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(zhì)模型及其應(yīng)用過程中的注意事項(xiàng)

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(zhì)模型就是描述其變化規(guī)律的數(shù)學(xué)方程。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,水質(zhì)模型模擬精度逐漸提高,但也帶來了運(yùn)行參數(shù)增加、調(diào)試難度增大、資源消耗量增多等負(fù)面影響。在實(shí)際工作中,不能單純追求高精度的先進(jìn)模型,應(yīng)該立足于已有資源,認(rèn)清各類模型的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn),選擇最恰當(dāng)?shù)乃|(zhì)模型輔助工作。

水質(zhì)模型 河流 應(yīng)用 注意事項(xiàng)

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(zhì)模型就是描述其變化規(guī)律的數(shù)學(xué)方程。一個恰當(dāng)?shù)乃|(zhì)模型能夠有效描述污染物在水體中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律,依據(jù)目前的水體質(zhì)量、排污狀況等信息來預(yù)測水體質(zhì)量的變化情況,為水質(zhì)管理提供決策依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,水質(zhì)模型模擬精度逐漸提高,但也帶來了運(yùn)行參數(shù)增加、調(diào)試難度增大等負(fù)面影響。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中如果不考慮現(xiàn)有條件,單純追求先進(jìn)模型,不僅會增加工作負(fù)擔(dān),還可能無法取得預(yù)期結(jié)果。只有明確工作的目的和意義,針對性選擇最恰當(dāng)?shù)乃|(zhì)模型,才能事半功倍。

1 河流水質(zhì)模型發(fā)展歷程

目前河流水質(zhì)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(zhì)本身,模型注重分析水質(zhì)內(nèi)部組分之間的規(guī)律關(guān)系,主要研究受生活、工業(yè)點(diǎn)源污染的河流系統(tǒng),輸入的污染負(fù)荷僅強(qiáng)調(diào)點(diǎn)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(zhì)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(nèi)部,與流域模型進(jìn)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(yù)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(biāo)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(fù)荷進(jìn)行評估,從而更全面的掌握目標(biāo)水體中污染物的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律。[1]

2 常見的河流水質(zhì)模型

按空間尺度,水質(zhì)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(fù)雜程度,可分為單一模型、綜合模型、模型體系等。各類水質(zhì)模型中,應(yīng)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(rèn)為每一段均是一個快速攪拌反應(yīng)水槽,對源漏項(xiàng)僅存在衰減反應(yīng)的水質(zhì)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(zhì)模型。當(dāng)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(diǎn)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(zhì)模型。當(dāng)污染源在很短的時間內(nèi)突發(fā)性排入質(zhì)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(diǎn)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(diǎn)污染物初始濃度;A為排污點(diǎn)河流截面積;t為距事發(fā)時的時長。[2]

(4)QUAL-Ⅱ綜合水質(zhì)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(zhì)模型,可用于研究流入污水負(fù)荷對受納河流水質(zhì)的影響,也可用于非點(diǎn)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(zhì)綜合模型。[3]

(5)WASP模型體系。是美國環(huán)境保護(hù)局提出的水質(zhì)模型系統(tǒng),包括D YN H YD和WA SP兩個獨(dú)立的運(yùn)算程序,DY NH YD是水動力學(xué)程序,模擬水的運(yùn)動,WASP是水質(zhì)程序,模擬各種污染物的運(yùn)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(biāo)環(huán)境分析系統(tǒng),基于GIS環(huán)境,可對水系和水質(zhì)進(jìn)行模擬。它最初用HSPF作為水動力和水質(zhì)模型,后來集成了QUAL2E和一些其它模型,同時使用了土壤水質(zhì)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(dāng)今最常用的水系模型之一,既能模擬標(biāo)準(zhǔn)化的營養(yǎng)過程,也能模擬水質(zhì)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(xì)菌、營養(yǎng)鹽、水生生物、底泥、金屬及用戶自定義物質(zhì),能處理許多不同類型的水動力條件。[6]

3 各類水質(zhì)模型的特征及適用條件

(1)零維模型。零維模型是最基礎(chǔ)的水質(zhì)模型,僅需要調(diào)試1個參數(shù)(即衰減系數(shù)k),即可完成運(yùn)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(jì)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(zhì)模型。一維水質(zhì)模型模擬了污染物沿河道連續(xù)擴(kuò)散、衰減的過程,可細(xì)分為一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型、一維突發(fā)性排污的水質(zhì)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(zhì)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(diǎn)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(zhì)模型的運(yùn)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(nèi)突發(fā)性排入污染物的情況,因此主要適用于應(yīng)急事故。

