河南省典型污染河流水質模擬與分析

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發展和美麗河南建設不可替代的基礎性的自然資源和戰略資源[1]，所以用水安全至關重要。作為水質預報和環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境保護規劃中[3]。本研究以河南省內典型污染河流賈魯河、惠濟河、衛河為研究對象，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）是由美國環保局USEPA研發的新一代水質模型系統[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，將其變為可以直接輸入WASP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最優。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測斷面的誤差統計見表1。研究發現，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，發源于開封市黃河口，屬于季節性河流[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測斷面的誤差統計見表2。研究發現，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 衛河水質模擬

衛河是河南省海河流域最大的河流，流經焦作、新鄉、鶴壁、安陽和濮陽[6]，河南省境以上河長達286km，對衛河進行水質模擬，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，衛河中氨氮、COD和總磷含量在1-12月間無明顯的變化規律，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測斷面的誤差統計見表3。研究發現，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、惠濟河和衛河中氨氮、COD和總磷含量在1-12月間無明顯的變化規律，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.河南省水環境質量評價[J].生態環境學報，2015，24（10）：1676-1681.

[2]基于水質模型的污染監控預警和應急管理研究[J].北方環境，

2013，29（5）：53-58.

[3]阮麗麗.水環境預測模型的開發及應用研究[J].2012.

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

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

[6]鄭保華，曹宏斌.河南省衛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，主要從事環境監測工作。