河流水质模型的应用现状及发展趋势探讨

河流水质模型的应用现状及发展趋势探讨

王玉磊

南京国环科技股份有限公司210042

摘要：本文对河流水质模型的应用现状及发展趋势展开了分析和探讨，希望能够给同行业工作人员提供一些参考和借鉴。

关键词：河流水质模型；现状分析；发展趋势

河流新陈代谢速率是河流生态健康评价的一项重要的功能性指标，包括系统的总初级生产力和生物群落的总呼吸作用，通常用总初级生产速率（grossprimaryproduction，GPP）和群落呼吸速率（communityrespiration，CR）来量化表示。河流代谢特征由河流自身特点（生物群落、水深、浊度、光照等因素）和外源物质输入共同决定。河流中的碳源积累有自养过程和外源输入两重来源，河流的总初级生产力和群落呼吸消耗之间的相对大小（GPP/CR）基本上反映了河流积累碳源两种来源的相对大小，通常用来描述河流代谢的总体特征〔3]0根据学界一般接受的观点，GPP/CR大于1时，认为该河流是自养型代谢的河流，GPP/CR小于1时，为异养型代谢的河流。

河流代谢过程的本质是生物碳的积累和消耗过程，而在表观上最直接地体现为水体中溶解氧（dis-solvedoxygen，DO）周期性地产生和消耗。Vilmi等采用Pros。水质机理模型来模拟河流有机碳迁移变化过程，利用模型模拟的结果可以对河流代谢速率进行表达和计算。不过此方法对河流的水文水质数据和模型基础要求较高，尚未见到其他类似的采用基于机理模型方法的文献报道。

河流代谢特征是对水体中各种生物地球化学过程的综合反映，同时，代谢特征的变化也会影响生物地球化学过程，从而左右水体中溶解氧平衡以及有机碳和各种营养物质的吸收、转化和释放，与河流的水质存在密切的关系。研究表明，河流代谢特征和溶解氧含量的变化会对水体中P元素和N元素的代谢产生影响。

外源输入会影响河流的代谢特征。Vannote等在1980年提出的河流连续统（rivercontinu-umconcept，RCC）假说，认为河流的沿程环境中各种因素的变化会最终反映为河流本身生物群落结构和代谢特征的不断变化。Odum等提出“补贴一抑制假说”（subsidy-stresshypothesis，认为外源物质对河流生态系统的影响存在一个阂值（sub-sidythreshold。通常，外界进入的营养物质会同时促进初级生产者和异养微生物的生物量和活性，但是当超过一定阂值时，就会危害水质，显著改变生物群落结构，甚至造成藻类的暴发，严重影响水域生态系统的功能。

Ar1St1等指出污水处理厂（wastewatertreatmentplant，WWTP是影响城市河流生态的常见的点源污染，WWTP尾水成分复杂，包含多种营养物质和污染物，其中营养物质可为自养生物和异养生物均提供有利条件，而其中所含有毒有害物质则可能对河流生态产生不利影响。Ar1St1等还指出此前大多数关于WWTP尾水对河流生态影响的研究，都只关心其对河流生态的有利作用。Tank等认为，大多数关于河流代谢特征的研究虽然考虑到了GPP和CR与各种生物和非生物影响因素之间的联系，但是具体到每一个特定的河流，代谢速率受到影响时的控制因子是不同的。目前，国内对河流生态受外源输入影响的认识仍停留在经验层面，不及国外成熟，少有文献对此类现象进行较为深入的阐释。

本文以一典型城市河道为例，探讨两种典型的外源输人—未处理生活污水和城巾污水处理厂达标尾水，对河流代谢特征变化的影响以及进一步对河流水环境造成的影响。提出基于水质机理模型的方法计算河流代谢的速率和特征，并与常用的DO昼夜变化模型的计算结果进行对比分析，通过分析代谢相关的地球生物化学过程的变化来解释不同类型外源输入对城市河流代谢特征的影响机制，最终从河流代谢角度加深污水排放对河流黑臭形成以及污染物去除等生物地球化学过程影响的认识。

