水文水質(zhì)模型聯(lián)合應(yīng)用于水庫水質(zhì)預(yù)測(cè)研究

朱 磊,李懷恩,李家科,吳喜軍 (西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048)

水文水質(zhì)模型聯(lián)合應(yīng)用于水庫水質(zhì)預(yù)測(cè)研究

朱 磊,李懷恩*,李家科,吳喜軍 (西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048)

聯(lián)合應(yīng)用流域水文非點(diǎn)源AnnAGNPS模型和水庫水質(zhì)CE-QUAL-W2模型,AnnAGNPS模型輸出黑河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷,將其轉(zhuǎn)化為金盆水庫入庫濃度作為 CE-QUAL-W2模型的輸入,對(duì)黑河金盆水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè),研究非點(diǎn)源污染對(duì)陜西金盆水庫水質(zhì)影響.結(jié)果表明,在對(duì)水庫水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),應(yīng)對(duì)洪水期和非洪水期的非點(diǎn)源污染區(qū)別對(duì)待.非點(diǎn)源污染在洪水期時(shí)對(duì)金盆水庫水質(zhì)有較大影響,而在非洪水期時(shí)非點(diǎn)源污染對(duì)水庫水質(zhì)影響不顯著.非點(diǎn)源污染對(duì)水庫縱向和垂向水質(zhì)影響存在差異性.林地對(duì)流域非點(diǎn)源污染削減起到很大作用.

AnnAGNPS模型；CE-QUAL-W2模型；非點(diǎn)源污染；水質(zhì)預(yù)測(cè)研究

水污染問題通常包括點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染.與點(diǎn)源污染相比,非點(diǎn)源污染在空間和時(shí)間上具有分布廣泛與變化劇烈等特點(diǎn).非點(diǎn)源污染對(duì)水庫水質(zhì)的影響主要集中在豐水期和暴雨洪水過程中,故在進(jìn)行水庫水質(zhì)預(yù)測(cè)時(shí),要考慮到非點(diǎn)源污染的這些特點(diǎn).典型的流域水文模型如SWAT[1]、HSPF[2]和MIKE SHE[3]等,能夠模擬大尺度流域長時(shí)間的水文過程以及點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染演進(jìn)過程,而不適合如湖泊、水庫等較大水體的水質(zhì)預(yù)測(cè).另一方面,如 CE-QUALW2[4]、WASP[5]和 EPD-RIV1[6]等水質(zhì)模型主要解決較大水體的水動(dòng)力學(xué)以及水質(zhì)問題,而無法解決流域中出現(xiàn)的水文問題.考慮到?jīng)]有單一的模型可以同時(shí)模擬流域和較大水體的各種水動(dòng)力和水質(zhì)變量[7],所以連接流域模型和水體水質(zhì)模型不可缺少.黑河金盆水庫是西安市的主要水源地,是以城市供水為主,兼顧灌溉、發(fā)電、防洪等綜合利用的大型水利工程.李家科等以陜西黑河流域?yàn)檠芯繀^(qū),借助GIS和相關(guān)資料提取參數(shù),建立 AnnAGNPS 模型數(shù)據(jù)庫.采用 1991～1998年黑峪口斷面月徑流量、泥沙和無機(jī)氮、總磷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)率定和驗(yàn)證模型,分析AnnAGNPS模型在西北半干旱地區(qū)典型流域的適用性,結(jié)果表明,AnnAGNPS可用于該流域非點(diǎn)源污染長期模擬[8].本文作者應(yīng)用 CE-QUAL-W2模型建立了陜西金盆水庫二維水質(zhì)模型,并對(duì)模型的適用性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)基本相符[9].因此,本文聯(lián)合應(yīng)用流域非點(diǎn)源模型AnnAGNP與水庫水質(zhì)模型CE-QUAL-W2對(duì)金盆水庫的垂向和縱向水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)研究,并提出可行的非點(diǎn)源污染控制措施.

1 研究區(qū)域概況

1.1 流域概況

黑河為渭河右岸較大支流,屬黃河二級(jí)支流,位于東經(jīng) 107°43’～108°24’,北緯 33°42’～34°13’,發(fā)源于秦嶺太白山北麓,由西南流向東北,至周至縣馬召鎮(zhèn)附近的武家莊出峪后由東北的石馬村入渭河.全流域面積2258km2,干流總長125.8km,河道比降8.77‰.黑河流域山川地形界限分明,黑峪口以上為峪谷山區(qū),峪口以上集水面積1481km2,占全流域65%,干流總長91.2km,河道平均比降為14.7‰,河系呈羽毛狀,流域平均寬度為16.2km,支流多集中于右岸,右岸集水面積為左岸的3倍,河流出峪后,基本為平川地區(qū),河床比降約為1/240～1/1280.

