水體自凈能力影響因素與水質模型選擇的研究綜述

楊新吉勒圖，尹慧燕，韓煒宏

（內蒙古工業大學 經濟管理學院，內蒙古自治區 呼和浩特 010000）

0 引言

水體自凈能力是水體自然凈化污染物的能力。正確評價水體的自凈能力對水資源和水環境保護具有重要意義。隨著水環境問題的日益突出，水體自凈能力的相關研究已成為國內外研究的熱點之一。 我國對于水體自凈能力的研究始于20 世紀80 年代，研究初期， 側重于對水體自凈機理的定性和定量研究，之后為了增強研究的準確性，把水體自凈能力與水環境監測數據結合起來進行研究［1］。目前，國內關于水體自凈能力的研究方向主要是多學科與水體自凈能力的融合。 而國外對水體自凈能力的研究主要集中于水質模型方面［2-6］。 在國際上，常用的水質模型為丹麥水資源及水環境研究所開發的MIKE 系列水利模型、美國國家環境保護局開發的WASP 水質模型和QUAL 系列模型。

國內外關于水體自凈能力的研究主要包括影響因素與水質模型兩個方面， 而影響因素對于水質模型的設置與選擇具有重要影響。在水質模型設置中，當控制方程、初始條件和邊界條件考慮影響因素時，會減少計算值與實測值的相對誤差［7-8］。 因此，合適的水質模型能夠提高輸出結果的準確性。 但國內關于水體自凈能力的研究往往忽視了影響因素對水質模型的影響［9-11］。 筆者系統地分析了水體自凈能力的影響因素，并將影響因素劃分為客觀性因素、主觀性因素以及資源性因素，從影響因素的角度出發，分析水質模型，對水質模型的特點、適用條件和改進方法進行論述。

1 水體自凈能力的影響因素分析

由于河流、湖泊等水域所處環境存在差異，因此影響水體自凈能力的因素有所不同。總體來看，影響水體自凈能力的因素可分為客觀性 （自然屬性）因素、主觀性（社會屬性）因素和資源性因素3 種。

1.1 客觀性因素

客觀性因素是指水體自凈能力受氣象條件、地形地貌、 污染物背景濃度值和生物作用等自然因素的影響。氣象條件包括溫度、光照和風速等。 邱小琮等在研究愛伊河水體自凈能力時發現， 自凈率與水溫存在明顯的正相關關系， 在氣溫較高的5～9 月，水溫較高，水體的自凈率也較高［12］。光是影響天然水體生物氮轉化的主要因素。Lipschultz F 等研究光照對富營養化河段氮轉化速率的影響時發現， 隨著光照強度的增加，浮游植物對于營養鹽的吸收增加，致使硝化速率降低［13］。 風速對水體自凈能力的影響體現在風速過大時，會影響水流流速，當水流流速過快時，雖然在一定程度上增加了上覆水溶解氧水平，但同時也會造成底泥再懸浮現象［14-15］。 氣象條件對水體自凈能力的影響具有一定的規律性， 但氣象條件長期會發生變化， 例如全球氣候變暖。 因此，Chen Zhang 等認為， 氣候變化可能對未來的水質產生深遠影響［16］。

河流的地質形態也對河流自凈能力產生影響。何嘉輝等在研究河流線型對河流自凈能力的影響時發現，隨著河流線型蜿蜒程度的增加，多項水質指標的削減率不斷提升［17］，即河流的彎曲程度越高，對于污染物的削減越顯著。 這與Hadi Nayyeri 所指出的河床物質的質地和河流彎曲程度對物理參數增減有影響的結論相一致［18］。

污染物濃度背景值對水體自凈能力的影響可以通過pH 值來說明。 一般認為，在水體自凈能力中起重要作用的硝化反應對水體pH 值的要求有一定的范 圍 （硝 化 反 應 理 想pH 值 在7.5～8.5 之 間）［19］。Huesemann 等研究表明，在pH 值等于8 時，水體系統的硝化速率為最高，此時可忽略光照作用［20］。

