利用流域仿真模型分析非點(diǎn)源污染對(duì)水庫水質(zhì)影響

摘要：本文通過開發(fā)構(gòu)建水庫數(shù)字流域系統(tǒng)，建立水庫流域的土地開發(fā)建設(shè)和水環(huán)境影響之間的關(guān)系，模擬分析小流域開發(fā)建設(shè)對(duì)水文和水環(huán)境的影響，持續(xù)結(jié)合降雨和水文水質(zhì)的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校正，提高模型對(duì)降雨和洪水的模擬分析準(zhǔn)確度，優(yōu)化截排站的泄洪控制，減少對(duì)水庫的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各類污染因素的輸入結(jié)果，模擬分析對(duì)供水水質(zhì)的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)飲用水的水質(zhì)預(yù)警管理，進(jìn)而為改善設(shè)施的運(yùn)行管理提供參考。

關(guān)鍵詞：流域仿真模型;模型驗(yàn)證;流域系統(tǒng)分析

深圳某某飲用水源水庫供水沿程及其點(diǎn)污染源已得到全面有效的控制，基本不會(huì)再對(duì)水庫水質(zhì)構(gòu)成威脅。除源水的本底污染之外，水質(zhì)保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的非點(diǎn)源污染是水庫的第二大污染來源。而其入庫河流S河所占份額最大，盡管S河截排工程能將初期雨水排至水庫下游，但由于截排工程規(guī)模的限制，不得不將超過截排容量的洪水排入水庫，成為某飲用水源水庫不可忽視的風(fēng)險(xiǎn)污染因素。由于非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響因素較多，除了人為因素的影響外，也受氣象因素的影響，因此很難準(zhǔn)確確定非點(diǎn)源污染的負(fù)荷。在實(shí)際研究工作中，往往在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量和采樣分析的基礎(chǔ)上，通過建立流域水環(huán)境模型來減少實(shí)測(cè)過程中不確定性因素的影響，從而獲得更準(zhǔn)確的流域污染分析結(jié)果。

本文對(duì)某飲用水源水庫入庫河流和S河流域降雨產(chǎn)洪過程進(jìn)行了測(cè)量分析，并對(duì)洪水進(jìn)行采樣化驗(yàn)，用于對(duì)模型進(jìn)行校正，提高模型對(duì)入庫河流降雨和洪水的模擬分析準(zhǔn)確度，優(yōu)化S河截排站的泄洪控制，減少對(duì)水庫的影響。

一、流域仿真模型構(gòu)建

流域仿真模型的實(shí)現(xiàn)，需要耦合各種功能，包括龐大的管網(wǎng)數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)的管理調(diào)用和處理、模型的參數(shù)和數(shù)據(jù)的輸入調(diào)用，模型計(jì)算內(nèi)核調(diào)用，結(jié)果可視化等。目前國(guó)內(nèi)外使用的流域徑流模型主要有SWMM、STORM、UCURM、DR3M-QUAL、HSP、WALLINGFORD等，每個(gè)模型都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，對(duì)于不同的地區(qū)，可根據(jù)模型特點(diǎn)、研究目標(biāo)、研究區(qū)域的特點(diǎn)和對(duì)模型的熟悉程度來選擇最適合的模型和軟件。

SWMM作為分布式模型在城市化區(qū)域的地表產(chǎn)匯流和排水管網(wǎng)的管道輸送過程計(jì)算方面具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，選擇該模型作為深圳S河流域仿真系統(tǒng)技術(shù)分析工具。SWMM是美國(guó)環(huán)保局為了設(shè)計(jì)和管理城市暴雨而研制的綜合性數(shù)學(xué)模型，它可以模擬完整的城市降雨徑流過程，包括地面徑流和排水系統(tǒng)中雨洪的調(diào)蓄過程。SWMM模塊包括徑流模塊、輸送模塊、擴(kuò)展的輸送模塊、調(diào)蓄/處理模塊和受納水體等主要模塊。模型的輸出可以顯示系統(tǒng)內(nèi)和受納水體中各點(diǎn)的水流和水質(zhì)狀況。

深圳S河流域仿真模型建立在地理信息系統(tǒng)與流域模型耦合的基礎(chǔ)上。構(gòu)架如下所示。利用了ArcGIS的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)調(diào)用、二次開發(fā)和空間分析功能，在此平臺(tái)上生成SWMM模擬文件和調(diào)用SWMM計(jì)算內(nèi)核，得出模擬結(jié)果并將其可視化表達(dá)。

