里下河地區(qū)水質(zhì)模型的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

張穎，毛媛媛，蘭林，徐靜，陸楠

(1.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇南京210029；2.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州225007)

中國(guó)東部和南部地區(qū)江河中下游，存在著大量的平原河網(wǎng)地區(qū)，這些地區(qū)地勢(shì)低平、河網(wǎng)密布、外排受流域性洪水或海潮頂托，洪澇災(zāi)害易發(fā)[1,2]；同時(shí)，人口稠密、土地開(kāi)發(fā)利用程度高、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，河道比降小、流速緩慢、水動(dòng)力條件不足，水環(huán)境質(zhì)量差、水生態(tài)承載負(fù)荷過(guò)重成為了新常態(tài)[3,4]。目前，針對(duì)復(fù)雜平原河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境特征和影響機(jī)制等方面的研究尚不全面，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的水質(zhì)模型多數(shù)基于流域自然匯流特征開(kāi)展模型構(gòu)建，適用于流域界限清晰的山地和丘陵地區(qū)，且模型輸入條件和控制參數(shù)眾多[5,6,7]，難以在缺乏資料的大尺度流域上直接應(yīng)用。平原河網(wǎng)區(qū)分布式污染負(fù)荷模型和水質(zhì)模型在太湖流域應(yīng)用比較廣泛[8,9]，在淮河流域起步晚[10]，未做過(guò)系統(tǒng)研究，目前對(duì)于該地區(qū)污染物遷移、轉(zhuǎn)換等過(guò)程的實(shí)時(shí)模擬和預(yù)測(cè)缺乏有效手段。

江蘇省里下河地區(qū)(圖1)是淮河流域中面積最大的平原河網(wǎng)區(qū)，界于東經(jīng)119°08′～120°56′，北緯32°12′～34°10′之間，位于里運(yùn)河以東，蘇北灌溉總渠以南，揚(yáng)州至南通328國(guó)道及如泰運(yùn)河以北，東至黃海，涉及鹽城、泰州、揚(yáng)州、淮安、南通五市二十縣，總面積22 232 km2。區(qū)內(nèi)以通榆河為界，分為里下河腹部區(qū)和沿海墾區(qū)，沿海墾區(qū)以斗龍港為界，分為斗北墾區(qū)和斗南墾區(qū)兩片；腹部地區(qū)為里下河平原，系江淮平原的一部分，由長(zhǎng)江、淮河及黃河泥沙長(zhǎng)期堆積而成，四周高，中間低，呈碟型，俗稱(chēng)“鍋底洼”[11]。里下河區(qū)內(nèi)河湖縱橫交錯(cuò)，圩網(wǎng)密布，水利工程眾多，水情、工情復(fù)雜，河網(wǎng)流速緩慢，水環(huán)境容量小，一直是江蘇水利治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)[12]。

本研究以江蘇省里下河地區(qū)為例，在已經(jīng)構(gòu)建的水文水動(dòng)力模型基礎(chǔ)[13]上，完成水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控耦合模型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，進(jìn)行產(chǎn)水產(chǎn)污分析，得到區(qū)域主要污染物濃度分布特征。本文的研究成果可為里下河地區(qū)的水量、水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控及后續(xù)調(diào)水引流改善區(qū)域水環(huán)境管理決策提供有利手段，為其它平原河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)模擬與分析提供參考，為水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管戰(zhàn)略定位提供技術(shù)支撐。

