水质模型在天津市河流应急监测中的实用化设计

张海波

摘 要：通过分析现有成熟模型，选出既适合天津市河流，又具备简单、易用等特征，在应急监测工作中有应用潜力的模型，并对其进行实用化设计，建立辅助工具，从而提高水质模型的实用化程度，使其能够在极端恶劣的条件下的完成应急监测工作。

关键词：应急监测；水质模型；实用化设计；处置方案

中图分类号：X830.7 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）13-0143-02

1 应急监测的工作要点

应急监测是一种特定目的的监测，它要求监测人员在第一时间到达事故现场，用小型便携检测仪器或装置，在尽可能短的时间内判断和测定污染物的种类、浓度、污染范围、扩散速度和危害程度，为政府决策提供科学依据。因此，在应急监测工作中，如何实现快速反应是重点和难点。

2 水质模型研究的现状和实用意义

目前水质模型的发展已经经历了3个阶段：①1925—1980年，该阶段研究的水体主要是水质本身，模型注重分析水质内部组分之间的规律关系，输入的污染负荷仅强调点源；②1980—1995年，该阶段的模型增加了状态变量（水质组分）的数量，对模型的约束条件更多，降低了预测的主观性；③1995—2014年，该阶段充分考虑了大气污染物的沉降对目标水体的影响，增加了大气污染模型，并对来自于试验流域的负荷进行评估，从而全面掌握目标水体中污染物的迁移、转化规律。

在实际工作中发现，无论是方程简单、参数含义明确的一维水质模型，还是模拟程度高、数据精确度高的大型模型，都存在在使用过程中需要较强的数学基础的问题，计算过程比较依赖计算机等设施，在缺乏电源、通讯不畅等野外作业环境下难以发挥作用。因此，还需要对模型进行二次开发，建立实用性更强的辅助工具解决上述问题。

3 模型的选择和建立

3.1 原假设

天津市的河流多数处于长宽比大于10、狭长状、水流平缓、水文条件比较稳定、水质波动不大的情况。应急监测工作大多于事发后几小时内进行，在此时间段内可以认为河流的水质背景值恒定，水质变化完全由事故造成。应急监测工作大多针对事发地点和下游河段，构建模型时，可以将事发地作为起点。事故发生时，排入河道的污染物浓度往往高于河道水体背景值，水体背景值对污染物扩散的影响可以忽略。污染事故按照污染物的排放时间可分为两类，即泄露、翻车、污水罐车偷排等瞬时排污类事故；企业暗管偷排类等长期排污事故。

综合以上因素，可作出以下假设：①应急监测中研究的河流为一维河流；②事故发生过程中的河流背景值对污染物的迁移扩散没有影响，污染物浓度变化完全由污染事故造成；③事故发生地为研究河段的起点；④应急监测河段可以虚拟为无限长的均匀河流中的一段；⑤发生瞬时排污事故时，污染物立即与河水完全混合，形成平面污染源；⑥发生长期排污事故时，认为被污染河段已经处于稳态。

结合模型特征进行筛选后发现，针对长期排污事故的一维河流稳态水质模型和针对瞬时排污事故的一维河流突发性排污水质模型都具备应急监测的潜力。

4 模型实用化设计

模型的解析解显示，目标断面的污染物浓度由初始浓度c0乘以距离x和时间t的代数式构成。因此，可以将断面浓度与初始浓度的比值即c/c0设定为目标参数，以距离x和时间t为行和列建立二维数据表。此表格表征了在不同地点、不同时刻污染物浓度c与初始浓度c0的比值。

应急监测时，在事故发生地下游污染物与河水均匀混合处采样，记录下采样地点与事发地点的距离x1，采样时事故已发生的时间t1，测出污染物浓度c1后，利用x1，t1在二维表中找到对应的比值，用c1除以该比值即可获得事发地点的初始浓度c0，用c0乘以河流水量Q即可估算出此次事故中污染物排放量。

计算出c0后，用标准值除以c0，将计算结果放入表格进行比较。如果计算结果小于二维表中给定的比值，则该比值相对应地点、时刻的水质超标，反之则达标。利用此二维表，既可以迅速判断出某一地点的水质何时超标、何时达标，也可以判断在某一时刻哪些河段超标，哪些河段达标。

由于天津市的一般河流长度<30 km，事故发生至初次应急监测的时间一般不超过24 h，因此将距离序列定为1～30 km，时间序列定为1～24 h，经实地测量估算出目标河流、目标污染物的弥散系数E和衰减系数k后，代入模型运算，即可得到满足应急监测工作需要的二维数据表。

5 实用性分析

此二维表格能够起到的辅助作用有三个方面：①根据应急监测数据估算污染源排放强度；②判断某个断面在哪些时间内处于超标状况，什么时候污染物浓度最高；③判断在某个时刻哪一河段处于超标状态，该河段哪个断面的污染物浓度最高。