二、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理與錄入

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都通過ArcGIS的ArcCatlog功能來錄入存儲(chǔ)。并在地理信息系統(tǒng)支持下依據(jù)年份及區(qū)域研究單元按地形、土壤、植被、土地利用（產(chǎn)污類型）、水文氣象數(shù)據(jù)、水利工程分布、水文地質(zhì)參數(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)等專題，組織建立數(shù)據(jù)庫。

模型利用的數(shù)據(jù)包括：

某飲用水源水庫1：10000地形數(shù)據(jù);

S河流域土地利用類型數(shù)據(jù)（2005年，2010年）;

S河河道截面數(shù)據(jù);

S河流域雨水管網(wǎng)規(guī)劃與現(xiàn)狀圖（2010年）;

S河流域污水管網(wǎng)規(guī)劃與現(xiàn)狀圖（2010年）;

2011年S河流域?qū)崪y(cè)降雨數(shù)據(jù)（三個(gè)雨量站）;

2011年至2012年降雨和洪水的采樣分析數(shù)據(jù)。

三、模型驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證模型將實(shí)測(cè)的降雨、徑流及水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，修正模型參數(shù)，并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確度。其中參數(shù)率定用到2012年4月19日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，參數(shù)驗(yàn)證校核用到2012年5月17日和26日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

其中率定結(jié)果如圖1，2012年4月19日實(shí)際降雨過程，為S河截排站上游1.3公里處的實(shí)測(cè)過程數(shù)據(jù)。降雨數(shù)據(jù)為氣象臺(tái)數(shù)據(jù)，流量數(shù)據(jù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)值。數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析表明模型的準(zhǔn)確度高。

圖1 仿真模型的數(shù)據(jù)驗(yàn)證

四、流域系統(tǒng)分析

模型構(gòu)建完畢后進(jìn)行了初步的模擬分析，利用2011年降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行全年連續(xù)降雨的模擬分析。2011年年降雨量1191.3mm，屬于枯水年，年內(nèi)共計(jì)錄得降雨場(chǎng)次111場(chǎng)。結(jié)果如表1。

表1 仿真模型的數(shù)據(jù)驗(yàn)證

月份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

共計(jì)

降雨

次數(shù)

2

7

7

5

11

17

17

10

15

9

8

3

111

降雨量/mm

13.5

40.7

24.2

74.3

144

345.2

243.7

117.8

77.1

46

63.4

1.4

1191.3

根據(jù)模型模擬結(jié)果，S河截排站共計(jì)開閘4次。

表2 S河泄洪數(shù)據(jù)的模擬分析

年降雨場(chǎng)次

開閘次數(shù)

百分比（%）

111

4

3.60

年徑流量（m3）

開閘泄洪量（m3）

百分比（%）

36215520

3156730

8.72

根據(jù)模型模擬結(jié)果，年污染負(fù)荷如表3。

表3 S河泄洪污染負(fù)荷的模擬分析

指標(biāo)

污染負(fù)荷（t/a）

泄洪污染負(fù)荷（t/a）

百分比（%）

COD

1774.56

239.91

13.52

SS

3693.98

400.9

10.85

氨氮

79.67

12.63

15.85

從模擬結(jié)果可以看出，S河流域在暴雨情況下，對(duì)某飲用水源水庫的污染貢獻(xiàn)明顯。3.6%的場(chǎng)次降雨泄洪量占全年的8.72%，污染物負(fù)荷比例達(dá)到15%左右。因此暴雨徑流污染控制勢(shì)在必行。

從1988年到2007年，某飲用水源水庫流域城建用地面積從7.52平方公里增加到20.48平方公里，整體不透水面比例從10.66%增加到29.03%，流域處于快速城市化階段，由此導(dǎo)致洪峰加大，洪峰提前，面源污染增加等各種環(huán)境問題。

考慮城建用地面積的變化，利用模型進(jìn)行了情景分析，降雨數(shù)據(jù)采用2011年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了不透水面從10%增加到29%的變化。計(jì)算結(jié)果表明（表4）城建用地面積對(duì)S河進(jìn)入某飲用水源水庫的污染負(fù)荷影響很大。不透水比例從10%增加到29%后，入庫流量增加了5.7倍，從1.53%增加到8.72%;入庫污染負(fù)荷增加了4倍多

五、結(jié)論

從以上分析得出，水庫流域仿真系統(tǒng)的建設(shè)，為水庫流域土地開發(fā)、排水設(shè)施建設(shè)等的決策管理提供支持，形成以水環(huán)境保護(hù)為優(yōu)先目的的管理模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)非點(diǎn)源污染的有效管理，進(jìn)一步提升水庫的污染防護(hù)力度。

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