惠濟河河南段污染源與水質響應關系模擬研究

張寬++王燕鵬++孫一兵

摘要：以惠濟河河南段為研究對象，運用EFDC模型建立了其污染源與水質響應關系。采用delft3d針對惠濟河河南段建立曲線正交網格，基于2014年污染源流量監測數據和河流水文監測數據模擬該段河流流場，利用河流水文站水位的實測值率定河道糙率，利用2015年數據對惠濟河水動力模型進行驗證；在水動力模擬的基礎上，以COD為主要指標構建惠濟河水質模型，同樣采用2014年數據對模型進行率定，用2015年數據進行模型驗證；總結分析了模型建立的結果。

關鍵詞：污染源；水質；響應關系；模型

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）12006503

1引言

河南省惠濟河發源于開封市濟梁閘，流域包括5區（開封市的龍亭區、順河回族區、鼓樓區、禹王臺區、開封新區）7縣（開封縣、杞縣、睢縣、柘城縣和寧陵縣5縣及蘭考縣和鹿邑縣2個省直管縣）。河南省境內河長166km，流域面積4125 km2。惠濟河現已無天然水源，沿途接納開封市、開封縣、杞縣、柘城縣等地區的大量工礦企業廢水，河流污染情況不容樂觀。“十三五”時期是落實推進《水污染防治行動計劃》（國發〔2015〕17號）的關鍵時期，河南省也已開始進行為期3年的“水污染防治攻堅戰”（豫政辦〔2017〕5號）。目前的水環境形勢正在倒逼水環境管理向網格化、精細化轉變[1]。建立河流的污染源與水質響應關系顯得愈發重要。

水質模型是根據自然界最樸素的動量守恒、能量守恒以及物質守恒原理等，用數學方法描述水循環的水體中各水質組分所發生的物理、化學、生態學等諸方面變化規律和相互關系的數學模型[2，3]。水質模型是建立河流污染源與水質響應關系的重要工具。目前，很多國家已經提出了各自比較成熟的水質模型，并在這些模型的基礎上進行可視化集成開發。至今，已開發出較多水質模型軟件，如MIKE[4]、Delft3D[5]、QUAL2K [6]和EFDC[7]等。最初，EFDC是由美國弗吉尼亞海洋科學研究所利用Fortran77語言開發的一個開源軟件，后由美國國家環保署改用Fortran95語言進行再次開發，并得到廣泛應用。

EFDC模型在國內的研究和應用已然較多[8～10]，但在河南省的應用尚不多見。本研究探索基于EFDC模型對惠濟河河南省段建立污染源-水質響應關系，以期為其他相關研究提供指導，為流域精細化管理的實施提供有效支撐。

2惠濟河概況及網格劃分

惠濟河河南段的水系構成主要有小蔣河、淤泥河2條支流。睢縣板橋、柘城磚橋、鹿邑東孫營為該河流上的3個省責任目標考核斷面。

本研究采用delft3d進行網格劃分，在河流橫向共劃分3層網格，生成網格2845個，劃分結果如圖1所示。對生成的網格進行正交化檢驗正交性檢驗結果顯示大部分都位于0～0.05的范圍內，即誤差小于3度，所以，網格劃分滿足模擬需求（河流網格線的交角余弦值要小于0.2，部分貼近河流邊界的網格余弦值允許出現略有偏高的現象）。

3河流水動力模擬

3.1邊界條件及參數設置

3.1.1邊界條件

（1）排污口概化。針對惠濟河河南段涉及企業及排污口開展現場調查，對惠濟河河南段進行概化，如圖2所示。圖中有在線監測數據的污染源采用在線監測數據，無在線監測的采用調查數據。

（2）邊界條件設置。結合概化圖2對邊界條件進行設置，污染源邊界和支流匯入邊界均設置為流量邊界，該段河流出口設置為開邊界。

3.1.2相關參數設置

除河流出口邊界外，其余各邊界均為流量邊界，做水動力模擬時只需定義各邊界處的流量即可。各邊界都以現有最詳細的時間序列數據進行模擬，采用2014年數據進行率定，2015年數據進行驗證。利用收集到的水利工程測繪過的惠濟河河南段河底高程數據，導入EFDC為每個網格分配河底高程。河流的初始水深設置為1.5 m（初始值隨著模擬的進行很快會被覆蓋掉）。參考一般平原地區天然河流的糙率值，將惠濟河河南段的糙率設置為0.03[11，12]。

