水质模型研究进展及纳污能力计算方法应用

目前,国内外进行水体纳污能力核定大都依赖于水质模型的模拟和预测。当污染物进入水体后,随水流迁移,在迁移的过程中受到水力学、水文、物理、化学等因素的影响,引起了污染物的输移、混合、分解、稀释和降解。建立水质模型的目的就是力图把这些相互制约因素的定量关系确定下来,从而为水质的规划、控制和管理提供技术支持,利用水质模型进行河流、水库、湖泊及河口的水质规划已经取得不少成果,一些在20世纪50—60年代严重污染的河流,如芝加哥河、泰晤士河、莱茵河等利用水质模型进行规划和管理,使水体有了根本性的好转。

1.水质模型的发展历程与发展趋势

描述河流水质的第一个模型是斯特里特(H.W.Streeter)和费尔普斯(E.B.Phelps)于1925年研究美国俄亥俄河污染问题时建立的,简称SP模型。随后又相继出现了WASP、QUAL、BASINS、MIKE等模型,分别应用于不同的领域。自SP模型至今,已有70多年,国际上对水质模型的开发研究划分为3个阶段。

第一阶段(1925—1980年)。这个阶段研究的主体主要是水体水质本身,模型注重分析水质内部组分之间的规律关系,主要研究受生活和工业点污染源严重污染的河流系统,输入的污染负荷仅强调点源。与水动力传输一样,底泥耗氧和藻类光合及呼吸作用都是作为外部输入,而面污染源仅仅作为背景负荷。该阶段的发展历程简述如下。

1)1925—1965年。开发了比较简单的生物化学需氧量和溶解氧(BOD-DO)的双线性系统模型,并成功应用于水质预测。在随后的70多年里,许多学者对SP模型提出了各种修正和补充。

2)1965—1970年。除继续研究BOD-DO模型的多维参数估值问题外,水质模型发展为6个线性系统,计算机的应用使水质模型的研究取得突破性进展,计算方法从一维发展到二维,开始计算湖泊及海湾问题。

3)1970—1975年。研究发展了相互作用的非线性系统模型,涉及营养物质磷、氮的循环系统,浮游植物和浮游动物系统,以及生物生长率同这些营养物质、阳光、温度的关系,浮游植物与浮游动物生长率之间的关系。其相互关系都是非线性的,有限差分法、有限元计算应用于水质模型的计算,空间上用一维和二维方法进行计算。

4)1975—1980年。除继续研究第三阶段的食物链问题外,还发展了多种相互作用系统,涉及与有毒物质的相互作用。空间尺度已经发展到三维。模型中状态变量的数目已大大增加。

第二阶段(1980—1995年)。这一阶段模型的发展主要表现在:①在状态变量(水质组分)数量上的增长;②在多维模型系统中纳入了水动力模型;③将底泥等作用纳入了模型内部;④与流域模型进行连接以使面污染源能被连入初始输入。在这一阶段,由于能对流域内面源进行控制,从而使管理决策更加完善;由于将底泥的影响作为模型内部相互作用的过程处理,从而在不同的输入条件下使底泥通量随之改变;由于水质模型的约束更多了,预测的主观性大大减少。这一时期人们对一些系统建立了模型,如美国的大湖、切萨比特湾等。

第三阶段(1995年至今)。随着发达国家加强了对面污染源的控制,面源污染减少,而大气中污染物质沉降的输入,如有机化合物、金属(如汞)和氮化合物等对河流水质的影响日趋重要。虽然营养物和有毒化学物由于沉降直接进入水体表面已经被包含在模型框架内,但是,大气的沉降负荷不仅直接落在水体表面,也落在流域内,再通过流域转移到水体,这已成为日益重要的污染负荷要素。从管理的发展要求看,增加这个过程需要建立大气污染模型,即对一个给定的大气流域(控制区),能将动态或静态的大气沉降连接到一个给定的水流域。

近年来,水质模型研究取得了丰硕的成果,模型的空间维数、可以模拟的水质组分都达到了很高的发展阶段。计算机技术、3S技术在模型中得到了广泛应用,但综合性以及不确定性水质模型研究不足等问题依然存在。随着科学认知的不断深入和技术方法的不断创新突破,污染物质迁移转化规律将越来越准确地被掌握,水质模型的预测准确性也将大大提高。