圖1 黑河流域水系示意Fig.1 The water system of Heihe watershed

1.2 工程概況

黑河金盆水利樞紐工程位于西安市周至縣城南金盆干流峪口以上1.5km 處,東距西安市約86km,北距周至縣城 14km,壩址以上流域面積1481km2,控制全流域面積的 65.6%,多年平均徑流量 6.67億 m3.最大壩高 128.9m,正常蓄水位594m,總庫容2億m3,有效庫容為1.77億m3,多年平均調(diào)節(jié)水量4.28億m3,其中給西安市城市供水3.05億 m3,日平均供水量 76.0萬 t,供水保證率95%;農(nóng)用灌溉年供水量1.23億m3,灌溉面積37萬畝,壩后電站裝機(jī)容量2.0萬kW,多年平均發(fā)電量為7308萬kW?h.金盆水利樞紐工程是西安市金盆引水工程的主要水源工程,是一項(xiàng)以城市供水為主,兼顧灌溉、發(fā)電、防洪等綜合利用的大型水利工程.

1.3 水源區(qū)污染源分析

水源區(qū)是指為保護(hù)水源而劃定的區(qū)域,本研究所講的水源區(qū)是指金盆水庫壩址以上流域面積所包含的范圍.水源區(qū)染源包括點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染,其中點(diǎn)源污染包括庫區(qū)匯流范圍內(nèi)的各縣的工業(yè)污染源和城鎮(zhèn)生活污染源;非點(diǎn)源污染主要是農(nóng)業(yè)及水土流失等所形成的污染.

1.3.1 點(diǎn)源污染來源 經(jīng)普查,水源區(qū)內(nèi)基本上沒有規(guī)模型工業(yè)生產(chǎn),鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)不僅數(shù)量少,而且只限于加工業(yè).因此,水源區(qū)內(nèi),點(diǎn)源類污染只有人口相對(duì)聚居的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污染和礦產(chǎn)資源開發(fā)2種基本類型.

1.3.2 非點(diǎn)源污染來源 農(nóng)業(yè)及天然有機(jī)質(zhì)污染:坡耕地肥力充足的表層土壤極易被暴雨侵蝕,氮磷、農(nóng)藥等污染物隨地表徑流進(jìn)入河流,最終匯入水庫.另一方面,由于流域上良好的植被覆蓋,地表被大量死亡的植物和落葉形成的腐殖物質(zhì)所覆蓋,加之地表坡度很大,暴雨徑流將會(huì)攜帶大量固態(tài)、膠態(tài)和少量溶解態(tài)的腐殖物質(zhì)進(jìn)入河流,并最終匯入水庫,以固態(tài)、膠態(tài)形式存在的有機(jī)與無機(jī)污染物大部分沉積庫底,成為水庫污染沉積物的主要來源.旅游污染:研究區(qū)域良好的植被和山水風(fēng)光,正是久居城市而厭倦鬧市生活,向往“回歸大自然”的城市居民休閑度假、旅游的好去處.隨旅游業(yè)的發(fā)展,無疑帶來旅游污染,其污染物隨人群活動(dòng)呈無序狀態(tài),這也構(gòu)成了水源區(qū)非點(diǎn)源類污染.交通污染:在水源區(qū)內(nèi),有兩條國道(G108和G210)穿過,兩條國道每日車流量就均在 3000輛以上,隨著旅游業(yè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,將有越來越多的車輛、人群進(jìn)入水源區(qū).因此,車輛排放的尾氣、車輛部件磨損以及液體化學(xué)品泄漏等也會(huì)導(dǎo)致水源區(qū)水體非點(diǎn)源類污染.

