基于WASP水質(zhì)模型的漢江中下游調(diào)水前后水質(zhì)模擬研究

柯 晶，李 曄，袁 江，李 昂，李松炳，古 琴

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430070;2.湖北省環(huán)境科學(xué)研究院，湖北武漢430072)

漢江中下游流域是湖北省資源要素最為密集的地區(qū)之一，隨著國(guó)家南水北調(diào)中線(xiàn)工程以及梯級(jí)電站開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的實(shí)施，流域生態(tài)環(huán)境將變得更加脆弱，漢江水質(zhì)惡化的風(fēng)險(xiǎn)大大提高。目前，針對(duì)梯級(jí)電站開(kāi)發(fā)及南水北調(diào)中線(xiàn)調(diào)水對(duì)漢江中下游水環(huán)境影響的研究較多，但針對(duì)該流域調(diào)水后的污染物排放負(fù)荷與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系的研究未見(jiàn)報(bào)道。因此，開(kāi)展調(diào)水前后漢江中下游水體水質(zhì)變化趨勢(shì)與水質(zhì)模擬分析與預(yù)測(cè)，根據(jù)模擬結(jié)果追溯其污染原因，對(duì)于控制該流域水體污染及生態(tài)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)控制具有重要意義。

流域水質(zhì)模型是表達(dá)流域范圍內(nèi)污染物隨時(shí)間和空間遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律的數(shù)學(xué)關(guān)系方程。建立了流域污染物排放負(fù)荷與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系，還可以在科學(xué)的參數(shù)率定基礎(chǔ)上，對(duì)水質(zhì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)［1］。筆者根據(jù)漢江中下游的水動(dòng)力特性、水文、污染物負(fù)荷資料及水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，應(yīng)用WASP7.3模型對(duì)梯級(jí)電站開(kāi)發(fā)及南水北調(diào)中線(xiàn)調(diào)水前漢江中下游的水質(zhì)進(jìn)行模擬，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析模型的適用性，分析了主要污染物(高錳酸鹽指數(shù)、氨氮)的時(shí)空分布和變化特征，并預(yù)測(cè)梯級(jí)電站開(kāi)發(fā)及南水北調(diào)中線(xiàn)調(diào)水后的水質(zhì)變化趨勢(shì)，為漢江中下游流域水環(huán)境質(zhì)量的改善及流域水生態(tài)保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 流域概況

漢江中下游流域位于111°～115°E，30°～33°N。從漢江丹江口以下到漢江河口段，河長(zhǎng)652 km，集水面積約為6.4萬(wàn)km2。沿途主要包括18個(gè)縣市(區(qū))，其中位于干流沿岸有13個(gè)，包括丹江口市、老河口市、谷城縣、襄陽(yáng)市、襄州區(qū)、宜城市、鐘祥市、沙洋縣、潛江市、天門(mén)市、仙桃市、漢川市和武漢市［2］。漢江中下游流域地勢(shì)西北高、東南低，有山地、丘陵、平原、濕地等多種地貌。丹江口大壩段～漢江襄陽(yáng)段長(zhǎng)162 km;襄陽(yáng)段～鐘祥舊口段長(zhǎng)170 km;鐘祥舊口段～武漢段長(zhǎng)320 km［3］。漢江中下游流域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季受到蒙古高氣壓的影響，夏季受來(lái)自于太平洋高氣壓的影響，四季分明，光熱充足，雨熱同季。

2 WASP水質(zhì)模型概述

2.1 簡(jiǎn)介 WASP(The water quality analysis simulation program)模型是應(yīng)用最廣泛的水質(zhì)模型之一，最早由美國(guó)環(huán)保局開(kāi)發(fā)出來(lái)，能夠應(yīng)用于自然或人為污染造成的各種不同水環(huán)境中，如地表河流、湖泊和水庫(kù)、河口及海岸等［4］，同時(shí)還被稱(chēng)為萬(wàn)能水質(zhì)模型。WASP7.3模型是由兩個(gè)獨(dú)立的可連接運(yùn)行、也可分開(kāi)執(zhí)行的DYNHYD5和WASP7.3計(jì)算機(jī)程序組成的。其中，DYNHYD5是水動(dòng)力程序，WASP7.3是水質(zhì)模擬程序，水質(zhì)模擬程序能夠與其他水動(dòng)力程序連接運(yùn)行，還可單獨(dú)運(yùn)行［5－7］。WASP7.3 水質(zhì)模擬程序由兩個(gè)子程序組成:富營(yíng)養(yǎng)化模型EUTRO和有毒化學(xué)物模型TOXI。EUTRO可模擬和預(yù)測(cè)BOD、富營(yíng)養(yǎng)化、DO等物質(zhì)在河流中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程。TOXI模塊可對(duì)溶解態(tài)和吸附態(tài)物質(zhì)在水體中的遷移轉(zhuǎn)化情況進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)［8－10］。