今后水质模型的发展方向可以归结为以下几点:①发展基于机理性和随机性的综合水质模型,水环境系统是不确定性的复杂系统,不但需要从机理性入手深入研究污染物发生、发展、迁移、转化的科学规律,还需要运用随机性方法进行水质预测,因此,建立机理性和随机性的耦合模型具有一定的必要性;②发展地下水、地表水耦合的综合水质模型,地表水与地下水径流的相互补给与交换,使得污染物迁移转化过程变得更为复杂,今后的水质模型发展过程中,为了使模拟过程更加接近实际情况,要逐渐建立地下水、地表水相互耦合的模拟系统;③注重可视化技术和VR虚拟现实技术与水质模型相结合也将是今后水质模型发展的重要方向。将可视化技术运用到水质模型的建立中,最大的优势是能够将理论的数据转化为形象、生动的图形和图像,给人们更加直观、感性的认识,更有利于做出分析和判断。

2.典型的水质模型及应用

数学模型是研究水体纳污能力必不可少的技术手段,经过半个世纪的发展,在理论和方法上已比较完善。目前应用较多的水质模型大多数是欧美国家开发的,如SP模型、QUAL模型、WASP模型、MIKE模型和EFDC模型等。

(1)SP模型体系。美国工程师Streeter和Phelps于1925年提出SP模型,也称BOD-DO模型,是目前应用最为普遍的一维水质模型。SP模型建立的基本假定为:仅考虑好氧微生物参加的生化需氧量一级衰减反应,且反应速率一直与剩余有机物含量成正比;溶解氧(DO)的减少仅由生化需氧量反应引起,且其减少速率与生化需氧量反应速率相同;水中复氧速率与氧亏量成正比。

作为比较简单初级的氧平衡模型,SP模型存在许多缺陷,后来许多学者对它进行了多次修正,如Thomas修正形式、Dobbins-Camp修正形式、O’Connor修正形式等。但这些修正模型仍属于简单的氧平衡模型及一维稳态水质模型,较难应用于复杂水域。总体来说,SP模型相对简单,但能比较真实地反映水体污染的实际情况,对水体的治理具有一定的指导意义,在国内外的应用较为广泛。

(2)QUAL模型体系。1970年美国环保局(EPA)开始推出QUAL模型体系。QUAL-Ⅰ是该体系第一个水质综合模型,在实际应用过程中经过多次修正后功能不断增强,相继出现了QUAL-Ⅱ、QUAL2E、QUAL2E-UNCAS、QUAL2K等新版本。QUAL模型可模拟15种水质组分,包括生化需氧量、溶解氧、温度、藻类-叶绿素α、有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、有机磷、溶解磷、大肠杆菌、任意一种非保守物质和3种保守物质,它可以按照用户的实际要求任意组合以上指标。该模型建立的基本假定:将研究水域划分为一系列等长的计算单元水体,每个计算单元的水力水文条件相同且认为每个计算单元中的污染物混合均匀;污染物的迁移方式是平移和弥散,且仅发生在纵向,流量和旁侧入流不随时间变化。(www.xing528.com)

QUAL模型属于一维水质综合模型,既可用于研究点源污染负荷,也可用于面源污染研究;既可作为稳态模型,也可作为时变的动态模型,在国内的应用比较广泛。郭永彬等(2003)在研究南水北调工程实施后汉江中下游水质变化时,分别将QUAL2E和QUAL2K应用到研究河段并比较模拟结果发现,QUAL2K比QUAL2E能更好地拟合野外观测数据。宋玉龙等(2008)应用QUAL2E模拟小清河济南段水质。黄学平等(2013)应用QUAL2K综合水质模型对乐安河流域高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮进行了水质模拟,模拟结果表明模型具有较好的模拟精度。刘艳等(2014)采用通用流域污染负荷模型(GWLF)面源负荷结果作为QUAL2K模型的面源输入,结合点源排放数据,开展新安江干流黄山段水质模拟。

(3)WASP(Water Quality Analysis Simulation Program)模型体系。WASP是美国环保局提出的水质分析模型系统。美国环保局于1983年发布了该体系的最初版本,之后进行了几次修订。经过30余年的发展和更新,至今已升级到WASP 7版本,多年来一直被广泛地应用于各种水体的溶解氧、细菌、富营养化、悬浮固体颗粒、有毒物质等水环境问题的研究。WASP模型有两个独立的计算程序,即水动力学程序DYNHYD和水质分析模拟程序WASP,它们可联合运行,也可独立运行。其中,水质分析模型WASP由EUTRO5和TOXI5这两个子程序组成。前者分析常规污染指标(包括生化需氧量、溶解氧、叶绿素α、氨氮、有机氮、硝酸盐、有机磷、无机磷等8种物质)在水体中的变化过程;后者模拟有毒污染物质,包括金属、有机化学物质、泥沙等。

