里下河地区水质模型的开发与应用

张颖，毛媛媛，兰林，徐静，陆楠

(1.江苏省水利工程规划办公室，江苏南京210029；2.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏扬州225007)

中国东部和南部地区江河中下游，存在着大量的平原河网地区，这些地区地势低平、河网密布、外排受流域性洪水或海潮顶托，洪涝灾害易发[1,2]；同时，人口稠密、土地开发利用程度高、经济发达，河道比降小、流速缓慢、水动力条件不足，水环境质量差、水生态承载负荷过重成为了新常态[3,4]。目前，针对复杂平原河网区水环境特征和影响机制等方面的研究尚不全面，国内外开发的水质模型多数基于流域自然汇流特征开展模型构建，适用于流域界限清晰的山地和丘陵地区，且模型输入条件和控制参数众多[5,6,7]，难以在缺乏资料的大尺度流域上直接应用。平原河网区分布式污染负荷模型和水质模型在太湖流域应用比较广泛[8,9]，在淮河流域起步晚[10]，未做过系统研究，目前对于该地区污染物迁移、转换等过程的实时模拟和预测缺乏有效手段。

江苏省里下河地区(图1)是淮河流域中面积最大的平原河网区，界于东经119°08′～120°56′，北纬32°12′～34°10′之间，位于里运河以东，苏北灌溉总渠以南，扬州至南通328国道及如泰运河以北，东至黄海，涉及盐城、泰州、扬州、淮安、南通五市二十县，总面积22 232 km2。区内以通榆河为界，分为里下河腹部区和沿海垦区，沿海垦区以斗龙港为界，分为斗北垦区和斗南垦区两片；腹部地区为里下河平原，系江淮平原的一部分，由长江、淮河及黄河泥沙长期堆积而成，四周高，中间低，呈碟型，俗称“锅底洼”[11]。里下河区内河湖纵横交错，圩网密布，水利工程众多，水情、工情复杂，河网流速缓慢，水环境容量小，一直是江苏水利治理的重点和难点[12]。

本研究以江苏省里下河地区为例，在已经构建的水文水动力模型基础[13]上，完成水量水质联合调控耦合模型系统的开发应用，进行产水产污分析，得到区域主要污染物浓度分布特征。本文的研究成果可为里下河地区的水量、水质联合调控及后续调水引流改善区域水环境管理决策提供有利手段，为其它平原河网地区水质模拟与分析提供参考，为水利行业强监管战略定位提供技术支撑。

1 里下河地区水量水质耦合模型系统构建

1.1 系统结构框架

水量水质耦合模型系统包括产汇流模型、河网水动力模型、污染负荷模型和水质模型。产汇流模型是基础，可用以对各类下垫面的降雨径流过程以及用水过程进行模拟，为河网水动力模型、污染负荷模型提供边界条件；河网水动力模型是基于各骨干输水河道和控制性建筑物，以产汇流模型为基础，按照调度原则，对河网中骨干河道的水流运动状况进行模拟，对水质模型提供断面水位流量数据；污染负荷模型建立在产汇流模型基础上，主要用以对点源、面源的各类污染负荷过程进行模拟并提供水质模型的边界条件；水质模型依托于水动力模型和污染负荷模型，主要用以对污染物在水体中的迁移转化过程进行模拟，并得到各水质指标在各断面的浓度变化过程。各个模型之间的关系见图2。由于里下河地区水文水动力模型已经研究完成，本研究着力于污染负荷模型、水质模型的构建及4个模型的耦合系统调试。

1.2基于GIS空间叠合技术的平原河网区污染负荷模型

污染负荷模型包括3个单元：污染物产生单元、处理单元和分配单元。产生单元估算各类污染源的产生量，处理单元计算污染源经过处理后最终进入水体的污染负荷，分配单元对污染负荷分配至周边河网。

1.2.1污染物产生单元

污染负荷包括点源污染和面源污染。点源污染来源包括工业、城镇生活和农村生活；面源污染来源包括农村生活、畜禽养殖、水产养殖和湿沉降(包括城镇降雨径流、旱地降雨径流、稻田降雨径流和直接进入湖泊、河网和湖荡的降雨)6种类型。上述6种类型污染中工业点源直接采用排污口调查数据，其它的在污染物产生模块当中采用4种计算模式进行污染源产生量的计算，分别是污染负荷排污系数法(PROD)、城镇降雨径流污染负荷计算模式(UNPS)、旱地降雨径流污染负荷计算模式(DNPS)和水田降雨径流污染负荷计算模式(PNPS)[14-15]。

1.2.2污染物处理单元

污染源产生量进入处理模块，通过不同的处理路径后使污染物得到不同程度削减。污染负荷处理模块根据各种污染源的排放途径和去向，计算各类污染源的污染负荷入河量。经过处理模块后的污染物入河量进入分配单元进行分配入河[16]。

