惠济河河南段污染源与水质响应关系模拟研究

张宽++王燕鹏++孙一兵

摘要：以惠济河河南段为研究对象，运用EFDC模型建立了其污染源与水质响应关系。采用delft3d针对惠济河河南段建立曲线正交网格，基于2014年污染源流量监测数据和河流水文监测数据模拟该段河流流场，利用河流水文站水位的实测值率定河道糙率，利用2015年数据对惠济河水动力模型进行验证；在水动力模拟的基础上，以COD为主要指标构建惠济河水质模型，同样采用2014年数据对模型进行率定，用2015年数据进行模型验证；总结分析了模型建立的结果。

关键词：污染源；水质；响应关系；模型

中图分类号：X703

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）12006503

1引言

河南省惠济河发源于开封市济梁闸，流域包括5区（开封市的龙亭区、顺河回族區、鼓楼区、禹王台区、开封新区）7县（开封县、杞县、睢县、柘城县和宁陵县5县及兰考县和鹿邑县2个省直管县）。河南省境内河长166km，流域面积4125 km2。惠济河现已无天然水源，沿途接纳开封市、开封县、杞县、柘城县等地区的大量工矿企业废水，河流污染情况不容乐观。“十三五”时期是落实推进《水污染防治行动计划》（国发〔2015〕17号）的关键时期，河南省也已开始进行为期3年的“水污染防治攻坚战”（豫政办〔2017〕5号）。目前的水环境形势正在倒逼水环境管理向网格化、精细化转变[1]。建立河流的污染源与水质响应关系显得愈发重要。

水质模型是根据自然界最朴素的动量守恒、能量守恒以及物质守恒原理等，用数学方法描述水循环的水体中各水质组分所发生的物理、化学、生态学等诸方面变化规律和相互关系的数学模型[2，3]。水质模型是建立河流污染源与水质响应关系的重要工具。目前，很多国家已经提出了各自比较成熟的水质模型，并在这些模型的基础上进行可视化集成开发。至今，已开发出较多水质模型软件，如MIKE[4]、Delft3D[5]、QUAL2K [6]和EFDC[7]等。最初，EFDC是由美国弗吉尼亚海洋科学研究所利用Fortran77语言开发的一个开源软件，后由美国国家环保署改用Fortran95语言进行再次开发，并得到广泛应用。

EFDC模型在国内的研究和应用已然较多[8～10]，但在河南省的应用尚不多见。本研究探索基于EFDC模型对惠济河河南省段建立污染源-水质响应关系，以期为其他相关研究提供指导，为流域精细化管理的实施提供有效支撑。

2惠济河概况及网格划分

惠济河河南段的水系构成主要有小蒋河、淤泥河2条支流。睢县板桥、柘城砖桥、鹿邑东孙营为该河流上的3个省责任目标考核断面。

本研究采用delft3d进行网格划分，在河流横向共划分3层网格，生成网格2845个，划分结果如图1所示。对生成的网格进行正交化检验正交性检验结果显示大部分都位于0～0.05的范围内，即误差小于3度，所以，网格划分满足模拟需求（河流网格线的交角余弦值要小于0.2，部分贴近河流边界的网格余弦值允许出现略有偏高的现象）。

3河流水动力模拟

3.1边界条件及参数设置

3.1.1边界条件

（1）排污口概化。针对惠济河河南段涉及企业及排污口开展现场调查，对惠济河河南段进行概化，如图2所示。图中有在线监测数据的污染源采用在线监测数据，无在线监测的采用调查数据。

（2）边界条件设置。结合概化图2对边界条件进行设置，污染源边界和支流汇入边界均设置为流量边界，该段河流出口设置为开边界。

3.1.2相关参数设置

除河流出口边界外，其余各边界均为流量边界，做水动力模拟时只需定义各边界处的流量即可。各边界都以现有最详细的时间序列数据进行模拟，采用2014年数据进行率定，2015年数据进行验证。利用收集到的水利工程测绘过的惠济河河南段河底高程数据，导入EFDC为每个网格分配河底高程。河流的初始水深设置为1.5 m（初始值随着模拟的进行很快会被覆盖掉）。参考一般平原地区天然河流的糙率值，将惠济河河南段的糙率设置为0.03[11，12]。

3.2水动力模型率定及验证

3.2.1模型率定

选用大王庙水文站和砖桥闸水文站的水位数据对模型进行率定。对比大王庙水文站和砖桥闸水文站水位的模拟值与实测值，如图3所示，大王庙水文站的平均相对误差为1.18%，砖桥闸水文站的平均相对误差为4.87%。可以看出。河道糙率为0.03时，两个水文站水位的模拟值与实测值误差均较小，水动力模型较为准确。

3.2.2模型验证

将重点监控企业、污水处理厂、支流断面、生态补水的数据更新为2015年的数据，再次进行水动力模拟，得出2015年大王庙水文站和砖桥闸水文站水位的模拟值与实测值对比，如图4所示。全年的平均相对误差分别为1.62%和5.54%，与率定时的数据相比，误差较为稳定，水动力模型通过验证。

张宽，等：惠济河河南段污染源与水质响应关系模拟研究

环境与安全

4河流水质模拟

4.1模型率定

水质模拟在水动力模拟的基础上进行，将各边界2014年COD排放浓度数据加入模型中对应边界。经模拟值与实测值对比调整， COD衰减系数为0.05时，由上游至下游3个断面COD浓度的模拟值与实测值对比分别如图5～7所示。可知，当衰减系数为0.05时，惠济河睢县板桥、柘城砖桥和鹿邑东孙营3个断面2014年全年52周的模拟值与实测值平均相对误差分别为3.02%、9.37%、22.42%。水质模型较为准确。

4.2模型验证

在其他数据都不改变的情况下，更改污水处理厂数据、重点企业监测数据、生态补水数据为2015年最新数据，分析模拟值与实测值误差，对模型进行验证。惠济河2015年1～12月份的COD模拟值与实测值对比如图8～10所示，睢县板桥、柘城砖桥和鹿邑东孙营断面COD浓度模拟值与实测值的平均相对误差分别为10.23%、31.80%、26.73%。模型较为准确，通过验证。

5结论与展望

本研究基于EFDC模型，通过企业调查、现场勘测等多种手段获取相关河道信息和数据，构建了惠济河河南段的水动力模型，得出惠济河河南段的河道糙率为0.03，并以COD为模拟因子建立了水质模型，模拟得出惠济河河南段COD的综合衰减系数为0.05/d，所建立的水动力和水质模型模拟值与实测值误差较小，模型准确度较高。本研究的过程和方法可以为河南省其他河流水环境模型的建立提供指导。

本研究也存在不足之处，如因现有数据基础影响，某些对河流水质影响较大的污染源无法获得长时间序列的监测数据，导致从变化趋势上看，个别时间段模拟与实测值不太吻合。本研究后续还有待完善之处。

参考文献：

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