(3)二維、三維水質(zhì)模型。與一維水質(zhì)模型僅考慮污染物沿河道縱向擴(kuò)散、衰減相比,二維、三維水質(zhì)模型增加了污染物在寬度上的水平擴(kuò)散和深度上的垂直擴(kuò)散,因此能夠適用于規(guī)模更大,水文條件更復(fù)雜的河流。由于沒有引入新的污染物遷移轉(zhuǎn)化因素,二維、三維水質(zhì)同樣可分為穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型和非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)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(zhì)模型及模型體系。目前先進(jìn)的水質(zhì)模型均屬于綜合水質(zhì)模型或模型體系,它是將水動力學(xué)模型、污染物遷移轉(zhuǎn)化模型、河流區(qū)域信息系統(tǒng)等內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的綜合載體。其特點(diǎn)為適用性很廣,不僅能夠在動態(tài)、靜態(tài)之間自由轉(zhuǎn)換,還可模擬各種污染物的運(yùn)動和相互作用,研究變量包括水溫、細(xì)菌、營養(yǎng)鹽、水生生物、底泥、金屬等諸多內(nèi)容。

4 水質(zhì)模型應(yīng)用原則及注意事項(xiàng)

統(tǒng)計(jì)結(jié)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(jì)算過程復(fù)雜,運(yùn)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(diào)試過程中配備大量儀器設(shè)備和人員進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。實(shí)際工作中,受人力資源、經(jīng)濟(jì)條件等因素限制,往往難以引入最先進(jìn)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(shí)條件又能夠有效支撐的水質(zhì)模型。篩選時需要注意以下問題:

(1)認(rèn)清使用模型的意義和精度要求,確保目標(biāo)模型能夠滿足工作需要。雖然建立水質(zhì)模型的最初目的是模擬污染物在河流中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,但其作用不僅僅在于預(yù)測污染物濃度,例如利用下游監(jiān)測數(shù)據(jù)反向運(yùn)算模型,就可以實(shí)現(xiàn)推測事發(fā)地點(diǎn)、估算污染源強(qiáng)度、判斷某個斷面超標(biāo)時段及濃度峰值出現(xiàn)時刻、判斷某個時刻超標(biāo)河段及濃度峰值出現(xiàn)地點(diǎn)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(yīng)急監(jiān)測工作中,對時效性的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)精度,因此選擇模型時應(yīng)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(zhǔn)確性顯得尤為重要,而其日常監(jiān)督性質(zhì)則決定了監(jiān)測人員有充足的時間進(jìn)行監(jiān)測、調(diào)試,此時選擇高精度水質(zhì)模型更為恰當(dāng)。

(2)確定目標(biāo)河流符合模型的原假設(shè)和邊界條件。水質(zhì)模型本質(zhì)上是描述污染物變化規(guī)律的數(shù)學(xué)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(shè)置原假設(shè)和邊界條件,對現(xiàn)實(shí)信息進(jìn)行概括和提煉,待目標(biāo)變量和控制參數(shù)建立后,才能利用數(shù)學(xué)方程進(jìn)行運(yùn)算,得到所需結(jié)果。

例如一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型假設(shè):當(dāng)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(zhì)進(jìn)行預(yù)測。

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

(3)分析現(xiàn)有資源能否支持模型運(yùn)轉(zhuǎn)。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(yùn)算方程越復(fù)雜,運(yùn)行時需要監(jiān)控的參數(shù)眾多,其維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)時消耗的資源將遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhì)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(xì)菌、營養(yǎng)鹽、水生生物、底泥、金屬等諸多內(nèi)容,其監(jiān)控內(nèi)容不僅包括水體的動力學(xué)參數(shù),還包括各類污染物的遷移、轉(zhuǎn)化系數(shù),工作難度極大增加。

因此在引入模型前,需要仔細(xì)核算現(xiàn)有資源能否維持模型運(yùn)轉(zhuǎn),在能夠承擔(dān)的范圍內(nèi)選取精度最高的模型。

5 結(jié)語

模型的模擬精度越高、適用范圍越廣、納入的影響因素?cái)?shù)量越多,其運(yùn)算方程的復(fù)雜程度越高。這意味著運(yùn)算高精度的先進(jìn)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(zhì)模型時,不能一味追求高精度和先進(jìn)性,應(yīng)該立足于已有資源,認(rèn)清各類模型的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn),選擇最恰當(dāng)?shù)乃|(zhì)模型輔助工作。

[1]李繼選,王軍.水環(huán)境數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)展[J].水資源保護(hù),2006,22(1).

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[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(zhì)模型研究綜述[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),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(xué)學(xué)士,從事環(huán)境監(jiān)測工作。