基于QUAL2K模型的鶴壁衛河水質模擬預警研究

張亞麗，王藝銘，史淑娟，翟曉藝，姚志鵬

1.河南農業大學資源與環境學院，河南省高校農業資源利用工程技術研究中心，河南 鄭州 450002 2.河南省環境監測中心，河南 鄭州 450004 3.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

隨著水環境保護和污染治理強度的持續加大，水質預報預警已經成為當代水環境管理的重要內容和技術手段，對于降低水質污染程度、減小水污染損失和改善水質具有重要意義。水質預警系統是以水質預警方法為基礎建立的系統，是一個集監測、計算、模擬和管理為一體的系統[1]。其原理就是在水質監測與評價、模擬預測或者生物活性等分析的基礎上，分析警情存在的可能性，根據預報警度及污染源的分析，提出對應的解決方案來削減警患，主要包括選取預警指標、劃定預警等級及各等級警限、確定警情及后期針對警情的解決方案等[2-3]。國外的水質預警系統研究起步較早且已較為成熟，如美國在俄亥俄河及密西西比河、英國在特棱特河和泰恩河等、法國在塞納河、德國和奧地利等國在多瑙河均建立了較完善的在線監控及預警系統[4-6]。在我國，隨著幾次特大水污染事件的發生，重要流域的水質預報預警系統也逐步得到了重視和積極探索，如馬中雨等[7]研究了不同類型環境污染物(渾濁度、石油類、亞硝酸鹽、苯、砷化物、錳等)條件下斑馬魚的活性及在線系統報警特征；王巍巍等[8]提出了基于神經網絡的水庫藻類預警模型。利用水質模型進行水質預測是水質預警系統的核心之一，如胡琳等[9]利用MIKE11模型在東苕溪水源地進行水質預警及保護研究；李林子等[10]基于EFDC和WASP模型，建立了南京化工園突發水污染事故影響的預測模型，并以龍翔甲苯罐區泄漏為例進行了事故情景模擬。QUAL2K水質模擬模型靈活且功能齊全，對數據資料的要求不高，近年來被廣泛應用于混合較好的樹枝狀中小河流[11-14]。因此，本文提出了一套基于QUAL2K模型的河流水質預報預警方法，選取海河流域鶴壁衛河作為實證研究，以期為減少流域水污染損失和改善河流水質提供科學依據。

1 研究方法

1.1 區域概況

鶴壁衛河發源于山西境內的太行山南麓，是中國海河水系南運河的支流，自新鄉合河鎮算起在鶴壁范圍內河流全長399 km，是海河流域在河南省范圍內最大的河流，是 “十二五”《重點流域水污染防治規劃(2011—2015年)》規定的水污染重點整治區。根據鶴壁市環境質量公報，鶴壁衛河從2009年至2013年連續5年水質級別為重度污染，廢水污染物主要來自于工業和城鎮生活廢水，特別是工業廢水。2011—2013年主要污染物的排放總量都表現為逐年下降的趨勢，工業污水排放量也下降了近40.6萬t，鶴壁河流污染源總量控制取得了一定成效。但水質并沒有明顯好轉，水質污染問題依然突出。為提高水質模擬的精度和便于模型參數的率定，在河段選取時盡可能保證河段較為順直，河道較為規整，水流穩定，河段的長度要適當。選擇河南省水質控制斷面浚縣柴灣和湯陰五陵之間的河段為研究區，中間增選了浚縣橋和屯子橋2個一般監測斷面。研究區域位置示意圖見圖1，研究斷面基本情況見表1。本文以2013年為監測期和預警期，選取COD和NH3-N作為監測因子，水質評價結果表明均屬于劣V類水，氨氮是主要的超標因子，超標率為302%～506%。

