里下河地區水質模型的開發與應用

張穎，毛媛媛，蘭林，徐靜，陸楠

(1.江蘇省水利工程規劃辦公室，江蘇南京210029；2.揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇揚州225007)

中國東部和南部地區江河中下游，存在著大量的平原河網地區，這些地區地勢低平、河網密布、外排受流域性洪水或海潮頂托，洪澇災害易發[1,2]；同時，人口稠密、土地開發利用程度高、經濟發達，河道比降小、流速緩慢、水動力條件不足，水環境質量差、水生態承載負荷過重成為了新常態[3,4]。目前，針對復雜平原河網區水環境特征和影響機制等方面的研究尚不全面，國內外開發的水質模型多數基于流域自然匯流特征開展模型構建，適用于流域界限清晰的山地和丘陵地區，且模型輸入條件和控制參數眾多[5,6,7]，難以在缺乏資料的大尺度流域上直接應用。平原河網區分布式污染負荷模型和水質模型在太湖流域應用比較廣泛[8,9]，在淮河流域起步晚[10]，未做過系統研究，目前對于該地區污染物遷移、轉換等過程的實時模擬和預測缺乏有效手段。

江蘇省里下河地區(圖1)是淮河流域中面積最大的平原河網區，界于東經119°08′～120°56′，北緯32°12′～34°10′之間，位于里運河以東，蘇北灌溉總渠以南，揚州至南通328國道及如泰運河以北，東至黃海，涉及鹽城、泰州、揚州、淮安、南通五市二十縣，總面積22 232 km2。區內以通榆河為界，分為里下河腹部區和沿海墾區，沿海墾區以斗龍港為界，分為斗北墾區和斗南墾區兩片；腹部地區為里下河平原，系江淮平原的一部分，由長江、淮河及黃河泥沙長期堆積而成，四周高，中間低，呈碟型，俗稱“鍋底洼”[11]。里下河區內河湖縱橫交錯，圩網密布，水利工程眾多，水情、工情復雜，河網流速緩慢，水環境容量小，一直是江蘇水利治理的重點和難點[12]。

本研究以江蘇省里下河地區為例，在已經構建的水文水動力模型基礎[13]上，完成水量水質聯合調控耦合模型系統的開發應用，進行產水產污分析，得到區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的水量、水質聯合調控及后續調水引流改善區域水環境管理決策提供有利手段，為其它平原河網地區水質模擬與分析提供參考，為水利行業強監管戰略定位提供技術支撐。

1 里下河地區水量水質耦合模型系統構建

1.1 系統結構框架

水量水質耦合模型系統包括產匯流模型、河網水動力模型、污染負荷模型和水質模型。產匯流模型是基礎，可用以對各類下墊面的降雨徑流過程以及用水過程進行模擬，為河網水動力模型、污染負荷模型提供邊界條件；河網水動力模型是基于各骨干輸水河道和控制性建筑物，以產匯流模型為基礎，按照調度原則，對河網中骨干河道的水流運動狀況進行模擬，對水質模型提供斷面水位流量數據；污染負荷模型建立在產匯流模型基礎上，主要用以對點源、面源的各類污染負荷過程進行模擬并提供水質模型的邊界條件；水質模型依托于水動力模型和污染負荷模型，主要用以對污染物在水體中的遷移轉化過程進行模擬，并得到各水質指標在各斷面的濃度變化過程。各個模型之間的關系見圖2。由于里下河地區水文水動力模型已經研究完成，本研究著力于污染負荷模型、水質模型的構建及4個模型的耦合系統調試。

1.2基于GIS空間疊合技術的平原河網區污染負荷模型

污染負荷模型包括3個單元：污染物產生單元、處理單元和分配單元。產生單元估算各類污染源的產生量，處理單元計算污染源經過處理后最終進入水體的污染負荷，分配單元對污染負荷分配至周邊河網。

1.2.1污染物產生單元

污染負荷包括點源污染和面源污染。點源污染來源包括工業、城鎮生活和農村生活；面源污染來源包括農村生活、畜禽養殖、水產養殖和濕沉降(包括城鎮降雨徑流、旱地降雨徑流、稻田降雨徑流和直接進入湖泊、河網和湖蕩的降雨)6種類型。上述6種類型污染中工業點源直接采用排污口調查數據，其它的在污染物產生模塊當中采用4種計算模式進行污染源產生量的計算，分別是污染負荷排污系數法(PROD)、城鎮降雨徑流污染負荷計算模式(UNPS)、旱地降雨徑流污染負荷計算模式(DNPS)和水田降雨徑流污染負荷計算模式(PNPS)[14-15]。