2.2 原理 WASP水質(zhì)模塊的基本方程是一個(gè)平移-擴(kuò)散質(zhì)量遷移方程，它能描述任一水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)空變化。對(duì)于任一無(wú)限小的水體，污染物的質(zhì)量平衡式為:

式中，Ux、Uy、Uz為水體 3個(gè)方向的流速，m/s;Ex、Ey、Ez為水體3個(gè)方向的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;C為污染物濃度，mg/L;SL為點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染，g/(m3·d);SB為邊界污染物濃度，g/(m3·d);SK為動(dòng)力轉(zhuǎn)換項(xiàng)，g/(m3·d)。

3 漢江中下游流域水質(zhì)模擬與分析

3.1 河流概化與分段 對(duì)漢江干流水質(zhì)進(jìn)行模擬之前，必須把漢江干流河道概化，對(duì)河道進(jìn)行分段。綜合考慮漢江水文條件與特點(diǎn)、漢江湖北段監(jiān)測(cè)斷面、支流匯入、取水口與排污口等設(shè)置狀況，將漢江中下游干流分為65段。

3.2 污染負(fù)荷 以2012年漢江各河段的污染負(fù)荷作為模型驗(yàn)證和預(yù)測(cè)的污染負(fù)荷(表1和2)。

表1 2012年漢江干流行政區(qū)點(diǎn)源污染負(fù)荷匯總

表2 2012年漢江干流行政區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷匯總

3.3 流量 模型計(jì)算中，要對(duì)各段的邊界流量和河道的起始流量進(jìn)行輸入，并在各段加入各河段內(nèi)匯入支流的流量。經(jīng)綜合考慮，在收集資料不完整的情況下，現(xiàn)使用沿河各水文站(黃家港、襄陽(yáng)、皇莊、沙洋、仙桃)的多年平均流量作為模型計(jì)算中的入河流量;南水北調(diào)工程實(shí)施后，各水文站的流量變化值作為預(yù)測(cè)模型中的入河流量。

3.4 參數(shù)確定 WASP水質(zhì)模型需率定的重要參數(shù)有:20℃時(shí)硝化速度系數(shù)k12、20℃時(shí)高錳酸鹽指數(shù)衰減速度系數(shù)kc。參照漢江中下游水質(zhì)模擬已有的研究成果和WASP用戶(hù)使用手冊(cè)，經(jīng)過(guò)率定核算直到校驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)意為止，最后確定參數(shù)如下:20℃時(shí)硝化速度系數(shù)k12=0.1 d－1，20℃時(shí)高錳酸鹽指數(shù)衰減速度系數(shù)kc=0.25 d－1。另外，20℃下硝化速率的溫度系數(shù)取值為1.07;硝化的氧氣限制半飽和系數(shù)取值為2。

3.5 模型驗(yàn)證 為檢驗(yàn)所選用水質(zhì)模型在該研究中的實(shí)用性和可靠性，采用以現(xiàn)狀多年平均的水文條件作為水動(dòng)力過(guò)程邊界條件，以沈?yàn)潮O(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)作為水質(zhì)模型的上邊界條件，以表1和2中污染源污染負(fù)荷作為點(diǎn)源和面源污染入?yún)R的污染負(fù)荷。采用所選用模型對(duì)2012年漢江中下游15個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和氨氮濃度進(jìn)行模型驗(yàn)證。由圖1和2可知，高錳酸鹽指數(shù)和氨氮濃度模擬值與監(jiān)測(cè)值的擬合度結(jié)果均較好。高錳酸鹽指數(shù)的模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差都小于20%，平均誤差為16.7%;氨氮濃度模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差都小于25%，平均誤差為21.5%。可見(jiàn)，該模型能夠較好地模擬漢江水質(zhì)的變化趨勢(shì)，選用該模型對(duì)漢江中下游干流河道進(jìn)行水質(zhì)模擬計(jì)算及預(yù)測(cè)。

3.6 梯級(jí)電站開(kāi)發(fā)及調(diào)水后水質(zhì)預(yù)測(cè) 根據(jù)南水北調(diào)之后的預(yù)測(cè)流量等水文參數(shù)，采用河流一維水質(zhì)模型，模擬漢江中下游干流沿程水質(zhì)分布，預(yù)測(cè)中線(xiàn)調(diào)水工程對(duì)漢江中下游水環(huán)境的影響。對(duì)調(diào)水前后不同污染負(fù)荷通過(guò)一維模型計(jì)算得出預(yù)測(cè)結(jié)果。Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中高錳酸鹽指數(shù)為4 mg/L，氨氮濃度為0.5 mg/L;Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中高錳酸鹽指數(shù)為6 mg/L，氨氮濃度為1 mg/L。

