基于EFDC模型的饮马河流域水质模拟研究

林晓晟，刘 颖，庄 琳，于凤洋，刘春雨

(吉林省环境科学研究院，吉林 长春 130000)

1 引言

饮马河是第二松花江的一级支流，流域地处长、吉地区核心部位，流域水环境质量直接影响松花江流域的水环境。现阶段流域面临大量工业、农业和城镇生活污水的不合理排放问题，水环境呈复合污染态势，因此，开展流域入河污染源的迁移规律研究是缓解流域水体污染，改善水环境质量亟待解决的关键科学问题。目前，借助模型来模拟污染物的迁移规律的报道较多，然而，不同河流具有不同的特征，根据研究对象的水文水质特点来优化参数，使模拟结果更为精确的研究和报道不多。为此，本研究以环境科学、水动力学和数值模拟技术相关理论为基础，进行多学科交叉研究方式，通过优化模型背景参数，将数值模拟技术应用于北方流域水体污染物的迁移规律分析，开发出符合我国国情的水质管理技术方法，具有一定的先进性。

2 研究区概况

饮马河流域位于吉林省中部(126°24′19″～124°35′14″E，43°1′58″～44°54′48″N)，是第二松花江较大的一条支流，发源于磐石市驿马乡呼兰岭，流经磐石、双阳、永吉、九台、德惠、农安6县(市)，至农安县靠山屯与伊通河汇合，北流近20 km汇入第二松花江，见图1。

图1 流域地理位置

3 流域水质模拟模型构建

EFDC是基于多个数学模型的基础上开发出来的，主要用于地表水的模拟，其包括湖泊、水库、河流、河口、近海岸水域、入海口、海洋等水体，并且可模拟这些对象水体的流速、水温、水龄、示踪剂、氮磷迁移转化，污染物迁移讲解等水体属性和水体中物理化学变量。

3.1 基本方程

(1)水量控制方程。本研究采用EFDC 中的一维模块描述库区水流的运动，基本控制方为：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Q为断面流量；x为空间坐标；Z为断面平均水位；t为时间；q为旁侧入流流量；Bw为水面宽度(包括主流宽度以及仅起调蓄作用的附加宽度)；u为断面平均流速；A为过流断面面积；g为重力加速度；n为河段糙率;R为水力半径。

(2)扩散质输运控制方程。采用带源的一维对流分散(弥散)方程模拟扩散物质运动及浓度变化规律，表达式如下：

(3)

式(3)中：C为污染物质的断面平均浓度；Ex为纵向分散系数；S为单位时间内、单位河长上污染物质的排放量；K为污染物降解系数；Sr为河床底泥污染物释放速率；h为水深。

在任意形状的单元Ω 上采用有限体积法对式(3)进行积分离散，运用FVS格式求解法向数值通量。

3.2 参数确定

纵向分散系数Ex与水流流速、水面宽度成正比，与水深成反比，采用下式计算：

Ex=αC0θ2q′

(4)

3.3 边界条件

根据饮马河流域河流分布情况，本研究在上游边界设置7个流量入口，下游边界设置为1个水位出口，流量数据由流域内24个国、省控监测断面的监测数据而得，边界点位分布见表1，流域水动力模型底部高程及边界设置见图2。气压、气温、降雨、蒸发、相对湿度、太阳辐射等气象数据，以及风速和风向等风场数据均来自国家气象站。

表1 流域进出水边界点位的分布情况

图2 水动力模型的地形与边界设置

3.4 模型率定验证

模型率定时，取糙率为0.02，模型验证时，流量及水位误差分别为15%和18%，在可接受范围，说明该模型参数选取基本合理。2019年5月和7月对流域饮马河大桥断面进行COD及氨氮浓度测定。根据计算值及实测值对模型进行验证。结果表明：计算结果与实测值平均相对误差在20%以内，在可接受范围，流域污染物迁移及扩散等运动特征在模型中均能得到较好体现。

4 流域水体污染物的迁移规律

4.1 不同水期水体污染物的迁移规律

本研究在流域范围内布设32个采样点，分别于2019年5月和7月进行样品采集并检测，通过实测结果来分析水体污染物COD和氨氮在不同水期的浓度变化规律，见图3和4。

根据流域实际情况，在这里将32个采样点分为上中下游4个部分，上游地处磐石市，包括饮马河源头2个采样点、驿马河源头1个采样点和岔路河源头1个采样点；中游地处永吉县和双阳区，包括支流岔路河3个采样点、支流双阳河3个采样点以及饮马河干流入石头口门水库前3个采样点；中下游位于九台区和德惠市，包括饮马河干流7个采样点、雾开河1个采样点和干雾海河3个采样点；下游位于德惠市，这一部分河段为支流伊通河、雾开河、岔路河等支流全部汇入干流且干流饮马河汇入松花江前的河段，在这一河段沿干流布设6个采样点。分析结果如图3。

图3 流域水体COD浓度变化

流域水体COD浓度变化情况如图所示，对比不同水期，流域水体COD浓度5月平水期较月丰水期高。不同河段来讲，上游地区COD浓度在11～14 mg/L之间，中游地区浓度在10～20 mg/L之间，中下游地区COD浓度在11～41 mg/L之间，下游地区COD浓度在25～49 mg/L之间。