3.2水動力模型率定及驗證

3.2.1模型率定

選用大王廟水文站和磚橋閘水文站的水位數據對模型進行率定。對比大王廟水文站和磚橋閘水文站水位的模擬值與實測值，如圖3所示，大王廟水文站的平均相對誤差為1.18%，磚橋閘水文站的平均相對誤差為4.87%。可以看出。河道糙率為0.03時，兩個水文站水位的模擬值與實測值誤差均較小，水動力模型較為準確。

3.2.2模型驗證

將重點監控企業、污水處理廠、支流斷面、生態補水的數據更新為2015年的數據，再次進行水動力模擬，得出2015年大王廟水文站和磚橋閘水文站水位的模擬值與實測值對比，如圖4所示。全年的平均相對誤差分別為1.62%和5.54%，與率定時的數據相比，誤差較為穩定，水動力模型通過驗證。

張寬，等：惠濟河河南段污染源與水質響應關系模擬研究

環境與安全

4河流水質模擬

4.1模型率定

水質模擬在水動力模擬的基礎上進行，將各邊界2014年COD排放濃度數據加入模型中對應邊界。經模擬值與實測值對比調整， COD衰減系數為0.05時，由上游至下游3個斷面COD濃度的模擬值與實測值對比分別如圖5～7所示。可知，當衰減系數為0.05時，惠濟河睢縣板橋、柘城磚橋和鹿邑東孫營3個斷面2014年全年52周的模擬值與實測值平均相對誤差分別為3.02%、9.37%、22.42%。水質模型較為準確。

4.2模型驗證

在其他數據都不改變的情況下，更改污水處理廠數據、重點企業監測數據、生態補水數據為2015年最新數據，分析模擬值與實測值誤差，對模型進行驗證。惠濟河2015年1～12月份的COD模擬值與實測值對比如圖8～10所示，睢縣板橋、柘城磚橋和鹿邑東孫營斷面COD濃度模擬值與實測值的平均相對誤差分別為10.23%、31.80%、26.73%。模型較為準確，通過驗證。

5結論與展望

本研究基于EFDC模型，通過企業調查、現場勘測等多種手段獲取相關河道信息和數據，構建了惠濟河河南段的水動力模型，得出惠濟河河南段的河道糙率為0.03，并以COD為模擬因子建立了水質模型，模擬得出惠濟河河南段COD的綜合衰減系數為0.05/d，所建立的水動力和水質模型模擬值與實測值誤差較小，模型準確度較高。本研究的過程和方法可以為河南省其他河流水環境模型的建立提供指導。

本研究也存在不足之處，如因現有數據基礎影響，某些對河流水質影響較大的污染源無法獲得長時間序列的監測數據，導致從變化趨勢上看，個別時間段模擬與實測值不太吻合。本研究后續還有待完善之處。

參考文獻：

[1]

石效卷. 落實“水十條”全力推動水環境管理戰略轉型[J]. 環境影響評價， 2016， 38 （2）：32～35.

[2]郝芳華. 流域水質模型與模擬[M]. 北京：北京師范大學出版社， 2008.

[3]陸莎莎， 時連強. 水質模型研究發展綜述[J]. 環境工程， 2016， 34 （增刊）： 78～81.

[4]王領元. 應用MIKE對河流一、二維的數值模擬[D]. 大連：大連理工大學， 2007.

[5]廖庚強. 基于Delft3D的柳河水動力與泥沙數值模擬研究[D]. 北京：清華大學， 2013.

[6]湯冰冰. 基于QUAL2K水質模型參數靈敏度研究[D]. 重慶：西南交通大學， 2016.

[7]劉夏明， 李俊清， 豆小敏， 等. EFDC模型在河口水環境模擬中的應用及進展[J]. 環境科學與技術， 2011， 34（6G）：136～140.

[8]謝森揚， 王翠， 王金坑， 等. 基于EFDC的九龍江口-廈門灣三維潮流及鹽度數值模擬研究[J]. 水動力學研究進展， 2016， 31（1）：63～75.

[9]熊家慶， 賴格英， 彭小娟， 等. 基于EFDC模型對鄱陽湖湖面面積的推算方法[J]. 南京信息工程大學學報（自然科學版） ， 2016， 8（1）：56～63.

[10]張鵬， 逄勇， 石成春， 等. 基于EFDC的閩江干流下游DO變化研究[J]. 水資源保護， 2016，32（5）：91～102.

[11]季振剛. 水動力學和水質[M]. 北京：海洋出版社， 2012：345.

[12]張秉文. 天然河道糙率計算及取值方法[J]. 南水北調與水利科技，2012，10（01）：25～28.