在影響水體自凈能力的自然因素中， 物理作用和化學作用對于污染物的凈化作用較弱， 而生物降解對于污染物的凈化作用十分顯著。 生物作用對水體自凈能力的影響主要是因為幾乎所有原核生物和真核生物都參與了水的自凈過程， 幾乎所有的水生生物都有消耗和氧化溶解有機物的功能。所以，生物群落的自我調節是水體自凈機制可靠性的重要組成部分［21］。

影響水體自凈能力的客觀性因素為自然因素。因為河流所處地理位置的固定性和水文環境的相對穩定性，自然因素對水體自凈能力的影響會呈現時間上的穩定性。 目前，生物作用對于水體自凈能力有著重要的影響。 客觀性因素的重要性就在于，在水質模型的邊界條件以及控制方程中， 會重點考慮客觀性因素。 但隨著經濟社會的發展，主觀性因素會在一定程度上改變某些客觀性因素，例如水流和生物作用。

1.2 主觀性因素

主觀性因素影響是指水體自凈能力受到大壩建設、護坡結構、政策和技術等人為因素的影響。 大壩建設能夠調節河流徑流， 進而影響庫區和大壩下游的水文情勢。埃及阿斯旺大壩建成后，在一定程度上改變了尼羅河的水文狀況， 建壩后尼羅河水的固溶物總量比建壩前更高［22］。 王現領等研究了9 種護坡結構形式對于水體自凈能力的影響， 得出了硬質護坡結構相比生態護坡結構更有利于提高水體自凈能力的結論［23］。

政策和技術手段在客觀性影響因素中的作用顯著。 政府制訂環境保護政策能夠促使排污企業更新技術，從而降低環境污染程度［24］。 如，江蘇省近些年Ⅰ-Ⅲ類水占比整體呈上升趨勢， 劣V 類水占比明顯下降的現象就與江蘇省現行的40 多項水環境政策有密切關系， 政策因素對江蘇省水環境質量的改善起到了直接的推動作用［25］。

在研究水質凈化的問題上， 相關技術的發展引起了高度關注，使得低成本、高效率的治污方式成為可能。由于生物在水體自凈中發揮著重要作用，因此自凈技術的研究更多地與微生物的特性相關。 碳纖維有較好的水質凈化效果是由于碳纖維利用自身特性，吸附微生物，并逐漸形成生物膜，可快速高效地去除水中的污染物， 促使水體中的本體微生物及植被原位恢復［26］。

目前，在影響水體自凈能力的主觀性因素中，政策和技術因素對于水體自凈能力的提高發揮了重要的作用。 政策因素能夠對于企業排污起到直接控制的作用，而技術因素對于低成本、高效率治污有顯著影響。但在設置模型時，主觀性因素并不會作為參數出現。 盡管主客觀因素都有助于水體自凈能力的提高，但過度排污必然會導致水體嚴重污染。

1.3 資源性因素

資源性因素影響是指水體自凈能力受水中污染物濃度的影響。如果水域中污染物超過某一臨界值，河流會喪失自然減少和吸收污染物的能力， 就會導致水體的污染越來越嚴重［27-28］。 A Chinyama 等運用模型將水體自凈的臨界值表示出來［27］。 他們設置的模型函數為：Y=AXN+BXN-1+…+C，其中，Y 為觀測點P1與P2之間的濃度變化；X 為參數初始濃度；A、B、C 為常數；N 由模型函數（線性、多項式、指數或對數）決定。當P1與P2之間的參數（Y）沒有變化時，臨界污染濃度為X。

雖然眾多因素可以提升河流的自凈能力， 但若向水域排放污染物的量超過水域自凈臨界值， 河流就完全失去了它自然吸收污染物的能力。

2 水體自凈能力的測算方法

水質模型發展歷史悠久、種類很多，可按照不同的分類標準對水質模型進行分類。 按照變量的確定性劃分，水質模型可分為確定性模型、混合性模型、隨機性模型；按照模擬空間性質劃分，水質模型可分為零維模型、一維模型、二維模型、三維模型；按照評估水域劃分，水質模型可分為河流模型、湖泊模型、海洋模型、河口模型；按照對水質變化的了解程度劃分，水質模型可分為黑箱模型、白箱模型、灰箱模型；按照模型參數的性質劃分， 水質模型可分為物理模型、化學模型等［29］。本文章按照模擬空間性質的劃分標準，對水質模型進行研究。

