楊新吉勒圖，尹慧燕，韓煒宏

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010000）

0 引言

水體自凈能力是水體自然凈化污染物的能力。正確評價水體的自凈能力對水資源和水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。隨著水環(huán)境問題的日益突出，水體自凈能力的相關(guān)研究已成為國內(nèi)外研究的熱點之一。 我國對于水體自凈能力的研究始于20 世紀(jì)80 年代，研究初期， 側(cè)重于對水體自凈機(jī)理的定性和定量研究，之后為了增強(qiáng)研究的準(zhǔn)確性，把水體自凈能力與水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合起來進(jìn)行研究［1］。目前，國內(nèi)關(guān)于水體自凈能力的研究方向主要是多學(xué)科與水體自凈能力的融合。 而國外對水體自凈能力的研究主要集中于水質(zhì)模型方面［2-6］。 在國際上，常用的水質(zhì)模型為丹麥水資源及水環(huán)境研究所開發(fā)的MIKE 系列水利模型、美國國家環(huán)境保護(hù)局開發(fā)的WASP 水質(zhì)模型和QUAL 系列模型。

國內(nèi)外關(guān)于水體自凈能力的研究主要包括影響因素與水質(zhì)模型兩個方面， 而影響因素對于水質(zhì)模型的設(shè)置與選擇具有重要影響。在水質(zhì)模型設(shè)置中，當(dāng)控制方程、初始條件和邊界條件考慮影響因素時，會減少計算值與實測值的相對誤差［7-8］。 因此，合適的水質(zhì)模型能夠提高輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性。 但國內(nèi)關(guān)于水體自凈能力的研究往往忽視了影響因素對水質(zhì)模型的影響［9-11］。 筆者系統(tǒng)地分析了水體自凈能力的影響因素，并將影響因素劃分為客觀性因素、主觀性因素以及資源性因素，從影響因素的角度出發(fā)，分析水質(zhì)模型，對水質(zhì)模型的特點、適用條件和改進(jìn)方法進(jìn)行論述。

1 水體自凈能力的影響因素分析

由于河流、湖泊等水域所處環(huán)境存在差異，因此影響水體自凈能力的因素有所不同?？傮w來看，影響水體自凈能力的因素可分為客觀性 （自然屬性）因素、主觀性（社會屬性）因素和資源性因素3 種。

1.1 客觀性因素

客觀性因素是指水體自凈能力受氣象條件、地形地貌、 污染物背景濃度值和生物作用等自然因素的影響。氣象條件包括溫度、光照和風(fēng)速等。 邱小琮等在研究愛伊河水體自凈能力時發(fā)現(xiàn)， 自凈率與水溫存在明顯的正相關(guān)關(guān)系， 在氣溫較高的5～9 月，水溫較高，水體的自凈率也較高［12］。光是影響天然水體生物氮轉(zhuǎn)化的主要因素。Lipschultz F 等研究光照對富營養(yǎng)化河段氮轉(zhuǎn)化速率的影響時發(fā)現(xiàn)， 隨著光照強(qiáng)度的增加，浮游植物對于營養(yǎng)鹽的吸收增加，致使硝化速率降低［13］。 風(fēng)速對水體自凈能力的影響體現(xiàn)在風(fēng)速過大時，會影響水流流速，當(dāng)水流流速過快時，雖然在一定程度上增加了上覆水溶解氧水平，但同時也會造成底泥再懸浮現(xiàn)象［14-15］。 氣象條件對水體自凈能力的影響具有一定的規(guī)律性， 但氣象條件長期會發(fā)生變化， 例如全球氣候變暖。 因此，Chen Zhang 等認(rèn)為， 氣候變化可能對未來的水質(zhì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響［16］。

河流的地質(zhì)形態(tài)也對河流自凈能力產(chǎn)生影響。何嘉輝等在研究河流線型對河流自凈能力的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著河流線型蜿蜒程度的增加，多項水質(zhì)指標(biāo)的削減率不斷提升［17］，即河流的彎曲程度越高，對于污染物的削減越顯著。 這與Hadi Nayyeri 所指出的河床物質(zhì)的質(zhì)地和河流彎曲程度對物理參數(shù)增減有影響的結(jié)論相一致［18］。