2 研究方法

2.1 AnnAGNPS模型簡介

AnnAGNPS(Annualized Agricultural Nonpoint Source Pollution Model)[10-11]是新一代的AGNPS模型,該模型以日為基礎(chǔ)連續(xù)模擬一個(gè)時(shí)段(月、年)內(nèi)每天及累計(jì)的徑流、泥沙、養(yǎng)分和殺蟲劑的輸出結(jié)果,可用于評(píng)價(jià)流域內(nèi)非點(diǎn)源污染的長期作用以及實(shí)施不同水保措施的相對(duì)效果.與AGNPS類似,AnnAGNPS模型的基本思路仍是將流域劃分成一定的分室(cell),所不同的是它按流域水文特征,即集水區(qū)來劃分單元而不是按固定網(wǎng)格劃分.AnnAGNPS的另一個(gè)改進(jìn)是采用RUSLE而不是USLE來預(yù)測(cè)各分室的土壤侵蝕.另外,AnnAGNPS模型還包括一些特殊的模塊,可計(jì)算點(diǎn)源、畜牧養(yǎng)殖場產(chǎn)生的污染物、評(píng)估溝谷、水壩集水坑對(duì)徑流、泥沙、營養(yǎng)鹽和農(nóng)藥產(chǎn)生的影響[12].

2.2 CE-QUAL-W2模型簡介

CE-QUAL-W2模型是橫向平均二維(縱向和垂向)水動(dòng)力和水質(zhì)模型,由US ACE(美國陸軍工程兵團(tuán)水道實(shí)驗(yàn)站)開發(fā),是由水動(dòng)力模型和水質(zhì)輸移模型耦合而成,假設(shè)橫向是平均的,對(duì)于水庫、河流、湖泊以及河口等不同條件下多種污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律均適宜,尤其對(duì)相對(duì)狹長的湖泊和分層水庫的水質(zhì)模擬極佳,可以預(yù)測(cè)水平和垂直速度、溫度、DO、BOD、pH值、營養(yǎng)物、有機(jī)物、大腸桿菌、藻類、溶解和懸浮物等 21種水質(zhì)變量濃度變化[13].

從圖2可以看出金盆水庫模型概化情況:陳河鄉(xiāng)到壩前為金盆水庫流域的主干,分段劃分原則是在水庫結(jié)構(gòu)和形狀出現(xiàn)較大變化的位置分段,使每一個(gè)河段內(nèi)的水流分布情況大體相同,且每條河段盡可能均勻,河段1和17為模型自定義的虛擬河段.左視圖可以看到垂向的網(wǎng)格劃分,考慮到模型計(jì)算的時(shí)間,層間距不宜設(shè)置過小,但考慮到模型的準(zhǔn)確性,層間距又不宜過大,最終層間距設(shè)置為2m,層1和層56為模型自定義的虛擬層,俯視圖可以觀察出河段的分割和層的劃分情況.

圖2 金盆水庫模型概化Fig.2 The map generalization of Jinpen Reservoir

2.3 研究方法

通過AnnAGNPS模型計(jì)算2003年(豐水年)和 2008年(枯水年)黑河流域的總磷、總氮非點(diǎn)源負(fù)荷,并將總磷、總氮非點(diǎn)源污染負(fù)荷轉(zhuǎn)化為CE-QUAL-W2模型水庫入流濃度輸入,應(yīng)用率定后的CE-QUAL-W2模型,對(duì)黑河金盆水庫在2種情景、4種計(jì)算方案下的水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)研究.

金盆水庫入庫點(diǎn)源污染主要來自于相對(duì)聚集的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活和礦產(chǎn)資源開發(fā)污染,且點(diǎn)源污染排放量相對(duì)穩(wěn)定,因此,假設(shè)各月點(diǎn)源污染負(fù)荷恒定不變,將2008年冬季實(shí)測(cè)總磷、總氮的均值作為“只考慮點(diǎn)源”情況下入庫水質(zhì)數(shù)據(jù)輸入,分析水庫水質(zhì)情況,點(diǎn)源總磷濃度為0.010mg/L,點(diǎn)源總氮濃度為1.055mg/L.2008年陳河來流量如表1所示.

表1 2008年陳河鄉(xiāng)來流量(×104m3)Table 1 Flow of Chenghe Village in 2008 (×104m3)

2008年 11,12月總磷點(diǎn)源負(fù)荷分別為0.11,0.07t, 2003和2008年總磷點(diǎn)源月負(fù)荷取均值0.09t,總磷2003和2008年點(diǎn)源負(fù)荷1.08t.2008年11,12月總氮點(diǎn)源負(fù)荷分別為11.6,7.46t, 2003和 2008年總氮點(diǎn)源月負(fù)荷取均值 9.53t,總氮2003和2008年點(diǎn)源負(fù)荷114.37t.

