基于QUAL2K模型的鹤壁卫河水质模拟预警研究

张亚丽，王艺铭，史淑娟，翟晓艺，姚志鹏

1.河南农业大学资源与环境学院，河南省高校农业资源利用工程技术研究中心，河南 郑州 450002 2.河南省环境监测中心，河南 郑州 450004 3.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

随着水环境保护和污染治理强度的持续加大，水质预报预警已经成为当代水环境管理的重要内容和技术手段，对于降低水质污染程度、减小水污染损失和改善水质具有重要意义。水质预警系统是以水质预警方法为基础建立的系统，是一个集监测、计算、模拟和管理为一体的系统[1]。其原理就是在水质监测与评价、模拟预测或者生物活性等分析的基础上，分析警情存在的可能性，根据预报警度及污染源的分析，提出对应的解决方案来削减警患，主要包括选取预警指标、划定预警等级及各等级警限、确定警情及后期针对警情的解决方案等[2-3]。国外的水质预警系统研究起步较早且已较为成熟，如美国在俄亥俄河及密西西比河、英国在特棱特河和泰恩河等、法国在塞纳河、德国和奥地利等国在多瑙河均建立了较完善的在线监控及预警系统[4-6]。在我国，随着几次特大水污染事件的发生，重要流域的水质预报预警系统也逐步得到了重视和积极探索，如马中雨等[7]研究了不同类型环境污染物(浑浊度、石油类、亚硝酸盐、苯、砷化物、锰等)条件下斑马鱼的活性及在线系统报警特征；王巍巍等[8]提出了基于神经网络的水库藻类预警模型。利用水质模型进行水质预测是水质预警系统的核心之一，如胡琳等[9]利用MIKE11模型在东苕溪水源地进行水质预警及保护研究；李林子等[10]基于EFDC和WASP模型，建立了南京化工园突发水污染事故影响的预测模型，并以龙翔甲苯罐区泄漏为例进行了事故情景模拟。QUAL2K水质模拟模型灵活且功能齐全，对数据资料的要求不高，近年来被广泛应用于混合较好的树枝状中小河流[11-14]。因此，本文提出了一套基于QUAL2K模型的河流水质预报预警方法，选取海河流域鹤壁卫河作为实证研究，以期为减少流域水污染损失和改善河流水质提供科学依据。

1 研究方法

1.1 区域概况

鹤壁卫河发源于山西境内的太行山南麓，是中国海河水系南运河的支流，自新乡合河镇算起在鹤壁范围内河流全长399 km，是海河流域在河南省范围内最大的河流，是 “十二五”《重点流域水污染防治规划(2011—2015年)》规定的水污染重点整治区。根据鹤壁市环境质量公报，鹤壁卫河从2009年至2013年连续5年水质级别为重度污染，废水污染物主要来自于工业和城镇生活废水，特别是工业废水。2011—2013年主要污染物的排放总量都表现为逐年下降的趋势，工业污水排放量也下降了近40.6万t，鹤壁河流污染源总量控制取得了一定成效。但水质并没有明显好转，水质污染问题依然突出。为提高水质模拟的精度和便于模型参数的率定，在河段选取时尽可能保证河段较为顺直，河道较为规整，水流稳定，河段的长度要适当。选择河南省水质控制断面浚县柴湾和汤阴五陵之间的河段为研究区，中间增选了浚县桥和屯子桥2个一般监测断面。研究区域位置示意图见图1，研究断面基本情况见表1。本文以2013年为监测期和预警期，选取COD和NH3-N作为监测因子，水质评价结果表明均属于劣V类水，氨氮是主要的超标因子，超标率为302%～506%。

