水文水質模型聯合應用于水庫水質預測研究

朱 磊,李懷恩,李家科,吳喜軍 (西安理工大學西北水資源與環境生態教育部重點實驗室,陜西 西安 710048)

水文水質模型聯合應用于水庫水質預測研究

朱 磊,李懷恩*,李家科,吳喜軍 (西安理工大學西北水資源與環境生態教育部重點實驗室,陜西 西安 710048)

聯合應用流域水文非點源AnnAGNPS模型和水庫水質CE-QUAL-W2模型,AnnAGNPS模型輸出黑河流域非點源污染負荷,將其轉化為金盆水庫入庫濃度作為 CE-QUAL-W2模型的輸入,對黑河金盆水質進行預測,研究非點源污染對陜西金盆水庫水質影響.結果表明,在對水庫水質進行預測時,應對洪水期和非洪水期的非點源污染區別對待.非點源污染在洪水期時對金盆水庫水質有較大影響,而在非洪水期時非點源污染對水庫水質影響不顯著.非點源污染對水庫縱向和垂向水質影響存在差異性.林地對流域非點源污染削減起到很大作用.

AnnAGNPS模型；CE-QUAL-W2模型；非點源污染；水質預測研究

水污染問題通常包括點源污染和非點源污染.與點源污染相比,非點源污染在空間和時間上具有分布廣泛與變化劇烈等特點.非點源污染對水庫水質的影響主要集中在豐水期和暴雨洪水過程中,故在進行水庫水質預測時,要考慮到非點源污染的這些特點.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間的水文過程以及點源和非點源污染演進過程,而不適合如湖泊、水庫等較大水體的水質預測.另一方面,如 CE-QUALW2[4]、WASP[5]和 EPD-RIV1[6]等水質模型主要解決較大水體的水動力學以及水質問題,而無法解決流域中出現的水文問題.考慮到沒有單一的模型可以同時模擬流域和較大水體的各種水動力和水質變量[7],所以連接流域模型和水體水質模型不可缺少.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為研究區,借助GIS和相關資料提取參數,建立 AnnAGNPS 模型數據庫.采用 1991～1998年黑峪口斷面月徑流量、泥沙和無機氮、總磷監測數據率定和驗證模型,分析AnnAGNPS模型在西北半干旱地區典型流域的適用性,結果表明,AnnAGNPS可用于該流域非點源污染長期模擬[8].本文作者應用 CE-QUAL-W2模型建立了陜西金盆水庫二維水質模型,并對模型的適用性進行了研究,結果表明,預測結果和實測水質數據基本相符[9].因此,本文聯合應用流域非點源模型AnnAGNP與水庫水質模型CE-QUAL-W2對金盆水庫的垂向和縱向水質進行預測研究,并提出可行的非點源污染控制措施.

1 研究區域概況

1.1 流域概況

黑河為渭河右岸較大支流,屬黃河二級支流,位于東經 107°43’～108°24’,北緯 33°42’～34°13’,發源于秦嶺太白山北麓,由西南流向東北,至周至縣馬召鎮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,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,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,多年平均調節水量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%;農用灌溉年供水量1.23億m3,灌溉面積37萬畝,壩后電站裝機容量2.0萬kW,多年平均發電量為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,是一項以城市供水為主,兼顧灌溉、發電、防洪等綜合利用的大型水利工程.

1.3 水源區污染源分析

水源區是指為保護水源而劃定的區域,本研究所講的水源區是指金盆水庫壩址以上流域面積所包含的范圍.水源區染源包括點源污染和非點源污染,其中點源污染包括庫區匯流范圍內的各縣的工業污染源和城鎮生活污染源;非點源污染主要是農業及水土流失等所形成的污染.

1.3.1 點源污染來源 經普查,水源區內基本上沒有規模型工業生產,鄉鎮企業不僅數量少,而且只限于加工業.因此,水源區內,點源類污染只有人口相對聚居的鄉鎮生活污染和礦產資源開發2種基本類型.

1.3.2 非點源污染來源 農業及天然有機質污染:坡耕地肥力充足的表層土壤極易被暴雨侵蝕,氮磷、農藥等污染物隨地表徑流進入河流,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所覆蓋,加之地表坡度很大,暴雨徑流將會攜帶大量固態、膠態和少量溶解態的腐殖物質進入河流,并最終匯入水庫,以固態、膠態形式存在的有機與無機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:研究區域良好的植被和山水風光,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.隨旅游業的發展,無疑帶來旅游污染,其污染物隨人群活動呈無序狀態,這也構成了水源區非點源類污染.交通污染:在水源區內,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,隨著旅游業和經濟建設的發展,將有越來越多的車輛、人群進入水源區.因此,車輛排放的尾氣、車輛部件磨損以及液體化學品泄漏等也會導致水源區水體非點源類污染.

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,該模型以日為基礎連續模擬一個時段(月、年)內每天及累計的徑流、泥沙、養分和殺蟲劑的輸出結果,可用于評價流域內非點源污染的長期作用以及實施不同水保措施的相對效果.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,即集水區來劃分單元而不是按固定網格劃分.AnnAGNPS的另一個改進是采用RUSLE而不是USLE來預測各分室的土壤侵蝕.另外,AnnAGNPS模型還包括一些特殊的模塊,可計算點源、畜牧養殖場產生的污染物、評估溝谷、水壩集水坑對徑流、泥沙、營養鹽和農藥產生的影響[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)水動力和水質模型,由US ACE(美國陸軍工程兵團水道實驗站)開發,是由水動力模型和水質輸移模型耦合而成,假設橫向是平均的,對于水庫、河流、湖泊以及河口等不同條件下多種污染物的遷移轉化規律均適宜,尤其對相對狹長的湖泊和分層水庫的水質模擬極佳,可以預測水平和垂直速度、溫度、DO、BOD、pH值、營養物、有機物、大腸桿菌、藻類、溶解和懸浮物等 21種水質變量濃度變化[13].

