流域水環境污染模型及其應用研究綜述

楊 杰

貴州中佳檢測中心有限公司

流域水環境污染模型及其應用研究綜述

楊 杰

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目前，中國的流域水環境整體狀況已進入大范圍生態退化和復合性環境污染的新階段，污染負荷不斷增加、污染治理進展艱難，水污染加劇的態勢未能得到有效遏制，水環境質量隨著社會經濟快速發展而下降乃至突變的潛在危險依然存在，水資源與水環境質量仍然是制約與脅迫我國經濟社會發展的重大瓶頸。因此，急需研究流域水環境系統分析模擬技術，特別是涉及社會、環境、生態等諸多因素的模型系統。基于此本文分析了流域水環境污染模型及其應用。

流域水環境；污染模型；應用

1 、研究意義

從流域尺度出發，系統認識流域水環境系統特征，研究各種污染形成機制，遵循流域水資源和水環境聯合協調管理的理念，才能有效地抑制水污染惡化的趨勢，實現流域水污染問題的根本解決。

流域水體污染演化過程的研究是當前水環境保護措施的重要依據。流域水污染過程涉及社會經濟、污染排放、氣候及水資源循環系統變化等諸多因素，其演化機理極為復雜。成熟的流域水環境模型可以描述流域范圍內污染物隨時間和空間遷移與轉化規律，對其影響因素進行研究，還可以在科學的參數率定基礎上，對水環境發展趨勢進行預測。流域水環境模型可用于水環境模擬和評價，進行水質預報和預測，輔助制定污染物排放標準、水質規劃以及輔助進行水域的水質管理等，是流域水環境規劃、管理、研究的重要工具。因此，急需研究流域水環境系統分析模擬技術。

2 、流域水環境污染模型及其應用

2.1 污染負荷模型

2.1.1 GWLF(GeneralizedWatershedLoadingFunc-tions)

GWLF模型是由賓夕法尼亞州立大學的Haith和Shoemaker共同開發的半分布式、半經驗式的流域負荷模型，主要以月步長的形式模擬流域內不同土地利用類型產生的徑流量、土壤侵蝕量和氮磷營養鹽負荷。模型將整個流域視為一個單一的單元，并不對流域進行空間劃分，僅對所有土地利用地區的負荷量進行簡單加和.GWLF模型采用SCS曲線方程對地表徑流進行計算模擬.利用改進的USLE方程計算進入水體中的土壤侵蝕產生量.對于污染負荷模擬，GWLF模型將進入水體的污染物按形態分為溶解態污染物和顆粒態污染物.溶解態污染負荷來源包括點源、農村徑流和地下水;顆粒態污染負荷來源包括農村徑流和城市徑流.GWLF采用負荷方程將溶解態和顆粒態污染物與流量聯系起來。

GWLF模型能夠利用地理信息系統技術(GIS)和遙感技術(RS)提供的空間數據，在中等尺度流域的范圍內進行非點源污染負荷估算.GWLF對數據的要求比較低，只需要土地利用信息、土地覆蓋、土壤、徑流參數、土壤侵蝕和營養物負荷等。其相對SWAT等大型分布式流域模型具有空間數據要求少、參數量少、模擬過程相對簡單等優點，且模型不需要校準，盡管水文校準已證明對具有監測數據時非常有用。

2.1.2 PLOAD

PLOAD模型是由美國CH2MHILL水資源工程小組開發的基于GIS的流域非點源污染負荷模型，主要在年尺度上分析流域非點源的負荷量情況[9].PLOAD模型所需的數據分為GIS數據(包括流域邊界數據和土地利用類型數據)和表格形式的數據，輸入的數據以文件的形式傳遞給模型進行計算.PLOAD能夠計算各種污染物的負荷，包括總懸浮物(TSS)、溶解性總固體(TDS)、化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、氮和磷等，計算負荷量時以不同土地利用類型進行分類統計計算。PLOAD模型具有眾多優點使其在許多區域得到廣泛應用。該模型計算方法簡單、易于理解、操作簡便，而且計算結果可視化效果好。

2.2 流域水環境污染物歸趨模型

流域水環境污染物歸趨模型主要分為穩態和動態模型，本文主要分析動態水流水質模型：

當水流為非恒定流動，不管輸入是否隨時間而變，系統內的物質量將隨時間而變，這種模型叫動態模型。WASP模型是美國EPA推薦使用的水質模型，適于對河流、湖泊、河口、水庫及海岸的水質進行模擬，對在不同環境污染決策系統中的常規污染物和有毒污染物造成的各種水質狀況進行分析和預測。WASP7.3的基本方程是基于質量守恒基本原則建立的，其水質模塊的基本方程是一個平移、擴散質量遷移方程，對于任一無限小的水體，水質指標的質量平衡式為。

式中，ux、uy、uz分別為x、y、z坐標的流速，m/s；Ex、Ey、Ez為三維擴散系數，m2/s；SL為點源或非點源負荷，正為源，負為流失，g/(m3·d)；SB為邊界負荷，包括上游、下游、底泥以及大氣沉降，g/(m3·d)。

最新建立模型WASP的使用包括以下4個步驟：1)河網模型概化；2)水動力研究、質量傳輸研究、水質轉化研究和環境毒理學研究；3)研究水流和底質中的物質轉化；4)研究污染物的影響。水質模型的研究經歷了3個階段。第一階段地表水水質模型研究對象僅是水體水質本身，主要是簡單的氧平衡模型和涉及一些非耗氧類物質，屬于一維穩態模型。第二階段研究了多維模擬、形態模擬、多介質模擬及動態模擬等特征模型，其主要特點是將河網水動力水質模型、湖泊水動力水質模型及底泥作用模型納入水質模擬模型中，典型模型有一維動態模型LAKECO、WRMMS，動態水質模型WASP 等。第三階段水質模型研究不斷深化、完善并廣泛應用[26]。地表水水質模型依據數學表達式和輸入條件隨時間的變化情況分類，不變的為穩態模型，變化的為動態模型。WASP水質模型具有3個方面的作用：描述水質現狀，提供一般性水質預測和提供特定位置水質預測。將WASP模型應用于曲江池的水質模擬取得了較滿意的結果，NH3-N、NO3-N、DO模擬值與實測值的平均誤差在可接受范圍內，表明WASP模型滿足水質模擬的要求。結合城市人工景觀水體的水污染狀況，基于WASP模型建立了城市人工景觀水體富營養模型，并對模型中的參數進行了率定和驗證。結果表明該模型對景觀水體的水質變化模擬具有較好的適用性，可以為水系的優化管理和遠期規劃提供切實有效的理論支持。

總之，綜合應用流域水環境模型技術，基于環境數理與計算機模擬定量描述流域系統及內部污染發生、傳輸及轉化過程，已成為國際上常用的有效解析污染源與管理決策支持工具，因此進一步加強對其的研究非常有必要。

[1]曹慧群，趙鑫.流域水環境數值模擬技術應用及研究展望[J].長江科學院院報，2015，06：20-24+31.

[2]楊寅群.流域水環境系統模型研究及其應用[D].武漢大學，2012.

[3]魏萊.流域水環境信息管理系統的研究[D].西南交通大學，2015.