图1 研究区域位置示意图Fig.1 Map of the study area

表1 鹤壁卫河典型断面概况Table 1 Typical water quality monitoring sections of Hebi Wei River

1.2 基于QUAL2K模型的水质模拟

QUAL2K模型是美国环保署(USEPA)开发的QUAL系列模型，由QUAL2E水质模拟模型改进而来，考虑了水体污染物质间的相互作用，使用有限差分求解一维平流扩散物质迁移方程，数据资料较易收集[12-15]。模拟思路首先根据水体水质，将模拟河道划分为一系列恒定非均匀流河段，再将河段划分为一系列通过输移、扩散等形成的均匀混合、首尾相连的若干计算单元，各单元根据物质均衡定律计算相应方程。模拟过程一般包括：资料搜集调查；河段及单元的划分；模型参数的确定；模型的验证[13]。

1.3 水质预警方法

在对研究区水环境状况进行调查、现状评价的基础上，选取一定的水质指标进行水质的模拟预测，从而根据评价及预测结果确定水质警戒等级及相应的水质指标，进行警情判定。首先采用定性的方法进行水质预警等级、精度及各级警限值的初步判定，初步构建水质预警体系。之后，进行数据的量化分析，确定量化的水质预警指数及预警等级。最后，针对预警划分结果进行分析，提出相应的预防及解决方案。

1.3.1 预警指数确定方法

在水质模拟基础上，利用式(1)或式(2)进行COD、氨氮的预警研究。对于断面预警和研究期各指标水质预警，均按照最不利原则，选取最大值。

(1)

(2)

式中：Iij为i指标在j监测点的预警指数；Cij为i指标在j监测点的预测浓度；Ciok表示i指标的k级警限值；Ciok+1表示i指标k+1级的警限值。m为2个或者2个以上多分级预警值相同的个数。当Cij小于所给警限时，预警指数取1，当Cij大于所给警限时，预警指数取最大值5。

1.3.2 警情确定

依据污染水质即将造成的危害程度、变化趋势、紧迫性和解决的困难程度等，进行预警等级的划分[16-18]，具体警情判定见表2。

表2 预警级别划分Table 2 Division of the alert levels

2 基于QUAL2K模型的卫河鹤壁水质模拟及分析

2.1 河段及计算单元的划分

按照河段划分原则并结合实际情况，本文选定柴湾-浚县桥、浚县桥-屯子桥、屯子桥-五陵3个河段，河段长度分别为13.9、8.44、15.83 km。拟定计算单元长度为2 km，全程共有19个，3个河段分别有7、4、8个计算单元。

2.2 模型参数的确定

包括设计流量、设计温度、COD、氨氮的初始浓度及相关水力学参数等。以上游水流分叉处卫辉小河口监测断面(国控断面)的参数作为水质模拟的边界条件。取卫辉监测断面各项污染指标2011—2012年5月平均实测浓度的均值作为水质模拟的初始浓度值。根据常年监测数据，采用年平均流量作为设计流量。采用各相应监测期的平均水温作为模拟的设计温度。源头确定的各项水质水量参数：温度17.53 ℃，流量7.07 m3/s，COD 29.33 mg/L，氨氮8.71 mg/L。

在水质模拟中，降解系数一般是采用类比法。根据中国环境规划院《全国水环境容量核定技术指南》(2003)，海河流域中河南省范围内COD、NH3-N的降解系数KCOD、KNH3-N分别为0.05～1.07、0.06～0.6(1/d)。由于影响降解系数的因素较多，指南建议对于不同的河段采用不同的方法，或多种方法结合推求。鉴于所提供的降解系数取值范围较大，不利于提高水质模拟精度。本文根据一维河流水质模拟公式，利用2011—2012年5月自动监测站监测数据，计算各河段KCOD、KNH3-N，结果见表3。

表3 河段降解系数计算初始值Table 3 Initial degradation coefficientsof the river section

2.3 鹤壁卫河水质模拟与验证

将参数初始值带入模型进行模型率定期河道污染物的模拟，模型采用改进的欧拉差分格式求解，当河段概化后的计算单元数等于1时，令边界初始条件为0，即可求得不同时段、不同距离点处污染物的浓度变化情况。对比模拟结果与实测值，结果表明相对误差较大(9%～26%)，特别是浚县桥-屯子桥段。因此，重点进行此河段参数的调整，相应减小河流纵向弥散系数，增大污染物降解系数，进行反复修改，调整后的降解系数参数值见表4。