污染物濃度背景值對水體自凈能力的影響可以通過pH 值來說明。 一般認(rèn)為，在水體自凈能力中起重要作用的硝化反應(yīng)對水體pH 值的要求有一定的范 圍 （硝 化 反 應(yīng) 理 想pH 值 在7.5～8.5 之 間）［19］。Huesemann 等研究表明，在pH 值等于8 時，水體系統(tǒng)的硝化速率為最高，此時可忽略光照作用［20］。

在影響水體自凈能力的自然因素中， 物理作用和化學(xué)作用對于污染物的凈化作用較弱， 而生物降解對于污染物的凈化作用十分顯著。 生物作用對水體自凈能力的影響主要是因為幾乎所有原核生物和真核生物都參與了水的自凈過程， 幾乎所有的水生生物都有消耗和氧化溶解有機(jī)物的功能。所以，生物群落的自我調(diào)節(jié)是水體自凈機(jī)制可靠性的重要組成部分［21］。

影響水體自凈能力的客觀性因素為自然因素。因為河流所處地理位置的固定性和水文環(huán)境的相對穩(wěn)定性，自然因素對水體自凈能力的影響會呈現(xiàn)時間上的穩(wěn)定性。 目前，生物作用對于水體自凈能力有著重要的影響。 客觀性因素的重要性就在于，在水質(zhì)模型的邊界條件以及控制方程中， 會重點考慮客觀性因素。 但隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，主觀性因素會在一定程度上改變某些客觀性因素，例如水流和生物作用。

1.2 主觀性因素

主觀性因素影響是指水體自凈能力受到大壩建設(shè)、護(hù)坡結(jié)構(gòu)、政策和技術(shù)等人為因素的影響。 大壩建設(shè)能夠調(diào)節(jié)河流徑流， 進(jìn)而影響庫區(qū)和大壩下游的水文情勢。埃及阿斯旺大壩建成后，在一定程度上改變了尼羅河的水文狀況， 建壩后尼羅河水的固溶物總量比建壩前更高［22］。 王現(xiàn)領(lǐng)等研究了9 種護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式對于水體自凈能力的影響， 得出了硬質(zhì)護(hù)坡結(jié)構(gòu)相比生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)更有利于提高水體自凈能力的結(jié)論［23］。

政策和技術(shù)手段在客觀性影響因素中的作用顯著。 政府制訂環(huán)境保護(hù)政策能夠促使排污企業(yè)更新技術(shù)，從而降低環(huán)境污染程度［24］。 如，江蘇省近些年Ⅰ-Ⅲ類水占比整體呈上升趨勢， 劣V 類水占比明顯下降的現(xiàn)象就與江蘇省現(xiàn)行的40 多項水環(huán)境政策有密切關(guān)系， 政策因素對江蘇省水環(huán)境質(zhì)量的改善起到了直接的推動作用［25］。

在研究水質(zhì)凈化的問題上， 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展引起了高度關(guān)注，使得低成本、高效率的治污方式成為可能。由于生物在水體自凈中發(fā)揮著重要作用，因此自凈技術(shù)的研究更多地與微生物的特性相關(guān)。 碳纖維有較好的水質(zhì)凈化效果是由于碳纖維利用自身特性，吸附微生物，并逐漸形成生物膜，可快速高效地去除水中的污染物， 促使水體中的本體微生物及植被原位恢復(fù)［26］。

目前，在影響水體自凈能力的主觀性因素中，政策和技術(shù)因素對于水體自凈能力的提高發(fā)揮了重要的作用。 政策因素能夠?qū)τ谄髽I(yè)排污起到直接控制的作用，而技術(shù)因素對于低成本、高效率治污有顯著影響。但在設(shè)置模型時，主觀性因素并不會作為參數(shù)出現(xiàn)。 盡管主客觀因素都有助于水體自凈能力的提高，但過度排污必然會導(dǎo)致水體嚴(yán)重污染。