1.2.2污染物處理單元

污染源產生量進入處理模塊，通過不同的處理路徑后使污染物得到不同程度削減。污染負荷處理模塊根據各種污染源的排放途徑和去向，計算各類污染源的污染負荷入河量。經過處理模塊后的污染物入河量進入分配單元進行分配入河[16]。

1.2.3污染物分配單元

污染負荷的入河分配方式采用柵格化方法，利用河網多邊形，將柵格中污染負荷量分配至河網，體現污染負荷的空間分布特征。河網多邊形由河道1—5構成，D為網格到概化河道的距離，見圖3。多邊形的面積由其覆蓋的網格計算得到，多邊形內產流量、產污量按照其所在柵格分配至相關河道。點源污染負荷根據數據庫污染排放坐標信息與河道的相對距離就近入河進行時程分配；非點源污染負荷分配綜合考慮柵格到周邊河道的距離及河道的過水能力，農村生活、畜禽養殖和水產養殖等類型污染負荷按照時程進行平均分配，隨旱地、稻田及城鎮降雨徑流遷移的污染負荷根據降水產流情況進行實時分配。

1.2.4模型參數

污染負荷模型參數主要包括各種污染產生模塊當量、各種路徑比例和處理模塊的去除率。依據平原河網地區污染負荷特征，參考《第一次全國污染源普查》系數手冊和相關研究成果，對污染負荷模型參數進行合理估值。

1.3 基于插件式軟件開發技術的多維數耦合水質模型

主要考慮碳、氮、磷及DO在內的4種物質循環，各物質間的相互轉化關系見圖4。水質模型包括零維水質模型和一維水質模型。零維水質模型主要模擬區域內湖泊湖蕩等調蓄節點水質變化規律，一維水質模型模擬河道中污染物的運移轉化規律。

模型系統中將湖泊概化為調蓄節點，所采用的水質模型通用方程如下：

(1)

式中C——某種水質指標的濃度，mg/L；V——調蓄節點水體體積，m3；S——某種水質指標的生化反應項，g/(m3·d)；Sw——某種水質指標的外部源匯項，g/s。

平原河網概化為一維模型要素，其水質模型的通用方程如下所示：

(2)

式中A——斷面面積，m2；C——某種水質指標的濃度，mg/L；t——時間，s；Ex——縱向分散系數，m2/s；U——斷面平均流速，m/s；S——某種水質指標的生化反應項，g/(m3·d)；Sw——某種水質指標的外部源匯項，g/(m·s)。

生化反應項指由化學反應引起的水質濃度的增加或減少，外部源匯項指從系統外部加入的源項，例如污染源。對于不同的水質指標和環境條件，生化反應項各不相同。

水質模型計算共涉及到35個參數，其中零維調蓄節點水質模型包括12個參數，一維河網水質模型包括23個參數，由于平原河網區的地勢低平，河道比降較小，水體流動相對緩慢，因此需要考慮水體處于好氧、缺氧和厭氧等3種不同DO濃度狀態下各參數取值的差異，參數取值同時考慮溫度修正。水質模型部分參數取值范圍及溫度修正系數見表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，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，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，g/(m2·d)。

表1 水質模型參數取值范圍及溫度修正系數

1.4 污染負荷模型、水質模型與水文-水動力模型耦合

水質模型在產匯流模型和水動力模型的基礎上進行計算，首先通過產匯流模型模擬里下河地區各類下墊面的降雨徑流關系及凈雨的坡面匯流過程，然后通過河網水動力學模型，加上區域內引、排水工程的調度運用，模擬河網中的水流運動，計算各斷面的水位流量等。在產匯流模型和水動力模型中結合污染負荷模型模擬的污染物在區域內的輸出情況，作為水質模型的邊界條件，模擬污染物在河網的擴散及輸移，動態模擬、預測區域主要污染物指標在河網內的遷移轉化情況，實現模型系統集成河網水量水質耦合計算。在模型系統構建技術方面根據數字流域系統定義的水質模型開發接口標準，以污染物在水體中的遷移轉化規律為基礎，自主定義水質指標、模型參數和輸入條件，采用C++語言編寫描述不同水質指標之間轉化過程的內部動力反應方程，簡化水質模型的開發難度和周期。