1 里下河地區(qū)水量水質(zhì)耦合模型系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

水量水質(zhì)耦合模型系統(tǒng)包括產(chǎn)匯流模型、河網(wǎng)水動(dòng)力模型、污染負(fù)荷模型和水質(zhì)模型。產(chǎn)匯流模型是基礎(chǔ)，可用以對(duì)各類(lèi)下墊面的降雨徑流過(guò)程以及用水過(guò)程進(jìn)行模擬，為河網(wǎng)水動(dòng)力模型、污染負(fù)荷模型提供邊界條件；河網(wǎng)水動(dòng)力模型是基于各骨干輸水河道和控制性建筑物，以產(chǎn)匯流模型為基礎(chǔ)，按照調(diào)度原則，對(duì)河網(wǎng)中骨干河道的水流運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行模擬，對(duì)水質(zhì)模型提供斷面水位流量數(shù)據(jù)；污染負(fù)荷模型建立在產(chǎn)匯流模型基礎(chǔ)上，主要用以對(duì)點(diǎn)源、面源的各類(lèi)污染負(fù)荷過(guò)程進(jìn)行模擬并提供水質(zhì)模型的邊界條件；水質(zhì)模型依托于水動(dòng)力模型和污染負(fù)荷模型，主要用以對(duì)污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行模擬，并得到各水質(zhì)指標(biāo)在各斷面的濃度變化過(guò)程。各個(gè)模型之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。由于里下河地區(qū)水文水動(dòng)力模型已經(jīng)研究完成，本研究著力于污染負(fù)荷模型、水質(zhì)模型的構(gòu)建及4個(gè)模型的耦合系統(tǒng)調(diào)試。

1.2基于GIS空間疊合技術(shù)的平原河網(wǎng)區(qū)污染負(fù)荷模型

污染負(fù)荷模型包括3個(gè)單元：污染物產(chǎn)生單元、處理單元和分配單元。產(chǎn)生單元估算各類(lèi)污染源的產(chǎn)生量，處理單元計(jì)算污染源經(jīng)過(guò)處理后最終進(jìn)入水體的污染負(fù)荷，分配單元對(duì)污染負(fù)荷分配至周邊河網(wǎng)。

1.2.1污染物產(chǎn)生單元

污染負(fù)荷包括點(diǎn)源污染和面源污染。點(diǎn)源污染來(lái)源包括工業(yè)、城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活；面源污染來(lái)源包括農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖和濕沉降(包括城鎮(zhèn)降雨徑流、旱地降雨徑流、稻田降雨徑流和直接進(jìn)入湖泊、河網(wǎng)和湖蕩的降雨)6種類(lèi)型。上述6種類(lèi)型污染中工業(yè)點(diǎn)源直接采用排污口調(diào)查數(shù)據(jù)，其它的在污染物產(chǎn)生模塊當(dāng)中采用4種計(jì)算模式進(jìn)行污染源產(chǎn)生量的計(jì)算，分別是污染負(fù)荷排污系數(shù)法(PROD)、城鎮(zhèn)降雨徑流污染負(fù)荷計(jì)算模式(UNPS)、旱地降雨徑流污染負(fù)荷計(jì)算模式(DNPS)和水田降雨徑流污染負(fù)荷計(jì)算模式(PNPS)[14-15]。

1.2.2污染物處理單元

污染源產(chǎn)生量進(jìn)入處理模塊，通過(guò)不同的處理路徑后使污染物得到不同程度削減。污染負(fù)荷處理模塊根據(jù)各種污染源的排放途徑和去向，計(jì)算各類(lèi)污染源的污染負(fù)荷入河量。經(jīng)過(guò)處理模塊后的污染物入河量進(jìn)入分配單元進(jìn)行分配入河[16]。

1.2.3污染物分配單元

污染負(fù)荷的入河分配方式采用柵格化方法，利用河網(wǎng)多邊形，將柵格中污染負(fù)荷量分配至河網(wǎng)，體現(xiàn)污染負(fù)荷的空間分布特征。河網(wǎng)多邊形由河道1—5構(gòu)成，D為網(wǎng)格到概化河道的距離，見(jiàn)圖3。多邊形的面積由其覆蓋的網(wǎng)格計(jì)算得到，多邊形內(nèi)產(chǎn)流量、產(chǎn)污量按照其所在柵格分配至相關(guān)河道。點(diǎn)源污染負(fù)荷根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)污染排放坐標(biāo)信息與河道的相對(duì)距離就近入河進(jìn)行時(shí)程分配；非點(diǎn)源污染負(fù)荷分配綜合考慮柵格到周邊河道的距離及河道的過(guò)水能力，農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖等類(lèi)型污染負(fù)荷按照時(shí)程進(jìn)行平均分配，隨旱地、稻田及城鎮(zhèn)降雨徑流遷移的污染負(fù)荷根據(jù)降水產(chǎn)流情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分配。

1.2.4模型參數(shù)