在国外,WASP模型在TMDL管理、湖库富营养化过程模拟、与其他模型的耦合研究、重金属有毒物质迁移转化研究等方面应用广泛。例如,Rodriguez等选用EFDC和WASP构建Brunswick Harbor耗氧物质TMDL管理体系;Hoybye等通过校验Kakhovka水库实测数据与WASP计算结果,认为水质最主要的影响因素是水库周围营养物质的增长速率和入库量。Barr-Milton湖(库)富营养化研究将SWAT水动力和营养盐模拟结果作为边界条件输入WASP软件进行富营养化过程分析。EPA的ORD(研究和开发办公室)生态系统服务研究项目选用WASP对Sudbury河汞的迁移转化进行二维模拟。

国内对WASP的研究和应用始于20世纪90年代,现有研究主要集中在湖库富营养化过程模拟、水环境容量计算、模型适用性及敏感度分析等方面。杨家宽等(2005)采用WASP 6模拟南水北调中线工程实施对汉江襄樊段水质的影响。张荔等(2006)采用试错法在WASP 6软件中计算渭河陕西段化学需氧量水环境容量。欧阳丽等(2008)将WASP应用于三峡水库回水区香溪河库湾氮、磷的水环境容量计算。史铁锤等(2010)在环太湖河网区水质管理研究中发现,WASP模型中硝化速率常数、化学需氧量降解系数和总复氧系数对模型总体结果影响显著,化学需氧量降解速率比例因子、河段温度比例因子对单个河段影响明显。柯晶等(2015)采用WASP模型,对南水北调中线工程及梯级电站建设前后的汉江中下游水质进行模拟预测。

(4)MIKE模型体系。MIKE模型体系由丹麦水动力研究所(DHI)开发,目前包括MIKE 11、MIKE 21、MIKE 3和MIKE SHE等。MIKE 11是一维河道、河网综合模拟软件,主要用于河口、河流、灌溉系统和其他内陆水域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟。MIKE 21属于平面二维自由表面流模型,可对潮汐、水流、风暴潮、传热、盐流、水质、波浪紊动、湖震、防波堤布置、船运、泥沙侵蚀和输移及沉积等进行研究,被推荐为河流、湖泊、河口和海岸水流的二维仿真模拟工具。MIKE 3在MIKE 21的基础上有所改进,能处理三维空间。MIKE SHE提供可视化界面,是一个水文水质综合模型。

MIKE模型可模拟多种水质组分,包括水温、细菌、氮、磷、溶解氧、生化需氧量、藻类、水生动物、岩屑、底泥、金属以及用户自定义物质在水体中的变化过程,能处理复杂的水域。由于模型的源代码并不对外公开,目前已发展成为一种商务模型。MIKE模型软件在国内应用广泛,如朱茂森(2013)利用MIKE 11软件建立了辽河上游福德店至通江口段的一维水质模型,通过模拟计算五日生化需氧量(BOD5)、溶解氧和氨氮沿程的衰减过程,发现模型运行良好。李娜等(2011)基于MIKE 21建立蓄水后涪陵长江水动力模型平台,通过耦合污染物传输模型研究上游化学需氧量排放对城市取水口附近水质的影响时间及程度,并提出应对措施。马腾等(2009)将MIKE 3应用于新疆伊犁喀什河上游梯级开发对库区水温的影响研究中,得到较为合理的三维流场、温度场预测结果。

(5)EFDC模型。环境流体动力学模型(Environmental Fluid Dynamics Code,EFDC)是由美国Virginia海洋研究所的Hamrick等根据多个数学模型集成开发研制的综合模型,现在是美国环保署推荐使用的模型。EFDC模型由水动力模块、水质模块和泥沙-有毒物模块3个部分组成,其中,水动力模块的模拟精度已达到相当高的水平,可以用于包括河流、湖泊和近岸海域一维、二维、三维等地表水的水质模拟。EFDC模型模拟范围为河口、河流、湖泊、水库、湿地以及自近岸到陆架的海域。可以同时考虑风、浪、潮、径流的影响,并可同步布设水工建筑物,可以用于模拟包括化学需氧量、氨氮、总磷等22种水质变量的浓度变化。另外,EFDC模型实用性强,能用于模拟点源和面源的污染、有机物迁移及转化等。