2 里下河地區水量水質耦合模型系統應用結果與分析

研究在模型系統中根據里下河實際工情概化了364條河道、422個湖泊湖蕩(滯澇圩)、577座涵閘泵站，根據2012年里下河地區實測降雨、流量、涵閘和圩區控制調度等資料，運用模型系統模擬了里下河地區骨干河道水位變化情況及其各監測站點的水質狀況，包括14個水位站點和17個水質監測站點，站點位置見圖1。初始水位為1.0 m，初始水質濃度為Ⅲ類水；水文水動力模型采用實測4處出入河道流量和南部長江、東部沿海8處潮位作為邊界條件，水質模型采用外圍6處出入口門水質監測斷面實測濃度作為邊界條件，溫度邊界條件采用各水質監測站點的平均水溫。

2.1 水位模擬

模擬了14個重要代表水位站變化過程并進行了誤差統計，14個水位站點洪峰水位模擬相對誤差在-3.64～3.96%之間，模擬精度較高。以南部興化和北部鹽城兩個站點為例，2站的水位模擬效果見圖5，模擬結果能夠較好地捕捉實際水位動態過程，模擬誤差小，符合后續水質模擬要求。

2.2 污染負荷計算

根據污染負荷模型的計算結果，對里下河地區污染負荷進行分析。各類點源污染物入河量總量構成見圖6。在工業和生活兩類點源污染中，生活污染對污染負荷總量的貢獻率顯著高于工業污染，其中生活污染廢污水排放量是工業污染廢污水量的1.7倍，COD的排放量是工業污染COD排放量的2.7倍，生活污染NH3-N的排放量是工業污染NH3-N排放量的3.1倍。

各類面源污染物入河量總量構成見圖7。對于BOD、COD、TP、TN和NH3-N 5種主要污染物而言，城鎮徑流、旱地徑流、水田徑流、農村生活、水產養殖和畜禽養殖六類面源污染類型中旱地徑流對污染負荷總量的貢獻率顯著高于其他污染類型，分別為33.0%、38.0%、43.4%、36.9%和38.0%。其他污染類型中，畜禽養殖和水產養殖對于BOD、COD和TP的貢獻率也較高；水田徑流對于TN和NH3-N的貢獻率較高。說明在面源污染控制中，要注重推進農田耕種、農業養殖的生態化和尾水深度處理。

2.3 水質模擬

以17個水質監測站點的代表數據為基礎進行水質模擬，各指標初始計算濃度均為Ⅲ類水，繪制了里下河地區水質監測站點各項水質指標計算值與實測值的對比圖并統計了相對誤差，由于水質站點在河道內未進行TN的監測，故TN僅介紹其模擬結果。本文僅選取泰東河口站模擬結果進行說明，見圖8，泰東河口監測站點水質指標的計算值與實測值吻合度均較高，COD、BOD5、NH3-N、TP、DO的相對誤差分別為8.2%、20.2%、-0.3%、-14.2%、-32.3%。17個監測站點COD、BOD5、NH3-N、TP、DO的相對誤差平均值為31.6%、27.4%、32.3%、35.6%、27.8%，最大平均誤差不超過40%。表2為17個監測站點水質指標相對誤差分布情況。由表2可知，里下河地區17個監測站點各水質指標的相對誤差平均值均低于60%，水質指標計算值與實測值擬合度較好，水質模擬效果良好。

表2 水質指標驗證成果相對誤差分布 單位：%

2.4 水質分析

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

3 結論

根據平原河網區水循環特點和區域污染負荷特征，以里下河地區為典型研究區域，在水文水動力模型基礎上，構建區域污染負荷模型和水質模型，實現了里下河地區水量水質耦合計算。根據2012年的工情水情及排污資料對區域水環境效應進行模型模擬,主要結論如下。

a) 針對平原河網地區非點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，建立分布式污染負荷模型，提出了基于“柵格化”技術的復雜水網區非點源污染物的空間和時間分配方法，提高了非點源污染物從源頭發生至河網遷移過程的模擬精度。

b) 構建了里下河地區污染負荷模型和多參數水質模型，實現區域水文-水動力-水質耦合模擬，14個水位站點洪峰水位模擬相對誤差在-3.64～3.96%之間，17個監測站點COD、BOD5、NH3-N、TP、DO的相對誤差平均值為27.4～35.6%。模型對里下河地區的水位過程與水質要素動態變化模擬效果較好。

c) 模型計算結果表明，里下河地區主要的點源污染來源為生活污染，主要的面源污染來源為旱地徑流，中部和北部地區水質劣于南部地區。在水環境治理上應著重對生活污染和農業面源污染進行整治，加強骨干河網溝通，促進污染物降解遷移。