2.1 零維水質模型

零維水質模型測算水體排放的污染物為持久性污染物，一般適用于較小的水庫、湖泊和池塘。 模型前提假設為：河流為充分混合段、污染物為持久性污染物、河流為恒定流動和廢水連續穩定排放。

零維水質模型本身較為簡單， 由于水域環境的復雜性， 模型的計算結果可作為其他維度的初始值和估計值。 河流中并非所有水體都參與到污染物稀釋自凈，但在傳統零維水質模型中，參與容量計算的水體為全部水體， 因而就需要對零維水質模型計算中的不安全因素進行校正。于雷認為，校正零維模型計算中不安全因素的方法有兩種： 一是制訂精確的劃分標準，找出具體水體對應的水質模型；二是依舊采用原有劃分標準， 對零維水質模型初步計算結果進行基于混合區的不安全系數修正［30］。

2.2 一維水質模型

一維水質模型是假設污染物排放到河流中后，立刻在橫向和垂向均勻混合， 污染物濃度只會隨著縱向變化。 該模型適用于河流長度遠遠大于寬度和深度的情況。 模型前提假設為：河流為充分混合段、污染物為非持久性污染物、 河流為恒定流動和廢水連續穩定排放。

呂寶闊等應用一維水質模型計算了蒲河水體的綜合降解系數， 得出了蒲河水體自凈能力隨時間變化的規律［31］。 與污染物綜合降解系數相類似的公式是A Chinyama 等研究津巴布韋烏姆古扎河嚴重污染時所使用的公式［27］。 由于水體存在臨界污染濃度，A Chinyama 等將河流自凈能力計算公式進一步延伸，根據模型函數計算臨界污染水平。為了提高模型的準確性， 彭虹等考慮了河流水流特征和生態系統之間各種水質成分的相互轉化， 建立了一維河流綜合水質生態模型［32］。 將該模型應用于漢江武漢段水質成分檢測， 模擬計算值與實測值最大相對誤差為17%。這說明，合理地結合數學模型，有助于提高水質模型計算的準確性。

2.3 一維S-P 水質模型

氧平衡模型（Streeter-Phelps 模型，簡稱S-P 模型）假設水體中存在虧氧和復氧兩個過程，且復氧速率與氧虧量成正比［10］。 S-P 模型有以下前提假設：（1）河流中，生化需氧量BOD 的衰減和溶解氧的復氧都是一級反應。（2）反應速度是定常的。（3）河流中的耗氧是由生化需氧量BOD 衰減引起的，而河流中的溶解氧來源則是大氣復氧。

由于影響生化需氧量BOD 的因素較多且難以用試驗進行定量研究，朱紅偉等用化學需氧量COD反映水體中污染物進行生化分解時所需要的耗氧量，以S-P 模型為基礎，研究了考慮與不考慮底泥再懸浮2 種條件對水體自凈作用的影響，得出了水流流速是影響水體自凈作用的主要因素之一的結論［14］。 由于模型的局限性，眾多學者對S-P 模型提出了一些改進方法。Thomas 進一步考慮了泥沙的沉降和絮凝對生化需氧量BOD 的影響［33］；Donald J 在研究河流溶解氧的時空分布時， 將生化需氧量BOD 分為碳化BOD 和硝化BOD［34］；劉建國在傳統S-P 模型中引入臨界判定點， 對傳統模型臨界計算點出現負值的缺陷進行了修正，提高了模型的計算精度［35］。

2.4 二維水質模型

根據污染物隨著縱向與橫向或縱向與垂向的變化， 二維水質模型分為橫向二維模型和垂向二維模型。 其中，橫向二維模型適用于寬淺型江河流域，垂向二維模型適用于較深的湖泊和水庫。 河流二維水質模型預測的對象是持久性污染物， 模型前提假設為：河流為混合過程段、污染物為持久性污染物、河流為恒定流動和廢水連續穩定排放。