圖1 研究區域位置示意圖Fig.1 Map of the study area

表1 鶴壁衛河典型斷面概況Table 1 Typical water quality monitoring sections of Hebi Wei River

1.2 基于QUAL2K模型的水質模擬

QUAL2K模型是美國環保署(USEPA)開發的QUAL系列模型，由QUAL2E水質模擬模型改進而來，考慮了水體污染物質間的相互作用，使用有限差分求解一維平流擴散物質遷移方程，數據資料較易收集[12-15]。模擬思路首先根據水體水質，將模擬河道劃分為一系列恒定非均勻流河段，再將河段劃分為一系列通過輸移、擴散等形成的均勻混合、首尾相連的若干計算單元，各單元根據物質均衡定律計算相應方程。模擬過程一般包括：資料搜集調查；河段及單元的劃分；模型參數的確定；模型的驗證[13]。

1.3 水質預警方法

在對研究區水環境狀況進行調查、現狀評價的基礎上，選取一定的水質指標進行水質的模擬預測，從而根據評價及預測結果確定水質警戒等級及相應的水質指標，進行警情判定。首先采用定性的方法進行水質預警等級、精度及各級警限值的初步判定，初步構建水質預警體系。之后，進行數據的量化分析，確定量化的水質預警指數及預警等級。最后，針對預警劃分結果進行分析，提出相應的預防及解決方案。

1.3.1 預警指數確定方法

在水質模擬基礎上，利用式(1)或式(2)進行COD、氨氮的預警研究。對于斷面預警和研究期各指標水質預警，均按照最不利原則，選取最大值。

(1)

(2)

式中：Iij為i指標在j監測點的預警指數；Cij為i指標在j監測點的預測濃度；Ciok表示i指標的k級警限值；Ciok+1表示i指標k+1級的警限值。m為2個或者2個以上多分級預警值相同的個數。當Cij小于所給警限時，預警指數取1，當Cij大于所給警限時，預警指數取最大值5。

1.3.2 警情確定

依據污染水質即將造成的危害程度、變化趨勢、緊迫性和解決的困難程度等，進行預警等級的劃分[16-18]，具體警情判定見表2。

表2 預警級別劃分Table 2 Division of the alert levels

2 基于QUAL2K模型的衛河鶴壁水質模擬及分析

2.1 河段及計算單元的劃分

按照河段劃分原則并結合實際情況，本文選定柴灣-浚縣橋、浚縣橋-屯子橋、屯子橋-五陵3個河段，河段長度分別為13.9、8.44、15.83 km。擬定計算單元長度為2 km，全程共有19個，3個河段分別有7、4、8個計算單元。

2.2 模型參數的確定

包括設計流量、設計溫度、COD、氨氮的初始濃度及相關水力學參數等。以上游水流分叉處衛輝小河口監測斷面(國控斷面)的參數作為水質模擬的邊界條件。取衛輝監測斷面各項污染指標2011—2012年5月平均實測濃度的均值作為水質模擬的初始濃度值。根據常年監測數據，采用年平均流量作為設計流量。采用各相應監測期的平均水溫作為模擬的設計溫度。源頭確定的各項水質水量參數：溫度17.53 ℃，流量7.07 m3/s，COD 29.33 mg/L，氨氮8.71 mg/L。

在水質模擬中，降解系數一般是采用類比法。根據中國環境規劃院《全國水環境容量核定技術指南》(2003)，海河流域中河南省范圍內COD、NH3-N的降解系數KCOD、KNH3-N分別為0.05～1.07、0.06～0.6(1/d)。由于影響降解系數的因素較多，指南建議對于不同的河段采用不同的方法，或多種方法結合推求。鑒于所提供的降解系數取值范圍較大，不利于提高水質模擬精度。本文根據一維河流水質模擬公式，利用2011—2012年5月自動監測站監測數據，計算各河段KCOD、KNH3-N，結果見表3。

表3 河段降解系數計算初始值Table 3 Initial degradation coefficientsof the river section

2.3 鶴壁衛河水質模擬與驗證

將參數初始值帶入模型進行模型率定期河道污染物的模擬，模型采用改進的歐拉差分格式求解，當河段概化后的計算單元數等于1時，令邊界初始條件為0，即可求得不同時段、不同距離點處污染物的濃度變化情況。對比模擬結果與實測值，結果表明相對誤差較大(9%～26%)，特別是浚縣橋-屯子橋段。因此，重點進行此河段參數的調整，相應減小河流縱向彌散系數，增大污染物降解系數，進行反復修改，調整后的降解系數參數值見表4。