應(yīng)用AnnAGNPS模型計(jì)算2003年(豐水年)現(xiàn)狀條件下總磷非點(diǎn)源負(fù)荷量為 4.56t,總氮非點(diǎn)源負(fù)荷量為234.85t;2008年(枯水年)現(xiàn)狀條件下總磷非點(diǎn)源負(fù)荷量為1.72t,總氮非點(diǎn)源負(fù)荷量為87.81t.

2003,2008年總磷及總氮年負(fù)荷率見表2.

表2 總磷和總氮年負(fù)荷率(%)Table 2 Pollution loading capacity for total phosphate and total nitrogen (%)

應(yīng)用AnnAGNPS模型,設(shè)計(jì)非點(diǎn)源污染管理措施,評(píng)價(jià)其環(huán)境效果,根據(jù)所選擇的控制措施,調(diào)整相關(guān)輸入?yún)?shù),生成模型的輸入文件,運(yùn)行模型估算各項(xiàng)措施的年均污染負(fù)荷,對(duì)比無控制措施時(shí)的計(jì)算值,評(píng)價(jià)該項(xiàng)措施的有效性.考慮到CN值對(duì)徑流、泥沙和氮磷污染物輸出影響最大,在統(tǒng)籌該流域非點(diǎn)源污染管理措施時(shí),以2000年土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了以下2種情景:①黑河流域位于秦嶺山區(qū),山高坡陡,假設(shè)未來響應(yīng)國家水源保護(hù)政策,將山區(qū)人口搬離,全部退耕還林,流域土地利用只有林地.②在 2000年土地利用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,大于 15°還林,15°以下坡地中未利用地和工礦用地全部還林,15°以下耕地不變.

將2003年和2008年點(diǎn)源月負(fù)荷、非點(diǎn)源月負(fù)荷量、情景1和情景2下非點(diǎn)源月負(fù)荷轉(zhuǎn)化為月入庫平均濃度,非點(diǎn)源月負(fù)荷按照月徑流量比重對(duì)非點(diǎn)源年負(fù)荷量進(jìn)行分配計(jì)算,對(duì)陳河來流量運(yùn)用徑流分割法進(jìn)行分割得到月徑流量.具體計(jì)算方案的水質(zhì)輸入(即入庫濃度)如下:計(jì)算方案①:點(diǎn)源;計(jì)算方案②:點(diǎn)源+非點(diǎn)源;計(jì)算方案③:點(diǎn)源+情景1非點(diǎn)源;計(jì)算方案④:點(diǎn)源濃度+情景2非點(diǎn)源.利用CE-QUAL-W2水質(zhì)模型計(jì)算金盆水庫2003年(豐水年)和2008年(枯水年)垂向和縱向總磷總氮濃度分布.

3 結(jié)果與討論

通過對(duì)2008年(枯水年)和2003年(豐水年)4種計(jì)算方案下進(jìn)行計(jì)算,得到2003年(豐水年)和2008年(枯水年)洪水期和非洪水期,水庫上游、中游和壩前不同深度的月平均總磷、總氮濃度分布,如圖3所示.

由計(jì)算結(jié)果可知:2003年和2008年洪水期時(shí),計(jì)算方案②、③、④得到的水庫總磷總氮濃度均大于計(jì)算方案①水庫中對(duì)應(yīng)位置的總磷、總氮濃度,這表明非點(diǎn)源污染在洪水期時(shí)對(duì)金盆水庫水質(zhì)有較大影響.2003年和2008年非洪水期時(shí),計(jì)算方案②、③、④得到的總磷總氮濃度與計(jì)算方案①的總磷總氮濃度相比差異不大,這表明非點(diǎn)源污染在非洪水期時(shí)對(duì)金盆水庫水質(zhì)影響不顯著.非點(diǎn)源污染對(duì)水庫縱向(水流方向)水質(zhì)的影響.水庫壩前、庫區(qū)中游和庫區(qū)上游河道水質(zhì)均受到非點(diǎn)源污染的影響,而且非點(diǎn)源污染對(duì)水庫縱向水質(zhì)變化的影響大體相同.

