水体自净能力影响因素与水质模型选择的研究综述

杨新吉勒图，尹慧燕，韩炜宏

（内蒙古工业大学 经济管理学院，内蒙古自治区 呼和浩特 010000）

0 引言

水体自净能力是水体自然净化污染物的能力。正确评价水体的自净能力对水资源和水环境保护具有重要意义。随着水环境问题的日益突出，水体自净能力的相关研究已成为国内外研究的热点之一。 我国对于水体自净能力的研究始于20 世纪80 年代，研究初期， 侧重于对水体自净机理的定性和定量研究，之后为了增强研究的准确性，把水体自净能力与水环境监测数据结合起来进行研究［1］。目前，国内关于水体自净能力的研究方向主要是多学科与水体自净能力的融合。 而国外对水体自净能力的研究主要集中于水质模型方面［2-6］。 在国际上，常用的水质模型为丹麦水资源及水环境研究所开发的MIKE 系列水利模型、美国国家环境保护局开发的WASP 水质模型和QUAL 系列模型。

国内外关于水体自净能力的研究主要包括影响因素与水质模型两个方面， 而影响因素对于水质模型的设置与选择具有重要影响。在水质模型设置中，当控制方程、初始条件和边界条件考虑影响因素时，会减少计算值与实测值的相对误差［7-8］。 因此，合适的水质模型能够提高输出结果的准确性。 但国内关于水体自净能力的研究往往忽视了影响因素对水质模型的影响［9-11］。 笔者系统地分析了水体自净能力的影响因素，并将影响因素划分为客观性因素、主观性因素以及资源性因素，从影响因素的角度出发，分析水质模型，对水质模型的特点、适用条件和改进方法进行论述。

1 水体自净能力的影响因素分析

由于河流、湖泊等水域所处环境存在差异，因此影响水体自净能力的因素有所不同。总体来看，影响水体自净能力的因素可分为客观性 （自然属性）因素、主观性（社会属性）因素和资源性因素3 种。

1.1 客观性因素

客观性因素是指水体自净能力受气象条件、地形地貌、 污染物背景浓度值和生物作用等自然因素的影响。气象条件包括温度、光照和风速等。 邱小琮等在研究爱伊河水体自净能力时发现， 自净率与水温存在明显的正相关关系， 在气温较高的5～9 月，水温较高，水体的自净率也较高［12］。光是影响天然水体生物氮转化的主要因素。Lipschultz F 等研究光照对富营养化河段氮转化速率的影响时发现， 随着光照强度的增加，浮游植物对于营养盐的吸收增加，致使硝化速率降低［13］。 风速对水体自净能力的影响体现在风速过大时，会影响水流流速，当水流流速过快时，虽然在一定程度上增加了上覆水溶解氧水平，但同时也会造成底泥再悬浮现象［14-15］。 气象条件对水体自净能力的影响具有一定的规律性， 但气象条件长期会发生变化， 例如全球气候变暖。 因此，Chen Zhang 等认为， 气候变化可能对未来的水质产生深远影响［16］。

河流的地质形态也对河流自净能力产生影响。何嘉辉等在研究河流线型对河流自净能力的影响时发现，随着河流线型蜿蜒程度的增加，多项水质指标的削减率不断提升［17］，即河流的弯曲程度越高，对于污染物的削减越显著。 这与Hadi Nayyeri 所指出的河床物质的质地和河流弯曲程度对物理参数增减有影响的结论相一致［18］。

污染物浓度背景值对水体自净能力的影响可以通过pH 值来说明。 一般认为，在水体自净能力中起重要作用的硝化反应对水体pH 值的要求有一定的范 围 （硝 化 反 应 理 想pH 值 在7.5～8.5 之 间）［19］。Huesemann 等研究表明，在pH 值等于8 时，水体系统的硝化速率为最高，此时可忽略光照作用［20］。