1.3 資源性因素

資源性因素影響是指水體自凈能力受水中污染物濃度的影響。如果水域中污染物超過某一臨界值，河流會喪失自然減少和吸收污染物的能力， 就會導(dǎo)致水體的污染越來越嚴(yán)重［27-28］。 A Chinyama 等運(yùn)用模型將水體自凈的臨界值表示出來［27］。 他們設(shè)置的模型函數(shù)為：Y=AXN+BXN-1+…+C，其中，Y 為觀測點P1與P2之間的濃度變化；X 為參數(shù)初始濃度；A、B、C 為常數(shù)；N 由模型函數(shù)（線性、多項式、指數(shù)或?qū)?shù)）決定。當(dāng)P1與P2之間的參數(shù)（Y）沒有變化時，臨界污染濃度為X。

雖然眾多因素可以提升河流的自凈能力， 但若向水域排放污染物的量超過水域自凈臨界值， 河流就完全失去了它自然吸收污染物的能力。

2 水體自凈能力的測算方法

水質(zhì)模型發(fā)展歷史悠久、種類很多，可按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)對水質(zhì)模型進(jìn)行分類。 按照變量的確定性劃分，水質(zhì)模型可分為確定性模型、混合性模型、隨機(jī)性模型；按照模擬空間性質(zhì)劃分，水質(zhì)模型可分為零維模型、一維模型、二維模型、三維模型；按照評估水域劃分，水質(zhì)模型可分為河流模型、湖泊模型、海洋模型、河口模型；按照對水質(zhì)變化的了解程度劃分，水質(zhì)模型可分為黑箱模型、白箱模型、灰箱模型；按照模型參數(shù)的性質(zhì)劃分， 水質(zhì)模型可分為物理模型、化學(xué)模型等［29］。本文章按照模擬空間性質(zhì)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對水質(zhì)模型進(jìn)行研究。

2.1 零維水質(zhì)模型

零維水質(zhì)模型測算水體排放的污染物為持久性污染物，一般適用于較小的水庫、湖泊和池塘。 模型前提假設(shè)為：河流為充分混合段、污染物為持久性污染物、河流為恒定流動和廢水連續(xù)穩(wěn)定排放。

零維水質(zhì)模型本身較為簡單， 由于水域環(huán)境的復(fù)雜性， 模型的計算結(jié)果可作為其他維度的初始值和估計值。 河流中并非所有水體都參與到污染物稀釋自凈，但在傳統(tǒng)零維水質(zhì)模型中，參與容量計算的水體為全部水體， 因而就需要對零維水質(zhì)模型計算中的不安全因素進(jìn)行校正。于雷認(rèn)為，校正零維模型計算中不安全因素的方法有兩種： 一是制訂精確的劃分標(biāo)準(zhǔn)，找出具體水體對應(yīng)的水質(zhì)模型；二是依舊采用原有劃分標(biāo)準(zhǔn)， 對零維水質(zhì)模型初步計算結(jié)果進(jìn)行基于混合區(qū)的不安全系數(shù)修正［30］。

2.2 一維水質(zhì)模型

一維水質(zhì)模型是假設(shè)污染物排放到河流中后，立刻在橫向和垂向均勻混合， 污染物濃度只會隨著縱向變化。 該模型適用于河流長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度和深度的情況。 模型前提假設(shè)為：河流為充分混合段、污染物為非持久性污染物、 河流為恒定流動和廢水連續(xù)穩(wěn)定排放。

呂寶闊等應(yīng)用一維水質(zhì)模型計算了蒲河水體的綜合降解系數(shù)， 得出了蒲河水體自凈能力隨時間變化的規(guī)律［31］。 與污染物綜合降解系數(shù)相類似的公式是A Chinyama 等研究津巴布韋烏姆古扎河嚴(yán)重污染時所使用的公式［27］。 由于水體存在臨界污染濃度，A Chinyama 等將河流自凈能力計算公式進(jìn)一步延伸，根據(jù)模型函數(shù)計算臨界污染水平。為了提高模型的準(zhǔn)確性， 彭虹等考慮了河流水流特征和生態(tài)系統(tǒng)之間各種水質(zhì)成分的相互轉(zhuǎn)化， 建立了一維河流綜合水質(zhì)生態(tài)模型［32］。 將該模型應(yīng)用于漢江武漢段水質(zhì)成分檢測， 模擬計算值與實測值最大相對誤差為17%。這說明，合理地結(jié)合數(shù)學(xué)模型，有助于提高水質(zhì)模型計算的準(zhǔn)確性。