根据地表水环境质量标准(GB 3838-2002)，上游地区COD浓度属于Ⅰ～Ⅱ类，中游属于Ⅲ类，中下游和下游为V类。其中，中游仅25号采样点在5月时COD浓度为41 mg/L，属于劣V类。该点位于干雾海河下游，河流流经该点后与支流雾开河合流，汇入干流饮马河。该点在7月时COD浓度为36 mg/L，属于Ⅳ类。分析原因，7月为丰水期，河流自净能力较强，使7月COD浓度低于5月，然而，河水由该点汇入饮马河干流，较高浓度COD的汇入会导致干流水体的污染。由图3可以看出，虽然干雾海河汇入干流的COD浓度较高，但下游地区COD浓度是有降低，而后升高的，这一现象水明河流水体具有一定的自净能力，但随着污染物的不断输入，当河流自净能力达到上限，水体污染物浓度便逐渐增高，在31和32号采样点处，COD浓度在33～49 mg/L之间，5月浓度值较高，最高值为49 mg/L，为劣V类。

流域水体氨氮浓度表现为5月平水期大于7月丰水期。分析不同河段浓度可知，上游地区氨氮浓度为0.68～1.05 mg/L之间，中游地区浓度为0.94～1.6 mg/L之间，中下游地区浓度为0.88～2.79 mg/L之间，下游地区浓度为1.75～8.61 mg/L之间。

根据地表水环境质量标准(GB 3838-2002)，上游地区水体氨氮浓度属于IV类，中游地区属于V类，中下游和下游地区属于劣V类。其中，中游地区21和25号采样点位氨氮为劣V类，这两个点位于干雾海河，在该支流汇入干流饮马河后，氨氮浓度有所下降，而后由于污染物的不断汇去，氨氮浓度逐渐升高，并在30号采样点处呈大幅度升高，氨氮浓度的高峰值在5月的32点处，为8.61 mg/L，属于劣V类。

图4 流域水体氨氮浓度变化

4.2 水体污染物的空间迁移规律

本研究为了分析流域水体污染物的空间迁移规律，利用EFDC模型进行模拟，得到水体污染物的空间分布图，如图5和图6所示。

图6 流域水体氨氮的空间迁移规律

图5 流域水体COD的空间迁移规律

模型模拟流域COD浓度的变化在5月为11.2～41.5 mg/L，7月为4.9～40.4 mg/L，平水期COD浓度大于丰水期浓度。从流域看上游COD浓度较低，随着河流的不断汇入以及沿途污染物的不断输入，下游COD浓度较高。

流域氨氮浓度的变化在5月为0.8～8.9 mg/L，7月为0.3～8.0 mg/L，平水期氨氮浓度大于丰水期浓度。从流域看上游氨氮浓度较低，随着河流的不断汇入以及沿途污染物的不断输入，下游氨氮浓度较高。

饮马河上游源头至石头口门水库区间河段水质较好，COD和氨氮浓度为Ⅰ～Ⅲ类，在干雾海河、雾开河和伊通河等支流分别汇入干流后，干流水体污染严重，导致水体污染的原因有很多，其中，人类活动的影响是造成水体污染的重要原因，研究区为吉林省重要的商品粮基地，农耕活动频繁，施肥等耕作方式会使土壤中的氮素随降雨径流进入到水体中，从而造成水体污染。

4.3 模型的验证

为了探究模型模拟结果的准确性，本研究在模拟过程中，参考实际采样点，在流域范围内设置了同样的32个观测点，对比观测值和实测值(图7和8)，以便验证模型的模拟精度。

图7 水体COD的模型验证结果

由图可知，COD浓度的观测值在13～53 mg/L之间，氨氮浓度在0.73～8.82 mg/L之间，观测结果与实测值趋势相同，模型模拟结果较准确。

通过对比发现，观测值在流域下游26～32号点位呈递增趋势，这一部分的模拟值与实测值略有偏差，模型模拟是基于理论分析，与实际的环境变化情况存在偏差，但模拟的整体趋势与实际变化趋势大体相同。可见，在利用模型开展模拟的同时，有必要对实际情况开展调查，以便校正模型的模拟精度。

5 结论

本研究内容对EFDC模型进行了简单介绍，在此基础上构建流域水动力模型，开展水体COD和氨氮两种污染物的迁移规律的研究，分别从不同水期的变化规律和空间迁移规律两方面进行分析，最后对模型的准确性进行验证。研究结果表明，流域上游地区水质较好，COD和氨氮的浓度属于I～Ⅲ类，中下游和下游地区水质为劣V类；河流水体具有一定的自净能力，但当污染源汇入较多时，导致水体污染加剧；EFDC模型模拟精度较高，适用于模拟饮马河流域水体污染物的迁移规律。然而EFDC模型对水质基础资料的完整性要求较高，由于缺少长系列的水质实测资料，若要更加精确地预测水库富营养化，在今后的研究中还需开展更加深入的资料收集工作。

图8 水体氨氮验证结果