污染負(fù)荷模型參數(shù)主要包括各種污染產(chǎn)生模塊當(dāng)量、各種路徑比例和處理模塊的去除率。依據(jù)平原河網(wǎng)地區(qū)污染負(fù)荷特征，參考《第一次全國(guó)污染源普查》系數(shù)手冊(cè)和相關(guān)研究成果，對(duì)污染負(fù)荷模型參數(shù)進(jìn)行合理估值。

1.3 基于插件式軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)的多維數(shù)耦合水質(zhì)模型

主要考慮碳、氮、磷及DO在內(nèi)的4種物質(zhì)循環(huán)，各物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系見(jiàn)圖4。水質(zhì)模型包括零維水質(zhì)模型和一維水質(zhì)模型。零維水質(zhì)模型主要模擬區(qū)域內(nèi)湖泊湖蕩等調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)水質(zhì)變化規(guī)律，一維水質(zhì)模型模擬河道中污染物的運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

模型系統(tǒng)中將湖泊概化為調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)，所采用的水質(zhì)模型通用方程如下：

(1)

式中C——某種水質(zhì)指標(biāo)的濃度，mg/L；V——調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)水體體積，m3；S——某種水質(zhì)指標(biāo)的生化反應(yīng)項(xiàng)，g/(m3·d)；Sw——某種水質(zhì)指標(biāo)的外部源匯項(xiàng)，g/s。

平原河網(wǎng)概化為一維模型要素，其水質(zhì)模型的通用方程如下所示：

(2)

式中A——斷面面積，m2；C——某種水質(zhì)指標(biāo)的濃度，mg/L；t——時(shí)間，s；Ex——縱向分散系數(shù)，m2/s；U——斷面平均流速，m/s；S——某種水質(zhì)指標(biāo)的生化反應(yīng)項(xiàng)，g/(m3·d)；Sw——某種水質(zhì)指標(biāo)的外部源匯項(xiàng)，g/(m·s)。

生化反應(yīng)項(xiàng)指由化學(xué)反應(yīng)引起的水質(zhì)濃度的增加或減少，外部源匯項(xiàng)指從系統(tǒng)外部加入的源項(xiàng)，例如污染源。對(duì)于不同的水質(zhì)指標(biāo)和環(huán)境條件，生化反應(yīng)項(xiàng)各不相同。

水質(zhì)模型計(jì)算共涉及到35個(gè)參數(shù)，其中零維調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)水質(zhì)模型包括12個(gè)參數(shù)，一維河網(wǎng)水質(zhì)模型包括23個(gè)參數(shù)，由于平原河網(wǎng)區(qū)的地勢(shì)低平，河道比降較小，水體流動(dòng)相對(duì)緩慢，因此需要考慮水體處于好氧、缺氧和厭氧等3種不同DO濃度狀態(tài)下各參數(shù)取值的差異，參數(shù)取值同時(shí)考慮溫度修正。水質(zhì)模型部分參數(shù)取值范圍及溫度修正系數(shù)見(jiàn)表1，其中Kc1、Kc2、Kc3分別代表好氧、缺氧及厭氧條件下COD的降解系數(shù)，單位d-1；Sc1、Sc2分別代表好氧及缺氧-厭氧條件下COD的底泥釋放系數(shù)，g/(m2·d)；Kn代表NH3-N的硝化速率，單位d-1；Sn1代表好氧條件下NH3-N的底泥釋放系數(shù)，g/(m2·d)。

表1 水質(zhì)模型參數(shù)取值范圍及溫度修正系數(shù)