2.3 一維S-P 水質(zhì)模型

氧平衡模型（Streeter-Phelps 模型，簡稱S-P 模型）假設(shè)水體中存在虧氧和復(fù)氧兩個過程，且復(fù)氧速率與氧虧量成正比［10］。 S-P 模型有以下前提假設(shè)：（1）河流中，生化需氧量BOD 的衰減和溶解氧的復(fù)氧都是一級反應(yīng)。（2）反應(yīng)速度是定常的。（3）河流中的耗氧是由生化需氧量BOD 衰減引起的，而河流中的溶解氧來源則是大氣復(fù)氧。

由于影響生化需氧量BOD 的因素較多且難以用試驗進(jìn)行定量研究，朱紅偉等用化學(xué)需氧量COD反映水體中污染物進(jìn)行生化分解時所需要的耗氧量，以S-P 模型為基礎(chǔ)，研究了考慮與不考慮底泥再懸浮2 種條件對水體自凈作用的影響，得出了水流流速是影響水體自凈作用的主要因素之一的結(jié)論［14］。 由于模型的局限性，眾多學(xué)者對S-P 模型提出了一些改進(jìn)方法。Thomas 進(jìn)一步考慮了泥沙的沉降和絮凝對生化需氧量BOD 的影響［33］；Donald J 在研究河流溶解氧的時空分布時， 將生化需氧量BOD 分為碳化BOD 和硝化BOD［34］；劉建國在傳統(tǒng)S-P 模型中引入臨界判定點， 對傳統(tǒng)模型臨界計算點出現(xiàn)負(fù)值的缺陷進(jìn)行了修正，提高了模型的計算精度［35］。

2.4 二維水質(zhì)模型

根據(jù)污染物隨著縱向與橫向或縱向與垂向的變化， 二維水質(zhì)模型分為橫向二維模型和垂向二維模型。 其中，橫向二維模型適用于寬淺型江河流域，垂向二維模型適用于較深的湖泊和水庫。 河流二維水質(zhì)模型預(yù)測的對象是持久性污染物， 模型前提假設(shè)為：河流為混合過程段、污染物為持久性污染物、河流為恒定流動和廢水連續(xù)穩(wěn)定排放。

由于滇池大清河河口泥沙淤積、 土地復(fù)墾和過度污染，Chen Qiuwen 等根據(jù)大清河與滇池連接區(qū)的水流條件，建立二維水質(zhì)模型，并采用交替方向迭代法對模型進(jìn)行數(shù)值求解［36］。通過求解發(fā)現(xiàn)，所建立的模型能夠較準(zhǔn)確地模擬水體中BOD5、COD、NH+4-N 和PO3-4-P 濃度的變化， 平均相對誤差均在30%以內(nèi)。在二維水質(zhì)模型的應(yīng)用中，由于水質(zhì)參數(shù)輸入多，會使結(jié)果存在偏差。 針對此問題，一些學(xué)者基于所研究水體的情況，對二維水質(zhì)模型進(jìn)行改進(jìn)。姜丹在充分考慮地形要素對區(qū)域水質(zhì)影響的條件下，結(jié)合地理空間要素的插值方法， 對傳統(tǒng)二維水質(zhì)模型進(jìn)行改進(jìn)。 改進(jìn)的二維水質(zhì)模型更能準(zhǔn)確反映區(qū)域水體連續(xù)性特征， 對于年尺度氨氮的預(yù)測精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)二維水質(zhì)模型， 氨氮預(yù)測誤差相對值分別減少7.4%和16.4%［37］。

2.5 三維水質(zhì)模型

三維水質(zhì)模型考慮污染物的橫向、縱向、垂向的三維變化，適用于河口、海灣和感潮河段等水文條件較為復(fù)雜的區(qū)域。由于自然界是三維空間，只有三維模型才能完全反應(yīng)水流水質(zhì)的空間分布。