1.2.3污染物分配单元

污染负荷的入河分配方式采用栅格化方法，利用河网多边形，将栅格中污染负荷量分配至河网，体现污染负荷的空间分布特征。河网多边形由河道1—5构成，D为网格到概化河道的距离，见图3。多边形的面积由其覆盖的网格计算得到，多边形内产流量、产污量按照其所在栅格分配至相关河道。点源污染负荷根据数据库污染排放坐标信息与河道的相对距离就近入河进行时程分配；非点源污染负荷分配综合考虑栅格到周边河道的距离及河道的过水能力，农村生活、畜禽养殖和水产养殖等类型污染负荷按照时程进行平均分配，随旱地、稻田及城镇降雨径流迁移的污染负荷根据降水产流情况进行实时分配。

1.2.4模型参数

污染负荷模型参数主要包括各种污染产生模块当量、各种路径比例和处理模块的去除率。依据平原河网地区污染负荷特征，参考《第一次全国污染源普查》系数手册和相关研究成果，对污染负荷模型参数进行合理估值。

1.3 基于插件式软件开发技术的多维数耦合水质模型

主要考虑碳、氮、磷及DO在内的4种物质循环，各物质间的相互转化关系见图4。水质模型包括零维水质模型和一维水质模型。零维水质模型主要模拟区域内湖泊湖荡等调蓄节点水质变化规律，一维水质模型模拟河道中污染物的运移转化规律。

模型系统中将湖泊概化为调蓄节点，所采用的水质模型通用方程如下：

(1)

式中C——某种水质指标的浓度，mg/L；V——调蓄节点水体体积，m3；S——某种水质指标的生化反应项，g/(m3·d)；Sw——某种水质指标的外部源汇项，g/s。

平原河网概化为一维模型要素，其水质模型的通用方程如下所示：

(2)

式中A——断面面积，m2；C——某种水质指标的浓度，mg/L；t——时间，s；Ex——纵向分散系数，m2/s；U——断面平均流速，m/s；S——某种水质指标的生化反应项，g/(m3·d)；Sw——某种水质指标的外部源汇项，g/(m·s)。

生化反应项指由化学反应引起的水质浓度的增加或减少，外部源汇项指从系统外部加入的源项，例如污染源。对于不同的水质指标和环境条件，生化反应项各不相同。

水质模型计算共涉及到35个参数，其中零维调蓄节点水质模型包括12个参数，一维河网水质模型包括23个参数，由于平原河网区的地势低平，河道比降较小，水体流动相对缓慢，因此需要考虑水体处于好氧、缺氧和厌氧等3种不同DO浓度状态下各参数取值的差异，参数取值同时考虑温度修正。水质模型部分参数取值范围及温度修正系数见表1，其中Kc1、Kc2、Kc3分别代表好氧、缺氧及厌氧条件下COD的降解系数，单位d-1；Sc1、Sc2分别代表好氧及缺氧-厌氧条件下COD的底泥释放系数，g/(m2·d)；Kn代表NH3-N的硝化速率，单位d-1；Sn1代表好氧条件下NH3-N的底泥释放系数，g/(m2·d)。

表1 水质模型参数取值范围及温度修正系数

1.4 污染负荷模型、水质模型与水文-水动力模型耦合

水质模型在产汇流模型和水动力模型的基础上进行计算，首先通过产汇流模型模拟里下河地区各类下垫面的降雨径流关系及净雨的坡面汇流过程，然后通过河网水动力学模型，加上区域内引、排水工程的调度运用，模拟河网中的水流运动，计算各断面的水位流量等。在产汇流模型和水动力模型中结合污染负荷模型模拟的污染物在区域内的输出情况，作为水质模型的边界条件，模拟污染物在河网的扩散及输移，动态模拟、预测区域主要污染物指标在河网内的迁移转化情况，实现模型系统集成河网水量水质耦合计算。在模型系统构建技术方面根据数字流域系统定义的水质模型开发接口标准，以污染物在水体中的迁移转化规律为基础，自主定义水质指标、模型参数和输入条件，采用C++语言编写描述不同水质指标之间转化过程的内部动力反应方程，简化水质模型的开发难度和周期。

2 里下河地区水量水质耦合模型系统应用结果与分析

研究在模型系统中根据里下河实际工情概化了364条河道、422个湖泊湖荡(滞涝圩)、577座涵闸泵站，根据2012年里下河地区实测降雨、流量、涵闸和圩区控制调度等资料，运用模型系统模拟了里下河地区骨干河道水位变化情况及其各监测站点的水质状况，包括14个水位站点和17个水质监测站点，站点位置见图1。初始水位为1.0 m，初始水质浓度为Ⅲ类水；水文水动力模型采用实测4处出入河道流量和南部长江、东部沿海8处潮位作为边界条件，水质模型采用外围6处出入口门水质监测断面实测浓度作为边界条件，温度边界条件采用各水质监测站点的平均水温。