为了提高置信度，使用时可依据测量参数的波动范围，分别计算出最差情况下和最好情况下的水质状况表，将监测结果带入不同表格即可得到水质波动的范围。决策时需按照最差情况考虑，即可最大程度地保证处置方案的有效性。

受模型自身条件和假设条件的限制，应用时需要注意下述几种情况：①污染物在河道中不能存在酸碱中和、沉淀、吸附等高速率理化反应。②不能存在支流、面源污染、底质释放等其他干扰源；③只能较好地模拟污染物与河水充分混合后的河段，不能模拟混合前的河段，因此，在应急监测过程中，只有在污染物与河水充分混合处采集的数据才能较准确估算源强等信息。④在实际情况中，污染物的排放和混合过程不会瞬间完成，因此模型中的初始浓度c0是虚拟点源浓度，不是事发地点的实际监测值。⑤模型中各时间、各地点的浓度c是扣除环境本底值后，完全由事故造成的波动值。

6 结束语

综上所述，WASP等大型模型虽然模拟程度高、数据精确度高，但由于参数繁多，计算、调试困难，在应急监测工作中难以应用。一维水质模型等虽然存在限制因素多、误差大等问题，但具备简单、参数极易获取等特征，使用时还能进一步开发成应用性更强的辅助工具，更符合应急监测的要求。endprint

基于天津市河流现状和一维水质模型设计的二维表能在一定程度上简化运算，能辅助决策的制订，其主要用途为估算源强、判断某个断面超标时段和浓度峰值出现时刻、判断某个时刻超标河段和浓度峰值出现地点。但由于模型本身的局限性，推算结果仅供参考，估算值与实测数据冲突时应以实测数据为准。

参考文献

[1]李继选，王军.水环境数学模型研究进展[J].水资源保护，2006，22（1）.

[2]冯民权，郑邦民，周孝德.水环境模拟与预测[M].北京：科学出版社，2009.

[3]张智，李灿，曾晓岚，等.QUAL2E模型在长江重庆段水质模拟中的应用研究[J].环境科学与技术，2006，29（1）.

[4]刘兰岚，张永红.WASP水质模型在辽河干流污染减排模拟中的应用[J].环境科学与管理，2010，35（5）.

[5]蔡芫镔，潘文斌，任霖光.BASINS3.0系统述评[J].安全与环境工程，2005，12（2）.

[6]曹晓静，张航.地表水质模型研究综述[J].水利与建筑工程学报，2006，4（4）.

[7]冯素萍，邹晓东，朱英，等.大汶河水系主要河流BOD1-20降解规律的研究[J].山东大学学报（理学版），2004，39（5）.

[8]慕金波，韩言柱.实验室法测定南四湖及入湖河流的BOD降解系数[J].江苏环境科技，1996，9（2）.

[9]董林，李华.潮汐河网可降解有机物降解系数研究[J].环境科学研究，1990，3（6）.

〔编辑：张思楠〕

Abstract： By analyzing the existing maturity models to elect both for Tianjin rivers， but also with a simple， easy to use and other characteristics， have potential applications in emergency monitoring work model， and its practical design， build auxiliary tools to increase the degree of practical water quality model， making it possible to complete the emergency monitoring work in extreme conditions.

Key words： emergency monitoring； water quality model； practical design； disposal programendprint

基于天津市河流现状和一维水质模型设计的二维表能在一定程度上简化运算，能辅助决策的制订，其主要用途为估算源强、判断某个断面超标时段和浓度峰值出现时刻、判断某个时刻超标河段和浓度峰值出现地点。但由于模型本身的局限性，推算结果仅供参考，估算值与实测数据冲突时应以实测数据为准。

参考文献

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[9]董林，李华.潮汐河网可降解有机物降解系数研究[J].环境科学研究，1990，3（6）.

〔编辑：张思楠〕

Abstract： By analyzing the existing maturity models to elect both for Tianjin rivers， but also with a simple， easy to use and other characteristics， have potential applications in emergency monitoring work model， and its practical design， build auxiliary tools to increase the degree of practical water quality model， making it possible to complete the emergency monitoring work in extreme conditions.

Key words： emergency monitoring； water quality model； practical design； disposal programendprint

基于天津市河流现状和一维水质模型设计的二维表能在一定程度上简化运算，能辅助决策的制订，其主要用途为估算源强、判断某个断面超标时段和浓度峰值出现时刻、判断某个时刻超标河段和浓度峰值出现地点。但由于模型本身的局限性，推算结果仅供参考，估算值与实测数据冲突时应以实测数据为准。

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[9]董林，李华.潮汐河网可降解有机物降解系数研究[J].环境科学研究，1990，3（6）.

〔编辑：张思楠〕

Abstract： By analyzing the existing maturity models to elect both for Tianjin rivers， but also with a simple， easy to use and other characteristics， have potential applications in emergency monitoring work model， and its practical design， build auxiliary tools to increase the degree of practical water quality model， making it possible to complete the emergency monitoring work in extreme conditions.

Key words： emergency monitoring； water quality model； practical design； disposal programendprint