1.4 污染負(fù)荷模型、水質(zhì)模型與水文-水動(dòng)力模型耦合

水質(zhì)模型在產(chǎn)匯流模型和水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，首先通過(guò)產(chǎn)匯流模型模擬里下河地區(qū)各類(lèi)下墊面的降雨徑流關(guān)系及凈雨的坡面匯流過(guò)程，然后通過(guò)河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型，加上區(qū)域內(nèi)引、排水工程的調(diào)度運(yùn)用，模擬河網(wǎng)中的水流運(yùn)動(dòng)，計(jì)算各斷面的水位流量等。在產(chǎn)匯流模型和水動(dòng)力模型中結(jié)合污染負(fù)荷模型模擬的污染物在區(qū)域內(nèi)的輸出情況，作為水質(zhì)模型的邊界條件，模擬污染物在河網(wǎng)的擴(kuò)散及輸移，動(dòng)態(tài)模擬、預(yù)測(cè)區(qū)域主要污染物指標(biāo)在河網(wǎng)內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化情況，實(shí)現(xiàn)模型系統(tǒng)集成河網(wǎng)水量水質(zhì)耦合計(jì)算。在模型系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)方面根據(jù)數(shù)字流域系統(tǒng)定義的水質(zhì)模型開(kāi)發(fā)接口標(biāo)準(zhǔn)，以污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律為基礎(chǔ)，自主定義水質(zhì)指標(biāo)、模型參數(shù)和輸入條件，采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)描述不同水質(zhì)指標(biāo)之間轉(zhuǎn)化過(guò)程的內(nèi)部動(dòng)力反應(yīng)方程，簡(jiǎn)化水質(zhì)模型的開(kāi)發(fā)難度和周期。

2 里下河地區(qū)水量水質(zhì)耦合模型系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果與分析

研究在模型系統(tǒng)中根據(jù)里下河實(shí)際工情概化了364條河道、422個(gè)湖泊湖蕩(滯澇圩)、577座涵閘泵站，根據(jù)2012年里下河地區(qū)實(shí)測(cè)降雨、流量、涵閘和圩區(qū)控制調(diào)度等資料，運(yùn)用模型系統(tǒng)模擬了里下河地區(qū)骨干河道水位變化情況及其各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水質(zhì)狀況，包括14個(gè)水位站點(diǎn)和17個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，站點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。初始水位為1.0 m，初始水質(zhì)濃度為Ⅲ類(lèi)水；水文水動(dòng)力模型采用實(shí)測(cè)4處出入河道流量和南部長(zhǎng)江、東部沿海8處潮位作為邊界條件，水質(zhì)模型采用外圍6處出入口門(mén)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)濃度作為邊界條件，溫度邊界條件采用各水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的平均水溫。

2.1 水位模擬

模擬了14個(gè)重要代表水位站變化過(guò)程并進(jìn)行了誤差統(tǒng)計(jì)，14個(gè)水位站點(diǎn)洪峰水位模擬相對(duì)誤差在-3.64～3.96%之間，模擬精度較高。以南部興化和北部鹽城兩個(gè)站點(diǎn)為例，2站的水位模擬效果見(jiàn)圖5，模擬結(jié)果能夠較好地捕捉實(shí)際水位動(dòng)態(tài)過(guò)程，模擬誤差小，符合后續(xù)水質(zhì)模擬要求。

2.2 污染負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)污染負(fù)荷模型的計(jì)算結(jié)果，對(duì)里下河地區(qū)污染負(fù)荷進(jìn)行分析。各類(lèi)點(diǎn)源污染物入河量總量構(gòu)成見(jiàn)圖6。在工業(yè)和生活兩類(lèi)點(diǎn)源污染中，生活污染對(duì)污染負(fù)荷總量的貢獻(xiàn)率顯著高于工業(yè)污染，其中生活污染廢污水排放量是工業(yè)污染廢污水量的1.7倍，COD的排放量是工業(yè)污染COD排放量的2.7倍，生活污染NH3-N的排放量是工業(yè)污染NH3-N排放量的3.1倍。

各類(lèi)面源污染物入河量總量構(gòu)成見(jiàn)圖7。對(duì)于BOD、COD、TP、TN和NH3-N 5種主要污染物而言，城鎮(zhèn)徑流、旱地徑流、水田徑流、農(nóng)村生活、水產(chǎn)養(yǎng)殖和畜禽養(yǎng)殖六類(lèi)面源污染類(lèi)型中旱地徑流對(duì)污染負(fù)荷總量的貢獻(xiàn)率顯著高于其他污染類(lèi)型，分別為33.0%、38.0%、43.4%、36.9%和38.0%。其他污染類(lèi)型中，畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)于BOD、COD和TP的貢獻(xiàn)率也較高；水田徑流對(duì)于TN和NH3-N的貢獻(xiàn)率較高。說(shuō)明在面源污染控制中，要注重推進(jìn)農(nóng)田耕種、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖的生態(tài)化和尾水深度處理。