由圖3a和圖4a可知，調(diào)水前枯水期，漢江中下游水質(zhì)達(dá)Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);調(diào)水后漢江干流中下游各段河道水質(zhì)中常規(guī)污染物高錳酸鹽指數(shù)上升5.7% ～27.7%，氨氮濃度升高14.5% ～33.1%。在襄樊、沙洋、武漢段會(huì)出現(xiàn)Ⅲ類(lèi)水體。由圖3b和圖4b可知，調(diào)水前平水期，漢江中下游水質(zhì)基本達(dá)Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);調(diào)水后漢江干流中下游各段河道水質(zhì)中常規(guī)污染物高錳酸鹽指數(shù)上升4.4% ～24.7%，氨氮濃度升高13.0% ～29.2%。在襄樊、沙洋、武漢段高錳酸鹽指數(shù)會(huì)超過(guò)Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，氨氮濃度也有超過(guò)Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)。由圖3c和圖4c可知，調(diào)水前豐水期，漢江中下游水質(zhì)基本達(dá)Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);調(diào)水后漢江干流中下游各段河道水質(zhì)中常規(guī)污染物高錳酸鹽指數(shù)上升3.1% ～24.7%，氨氮濃度升高9.2% ～25.7%，但基本達(dá)到Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

漢江流域的水文季節(jié)變化較為鮮明，枯水期和豐水期的水文數(shù)據(jù)相差很大。綜合分析不同時(shí)期的水質(zhì)變化，不難看出調(diào)水對(duì)枯水期水質(zhì)影響明顯，而在平水期和豐水期干流的水質(zhì)情況良好。南水北調(diào)中線(xiàn)工程及梯級(jí)開(kāi)發(fā)使得大量河水被攔截，使得原本水量最少的枯水期的流量急劇減少，同時(shí)流速也變小，導(dǎo)致污染物遷移轉(zhuǎn)化作用減弱，這些均是導(dǎo)致水質(zhì)惡化的重要原因。因此，為了使南水北調(diào)和梯級(jí)電站開(kāi)發(fā)后漢江水質(zhì)不受影響，必須加大污染物排放治理力度，減少污染物入河負(fù)荷十分必要。

根據(jù)漢江中下游流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際情況，調(diào)查統(tǒng)計(jì)2012年的污染源數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，漢江流域污染物排放最大的是襄陽(yáng)市和荊門(mén)市。雖然調(diào)查顯示大部分的企業(yè)、工業(yè)園區(qū)均設(shè)有污水處理設(shè)施，對(duì)于污染嚴(yán)重的企業(yè)，經(jīng)處理后的廢水和污染物排放量仍然較大，還在繼續(xù)污染受納水體。值得注意的是，襄陽(yáng)、荊門(mén)地區(qū)配套城市管網(wǎng)設(shè)施不夠完善，仍有部分生活污水未經(jīng)處理直接排入地表水體。漢江中下游流域污染非點(diǎn)源污染源中，農(nóng)村生活污染源中COD與氨氮的入河量占非點(diǎn)源污染源入河量的50%以上，以農(nóng)業(yè)人口相對(duì)來(lái)說(shuō)較多的棗陽(yáng)、天門(mén)和仙桃等地區(qū)的農(nóng)村生活污水產(chǎn)生量為最大。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)漢江中下游水流特性和水質(zhì)特點(diǎn)，運(yùn)用WASP模型進(jìn)行水質(zhì)模擬。結(jié)果表明，高錳酸鹽指數(shù)的模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差都小于20%，平均誤差為16.7%;氨氮濃度的模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差都小于25%，平均誤差為21.5%，滿(mǎn)足水質(zhì)模擬的精度要求。

(2)調(diào)水前，漢江中下游水質(zhì)基本達(dá)Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);調(diào)水后，該流域各段河道水質(zhì)中CODMn、氨氮濃度都有所升高，在枯水期的部分河段，如沙洋段水質(zhì)會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，武漢段和襄陽(yáng)段出現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)很大。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)漢江流域水環(huán)境的保護(hù)，采取相應(yīng)措施，如嚴(yán)格控制流域污染排放總量，完善流域配套城市管網(wǎng)設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖污染防治工作等，以遏制漢江中下游流域水污染趨勢(shì)。

(3)基于WASP7.3水質(zhì)模型的排污河水質(zhì)模擬結(jié)果較滿(mǎn)意，能夠?yàn)闈h江中下游流域水質(zhì)預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、水質(zhì)規(guī)劃的制定，以及水域水質(zhì)的管理提供一定的理論依據(jù)。

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