從圖2可以看出金盆水庫模型概化情況:陳河鄉到壩前為金盆水庫流域的主干,分段劃分原則是在水庫結構和形狀出現較大變化的位置分段,使每一個河段內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格劃分,考慮到模型計算的時間,層間距不宜設置過小,但考慮到模型的準確性,層間距又不宜過大,最終層間距設置為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模型計算2003年(豐水年)和 2008年(枯水年)黑河流域的總磷、總氮非點源負荷,并將總磷、總氮非點源污染負荷轉化為CE-QUAL-W2模型水庫入流濃度輸入,應用率定后的CE-QUAL-W2模型,對黑河金盆水庫在2種情景、4種計算方案下的水質進行預測研究.

金盆水庫入庫點源污染主要來自于相對聚集的鄉鎮生活和礦產資源開發污染,且點源污染排放量相對穩定,因此,假設各月點源污染負荷恒定不變,將2008年冬季實測總磷、總氮的均值作為“只考慮點源”情況下入庫水質數據輸入,分析水庫水質情況,點源總磷濃度為0.010mg/L,點源總氮濃度為1.055mg/L.2008年陳河來流量如表1所示.

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

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

應用AnnAGNPS模型計算2003年(豐水年)現狀條件下總磷非點源負荷量為 4.56t,總氮非點源負荷量為234.85t;2008年(枯水年)現狀條件下總磷非點源負荷量為1.72t,總氮非點源負荷量為87.81t.

2003,2008年總磷及總氮年負荷率見表2.

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

應用AnnAGNPS模型,設計非點源污染管理措施,評價其環境效果,根據所選擇的控制措施,調整相關輸入參數,生成模型的輸入文件,運行模型估算各項措施的年均污染負荷,對比無控制措施時的計算值,評價該項措施的有效性.考慮到CN值對徑流、泥沙和氮磷污染物輸出影響最大,在統籌該流域非點源污染管理措施時,以2000年土地利用現狀為基礎,設計了以下2種情景:①黑河流域位于秦嶺山區,山高坡陡,假設未來響應國家水源保護政策,將山區人口搬離,全部退耕還林,流域土地利用只有林地.②在 2000年土地利用現狀基礎上,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年點源月負荷、非點源月負荷量、情景1和情景2下非點源月負荷轉化為月入庫平均濃度,非點源月負荷按照月徑流量比重對非點源年負荷量進行分配計算,對陳河來流量運用徑流分割法進行分割得到月徑流量.具體計算方案的水質輸入(即入庫濃度)如下:計算方案①:點源;計算方案②:點源+非點源;計算方案③:點源+情景1非點源;計算方案④:點源濃度+情景2非點源.利用CE-QUAL-W2水質模型計算金盆水庫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 結果與討論

通過對2008年(枯水年)和2003年(豐水年)4種計算方案下進行計算,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.

由計算結果可知:2003年和2008年洪水期時,計算方案②、③、④得到的水庫總磷總氮濃度均大于計算方案①水庫中對應位置的總磷、總氮濃度,這表明非點源污染在洪水期時對金盆水庫水質有較大影響.2003年和2008年非洪水期時,計算方案②、③、④得到的總磷總氮濃度與計算方案①的總磷總氮濃度相比差異不大,這表明非點源污染在非洪水期時對金盆水庫水質影響不顯著.非點源污染對水庫縱向(水流方向)水質的影響.水庫壩前、庫區中游和庫區上游河道水質均受到非點源污染的影響,而且非點源污染對水庫縱向水質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,計算方案②與計算方案①相比,水庫壩前、庫區中游和庫區上游河道的表層總磷濃度分別增加 4.75,4.70,4.64mg/m3;計算方案②與計算方案①相比,水庫壩前、庫區中游和庫區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律相符.非點源污染對水庫垂向(水深方向)水質的影響.水庫表層水質對非點源污染較為敏感,而庫底水質受到非點源污染的影響較小.2008年洪水期,計算方案②與計算方案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;計算方案②與計算方案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規律.考慮非點源污染的影響,方案③水庫中對應位置的總磷、總氮濃度＜方案④水庫中對應位置總磷、總氮濃度＜方案②水庫中對應位置總磷、總氮濃度.如2003年洪水期,方案②、③和④與計算方案①相比,計算庫區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與計算方案①相比,計算庫區上游河道表層總氮濃度分別為0.819,0.747,0.776mg/L,說明林地對流域非點源污染削減起到很大作用,應盡量增加林地的面積,植樹造林,減少耕地面積,這將有利于減少進入水庫非點源污染負荷.

4 結論

4.1 聯合應用流域非點源模型 AnnAGNPS和水庫水質模型CE-QUAL-W2,對黑河金盆水質進行預測,應對洪水期和非洪水期的非點源污染區別對待.非點源污染在洪水期時對金盆水庫水質有較大影響,而在非洪水期時非點源污染對金盆水庫水質影響不顯著.

4.2 非點源污染對金盆水庫縱向和垂向水質的影響是有差異的.水庫壩前、庫區中游和庫區上游河道的水質均受到非點源污染的影響,而且這種影響大體相同;水庫表層水質對非點源污染較為敏感,而庫底水質受到非點源污染的影響較小.

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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

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

* 責任作者, 教授, huaienl@yahoo.com

朱 磊(1981-),男,吉林省吉林市人,西安理工大學博士研究生,研究方向為環境水文及水資源保護.發表論文5篇.