QUAL2K模型在永定河懷來段水質模擬中的應用

趙建國　李洪波　劉存歧　陳新勇　李霄宇

摘要：根據現場采集調查、實測取得河段的水體水質和水文數據，使用QUAL2K模型模擬永定河懷來段DO、NH₄⁺-N和COD三種水質參數，并進行驗證，結果表明：QUAL2K可以準確模擬永定河懷來段水體水質，模擬擬合值和實測值的相關性較好，相對誤差均在20%以內；對永定河懷來段水質參數模擬精度最高的是DO，其次是COD和NH₄⁺-N；官廳水庫上游退地水生態濕地保護與修復綜合治理工程建設完成后，理論上洋河張家口市八號橋控制單元DO、NH₄⁺-N能夠達到Ⅲ類水體標準。

關鍵詞：QUAL2K模型；永定河懷來段；水質 中圖分類號：X522 文獻標識碼：A

永定河屬于海河流域，洋河、桑干河在懷來縣朱官屯匯合后，形成永定河，而后懷來京西潔源污水處理廠產生的污水經東沙河混入永定河，進入官廳水庫，永定河懷來段是永定河進入官廳水庫前最后的河段。河道每年接納大量來自上游和區域內排放的污染物，導致富營養化問題嚴重，區域河流水質下降。根據環保部印發的《國家環境保護標準“十三五”發展規劃》，洋河張家口市八號橋控制單元由Ⅳ類升為Ⅲ類。永定河是官廳水庫入庫最后一個階段，河流水質直接影響官廳水庫水環境質量。為改善官廳水庫上游永定河水環境質量，在永定河大秦鐵路上游至宋家營村南河灘地范圍內實施退地水生態濕地保護與修復綜合治理工程，凈化永定河干流及東沙河水體。

QUAL2K模型是一個一維的綜合性河流水質模型。模型適用于支狀河流，允許沿河有多個排污口、取水口、支流，也允許人流量有緩慢的變化，以分析人流點、面源負荷（包括數量質量和位置）對受納河流水質的影響。根據現場采集調查、實測取得河段的水體水質和水文數據，模擬永定河懷來段水質。

1永定河懷來段水質優化管理模型

1.1QUAL2K模型

QUAL2K模型是在QUAL2E模型的基礎上經美國Tufts大學Steve Chapra和Greg Pelle-tier開發的。模型基本假定為：河流斷面為梯形，污染物平流和彌散作用只在主流方向發生，水量和污染物質量守恒。模板基本控制方程為包括源匯項的對流擴散反應方程。控制方程通過在時間和空間中隱式向后差分方法求解。模型既可以用作穩態模型，也可以用作時變的動態模型[3]。

QUAL2K模型基本方程為1維平流一擴散物質遷移方程，該方程綜合考慮了平流擴散、稀釋、水質組份自身反應以及相互作用、組份的外部源和匯對組份濃度的影響。對于任意一種水質組分，有：

式中：C為污染物濃度，mg/L；z為河流縱向坐標，m；t為時間，s；Az為河流過水斷面面積，m²；DL為河流縱向離散系數，m²/s；u為河流斷面平均流速，m/s；S為外部的源和匯，g/s；V為計算單元的體積，m²。方程右邊的4項分別代表擴散、平流、組分反應和組分的外部源和匯。

1.2河流的分段結構

應用QUAL2K河流水質模型模擬永定河懷來段河流水質，首先將河道劃分為為18個1km的單元，由于同一河段具有相同的水利和水質參數，將研究水系分為3個河段，其中1～3單元為第一河段，為洋河與桑干河匯合前的河段，5～12為第二河段，為洋河與桑干河匯合后但沒有和東沙河匯合前的河段，14～18為第三河段，是干流與東沙河匯合后的河段。單元及河段劃分見圖1。

1.3參數率定

1.3.1水力學參數 河流的流量、流速、河寬主要用于計算河流污染物在水體中的輸送。根據水文數據的實測值，采用流量系數法，模擬流量變化下的河流水文資料：

式中V為平均速率，m/s；H為水深，m；A為水流橫截面積，m²；Q為流量，m³/s；a、b、α、β為經驗系數.b和β的和必須小于等于1，自然河道曼寧系數取值0.05。確定永定河懷來段水力學參數值，見表1。

1.3.2水質參數 模型所需的水質參數根據所選擇模擬的指標有DO、NH₄⁺-N和COD，參數因子中復氧系數Ka選取O，Connor-Dobbins公式計算得到，耗氧系數K6的確定是利用高錳酸鉀法確定水體耗氧系數，天然水體的縱向彌散系數Exi根據QUAL2K模型提供的經驗系數確定，其他參數根據模型推薦值，參照實測數據適當調整，經過反復調試后，確定水質參數，見表2。

2模擬結果分析及驗證

QUAL2K模型的率定期選定2016年11月到2017年10月的監測數據，對其進行統計并取平均值，和項目監測得到的水文數據，選取DO、NH₄⁺-N和COD作為因子對永定河懷來段水體水質進行模擬，結果見圖2。模擬結果與2017年11月水質監測數據進行驗證，確定模型可以準確模擬水質變化情況。度沿河段呈下降趨勢，且模擬結果相對誤差最大為13.94%，模型精度較高；洋河和桑干河匯合后COD值明顯下降，說明桑干河水質優于洋河，干流與東沙河匯合后，COD值顯著增高，說明東沙河來水水質惡劣，匯合后降低說明，河流對污染物有一定的自凈作用，模擬結果的相對誤差平均值為0.95%；DO質量濃度沿河段呈下降趨勢，但干流與東沙河匯合后，DO明顯上升，說明東沙河DO值高于永定河來段干流，模擬結果相對誤差最大為-1.69%。

應用QUAL2K模型對永定河懷來段DO、NH₄⁺-N和COD模擬結果相對誤差均在20%以內，說明QUAL2K模型能夠很好的對永定河懷來段進行水質模擬。

3優化方案

為改善官廳水庫上游永定河水環境質量，在永定河大秦鐵路上游至宋家營村南河灘地范圍內實施退地水生態濕地保護與修復綜合治理工程。項目區面積約467hm²，濕地治理面積333hm²，主要建設內容包括：河道疏灘浚工程、濕地兩側防護林工程、人工濕地工程、濕地恢復工程等。項目生態系統修復后，出水水質COD、BOD、NH₄⁺-N、總磷的處理效率均為33%。濕地的凈化效率帶入模型，水質改善實施效果模擬，COD、NH₄⁺-N的質量濃度到八號橋時分別為19.96mg/L和0.46mg/L，理論上洋河張家口市八號橋控制單元能夠達到Ⅲ類水體標準。

4結論

QUAL2K可以準確模擬永定河懷來段水體水質，模擬擬合值和實測值的相關性較好，相對誤差均在20%以內。

對永定河懷來段水質參數模擬精度最高的是DO，其次是COD和NH₄⁺-N。

官廳水庫上游退地水生態濕地保護與修復綜合治理212程建設完成后，理論上洋河張家口市八號橋控制單元DO、NH₄⁺-N能夠達到Ⅲ類水體標準。

（收稿日期：2017-12-29）