2.1 水位模拟

模拟了14个重要代表水位站变化过程并进行了误差统计，14个水位站点洪峰水位模拟相对误差在-3.64～3.96%之间，模拟精度较高。以南部兴化和北部盐城两个站点为例，2站的水位模拟效果见图5，模拟结果能够较好地捕捉实际水位动态过程，模拟误差小，符合后续水质模拟要求。

2.2 污染负荷计算

根据污染负荷模型的计算结果，对里下河地区污染负荷进行分析。各类点源污染物入河量总量构成见图6。在工业和生活两类点源污染中，生活污染对污染负荷总量的贡献率显著高于工业污染，其中生活污染废污水排放量是工业污染废污水量的1.7倍，COD的排放量是工业污染COD排放量的2.7倍，生活污染NH3-N的排放量是工业污染NH3-N排放量的3.1倍。

各类面源污染物入河量总量构成见图7。对于BOD、COD、TP、TN和NH3-N 5种主要污染物而言，城镇径流、旱地径流、水田径流、农村生活、水产养殖和畜禽养殖六类面源污染类型中旱地径流对污染负荷总量的贡献率显著高于其他污染类型，分别为33.0%、38.0%、43.4%、36.9%和38.0%。其他污染类型中，畜禽养殖和水产养殖对于BOD、COD和TP的贡献率也较高；水田径流对于TN和NH3-N的贡献率较高。说明在面源污染控制中，要注重推进农田耕种、农业养殖的生态化和尾水深度处理。

2.3 水质模拟

以17个水质监测站点的代表数据为基础进行水质模拟，各指标初始计算浓度均为Ⅲ类水，绘制了里下河地区水质监测站点各项水质指标计算值与实测值的对比图并统计了相对误差，由于水质站点在河道内未进行TN的监测，故TN仅介绍其模拟结果。本文仅选取泰东河口站模拟结果进行说明，见图8，泰东河口监测站点水质指标的计算值与实测值吻合度均较高，COD、BOD5、NH3-N、TP、DO的相对误差分别为8.2%、20.2%、-0.3%、-14.2%、-32.3%。17个监测站点COD、BOD5、NH3-N、TP、DO的相对误差平均值为31.6%、27.4%、32.3%、35.6%、27.8%，最大平均误差不超过40%。表2为17个监测站点水质指标相对误差分布情况。由表2可知，里下河地区17个监测站点各水质指标的相对误差平均值均低于60%，水质指标计算值与实测值拟合度较好，水质模拟效果良好。

表2 水质指标验证成果相对误差分布 单位：%

2.4 水质分析

根据水质模型各断面的计算结果，选取从南至北的典型站点，站点分布见图1。以NH3-N、TP和COD为典型污染物代表(图9)分析里下河地区水环境概况，可以看到，在中部黄土沟、城北大桥等站点和北部的阜宁水厂等站点的水质劣于南部地区。主要原因是南部地区靠近江水东引的源头，调水水流水质较好并且流量较大，有利于污染物的迁移；中部地区由于地势低洼，流量变小，水质劣于南部地区；在北部地区河道由于南北向输水河道还未完全贯通，东引水量进入北部地区具有一定阻力，污染物迁移主要依靠东排入海。

3 结论

根据平原河网区水循环特点和区域污染负荷特征，以里下河地区为典型研究区域，在水文水动力模型基础上，构建区域污染负荷模型和水质模型，实现了里下河地区水量水质耦合计算。根据2012年的工情水情及排污资料对区域水环境效应进行模型模拟,主要结论如下。

a) 针对平原河网地区非点源污染物的空间分布和排放特征，利用“栅格化”空间离散方法，建立分布式污染负荷模型，提出了基于“栅格化”技术的复杂水网区非点源污染物的空间和时间分配方法，提高了非点源污染物从源头发生至河网迁移过程的模拟精度。

b) 构建了里下河地区污染负荷模型和多参数水质模型，实现区域水文-水动力-水质耦合模拟，14个水位站点洪峰水位模拟相对误差在-3.64～3.96%之间，17个监测站点COD、BOD5、NH3-N、TP、DO的相对误差平均值为27.4～35.6%。模型对里下河地区的水位过程与水质要素动态变化模拟效果较好。

c) 模型计算结果表明，里下河地区主要的点源污染来源为生活污染，主要的面源污染来源为旱地径流，中部和北部地区水质劣于南部地区。在水环境治理上应着重对生活污染和农业面源污染进行整治，加强骨干河网沟通，促进污染物降解迁移。