展[2]，在生產、教學、科研領域均起著重要的指導作用，已被應用于水污染治理及水環(huán)境保護規(guī)劃中[3]。本研究以河南省內典型污染河流賈魯河、惠濟河、衛(wèi)河為研究對象，基于WASP模型對COD、氨氮、總磷進行水質模擬，通過對比模擬值和實際值的相對誤差，探討模型的適用性和可行性。

2 模型分析

2.1 WASP模型建立

WASP水質分析模擬程序（Water Quality Analysis Simulation Program）是由美國環(huán)保局USEPA研發(fā)的新一代水質模型系統(tǒng)[4]，能夠模擬和預測由于自然和人為污染引起的各種復雜水質狀況，因其廣泛的適用性所以被稱作“萬能水質模型”。建立WASP模型，首先要搜集三條河流相關的水文資料，如流量、流速、污染物排放量等數據，接著完成河網的概化和分段與參數的輸入，在此基礎上對COD、氨氮和總磷進行水質模擬，繼而建立水質模型。在模型的運行過程中調整相關的水文參數，從而得到符合實際的水質模型。按此設計思路，我們建立WASP模型的技術路線（見圖1）。

2.1.1 河網的概化和分段

在WASP軟件中，段是表示針對水體進行物理結構上的劃分，即將水體從網格或節(jié)段上進行單元劃分。段是WASP模型正常運行需要輸入的第一類也是最重要的參數，段決定了水動力模塊構架的河流水動力框架。河網概化和分段的主要原則如下：在河流水文特征劇烈變化處；取水口或飲水口處；支流或排污匯口處；具備實測數據的典型斷面處，如水文站點等；能夠收集完整和全面的背景資料處。

2.1.2 水動力學參數的確定

水動力學參數主要用來確定河道的水力特性，它的計算在WASP模型中占有重要的地位，計算準確與否直接關系到模型的精度。本研究選取流速參數：a.流速指數；b.水深參數；c.水深指數；d.等4項指標為主要參數因子。

2.1.3 參數的設置

目前常用的設置有以下四種方法：

理論法：從機理的角度出發(fā)來推算參數值，但在機理不明的情況下大多數參數值的推算困難，且誤差較大；

實驗法：采取實驗手段測算參數，但受到人力、物力、財力等各方面的限制；

經驗法：主要是根據前人已有成果和資料，類比推求參數值；

模型校正法：將水文水質監(jiān)測資料錄入模型，通過運用經驗公式、查閱文獻資料、類比流域其他河段、參考模型使用手冊參數范圍等手段確定參數取值范圍。

2.2 賈魯河水質模擬

2.2.1 數據預處理

數據預處理主要是將收集到的水文、水質資料進行整理轉化，將其變?yōu)榭梢灾苯虞斎隬ASP模型的數據，預處理的主要內容有：輸入文件的建立、水體分段、參數設置、數據的有效性檢查等。

（1）輸入文件的建立。模型起始時間為2013年1月1日到2013年12月31日，模擬類型為富營養(yǎng)化EUTRO，方程求解方法為歐拉方程，數據庫屬性的具體設置可見圖2。（2）河網的概化與分段。根據現有的水文資料和分段原則將賈魯河共分為3段，分別為中牟陳橋、扶溝擺渡口和西華大王莊。計算每段的水體體積、各段的長度、寬度、深度等參數，然后根據軟件的要求，逐項輸入到Segment中。具體分段信息見圖3。

（3）參數的設置。由于河流水質模擬涉及的參數較多，無法進行全面深入研究，因此，在本研究中，選用流量、特征污染物濃度作為參數。參數輸入后，其率定方法采用試算法，具體操作過程是先將其他參數固定在用戶設定的初始值，WASP模型只對某一個目標參數在其取值范圍內反復測算，不斷率定使模擬計算值與檢測值相差最小時使系統(tǒng)最優(yōu)。精確調整20℃時COD衰減速度系數Kd、20攝氏度時硝化速度系數K12，根據WASP用戶手冊中20°C時COD衰減速度系數Kd的取值范圍0-5.6d-1為基礎，通過計算可得到的COD衰減速度系數平均為0.216d-1。

（4）流量的輸入。以2013年1月到2013年12月為周期，以中牟陳橋、扶溝擺渡口、西華大王莊3個水文站的流量監(jiān)測數據為基礎，對模型進行流量的輸入。流量的輸入界面可見圖6。（5）入河污染物的輸入。選取COD、氨氮和總磷3因子為參數指標。賈魯河干流河道各段匯入的總污染量即為生活污水污染量和工業(yè)污水污染量的總和，在模型中分段將污染物總量輸入，各支流污染物匯入同干流河道匯流的河段中。

2.2.2 模擬結果分析。WASP軟件可以生成兩種格式的圖形，二維空間網格圖和X/Y坐標折線圖，可用折線的方式顯示不同污染物在不同監(jiān)測斷面的模擬結果。以中牟陳橋段為例，其COD、氨氮、總磷模擬值和實測值的變化特征可見圖4。從水質的模擬結果來看，賈魯河中氨氮、COD和總磷含量在1-12月間無明顯的變化規(guī)律，呈現出波動性的變化特征。

2.2.3 模型的驗證

不同污染物在各段監(jiān)測斷面的誤差統(tǒng)計見表1。研究發(fā)現，模擬值與實測值之間存在誤差，但誤差范圍基本控制在11%以內，并且模擬目標污染物的年內時空分布規(guī)律與變化趨勢同實測值整體上是一致的，因此表明WASP模型對賈魯河干流進行水質模擬的適用性，并且具有較好的有效性和可行性。

