基于HydroGeoSphere的遼河石佛寺水庫(kù)氨氮污染風(fēng)險(xiǎn)分析

王世界

(遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

遼河是我國(guó)七大河流之一，是遼寧省內(nèi)最大的河流。遼河干流沈陽(yáng)段流經(jīng)地區(qū)均為農(nóng)村，經(jīng)康平縣、法庫(kù)縣、沈北新區(qū)、新民市、遼中區(qū)5區(qū)、縣(市)，河長(zhǎng)307.4 km[1]，其河谷開(kāi)闊，地勢(shì)平坦，河道迂回曲折，河道比降小。石佛寺水庫(kù)是遼河干流上唯一的調(diào)蓄控制型水庫(kù)，兼顧水生態(tài)、蓄水等眾多職能。該區(qū)域人類活動(dòng)頻繁，地表水地下水交互密切，存在著人均水資源量不足、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低等問(wèn)題，對(duì)人民生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)都有著巨大的影響。該區(qū)域地表水地下水交互密切，將地表水和地下水看作統(tǒng)一整體，采取支持向量回歸方法預(yù)測(cè)研究區(qū)2017—2021年降水量，應(yīng)用HydroGeoSphere(HGS)軟件建立研究區(qū)地表水地下水水質(zhì)耦合模擬模型。通過(guò)水質(zhì)模型，預(yù)報(bào)未來(lái)石佛寺水庫(kù)入庫(kù)節(jié)點(diǎn)氨氮變化情況，對(duì)污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

1 研究區(qū)概況

通過(guò)水文站匯水區(qū)范圍結(jié)合ArcGIS高程數(shù)據(jù)確定遼河沈陽(yáng)區(qū)域匯水區(qū)為研究區(qū)，區(qū)內(nèi)河段從上游開(kāi)原市至下游新民市新立屯村附近，地跨鐵嶺縣、調(diào)兵山市、沈北新區(qū)、法庫(kù)縣和新民市等區(qū)域。研究區(qū)位于遼河河谷平原區(qū)，面積約為2552.0 km2。

研究區(qū)地表巖性主要為亞黏土、淤泥質(zhì)亞黏土、亞砂土和砂礫石。地下水較為豐富，廣泛分布有第四系松散巖類孔隙水，含水層巖性以礫卵石、砂礫石為主，其巖石滲透性好，地下水水力梯度大，徑流條件較好。地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水入滲補(bǔ)給及河道滲漏補(bǔ)給，排泄方式主要為人工開(kāi)采、潛水蒸發(fā)和側(cè)向徑流排泄。

2 研究方法

HGS技術(shù)系統(tǒng)(軟件)由加拿大Waterloo大學(xué)、Laval大學(xué)及Hydrogeologic公司聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)。它能夠在流域尺度上，同時(shí)對(duì)地表水和地下水進(jìn)行耦合數(shù)學(xué)模擬[2]。

將研究區(qū)地下水邊界條件、含水層結(jié)構(gòu)、含水層水力特征及源匯項(xiàng)等進(jìn)行概化，建立研究區(qū)地下水概念模型。將研究區(qū)地表水邊界條件、土地利用類型、源匯項(xiàng)等進(jìn)行概化，建立研究區(qū)地表水概念模型[3]。根據(jù)建立的地表水、地下水概念模型，分別建立地表水、地下水水流數(shù)學(xué)模擬模型。數(shù)學(xué)模型主要包括兩部分：一是描述水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的偏微分方程；二是反應(yīng)系統(tǒng)邊界條件和初始條件的定解條件。

采用雙重節(jié)點(diǎn)方式耦合地表水模型與地下水模型。它將平面二維地表水模型疊置在地下水模型的頂部，對(duì)地下水、地表水模型進(jìn)行相同的空間和時(shí)間離散。表層的地表水模型節(jié)點(diǎn)與地下水模型頂部節(jié)點(diǎn)具有完全一致的空間坐標(biāo)，即耦合模型表層的節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有地表水和地下水屬性，每個(gè)地表水節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)的地下水節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水力聯(lián)系[4]。

通過(guò)達(dá)西流關(guān)系來(lái)描述兩者之間的水流交換，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

dQS G=kr oKs o(h-hs)

(1)

式中：d為地表水與地下水的耦合長(zhǎng)度，L，是表征水體在地表與地下轉(zhuǎn)移難易程度的度量；QS G為地下水與地表水交換通量，L3L-2T-1；kr o為上游節(jié)點(diǎn)的相對(duì)滲透率，無(wú)量綱；Ks o為地下水表層介質(zhì)的滲透系數(shù)，LT-1；h為地下水水頭，L；hs為地表水水頭,L[4]。

3 模型建立

依據(jù)研究區(qū)邊界條件及來(lái)水量情況建立水流運(yùn)移模型，假定溶質(zhì)僅隨水流運(yùn)移，溶質(zhì)彌散作用忽略不計(jì)，研究區(qū)地下水南北側(cè)水流邊界為零通量邊界，則南側(cè)、北側(cè)為溶質(zhì)零通量邊界；研究區(qū)地下水東側(cè)、西側(cè)為水流交換邊界條件，則東側(cè)、西側(cè)水質(zhì)交換邊界條件可概化為第三類邊界條件。當(dāng)?shù)乇硭叵滤|(zhì)耦合模擬模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差小于25.00%，認(rèn)為所建立的水質(zhì)模型符合研究區(qū)實(shí)際情況。

3.1 降水量預(yù)報(bào)