在影响水体自净能力的自然因素中， 物理作用和化学作用对于污染物的净化作用较弱， 而生物降解对于污染物的净化作用十分显著。 生物作用对水体自净能力的影响主要是因为几乎所有原核生物和真核生物都参与了水的自净过程， 几乎所有的水生生物都有消耗和氧化溶解有机物的功能。所以，生物群落的自我调节是水体自净机制可靠性的重要组成部分［21］。

影响水体自净能力的客观性因素为自然因素。因为河流所处地理位置的固定性和水文环境的相对稳定性，自然因素对水体自净能力的影响会呈现时间上的稳定性。 目前，生物作用对于水体自净能力有着重要的影响。 客观性因素的重要性就在于，在水质模型的边界条件以及控制方程中， 会重点考虑客观性因素。 但随着经济社会的发展，主观性因素会在一定程度上改变某些客观性因素，例如水流和生物作用。

1.2 主观性因素

主观性因素影响是指水体自净能力受到大坝建设、护坡结构、政策和技术等人为因素的影响。 大坝建设能够调节河流径流， 进而影响库区和大坝下游的水文情势。埃及阿斯旺大坝建成后，在一定程度上改变了尼罗河的水文状况， 建坝后尼罗河水的固溶物总量比建坝前更高［22］。 王现领等研究了9 种护坡结构形式对于水体自净能力的影响， 得出了硬质护坡结构相比生态护坡结构更有利于提高水体自净能力的结论［23］。

政策和技术手段在客观性影响因素中的作用显著。 政府制订环境保护政策能够促使排污企业更新技术，从而降低环境污染程度［24］。 如，江苏省近些年Ⅰ-Ⅲ类水占比整体呈上升趋势， 劣V 类水占比明显下降的现象就与江苏省现行的40 多项水环境政策有密切关系， 政策因素对江苏省水环境质量的改善起到了直接的推动作用［25］。

在研究水质净化的问题上， 相关技术的发展引起了高度关注，使得低成本、高效率的治污方式成为可能。由于生物在水体自净中发挥着重要作用，因此自净技术的研究更多地与微生物的特性相关。 碳纤维有较好的水质净化效果是由于碳纤维利用自身特性，吸附微生物，并逐渐形成生物膜，可快速高效地去除水中的污染物， 促使水体中的本体微生物及植被原位恢复［26］。

目前，在影响水体自净能力的主观性因素中，政策和技术因素对于水体自净能力的提高发挥了重要的作用。 政策因素能够对于企业排污起到直接控制的作用，而技术因素对于低成本、高效率治污有显著影响。但在设置模型时，主观性因素并不会作为参数出现。 尽管主客观因素都有助于水体自净能力的提高，但过度排污必然会导致水体严重污染。

1.3 资源性因素

资源性因素影响是指水体自净能力受水中污染物浓度的影响。如果水域中污染物超过某一临界值，河流会丧失自然减少和吸收污染物的能力， 就会导致水体的污染越来越严重［27-28］。 A Chinyama 等运用模型将水体自净的临界值表示出来［27］。 他们设置的模型函数为：Y=AXN+BXN-1+…+C，其中，Y 为观测点P1与P2之间的浓度变化；X 为参数初始浓度；A、B、C 为常数；N 由模型函数（线性、多项式、指数或对数）决定。当P1与P2之间的参数（Y）没有变化时，临界污染浓度为X。

虽然众多因素可以提升河流的自净能力， 但若向水域排放污染物的量超过水域自净临界值， 河流就完全失去了它自然吸收污染物的能力。

2 水体自净能力的测算方法

水质模型发展历史悠久、种类很多，可按照不同的分类标准对水质模型进行分类。 按照变量的确定性划分，水质模型可分为确定性模型、混合性模型、随机性模型；按照模拟空间性质划分，水质模型可分为零维模型、一维模型、二维模型、三维模型；按照评估水域划分，水质模型可分为河流模型、湖泊模型、海洋模型、河口模型；按照对水质变化的了解程度划分，水质模型可分为黑箱模型、白箱模型、灰箱模型；按照模型参数的性质划分， 水质模型可分为物理模型、化学模型等［29］。本文章按照模拟空间性质的划分标准，对水质模型进行研究。