由于滇池大清河河口泥沙淤積、 土地復墾和過度污染，Chen Qiuwen 等根據大清河與滇池連接區的水流條件，建立二維水質模型，并采用交替方向迭代法對模型進行數值求解［36］。通過求解發現，所建立的模型能夠較準確地模擬水體中BOD5、COD、NH+4-N 和PO3-4-P 濃度的變化， 平均相對誤差均在30%以內。在二維水質模型的應用中，由于水質參數輸入多，會使結果存在偏差。 針對此問題，一些學者基于所研究水體的情況，對二維水質模型進行改進。姜丹在充分考慮地形要素對區域水質影響的條件下，結合地理空間要素的插值方法， 對傳統二維水質模型進行改進。 改進的二維水質模型更能準確反映區域水體連續性特征， 對于年尺度氨氮的預測精度明顯優于傳統二維水質模型， 氨氮預測誤差相對值分別減少7.4%和16.4%［37］。

2.5 三維水質模型

三維水質模型考慮污染物的橫向、縱向、垂向的三維變化，適用于河口、海灣和感潮河段等水文條件較為復雜的區域。由于自然界是三維空間，只有三維模型才能完全反應水流水質的空間分布。

近年來， 膠州灣面臨較為嚴重的污染和富營養化的問題，Keqiang Li 基于這一問題，采用三維水質模型來確定膠州灣氮磷的環境容量［38］。其中，水質模型考慮了溶解無機氮、磷酸鹽、浮游植物、浮游動物、碎屑、溶解有機氮、溶解有機磷7 個因素。 該模型與三維水動力模型相結合，通過對膠州灣春季、夏季和秋季的季節性觀測數據進行校正， 發現所提出的模型有效地再現了養分濃度的時空變異性。 Li Zhang等在蘇北灌河河口建立了一個三維動態水質模型，模擬了河口及鄰近沿海地區復雜的水文環境［39］。 水質模型考慮了氮、磷、浮游植物、浮游動物、碎屑和化學需氧量等因素。 改進后的三維水質模型能較準確地模擬水動力學和水質的縱向分布， 可用于水域的總負荷控制管理，以改善該區的水質。

通過水質模型的運用， 并對比污染物濃度的變化，可以分析影響水體自凈能力的因素。筆者在對水質模型與水體自凈能力的研究中發現， 客觀性因素是模型設置的重要參數， 例如一些研究項目在控制方程、 約束方程、 初始條件和邊界條件中會設置水流、水溫和生物作用等客觀性因素。 相反，幾乎沒有模型會把政策和技術等主觀性因素作為參數， 因為政策和技術的實施， 會相應地改變污染物的濃度和生物作用，而主觀性因素會直接影響客觀性因素。

3 結語

綜上所述， 水體自凈能力的影響因素可以分為客觀性因素、主觀性因素和資源性因素。在客觀性因素中，生物作用對于水體自凈能力的貢獻日益突出，而技術與政策兩個因素對于水體自凈能力提高的作用愈加顯著。目前，水質模型適用范圍從簡單的一維河流發展到幾乎涵蓋所有復雜水體， 而在水質模型設置中，影響因素也產生了重要作用。客觀性因素成為模型設置的重要參數，在控制方程、初始條件、邊界條件和約束方程中都會有體現。 主觀性因素會改變水體的客觀性因素， 成為間接影響水體自凈能力的手段。 所以，在模型設置中，主觀性因素會以客觀性因素的形式體現。 但關于水體自凈能力影響因素和水質模型的研究仍有不足， 文章提出以下兩點研究方向：

（1） 在對水體自凈能力影響因素研究的過程中發現，影響因素中存在一種連鎖反應。 例如，當風速較大時，會影響水域流速，而流速較大時，會引起底泥再懸浮， 這種連鎖反應會對水體自凈能力產生重要影響。那么當一種條件不發生作用時，其連鎖反應下的其他條件作用就會減弱或者直接不發生作用。在水質模型的設置中， 應該考慮這種連鎖反應的情況，這有助于減少實測值與計算值的誤差。

（2）與新技術相結合。水質模型輸出結果不確定的重要原因是污染物濃度和影響因素測算結果的誤差。與新技術結合能夠減少模型輸出的不確定性。遙感技術在水文領域的應用有范圍大、 速度快和高效性等特點，能夠實現數字預警、識別黑臭水體、考察海域污染［40-41］。 GIS 技術能夠生成精確的數字地圖信息，有效地測量出不同地理狀況信息，使模擬過程更加真實，測算結果更加可靠［42］。