表4 降解系数模型参数确定结果Table 4 Determined degradation coefficientsof the river section d-1

利用2013年5月的同期监测数据进行模型验证，各河段COD模拟值与实测值的相对误差平均为2.30%，绝对误差均值为0.69 mg/L，NH3-N模拟值与实测值的相对误差平均为1.50%，绝对误差均值为0.17 mg/L，即COD 模拟的总精度达到了97.7%，NH3-N模拟的总精度达到了98.5%，表明河流水质模拟效果较好。

表5 各河段水质模拟值与实测值对比Table 5 Comparisons of the modeling value and the observed value of Hebi Wei River

3 鹤壁卫河水质预报预警及分析

3.1 水质预警等级和警限的确定

2012年由原环境保护部、发展和改革委员会、财政部、水利部共同发布的关于印发《重点流域水污染防治规划(2011—2015年)》，要求规划目标年海河重度污染流域水质有所改善，卫河水质基本达到V类。因此，以《地表水环境质量标准》V类水作为判断有无警情发生的基准，同时结合卫河劣V类水的水质现状及可操作性，具体确定COD、NH3-N各级预警的警限值(表6)。

表6 鹤壁卫河水质预警指标的警限值Table 6 Standard limits of the warningindex of Hebi Wei River mg/L

3.2 警情的判定

选取鹤壁卫河典型断面柴湾、浚县桥、屯子桥及汤阴五陵为预警研究区，预警指标为COD和NH3-N。预警时间为2013年6月中上旬，预测日期与自动检测站监测时间保持一致。分别取上游水流分叉处卫辉小河口监测断面6月2日、6月9日和6月16日的水质参数作为河段模拟的输入值，按照上述方法进行水质模拟，预测各断面COD约为21～40 mg/L，NH3-N质量浓度约为3.2～8.1 mg/L。利用式(1)或式(2)并根据相应预警等级(V类)警限，分别计算各监测断面单项指标的预警值Iij。具体计算结果见表7。

表7 鹤壁卫河各断面污染物预警指数和级别Table 7 Warning index and grade of contaminants invarious sections of Hebi Wei River

由表7可知， COD基本处于无警、轻警2个警度级别，氨氮在预测期内的各个断面大多都是巨警，污染物浓度严重超标。6月2日所有监测断面重警；6月9日除柴湾断面外其他3个断面均为巨警；6月16日全天所有监测断面均为巨警。综上可知，所选流域在监测时间段内，水质总体污染严重，预警级别高，亟需采取有效措施缓解水污染情况，改善警情。无警状态下，应注重水质防护，继续总量控制，严格控制水中污染物浓度，保持水质的无警状态。一旦出现轻警，就应当采取措施，加强管理，强化污水处理，及时消除污染源，严格控制并及时消减总量排放，改善水质并防治水质的进一步恶化。出现中警和更严重的警情时，则更需加强管理力度与管理规模，在排污总量控制的同时，更要注重水质污染现状的治理，找出根源，消除警患，改善水质。

4 结论

在水质现状评价基础上，提出了一种基于QUAL2K水质模型的河流水质预警方法。以海河流域鹤壁卫河浚县柴湾和汤阴五陵之间的河段为研究对象，研究结果表明，河流COD和NH3-N水质模拟精度分别达到97.7%和 98.5%，模拟精度高，模拟效果较好；所选河段预警时段内COD基本处于无警、轻警2个警度级别，氨氮浓度严重超标，大多是巨警，是造成所选监测断面水环境污染、预警指数居高不下的重要原因。在水质预报预警过程中，应该牢牢把握削减总量排放、改善水质、预警防范等，促进主要污染物减排、强化重点河段防控、加强环境执法等途径加快推进水环境保护工作。对已污染的水体，针对不同警情等级采取针对性的排警措施,如完善生态补偿机制、确保河流断面达标和加大工业结构调整力度等。