2.1 零维水质模型

零维水质模型测算水体排放的污染物为持久性污染物，一般适用于较小的水库、湖泊和池塘。 模型前提假设为：河流为充分混合段、污染物为持久性污染物、河流为恒定流动和废水连续稳定排放。

零维水质模型本身较为简单， 由于水域环境的复杂性， 模型的计算结果可作为其他维度的初始值和估计值。 河流中并非所有水体都参与到污染物稀释自净，但在传统零维水质模型中，参与容量计算的水体为全部水体， 因而就需要对零维水质模型计算中的不安全因素进行校正。于雷认为，校正零维模型计算中不安全因素的方法有两种： 一是制订精确的划分标准，找出具体水体对应的水质模型；二是依旧采用原有划分标准， 对零维水质模型初步计算结果进行基于混合区的不安全系数修正［30］。

2.2 一维水质模型

一维水质模型是假设污染物排放到河流中后，立刻在横向和垂向均匀混合， 污染物浓度只会随着纵向变化。 该模型适用于河流长度远远大于宽度和深度的情况。 模型前提假设为：河流为充分混合段、污染物为非持久性污染物、 河流为恒定流动和废水连续稳定排放。

吕宝阔等应用一维水质模型计算了蒲河水体的综合降解系数， 得出了蒲河水体自净能力随时间变化的规律［31］。 与污染物综合降解系数相类似的公式是A Chinyama 等研究津巴布韦乌姆古扎河严重污染时所使用的公式［27］。 由于水体存在临界污染浓度，A Chinyama 等将河流自净能力计算公式进一步延伸，根据模型函数计算临界污染水平。为了提高模型的准确性， 彭虹等考虑了河流水流特征和生态系统之间各种水质成分的相互转化， 建立了一维河流综合水质生态模型［32］。 将该模型应用于汉江武汉段水质成分检测， 模拟计算值与实测值最大相对误差为17%。这说明，合理地结合数学模型，有助于提高水质模型计算的准确性。

2.3 一维S-P 水质模型

氧平衡模型（Streeter-Phelps 模型，简称S-P 模型）假设水体中存在亏氧和复氧两个过程，且复氧速率与氧亏量成正比［10］。 S-P 模型有以下前提假设：（1）河流中，生化需氧量BOD 的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应。（2）反应速度是定常的。（3）河流中的耗氧是由生化需氧量BOD 衰减引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。

由于影响生化需氧量BOD 的因素较多且难以用试验进行定量研究，朱红伟等用化学需氧量COD反映水体中污染物进行生化分解时所需要的耗氧量，以S-P 模型为基础，研究了考虑与不考虑底泥再悬浮2 种条件对水体自净作用的影响，得出了水流流速是影响水体自净作用的主要因素之一的结论［14］。 由于模型的局限性，众多学者对S-P 模型提出了一些改进方法。Thomas 进一步考虑了泥沙的沉降和絮凝对生化需氧量BOD 的影响［33］；Donald J 在研究河流溶解氧的时空分布时， 将生化需氧量BOD 分为碳化BOD 和硝化BOD［34］；刘建国在传统S-P 模型中引入临界判定点， 对传统模型临界计算点出现负值的缺陷进行了修正，提高了模型的计算精度［35］。

2.4 二维水质模型

根据污染物随着纵向与横向或纵向与垂向的变化， 二维水质模型分为横向二维模型和垂向二维模型。 其中，横向二维模型适用于宽浅型江河流域，垂向二维模型适用于较深的湖泊和水库。 河流二维水质模型预测的对象是持久性污染物， 模型前提假设为：河流为混合过程段、污染物为持久性污染物、河流为恒定流动和废水连续稳定排放。