表4 降解系數模型參數確定結果Table 4 Determined degradation coefficientsof the river section d-1

利用2013年5月的同期監測數據進行模型驗證，各河段COD模擬值與實測值的相對誤差平均為2.30%，絕對誤差均值為0.69 mg/L，NH3-N模擬值與實測值的相對誤差平均為1.50%，絕對誤差均值為0.17 mg/L，即COD 模擬的總精度達到了97.7%，NH3-N模擬的總精度達到了98.5%，表明河流水質模擬效果較好。

表5 各河段水質模擬值與實測值對比Table 5 Comparisons of the modeling value and the observed value of Hebi Wei River

3 鶴壁衛河水質預報預警及分析

3.1 水質預警等級和警限的確定

2012年由原環境保護部、發展和改革委員會、財政部、水利部共同發布的關于印發《重點流域水污染防治規劃(2011—2015年)》，要求規劃目標年海河重度污染流域水質有所改善，衛河水質基本達到V類。因此，以《地表水環境質量標準》V類水作為判斷有無警情發生的基準，同時結合衛河劣V類水的水質現狀及可操作性，具體確定COD、NH3-N各級預警的警限值(表6)。

表6 鶴壁衛河水質預警指標的警限值Table 6 Standard limits of the warningindex of Hebi Wei River mg/L

3.2 警情的判定

選取鶴壁衛河典型斷面柴灣、浚縣橋、屯子橋及湯陰五陵為預警研究區，預警指標為COD和NH3-N。預警時間為2013年6月中上旬，預測日期與自動檢測站監測時間保持一致。分別取上游水流分叉處衛輝小河口監測斷面6月2日、6月9日和6月16日的水質參數作為河段模擬的輸入值，按照上述方法進行水質模擬，預測各斷面COD約為21～40 mg/L，NH3-N質量濃度約為3.2～8.1 mg/L。利用式(1)或式(2)并根據相應預警等級(V類)警限，分別計算各監測斷面單項指標的預警值Iij。具體計算結果見表7。

表7 鶴壁衛河各斷面污染物預警指數和級別Table 7 Warning index and grade of contaminants invarious sections of Hebi Wei River

由表7可知， COD基本處于無警、輕警2個警度級別，氨氮在預測期內的各個斷面大多都是巨警，污染物濃度嚴重超標。6月2日所有監測斷面重警；6月9日除柴灣斷面外其他3個斷面均為巨警；6月16日全天所有監測斷面均為巨警。綜上可知，所選流域在監測時間段內，水質總體污染嚴重，預警級別高，亟需采取有效措施緩解水污染情況，改善警情。無警狀態下，應注重水質防護，繼續總量控制，嚴格控制水中污染物濃度，保持水質的無警狀態。一旦出現輕警，就應當采取措施，加強管理，強化污水處理，及時消除污染源，嚴格控制并及時消減總量排放，改善水質并防治水質的進一步惡化。出現中警和更嚴重的警情時，則更需加強管理力度與管理規模，在排污總量控制的同時，更要注重水質污染現狀的治理，找出根源，消除警患，改善水質。

4 結論

在水質現狀評價基礎上，提出了一種基于QUAL2K水質模型的河流水質預警方法。以海河流域鶴壁衛河浚縣柴灣和湯陰五陵之間的河段為研究對象，研究結果表明，河流COD和NH3-N水質模擬精度分別達到97.7%和 98.5%，模擬精度高，模擬效果較好；所選河段預警時段內COD基本處于無警、輕警2個警度級別，氨氮濃度嚴重超標，大多是巨警，是造成所選監測斷面水環境污染、預警指數居高不下的重要原因。在水質預報預警過程中，應該牢牢把握削減總量排放、改善水質、預警防范等，促進主要污染物減排、強化重點河段防控、加強環境執法等途徑加快推進水環境保護工作。對已污染的水體，針對不同警情等級采取針對性的排警措施,如完善生態補償機制、確保河流斷面達標和加大工業結構調整力度等。