□葉 南 張海波 金 哲 肖旎旎

一、概述

水質(zhì)模型是一類用于描述水環(huán)境中物質(zhì)變遷過程的數(shù)學(xué)方程，求解這些方程可以得到水體中污染物的擴散在時間和空間維度上的定量描述。但水質(zhì)模型是一類經(jīng)過抽象和簡化后的數(shù)學(xué)工具，其求解結(jié)果存在本身的局限。現(xiàn)在，常用的河流水質(zhì)模型多用于點源排放的納污河流，非點源污染物的水質(zhì)模型研究還需要深入，尤其是水質(zhì)模型中的二維和三維模型。

在當(dāng)前的河道水質(zhì)模型研究中，常用的一類模型是QUAL2E 模型，該模型是USEPA 提出的河流綜合水質(zhì)模型。實踐表明，該模型能夠應(yīng)用于綜合性和多用途的河流水質(zhì)分析之中。本文將以這一模型為基礎(chǔ)，以長江南京段為背景，研究其污染物的擴散規(guī)律。

二、QUAL2E 模型

（一）QUAL2E 基本模型結(jié)構(gòu)概述

QUAL2E 模型屬于一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型，利用這一模型可定量計算在特定的溶解氧水平下的稀釋河流，以及評價在一定的污染物量級和發(fā)生地條件下的水質(zhì)狀況。利用這一模型還可以對水質(zhì)常見參數(shù)進行模擬和分析，如溶解氧、生化需氧量等。從原理上看，QUAL2E 模型假定存在主流輸送以及若干支流匯入，并且沿著河流可能存在多個污染源、取水口等。QUAL2E 模型的數(shù)學(xué)表達式為一維平流-擴散質(zhì)量遷移方程：

上式中M 表示考察的物質(zhì)質(zhì)量，X 為距離，t 為時間度量，C 為考察的物質(zhì)在河流中的濃度，Ax 為坐標(biāo)X處的河流橫斷面面積，DL 表示物質(zhì)的縱向擴散系數(shù)，u為河流平均流速，S 為外部的源/漏。

（二）計算單元劃分

水質(zhì)模型的模擬計算需要將河流進行劃分，再在單個的河段單元中進行逐個計算。在給定的河流單元中，繼續(xù)將該河段劃分為等長的計算單元進行處理。通過上述步驟，河流即可被轉(zhuǎn)化成混合反應(yīng)器，因此可以完成物質(zhì)的輸送和擴散分析。在進行計算單元的劃分時，通常選取以下類型中的一種或幾種，即源頭水單元、支流匯入主流節(jié)點單元、標(biāo)準(zhǔn)單元、交匯點單元、河流系統(tǒng)中的最后一個單元、輸入單元、水口單元等。為了保證計算精度，河流計算單元的劃分不能過粗。反之，劃分過密，則要大大增加計算量。從實踐的角度說，將計算單元的長度取為500m 是合適的。

（三）水力學(xué)參數(shù)設(shè)定

QUAL2E 模型的計算精度直接受到河流水力學(xué)參數(shù)輸入精度的影響，這是因為QUAL2E 模型是一維模型，要求河流必須具有穩(wěn)態(tài)特性。概括而言，在對QUAL2E模型進行水力學(xué)參數(shù)輸入時主要控制出流系數(shù) 、梯形過流斷面、縱向彌散系數(shù)。上述三類參數(shù)中，出流系數(shù)主要由河流流量、河流的平均流速和河流水深綜合決定，而梯形過流斷面參數(shù)主要由河流的水深控制，還受河道過流斷面面積、水力半徑、曼寧系數(shù)等影響?？v向彌散系數(shù)具有一定的假定特征，即認(rèn)為河流只在縱向存在速度梯度，通過計算河流的平均水深、平均流速、曼寧系數(shù)等來綜合計算縱向的彌散系數(shù)。

三、長江南京段水質(zhì)污染物構(gòu)成分析

（一）污染物來源分析

南京段地處長江下游，積聚了大量水質(zhì)污染物，加之本身也處在工業(yè)比較發(fā)達的長江三角洲地區(qū)，大量工業(yè)和生活污水對南京段的水質(zhì)造成了較為明顯的影響?？梢?，在長江南京段建立相應(yīng)的污染物模型對于分析水質(zhì)具有重要意義。南京段的污染物來源主要有以下幾類：1.生活污水。長江南京段是一個人口稠密的地區(qū)，而城市生活污水在現(xiàn)有的水平下處理率比較低，是長江南京段污染物的主要來源之一。2.工業(yè)污染物。這類污染物主要來自長江沿線的化工原料、食品制造業(yè)等，這類工業(yè)污水的處理率比較低，通常都是直接排入長江。在進行水質(zhì)分析時，必須將工業(yè)園區(qū)的污水排放口作為點源來處理。3.農(nóng)業(yè)污染物。長江南京段的農(nóng)業(yè)污染物主要來自于上游安徽段。4.航運污染。長江歷來是黃金水道，每天都有大量的運輸船舶從長江段經(jīng)過，所造成的污染不容忽視，船運帶來的污染是南京段長江水質(zhì)問題的重要因素之一。

（二）模型建立

本次研究所采用的水樣依照《水和廢水監(jiān)測分析方法》的要求進行，所采集的水樣以0.5～1m的表層水為主。對水樣監(jiān)測項目包括水溫、總磷、溶解性總氮、透明度、溶解性總磷、總氮和葉綠素a，以上幾類參數(shù)的測量結(jié)果用于后續(xù)的模型模擬和分析計算。利用QUAL2E 模型建立南京段污染物模型時，選擇模擬的時間跨度為半年（180天），模擬次數(shù)為10 次，其中一次模擬計算的結(jié)果見下表：

從模擬的總體結(jié)果來看，葉綠色a的含量和溶解性氮的含量相關(guān)性并不明顯，但從總趨勢上看，卻和溶解性磷的含量有一定的正相關(guān)系，模型對溶解性氧的模擬結(jié)果和實測結(jié)果較為接近。但由于南京段沿江分布的污水排出口較多，而且對于雨水等導(dǎo)致面源污染的污染物匯入在模型中較難精確的輸入，利用QUAL2E 模型在進行這類分析時存在不足，模擬結(jié)果和實測結(jié)果誤差較大。這需要建立起水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，進一步改善模型，并和有關(guān)部門加強合作后才能建立起實時性更好的水質(zhì)監(jiān)測模型，這是需要加強的后續(xù)工作。

QUAL2E 模型模擬計算結(jié)果表