QUAL2K模型在永定河怀来段水质模拟中的应用

    赵建国　李洪波　刘存歧　陈新勇　李霄宇

    

    

    

    摘要：根据现场采集调查、实测取得河段的水体水质和水文数据，使用QUAL2K模型模拟永定河怀来段DO、NH4+-N和COD三种水质参数，并进行验证，结果表明：QUAL2K可以准确模拟永定河怀来段水体水质，模拟拟合值和实测值的相关性较好，相对误差均在20%以内；对永定河怀来段水质参数模拟精度最高的是DO，其次是COD和NH4+-N；官厅水库上游退地水生态湿地保护与修复综合治理工程建设完成后，理论上洋河张家口市八号桥控制单元DO、NH4+-N能够达到Ⅲ类水体标准。

    关键词：QUAL2K模型；永定河怀来段；水质 中图分类号：X522 文献标识码：A

    永定河属于海河流域，洋河、桑干河在怀来县朱官屯汇合后，形成永定河，而后怀来京西洁源污水处理厂产生的污水经东沙河混入永定河，进入官厅水库，永定河怀来段是永定河进入官厅水库前最后的河段。河道每年接纳大量来自上游和区域内排放的污染物，导致富营养化问题严重，区域河流水质下降。根据环保部印发的《国家环境保护标准“十三五”发展规划》，洋河张家口市八号桥控制单元由Ⅳ类升为Ⅲ类。永定河是官厅水库入库最后一个阶段，河流水质直接影响官厅水库水环境质量。为改善官厅水库上游永定河水环境质量，在永定河大秦铁路上游至宋家营村南河滩地范围内实施退地水生态湿地保护与修复综合治理工程，净化永定河干流及东沙河水体。

    QUAL2K模型是一个一维的综合性河流水质模型。模型适用于支状河流，允许沿河有多个排污口、取水口、支流，也允许人流量有缓慢的变化，以分析人流点、面源负荷（包括数量质量和位置）对受纳河流水质的影响。根据现场采集调查、实测取得河段的水体水质和水文数据，模拟永定河怀来段水质。

    1永定河怀来段水质优化管理模型

    1.1QUAL2K模型

    QUAL2K模型是在QUAL2E模型的基础上经美国Tufts大学Steve Chapra和Greg Pelle-tier开发的。模型基本假定为：河流断面为梯形，污染物平流和弥散作用只在主流方向发生，水量和污染物质量守恒。模板基本控制方程为包括源汇项的对流扩散反应方程。控制方程通过在时间和空间中隐式向后差分方法求解。模型既可以用作稳态模型，也可以用作时变的动态模型[3]。

    QUAL2K模型基本方程为1维平流一扩散物质迁移方程，该方程综合考虑了平流扩散、稀释、水质组份自身反应以及相互作用、组份的外部源和汇对组份浓度的影响。对于任意一种水质组分，有：

    式中：C为污染物浓度，mg/L；z为河流纵向坐标，m；t为时间，s；Az为河流过水断面面积，m2；DL为河流纵向离散系数，m2/s；u为河流断面平均流速，m/s；S为外部的源和汇，g/s；V为计算单元的体积，m2。方程右边的4项分别代表扩散、平流、组分反应和组分的外部源和汇。

    1.2河流的分段结构

    应用QUAL2K河流水质模型模拟永定河怀来段河流水质，首先将河道划分为为18个1km的单元，由于同一河段具有相同的水利和水质参数，将研究水系分为3个河段，其中1～3单元为第一河段，为洋河与桑干河汇合前的河段，5～12为第二河段，为洋河与桑干河汇合后但没有和东沙河汇合前的河段，14～18为第三河段，是干流与东沙河汇合后的河段。单元及河段划分见图1。

    1.3参数率定

    1.3.1水力学参数 河流的流量、流速、河宽主要用于计算河流污染物在水体中的输送。根据水文数据的实测值，采用流量系数法，模拟流量变化下的河流水文资料：

    式中V为平均速率，m/s；H为水深，m；A为水流横截面积，m2；Q为流量，m3/s；a、b、α、β为经验系数.b和β的和必须小于等于1，自然河道曼宁系数取值0.05。确定永定河怀来段水力学参数值，见表1。

    1.3.2水质参数 模型所需的水质参数根据所选择模拟的指标有DO、NH4+-N和COD，参数因子中复氧系数Ka选取O，Connor-Dobbins公式计算得到，耗氧系数K6的确定是利用高锰酸钾法确定水体耗氧系数，天然水体的纵向弥散系数Exi根据QUAL2K模型提供的经验系数确定，其他参数根据模型推荐值，参照实测数据适当调整，经过反复调试后，确定水质参数，见表2。

    2模拟结果分析及验证

    QUAL2K模型的率定期选定2016年11月到2017年10月的监测数据，对其进行统计并取平均值，和项目监测得到的水文数据，选取DO、NH4+-N和COD作为因子对永定河怀来段水体水质进行模拟，结果见图2。模拟结果与2017年11月水质监测数据进行验证，确定模型可以准确模拟水质变化情况。度沿河段呈下降趋势，且模拟结果相对误差最大为13.94%，模型精度较高；洋河和桑干河汇合后COD值明显下降，说明桑干河水质优于洋河，干流与东沙河汇合后，COD值显著增高，说明东沙河来水水质恶劣，汇合后降低说明，河流对污染物有一定的自净作用，模拟结果的相对误差平均值为0.95%；DO质量浓度沿河段呈下降趋势，但干流与东沙河汇合后，DO明显上升，说明东沙河DO值高于永定河来段干流，模拟结果相对误差最大为-1.69%。

    应用QUAL2K模型对永定河怀来段DO、NH4+-N和COD模拟结果相对误差均在20%以内，说明QUAL2K模型能够很好的对永定河怀来段进行水质模拟。

    3优化方案

    为改善官厅水库上游永定河水环境质量，在永定河大秦铁路上游至宋家营村南河滩地范围内实施退地水生态湿地保护与修复综合治理工程。项目区面积约467hm2，湿地治理面积333hm2，主要建设内容包括：河道疏滩浚工程、湿地两侧防护林工程、人工湿地工程、湿地恢复工程等。项目生态系统修复后，出水水质COD、BOD、NH4+-N、总磷的处理效率均为33%。湿地的净化效率带入模型，水质改善实施效果模拟，COD、NH4+-N的质量浓度到八号桥时分别为19.96mg/L和0.46mg/L，理论上洋河张家口市八号桥控制单元能够达到Ⅲ类水体标准。

    4结论

    QUAL2K可以准确模拟永定河怀来段水体水质，模拟拟合值和实测值的相关性较好，相对误差均在20%以内。

    对永定河怀来段水质参数模拟精度最高的是DO，其次是COD和NH4+-N。

    官厅水库上游退地水生态湿地保护与修复综合治理212程建设完成后，理论上洋河张家口市八号桥控制单元DO、NH4+-N能夠达到Ⅲ类水体标准。

    （收稿日期：2017-12-29）