圖3 總磷、總氮濃度分布Fig.3 Distribution of total phosphorus and total nitrogen concentration

2003年洪水期,計(jì)算方案②與計(jì)算方案①相比,水庫壩前、庫區(qū)中游和庫區(qū)上游河道的表層總磷濃度分別增加 4.75,4.70,4.64mg/m3;計(jì)算方案②與計(jì)算方案①相比,水庫壩前、庫區(qū)中游和庫區(qū)上游河道的表層總氮濃度增加分別0.26,0.26,0.26mg/L,其他方案不同河段不同深度總磷濃度變化與此規(guī)律相符.非點(diǎn)源污染對(duì)水庫垂向(水深方向)水質(zhì)的影響.水庫表層水質(zhì)對(duì)非點(diǎn)源污染較為敏感,而庫底水質(zhì)受到非點(diǎn)源污染的影響較小.2008年洪水期,計(jì)算方案②與計(jì)算方案①相比,壩前水深 0,10,20,30,40,50,60,70米總磷濃度分別增加4.81,4.44,4.06,4.08,4.07, 1.14, 1.14,1.14mg/m3;計(jì)算方案②與計(jì)算方案①相比,壩前水深0, 10, 20, 30, 40, 50、60,70米總氮濃度分別增加 0.27,0.25,0.23,0.23,0.23,0.04,0.04, 0.04mg/L, 其他方案不同深度總磷濃度變化均符合這個(gè)規(guī)律.考慮非點(diǎn)源污染的影響,方案③水庫中對(duì)應(yīng)位置的總磷、總氮濃度＜方案④水庫中對(duì)應(yīng)位置總磷、總氮濃度＜方案②水庫中對(duì)應(yīng)位置總磷、總氮濃度.如2003年洪水期,方案②、③和④與計(jì)算方案①相比,計(jì)算庫區(qū)上游河道表層總磷濃度分別為 14.198,13.921,13.948mg/m3,方案②、③和④與計(jì)算方案①相比,計(jì)算庫區(qū)上游河道表層總氮濃度分別為0.819,0.747,0.776mg/L,說明林地對(duì)流域非點(diǎn)源污染削減起到很大作用,應(yīng)盡量增加林地的面積,植樹造林,減少耕地面積,這將有利于減少進(jìn)入水庫非點(diǎn)源污染負(fù)荷.

4 結(jié)論

4.1 聯(lián)合應(yīng)用流域非點(diǎn)源模型 AnnAGNPS和水庫水質(zhì)模型CE-QUAL-W2,對(duì)黑河金盆水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè),應(yīng)對(duì)洪水期和非洪水期的非點(diǎn)源污染區(qū)別對(duì)待.非點(diǎn)源污染在洪水期時(shí)對(duì)金盆水庫水質(zhì)有較大影響,而在非洪水期時(shí)非點(diǎn)源污染對(duì)金盆水庫水質(zhì)影響不顯著.

4.2 非點(diǎn)源污染對(duì)金盆水庫縱向和垂向水質(zhì)的影響是有差異的.水庫壩前、庫區(qū)中游和庫區(qū)上游河道的水質(zhì)均受到非點(diǎn)源污染的影響,而且這種影響大體相同;水庫表層水質(zhì)對(duì)非點(diǎn)源污染較為敏感,而庫底水質(zhì)受到非點(diǎn)源污染的影響較小.

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Connecting hydrological and water quality models for prediction research of reservoir water quality.

ZHU Lei, LI Huai-en*, LI Jia-ke, WU Xi-jun (Key Laboratory of Water Resources, Environment and Ecology in Northwest China, Ministry of Education, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：571～576

Two powerful watershed and water quality models (AnnAGNPS and CE-QUAL-W2) were integrated In this paper. The non-point source pollution loading of AnnAGNPS model input the CE-QUAL-W2 model. The CE-QUAL-W2 model was applied to simulate water quality in the Jinpen Reservoir and study of non-point source pollution on water quality of reservoir. When predicting the water quality of reservoir non-point source pollutions should be treated differently in flood and non-flood period. Non-point source pollution had great impact for water quality of Jinpen Reservoir in flood period, but non-point source pollution had less impact for reservoir water quality in non-flood period. The impacts made a great difference between longitudinal and vertical water quality. Forest played a significant role for non-point source pollution reduction in the watershed.

AnnAGNPS；CE-QUAL-W2；non-point source pollution；water quality prediction research

X524

A

1000-6923(2012)03-0571-06

2011-05-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50909080,90610030);國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2009ZX07212-002);

* 責(zé)任作者, 教授, huaienl@yahoo.com

朱 磊(1981-),男,吉林省吉林市人,西安理工大學(xué)博士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境水文及水資源保護(hù).發(fā)表論文5篇.