在研究中，水动力监测数据表明，WWTP尾水排放量占下游涧流流量约90%，因此产生强烈的稀释作用造成浮游植物生物量（以Chl-a浓度为指标）显著降低，河流自养代谢速率GPP迅速下降。由于尾水补水为下游河流流量的主要来，河流下游水质被尾水水质主导，河流结构和功能随之发生根本性的改变，尤其是自养型生物群落变得十分脆弱，失去了自我调节能力。尽管此时营养物质水平本身仍然不低，但WWTP下游的河段GPP远远低于其上游水平。河流中通过浮游植物光合作用产生的溶解氧大幅降低，同时通过同化吸收作用去除营养盐的途径也被大大抑制。四里河汇入后，引人少量碳源，强化了异养代谢过程，CR立即响应得到提高。异养过程在WWTP下游的强度高于自养过程，最终WWTP尾水排放将河流代谢特征转变为异养型代谢特征。

由水质指标的变化情况可知，WWTP尾水排入后，有机碳和N：P营养盐的变化趋势都十分平缓，水体生态系统的营养物质通过同化吸收途径的滞留能力微弱，仅N03-N依靠异养反硝化作用得到去除。同时，由于WWTP下游通过光合作用产氧速率的大幅削减，DO又不断通过异养呼吸作用消耗，仅通过大气复氧作用无法得到及时补充，最终在河段末尾实际观察到黑臭，伴有死鱼漂在水面、冒气泡、底泥上翻等现象。

由此可见，未处理生活污水与WWTP达标尾水排放对河流代谢特征的影响结果及机制是不相同的。前者的排放会提高受纳水体的营养水平而使生态系统生长（即富营养化），同时促进自养代谢和异养代谢。而本研究中WWTP尾水对河流代谢特征的主导因素实际上是流量，尾水大量补入河道强烈地转变了下游河流水体的理化性质，造成下游水体生态系统发生不可逆的损害。这是此类非汛期自然来流较少、主要流量来自于WWTP尾水补水的河流通常会出现的现象，国外文献中已有报道，该文献认为由于河流本身对受纳尾水进行稀释的能力很微弱，其水质水量几乎完全由尾水决定，尾水产生的负面生态影响会被进一步放大。WWTP下游河流生态系统的自养代谢强度降低，其产氧速率以及对营养物质的滞留效率下降，导致氧亏的发生以及营养物质向下游的大量输出，这也就最终造成研究河段自身黑臭形成，并加重了下游生态系统失衡的局势。

结论

（1）研究河段上游在没有受到外源输入的影响时，监测点位处的DO变化规律较明显，经典的DO昼夜变化法和水质机理模型法均可用来描述并对河流代谢速率进行求解。河流受到外源因素影响后，DO变化规律较为复杂，宜采用基于水质机理模型的方法对代谢速率进行求解，以获取关于河流代谢特征的更多信息。

（2）外源输入通过影响河流的地球生物化学过程，进而使河流的代谢特征发生变化。本文考虑了两类外源输入对河流代谢特征的影响。城中村的未处理生活污水在不超过河流生态系统I=}7值的情况下，会以不同方式影响河流的总初级生产速率和群落呼吸速率，且最终对河流生态系统（生物量）的生长产生促进作用。

（3）城镇污水处理厂尾水以大流量补入河道时，对河流中的生化组分产生强烈的稀释作用，造成河流生态系统发生不可逆的失调，总初级生产速率大大降低。另一方面，河流代谢结构特征也发生变

参考文献：

[1]曾志强，杨明祥，雷晓辉.流域河流系统水文-水动力耦合模型研究综述[J].中国农村水利水电，2017（9）：72-76.

[2]生态修复工程条件下污染河流水质模拟和应用[J].应用生态学报，2017（8）.

[3]于寒，杨静，刘桂梅.海洋水质模型研究进展及发展趋势[J].海洋预报，2017（2）.