EFDC通用性好、数值计算能力强、数据输出应用范围广。至今,EFDC模型在国外已经成功应用于模拟Geum河下游盐度分析、纽约河和弗吉尼亚詹姆斯河口等。在国内也有不少应用,如王翠等(2008)应用EFDC模型模拟胶州湾三维潮流数值,谢锐等(2010)基于EFDC模型,建立了范围包括长江下游段、长江口、杭州湾及邻近海域的三维水流数值模型。唐天均等(2014)基于EFDC模型构建了深圳水库三维水动力和富营养化定量模拟模型,并采用实测流量、水位和水质等观测数据对模型进行了校正和验证,准确地反映了深圳水库的水动力和水质变化过程。

(6)BASINS模型体系。BASIN(Better Assessment Science in Integrating Point and Non-point Sources)是由美国环保局发布的多目标环境分析系统,基于GIS环境,可对水系和水质进行模拟。最初用HSPF作为水动力和水质模型,后来QUAL-Ⅱ和其他模型也被集入BASINS。该模型系统由7个相互关联的能对水系和河流进行水质分析、评价的组件组成,它们分别是国家环境数据库、评价模块、工具、水系特性报表、河流水质模型、非点源模型和后处理模块。

(7)国内关于水质模型的研究。国内水质模型的研究起步较晚,包括对国外成熟模型的改进应用以及根据模拟区域的特点我国研究人员自己开发的一些水质模型。例如,上海市在开展苏州河综合整治工程项目中,通过对WASP模型进行二次开发,研制了基于GIS技术和感潮河网水动力水质模型的水环境综合整治决策支持系统,将感潮河网数学模型研究成果直接用于大规模水系水环境改善措施工程分析。

中国环境科学研究院刘玉生等最早建立富营养化生态动力学模型,将生态动力学模型与一维箱模型以及二维水动力学模型结合。模型主要变量包括:藻类细胞中的碳、氮、磷,有机碎屑中的氮、磷,沉积物中的氮、磷,可溶性磷,浮游植物、浮游动物生物量。经过模型的灵敏度分析和参数检验,结果基本满足要求。在考虑了滇池生态系统物种组成变化的基础上,郑丙辉根据湖泊中优势藻种的构成比,加权出浮游植物总的生长率,对刘玉生等的模型进行了改进,克服了以往模拟计算中把参数取为常数的缺陷,模拟的效果相对较好。

河海大学开发了河网水量、水质统一的Hwqnow模型以及用于二维水动力水质模拟的BFVMP-2D模型,其中BFVMP-2D模型应用非结构网格有限体积法求解,界面通量采用基于Roe平均的黎曼近似解评估,能模拟水位变幅较大、河道内洲滩漫露过程交替进行的动边界过程,能进行泵站、堤防、堰、闸门等水工构筑物的处理。在Koutitas和韩国其等建立的风生环流数学模型的基础上,河海大学王惠中、薛鸿超等考虑垂向涡黏系数沿深度变化,对其计算模式进行修改,针对太湖环境保护问题建立了一个三维水质模型,对太湖水体的主要污染指标进行模拟和分析。清华大学申满斌、陈永灿等针对三峡库区主要污染物,建立了考虑泥沙吸附污染物和泥沙冲淤对污染物输移扩散影响的岸边排放污染物浓度场计算的三维水质模型。

3.水质模型在纳污能力计算中的应用

目前,在水域纳污能力计算时,主要是在较为成熟的水质模型(如零维、一维、二维等数学模型)基础上,对水质基本方程进行反算和推演,得到相应的水域纳污能力数学模型,进而在一定的水文条件、水质目标下,通过概化并分配排污口的污染负荷,得到水功能区水域允许纳污容量。这种水域纳污能力计算方法实质上是一种基于水质模型的简单反算法,当污染物迁移转化过程复杂或者排污口分布不均时,该方法的适用性会受到较大影响。近年来,随着水质模型体系的快速发展,对点源的模拟更加精准,对面源的考虑更加完备,水质模型的可视化、交互性等都得到极大提升,这使得通过水质模型软件直接计算水域纳污能力成为可能。基于水质模型软件提供的源汇项输入模块,可以方便、准确地模拟排污口的实际分布,进而可通过模拟排污口不同污染负荷条件下的水质变化过程,揭示入河污染物负荷量与控制断面水质的响应关系,最终确定水功能区水域纳污能力。

因此,今后应重点发展应用适用于水功能区管理与纳污总量控制的集成水质模型系统,在更广的层面上服务于水功能区水域纳污能力分析及其限排总量方案制定,同时将水质模型集成到水功能区信息管理、预报预警及其决策支持系统中,实现实时监控、查询、分析与决策,将更有利于水质模型的高效利用与实际问题的解决。