分析誤差產生的原因有：（1）常規(guī)污染的模擬，尤其是氨氮，不只是單純的物理性沉淀溶解，還有浮游生物、溶解氧、光照、三氮轉化等因素參與到化學平衡中。由于系統(tǒng)較為復雜，實測數據項目的不足，本研究部分化學反應被忽略，因此模擬結果具有一定的誤差。（2）本研究流量變化變化采用月均輸入、污染物采用年均量計算獲得月均污染量，這與實際污染物匯入有較大差別。（3）部分流量數據有缺失。

2.3 惠濟河水質模擬

惠濟河是淮河的二級支流，發(fā)源于開封市黃河口，屬于季節(jié)性河流[5]。采用同樣方法對惠濟河進行水質模擬，以開封太平崗橋為例，其COD、氨氮、總磷模擬值和實測值的變化特征可見圖5。

從水質的模擬結果來看，惠濟河中氨氮、COD和總磷含量在1-12月間無明顯的變化規(guī)律，呈現出波動性的變化特征。將WASP模型模擬出的水質數據與收集到的監(jiān)測斷面2014年實測數據進行對比，計算實測值與模擬值的相對誤差。

不同污染物在各段監(jiān)測斷面的誤差統(tǒng)計見表2。研究發(fā)現，模擬值與實測值之間存在誤差，但誤差范圍基本控制在30%以內，并且模擬目標污染物的年內時空分布規(guī)律與變化趨勢同實測值整體上是一致的，因此表明WASP模型對惠濟河干流進行水質模擬的適用性，并且具有較好的有效性和可行性。

分析誤差產生的原因有：（1）常規(guī)污染的模擬，尤其是氨氮，不只是單純的物理性沉淀溶解，還有浮游生物、溶解氧、光照、三氮轉化等因素參與到化學平衡中。由于系統(tǒng)較為復雜，實測數據項目的不足，本研究部分化學反應被忽略，因此模擬結果具有一定的誤差。（2）本研究流量變化變化采用月均輸入、污染物采用年均量計算獲得月均污染量，這與實際污染物匯入有較大差別。（3）部分流量數據有缺失。

2.4 衛(wèi)河水質模擬

衛(wèi)河是河南省海河流域最大的河流，流經焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽和濮陽[6]，河南省境以上河長達286km，對衛(wèi)河進行水質模擬，以修武段為例，其COD、氨氮、總磷模擬值的變化特征可見圖6。

從水質的模擬結果來看，衛(wèi)河中氨氮、COD和總磷含量在1-12月間無明顯的變化規(guī)律，呈現出波動性的變化特征。將WASP模型模擬出的水質數據與收集到的監(jiān)測斷面2013年實測數據進行對比，計算實測值與模擬值的相對誤差。不同污染物在各段監(jiān)測斷面的誤差統(tǒng)計見表3。研究發(fā)現，模擬值與實測值之間存在誤差，但誤差范圍基本控制在10%以內，并且模擬目標污染物的年內時空分布規(guī)律與變化趨勢同實測值整體上是一致的，因此表明WASP模型對衛(wèi)河干流進行水質模擬的適用性，并且具有較好的有效性和可行性。

分析誤差產生的原因有：（1）常規(guī)污染的模擬，尤其是氨氮，不只是單純的物理性沉淀溶解，還有浮游生物、溶解氧、光照、三氮轉化等因素參與到化學平衡中。由于系統(tǒng)較為復雜，實測數據項目的不足，本研究部分化學反應被忽略，因此模擬結果具有一定的誤差。（2）本研究流量變化變化采用月均輸入、污染物采用年均量計算獲得月均污染量，這與實際污染物匯入有較大差別。（3）部分流量數據有缺失。

3 結束語

通過上述研究，得出如下結論性認識：（1）將WASP水質模型應用于賈魯河、惠濟河和衛(wèi)河流域，對三條河流COD、氨氮和總磷進行水質模擬研究。從水質的模擬結果來看，賈魯河、惠濟河和衛(wèi)河中氨氮、COD和總磷含量在1-12月間無明顯的變化規(guī)律，呈現出波動性的變化特征。（2）雖然受實測數據局限性的影響，模擬計算值和實測值存在一定的誤差，但模擬目標污染物在時空分布規(guī)律上與實測值均有較好的一致性。本研究通過對已有數據的模擬分析，得到了相對合理的計算結果，因此，確定WASP模型適用于賈魯河、惠濟河和衛(wèi)河的水質模擬。

參考文獻

[1]周凱，張毅川，王智芳，等.河南省水環(huán)境質量評價[J].生態(tài)環(huán)境學報，2015，24（10）：1676-1681.

[2]基于水質模型的污染監(jiān)控預警和應急管理研究[J].北方環(huán)境，

2013，29（5）：53-58.

[3]阮麗麗.水環(huán)境預測模型的開發(fā)及應用研究[J].2012.

[4]唐大元.WASP水質模型國內外應用研究進展[J].安徽農業(yè)科學，2011，39（34）：21265-21267.

[5]田景環(huán)，邱林，柴福鑫.惠濟河水質管理信息系統(tǒng)的研制[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2005，21（3）：6-9.

[6]鄭保華，曹宏斌.河南省衛(wèi)河流域引黃退水退沙成因分析及建議[J].河南水利與南水北調，2010（7）：51-52.

作者簡介：王瀟磊（1980-），男，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測工作。