2.3 水質(zhì)模擬

以17個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的代表數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行水質(zhì)模擬，各指標(biāo)初始計(jì)算濃度均為Ⅲ類(lèi)水，繪制了里下河地區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖并統(tǒng)計(jì)了相對(duì)誤差，由于水質(zhì)站點(diǎn)在河道內(nèi)未進(jìn)行TN的監(jiān)測(cè)，故TN僅介紹其模擬結(jié)果。本文僅選取泰東河口站模擬結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明，見(jiàn)圖8，泰東河口監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合度均較高，COD、BOD5、NH3-N、TP、DO的相對(duì)誤差分別為8.2%、20.2%、-0.3%、-14.2%、-32.3%。17個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)COD、BOD5、NH3-N、TP、DO的相對(duì)誤差平均值為31.6%、27.4%、32.3%、35.6%、27.8%，最大平均誤差不超過(guò)40%。表2為17個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)相對(duì)誤差分布情況。由表2可知，里下河地區(qū)17個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)各水質(zhì)指標(biāo)的相對(duì)誤差平均值均低于60%，水質(zhì)指標(biāo)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合度較好，水質(zhì)模擬效果良好。

表2 水質(zhì)指標(biāo)驗(yàn)證成果相對(duì)誤差分布 單位：%

2.4 水質(zhì)分析

根據(jù)水質(zhì)模型各斷面的計(jì)算結(jié)果，選取從南至北的典型站點(diǎn)，站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。以NH3-N、TP和COD為典型污染物代表(圖9)分析里下河地區(qū)水環(huán)境概況，可以看到，在中部黃土溝、城北大橋等站點(diǎn)和北部的阜寧水廠等站點(diǎn)的水質(zhì)劣于南部地區(qū)。主要原因是南部地區(qū)靠近江水東引的源頭，調(diào)水水流水質(zhì)較好并且流量較大，有利于污染物的遷移；中部地區(qū)由于地勢(shì)低洼，流量變小，水質(zhì)劣于南部地區(qū)；在北部地區(qū)河道由于南北向輸水河道還未完全貫通，東引水量進(jìn)入北部地區(qū)具有一定阻力，污染物遷移主要依靠東排入海。

3 結(jié)論

根據(jù)平原河網(wǎng)區(qū)水循環(huán)特點(diǎn)和區(qū)域污染負(fù)荷特征，以里下河地區(qū)為典型研究區(qū)域，在水文水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建區(qū)域污染負(fù)荷模型和水質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)了里下河地區(qū)水量水質(zhì)耦合計(jì)算。根據(jù)2012年的工情水情及排污資料對(duì)區(qū)域水環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行模型模擬,主要結(jié)論如下。

a) 針對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)非點(diǎn)源污染物的空間分布和排放特征，利用“柵格化”空間離散方法，建立分布式污染負(fù)荷模型，提出了基于“柵格化”技術(shù)的復(fù)雜水網(wǎng)區(qū)非點(diǎn)源污染物的空間和時(shí)間分配方法，提高了非點(diǎn)源污染物從源頭發(fā)生至河網(wǎng)遷移過(guò)程的模擬精度。

b) 構(gòu)建了里下河地區(qū)污染負(fù)荷模型和多參數(shù)水質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水文-水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模擬，14個(gè)水位站點(diǎn)洪峰水位模擬相對(duì)誤差在-3.64～3.96%之間，17個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)COD、BOD5、NH3-N、TP、DO的相對(duì)誤差平均值為27.4～35.6%。模型對(duì)里下河地區(qū)的水位過(guò)程與水質(zhì)要素動(dòng)態(tài)變化模擬效果較好。

c) 模型計(jì)算結(jié)果表明，里下河地區(qū)主要的點(diǎn)源污染來(lái)源為生活污染，主要的面源污染來(lái)源為旱地徑流，中部和北部地區(qū)水質(zhì)劣于南部地區(qū)。在水環(huán)境治理上應(yīng)著重對(duì)生活污染和農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行整治，加強(qiáng)骨干河網(wǎng)溝通，促進(jìn)污染物降解遷移。