根據(jù)研究區(qū)范圍內(nèi)及附近的降水量觀測(cè)點(diǎn)資料，采用泰森多邊形法確定區(qū)域降水量分布。利用各降水量觀測(cè)點(diǎn)1956—2016年61 a降水量數(shù)據(jù)，采用支持向量回歸法預(yù)報(bào)未來(lái)2017—2021年降水量情況。以前五年降水量推求后一年降水量，分別在各觀測(cè)點(diǎn)得到55組訓(xùn)練樣本，以前45組作為訓(xùn)練樣本，后10組作為檢驗(yàn)樣本。在Matlab軟件平臺(tái)下運(yùn)轉(zhuǎn)編寫的支持向量回歸法計(jì)算代碼[5]，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比情況見(jiàn)圖1，對(duì)比表明計(jì)算結(jié)果達(dá)到了預(yù)期精度要求。

圖1 觀測(cè)點(diǎn)降水量預(yù)報(bào)

3.2 模型校正

模型模擬期的初始濃度分布情況采用2014年3月10日研究區(qū)地表水地下水溶質(zhì)濃度分布，將模擬期內(nèi)各源匯項(xiàng)輸入模型后，運(yùn)行至2015年12月31日。將監(jiān)測(cè)點(diǎn)2014年11月和2015年11月模型計(jì)算溶質(zhì)濃度與實(shí)測(cè)溶質(zhì)濃度進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表1。

表1 校正期監(jiān)測(cè)點(diǎn)氨氮濃度對(duì)比情況

通過(guò)將模型的計(jì)算結(jié)果與研究區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，所建立的地表水地下水水質(zhì)耦合模擬模型氨氮預(yù)報(bào)結(jié)果相對(duì)誤差小于25.00%，能夠反映研究區(qū)地表水和地下水水質(zhì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化特征。

3.3 模型檢驗(yàn)

設(shè)定模型檢驗(yàn)?zāi)M期為2016年1月1日—2016年12月31日，利用2016年11月研究區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)校正后的溶質(zhì)模擬模型進(jìn)行檢驗(yàn)，將模擬結(jié)果同2016年11月研究區(qū)地表水和地下水水質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表2。

表2 檢驗(yàn)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)氨氮濃度對(duì)比情況

模型的檢驗(yàn)結(jié)果滿足誤差要求，所建立的地表水地下水水質(zhì)耦合模擬模型能夠反映研究區(qū)的實(shí)際情況。

4 氨氮污染預(yù)報(bào)及風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 污染預(yù)報(bào)

假定研究區(qū)內(nèi)排污口位置、排污量以及污水溶質(zhì)濃度均不發(fā)生變化，研究區(qū)邊界條件不變，以2016年12月地表水地下水溶質(zhì)濃度初始條件、未來(lái)5年的降水量作為輸入變量，運(yùn)轉(zhuǎn)所建立的研究區(qū)地表水地下水水質(zhì)耦合模擬模型對(duì)氨氮溶質(zhì)進(jìn)行模擬分析，見(jiàn)圖2。

圖2 2017—2021年石佛寺水庫(kù)入庫(kù)口氨氮濃度變化情況

由圖2可以看出，在石佛寺水庫(kù)入庫(kù)口處氨氮的濃度存在著一定的波動(dòng)規(guī)律。從年際角度來(lái)看，各溶質(zhì)濃度波動(dòng)略有變動(dòng)，總體上均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但趨勢(shì)變化不顯著。

4.2 污染風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中地表水質(zhì)量常規(guī)指標(biāo)及限值表，確定氨氮的濃度限值分別為0.50 mg/L，同濃度預(yù)報(bào)結(jié)果相比較可以看出，在石佛寺水庫(kù)入庫(kù)口處氨氮的濃度在豐水期濃度不會(huì)超出限值，為Ⅰ、Ⅱ類水，但在枯水期超出限值，多為V類水，會(huì)對(duì)水質(zhì)造成污染，繪制觀測(cè)點(diǎn)未來(lái)5年地表水氨氮濃度累積分布函數(shù)圖(圖3)，氯化物污染的風(fēng)險(xiǎn)為0.39。

圖3 地表水氨氮濃度累積分布函數(shù)圖

5 結(jié) 論

以遼河石佛寺水庫(kù)為研究節(jié)點(diǎn)，建立了地表水地下水水質(zhì)耦合模型，并應(yīng)用HGS軟件對(duì)其進(jìn)行同步求解，綜合劃定2017—2021年遼河石佛寺水庫(kù)氨氮污染風(fēng)險(xiǎn)為0.390，石佛寺水庫(kù)入庫(kù)口在2017—2021年各年內(nèi)，豐水期時(shí)濃度均較低，而在枯水期時(shí)濃度均較高，即當(dāng)流量較大時(shí)，溶質(zhì)濃度較低，反之，溶質(zhì)濃度較高。分析其原因是水中氨氮濃度受河流流量影響，當(dāng)溶質(zhì)質(zhì)量一定時(shí)，流量越大，濃度越低；反之，流量越小，濃度越高。當(dāng)污水排放量或排放污水氨氮濃度一定時(shí)，可在豐水期適當(dāng)增加排放污水的氨氮濃度或排放污水流量，而在枯水期降低排放污水的氨氮濃度或排放污水流量。在當(dāng)今遼河流域全面推行河長(zhǎng)制、實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的形勢(shì)下，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水質(zhì)污染情況，并對(duì)排污進(jìn)行合理調(diào)控有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。