长江南京段污染物模型研究

□叶 南 张海波 金 哲 肖旎旎

一、概述

水质模型是一类用于描述水环境中物质变迁过程的数学方程，求解这些方程可以得到水体中污染物的扩散在时间和空间维度上的定量描述。但水质模型是一类经过抽象和简化后的数学工具，其求解结果存在本身的局限。现在，常用的河流水质模型多用于点源排放的纳污河流，非点源污染物的水质模型研究还需要深入，尤其是水质模型中的二维和三维模型。

在当前的河道水质模型研究中，常用的一类模型是QUAL2E 模型，该模型是USEPA 提出的河流综合水质模型。实践表明，该模型能够应用于综合性和多用途的河流水质分析之中。本文将以这一模型为基础，以长江南京段为背景，研究其污染物的扩散规律。

二、QUAL2E 模型

（一）QUAL2E 基本模型结构概述

QUAL2E 模型属于一维稳态水质模型，利用这一模型可定量计算在特定的溶解氧水平下的稀释河流，以及评价在一定的污染物量级和发生地条件下的水质状况。利用这一模型还可以对水质常见参数进行模拟和分析，如溶解氧、生化需氧量等。从原理上看，QUAL2E 模型假定存在主流输送以及若干支流汇入，并且沿着河流可能存在多个污染源、取水口等。QUAL2E 模型的数学表达式为一维平流-扩散质量迁移方程：

上式中M 表示考察的物质质量，X 为距离，t 为时间度量，C 为考察的物质在河流中的浓度，Ax 为坐标X处的河流横断面面积，DL 表示物质的纵向扩散系数，u为河流平均流速，S 为外部的源/漏。

（二）计算单元划分

水质模型的模拟计算需要将河流进行划分，再在单个的河段单元中进行逐个计算。在给定的河流单元中，继续将该河段划分为等长的计算单元进行处理。通过上述步骤，河流即可被转化成混合反应器，因此可以完成物质的输送和扩散分析。在进行计算单元的划分时，通常选取以下类型中的一种或几种，即源头水单元、支流汇入主流节点单元、标准单元、交汇点单元、河流系统中的最后一个单元、输入单元、水口单元等。为了保证计算精度，河流计算单元的划分不能过粗。反之，划分过密，则要大大增加计算量。从实践的角度说，将计算单元的长度取为500m 是合适的。

（三）水力学参数设定

QUAL2E 模型的计算精度直接受到河流水力学参数输入精度的影响，这是因为QUAL2E 模型是一维模型，要求河流必须具有稳态特性。概括而言，在对QUAL2E模型进行水力学参数输入时主要控制出流系数 、梯形过流断面、纵向弥散系数。上述三类参数中，出流系数主要由河流流量、河流的平均流速和河流水深综合决定，而梯形过流断面参数主要由河流的水深控制，还受河道过流断面面积、水力半径、曼宁系数等影响。纵向弥散系数具有一定的假定特征，即认为河流只在纵向存在速度梯度，通过计算河流的平均水深、平均流速、曼宁系数等来综合计算纵向的弥散系数。

三、长江南京段水质污染物构成分析

（一）污染物来源分析

南京段地处长江下游，积聚了大量水质污染物，加之本身也处在工业比较发达的长江三角洲地区，大量工业和生活污水对南京段的水质造成了较为明显的影响。可见，在长江南京段建立相应的污染物模型对于分析水质具有重要意义。南京段的污染物来源主要有以下几类：1.生活污水。长江南京段是一个人口稠密的地区，而城市生活污水在现有的水平下处理率比较低，是长江南京段污染物的主要来源之一。2.工业污染物。这类污染物主要来自长江沿线的化工原料、食品制造业等，这类工业污水的处理率比较低，通常都是直接排入长江。在进行水质分析时，必须将工业园区的污水排放口作为点源来处理。3.农业污染物。长江南京段的农业污染物主要来自于上游安徽段。4.航运污染。长江历来是黄金水道，每天都有大量的运输船舶从长江段经过，所造成的污染不容忽视，船运带来的污染是南京段长江水质问题的重要因素之一。

（二）模型建立

本次研究所采用的水样依照《水和废水监测分析方法》的要求进行，所采集的水样以0.5～1m的表层水为主。对水样监测项目包括水温、总磷、溶解性总氮、透明度、溶解性总磷、总氮和叶绿素a，以上几类参数的测量结果用于后续的模型模拟和分析计算。利用QUAL2E 模型建立南京段污染物模型时，选择模拟的时间跨度为半年（180天），模拟次数为10 次，其中一次模拟计算的结果见下表：

从模拟的总体结果来看，叶绿色a的含量和溶解性氮的含量相关性并不明显，但从总趋势上看，却和溶解性磷的含量有一定的正相关系，模型对溶解性氧的模拟结果和实测结果较为接近。但由于南京段沿江分布的污水排出口较多，而且对于雨水等导致面源污染的污染物汇入在模型中较难精确的输入，利用QUAL2E 模型在进行这类分析时存在不足，模拟结果和实测结果误差较大。这需要建立起水质监测网络，进一步改善模型，并和有关部门加强合作后才能建立起实时性更好的水质监测模型，这是需要加强的后续工作。

QUAL2E 模型模拟计算结果表