近年來， 膠州灣面臨較為嚴(yán)重的污染和富營養(yǎng)化的問題，Keqiang Li 基于這一問題，采用三維水質(zhì)模型來確定膠州灣氮磷的環(huán)境容量［38］。其中，水質(zhì)模型考慮了溶解無機(jī)氮、磷酸鹽、浮游植物、浮游動物、碎屑、溶解有機(jī)氮、溶解有機(jī)磷7 個因素。 該模型與三維水動力模型相結(jié)合，通過對膠州灣春季、夏季和秋季的季節(jié)性觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正， 發(fā)現(xiàn)所提出的模型有效地再現(xiàn)了養(yǎng)分濃度的時空變異性。 Li Zhang等在蘇北灌河河口建立了一個三維動態(tài)水質(zhì)模型，模擬了河口及鄰近沿海地區(qū)復(fù)雜的水文環(huán)境［39］。 水質(zhì)模型考慮了氮、磷、浮游植物、浮游動物、碎屑和化學(xué)需氧量等因素。 改進(jìn)后的三維水質(zhì)模型能較準(zhǔn)確地模擬水動力學(xué)和水質(zhì)的縱向分布， 可用于水域的總負(fù)荷控制管理，以改善該區(qū)的水質(zhì)。

通過水質(zhì)模型的運(yùn)用， 并對比污染物濃度的變化，可以分析影響水體自凈能力的因素。筆者在對水質(zhì)模型與水體自凈能力的研究中發(fā)現(xiàn)， 客觀性因素是模型設(shè)置的重要參數(shù)， 例如一些研究項目在控制方程、 約束方程、 初始條件和邊界條件中會設(shè)置水流、水溫和生物作用等客觀性因素。 相反，幾乎沒有模型會把政策和技術(shù)等主觀性因素作為參數(shù)， 因為政策和技術(shù)的實施， 會相應(yīng)地改變污染物的濃度和生物作用，而主觀性因素會直接影響客觀性因素。

3 結(jié)語

綜上所述， 水體自凈能力的影響因素可以分為客觀性因素、主觀性因素和資源性因素。在客觀性因素中，生物作用對于水體自凈能力的貢獻(xiàn)日益突出，而技術(shù)與政策兩個因素對于水體自凈能力提高的作用愈加顯著。目前，水質(zhì)模型適用范圍從簡單的一維河流發(fā)展到幾乎涵蓋所有復(fù)雜水體， 而在水質(zhì)模型設(shè)置中，影響因素也產(chǎn)生了重要作用?？陀^性因素成為模型設(shè)置的重要參數(shù)，在控制方程、初始條件、邊界條件和約束方程中都會有體現(xiàn)。 主觀性因素會改變水體的客觀性因素， 成為間接影響水體自凈能力的手段。 所以，在模型設(shè)置中，主觀性因素會以客觀性因素的形式體現(xiàn)。 但關(guān)于水體自凈能力影響因素和水質(zhì)模型的研究仍有不足， 文章提出以下兩點研究方向：

（1） 在對水體自凈能力影響因素研究的過程中發(fā)現(xiàn)，影響因素中存在一種連鎖反應(yīng)。 例如，當(dāng)風(fēng)速較大時，會影響水域流速，而流速較大時，會引起底泥再懸浮， 這種連鎖反應(yīng)會對水體自凈能力產(chǎn)生重要影響。那么當(dāng)一種條件不發(fā)生作用時，其連鎖反應(yīng)下的其他條件作用就會減弱或者直接不發(fā)生作用。在水質(zhì)模型的設(shè)置中， 應(yīng)該考慮這種連鎖反應(yīng)的情況，這有助于減少實測值與計算值的誤差。

（2）與新技術(shù)相結(jié)合。水質(zhì)模型輸出結(jié)果不確定的重要原因是污染物濃度和影響因素測算結(jié)果的誤差。與新技術(shù)結(jié)合能夠減少模型輸出的不確定性。遙感技術(shù)在水文領(lǐng)域的應(yīng)用有范圍大、 速度快和高效性等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字預(yù)警、識別黑臭水體、考察海域污染［40-41］。 GIS 技術(shù)能夠生成精確的數(shù)字地圖信息，有效地測量出不同地理狀況信息，使模擬過程更加真實，測算結(jié)果更加可靠［42］。