由于滇池大清河河口泥沙淤积、 土地复垦和过度污染，Chen Qiuwen 等根据大清河与滇池连接区的水流条件，建立二维水质模型，并采用交替方向迭代法对模型进行数值求解［36］。通过求解发现，所建立的模型能够较准确地模拟水体中BOD5、COD、NH+4-N 和PO3-4-P 浓度的变化， 平均相对误差均在30%以内。在二维水质模型的应用中，由于水质参数输入多，会使结果存在偏差。 针对此问题，一些学者基于所研究水体的情况，对二维水质模型进行改进。姜丹在充分考虑地形要素对区域水质影响的条件下，结合地理空间要素的插值方法， 对传统二维水质模型进行改进。 改进的二维水质模型更能准确反映区域水体连续性特征， 对于年尺度氨氮的预测精度明显优于传统二维水质模型， 氨氮预测误差相对值分别减少7.4%和16.4%［37］。

2.5 三维水质模型

三维水质模型考虑污染物的横向、纵向、垂向的三维变化，适用于河口、海湾和感潮河段等水文条件较为复杂的区域。由于自然界是三维空间，只有三维模型才能完全反应水流水质的空间分布。

近年来， 胶州湾面临较为严重的污染和富营养化的问题，Keqiang Li 基于这一问题，采用三维水质模型来确定胶州湾氮磷的环境容量［38］。其中，水质模型考虑了溶解无机氮、磷酸盐、浮游植物、浮游动物、碎屑、溶解有机氮、溶解有机磷7 个因素。 该模型与三维水动力模型相结合，通过对胶州湾春季、夏季和秋季的季节性观测数据进行校正， 发现所提出的模型有效地再现了养分浓度的时空变异性。 Li Zhang等在苏北灌河河口建立了一个三维动态水质模型，模拟了河口及邻近沿海地区复杂的水文环境［39］。 水质模型考虑了氮、磷、浮游植物、浮游动物、碎屑和化学需氧量等因素。 改进后的三维水质模型能较准确地模拟水动力学和水质的纵向分布， 可用于水域的总负荷控制管理，以改善该区的水质。

通过水质模型的运用， 并对比污染物浓度的变化，可以分析影响水体自净能力的因素。笔者在对水质模型与水体自净能力的研究中发现， 客观性因素是模型设置的重要参数， 例如一些研究项目在控制方程、 约束方程、 初始条件和边界条件中会设置水流、水温和生物作用等客观性因素。 相反，几乎没有模型会把政策和技术等主观性因素作为参数， 因为政策和技术的实施， 会相应地改变污染物的浓度和生物作用，而主观性因素会直接影响客观性因素。

3 结语

综上所述， 水体自净能力的影响因素可以分为客观性因素、主观性因素和资源性因素。在客观性因素中，生物作用对于水体自净能力的贡献日益突出，而技术与政策两个因素对于水体自净能力提高的作用愈加显著。目前，水质模型适用范围从简单的一维河流发展到几乎涵盖所有复杂水体， 而在水质模型设置中，影响因素也产生了重要作用。客观性因素成为模型设置的重要参数，在控制方程、初始条件、边界条件和约束方程中都会有体现。 主观性因素会改变水体的客观性因素， 成为间接影响水体自净能力的手段。 所以，在模型设置中，主观性因素会以客观性因素的形式体现。 但关于水体自净能力影响因素和水质模型的研究仍有不足， 文章提出以下两点研究方向：

（1） 在对水体自净能力影响因素研究的过程中发现，影响因素中存在一种连锁反应。 例如，当风速较大时，会影响水域流速，而流速较大时，会引起底泥再悬浮， 这种连锁反应会对水体自净能力产生重要影响。那么当一种条件不发生作用时，其连锁反应下的其他条件作用就会减弱或者直接不发生作用。在水质模型的设置中， 应该考虑这种连锁反应的情况，这有助于减少实测值与计算值的误差。

（2）与新技术相结合。水质模型输出结果不确定的重要原因是污染物浓度和影响因素测算结果的误差。与新技术结合能够减少模型输出的不确定性。遥感技术在水文领域的应用有范围大、 速度快和高效性等特点，能够实现数字预警、识别黑臭水体、考察海域污染［40-41］。 GIS 技术能够生成精确的数字地图信息，有效地测量出不同地理状况信息，使模拟过程更加真实，测算结果更加可靠［42］。