基于源流域水量水質(zhì)模型研究小流域營養(yǎng)物管理方案

陳美丹，楊積德，李雋，朱月芳

（1.蘇州市環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇蘇州215007；2.澳思環(huán)境科技咨詢有限公司，上海200120；3.蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇蘇州215004）

基于源流域水量水質(zhì)模型研究小流域營養(yǎng)物管理方案

陳美丹1，楊積德1，李雋2，朱月芳3

（1.蘇州市環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇蘇州215007；2.澳思環(huán)境科技咨詢有限公司，上海200120；3.蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇蘇州215004）

采用澳大利亞源流域水量水質(zhì)模型模擬東山小流域內(nèi)2001-2010年9種不同土地利用類型產(chǎn)生的降雨徑流及總氮和總磷的污染負荷，模擬結(jié)果為：流域內(nèi)多年平均徑流量為6150萬m3/a，總氮輸出負荷為270 t/a，總磷負荷為22 t/a。模擬結(jié)果表明：水產(chǎn)養(yǎng)殖塘和高地茶果樹是東山地區(qū)主要的營養(yǎng)物來源。通過三個情景方案的模擬，說明當?shù)丨h(huán)境管理方案可以有效地削減入湖的營養(yǎng)負荷，其中第二個情景方案的削減量最大，總氮和總磷負荷分別削減了18%和25%。

源流域模型；面源；污染負荷；總氮；總磷

太湖是我國第三大淡水湖，位于江蘇和浙江兩省交界處，面積達36900 km2。在過去的20年里，工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展使太湖流域水體富營養(yǎng)化成為華南地區(qū)最為嚴重的環(huán)境問題之一。從20世紀80年代后期開始，太湖北部梅梁灣就開始頻繁暴發(fā)藍藻水華，到2006年水華暴發(fā)面積占太湖總面積的一半以上[1～3]；太湖水體水質(zhì)超標率也從2001年的65%上升到2006年的95%[4]。近年來，太湖流域工業(yè)點源污染整治力度加強之后，面源污染對流域水環(huán)境的貢獻及其治理受到越來越多的關(guān)注[5]。許多學(xué)者研究得出總氮的貢獻在34%～52%，總磷的貢獻在17%～54%[6～7]。由此可見，面源污染的影響正在成為繼工業(yè)污染和城市污染之后的最大污染源之一。

研究的目標是在太湖流域的一個示范區(qū)——東山半島構(gòu)建一個源流域模型（Source IMS），應(yīng)用模型研究流域內(nèi)營養(yǎng)物的主要來源；通過模擬不同土地利用類型隨降雨徑流產(chǎn)生的污染負荷，找出有效改善營養(yǎng)物（總氮和總磷）管理的途徑，進一步為營養(yǎng)物管理提供建議。

1 源流域模型系統(tǒng)（Source IMS）

1.1 模型介紹

在源流域模型系統(tǒng)中，流域水量水質(zhì)模型框架不是一個模型，而是模型的集合。在這個集合中，用戶可以選擇對自己流域內(nèi)的流域水文和污染物生成過程做出最佳描述的徑流、污染物生成、過濾和流內(nèi)模型模塊。污染物生成模型被應(yīng)用于“功能單元”，典型的功能單元是一個子流域內(nèi)的某種土地利用類型或水文響應(yīng)單元。子流域內(nèi)每個功能單元的輸出流量和污染物負荷都在子流域的出口節(jié)點疊加。模型中通過代表河網(wǎng)和流域出口的“節(jié)點”和“鏈接”模擬徑流和污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程。除利用源流域模型系統(tǒng)標準配置的模型之外，用戶還可以在模型內(nèi)的任何節(jié)點和鏈接處加入自己的數(shù)學(xué)方程式或表達式來計算和記錄所有可能的變量。

1.2 東山概況

東山半島位于太湖的東南部（北緯31°05'，東經(jīng)120°24'），人口約5.3萬人，其中約4.4萬人居住在農(nóng)村，面積為7736 hm2，區(qū)域內(nèi)的土地利用類型面積及所占比例見表1。

1.3 模型構(gòu)建

1.3.1 土地利用類型

依據(jù)不同的土地類型、土地覆蓋、地貌和危害類型，子流域被分成多種功能單元。模型中包括了9種面源土地利用種類：水產(chǎn)養(yǎng)殖、蔬菜種植、低地果樹、高地森林、工業(yè)區(qū)、城鎮(zhèn)區(qū)、農(nóng)村地區(qū)、水面、污水處理廠。

1.3.2 子流域和排水網(wǎng)絡(luò)配置

模型將研究區(qū)域劃分為50個子流域，由于區(qū)域河道網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜，因此將模擬輸出歸納為5個虛擬節(jié)點（圖1）。節(jié)點1的輸出代表從高地山區(qū)流出半島北側(cè)的降雨徑流和污染物負荷的集合；節(jié)點3和4代表所有水產(chǎn)養(yǎng)殖塘形成的徑流；節(jié)點2和5代表其余從小河港和運河進入太湖的徑流。

表1 研究區(qū)域土地利用類型面積及比例

1.3.3 模型運行期

模型運行時間為2001-2010年。

1.3.4 降雨徑流生成

本研究項目使用了SIMHYD降雨徑流模型，該模型在濕潤溫和氣候條件下模擬效果較好。

1.3.5 小河港、運河徑流及泵水過程

徑流經(jīng)過小河港與內(nèi)部交錯接連的人工運河進入太湖。當太湖水位漲至3.45 m或更高時水閘關(guān)閉以防止湖水倒灌，同時徑流由4個泵站打入太湖。

1.3.6 氮和磷的生成

對于污染物質(zhì)的生成，選擇了EMC/DWC模型（事件平均濃度/旱季平均濃度）。該模型的表達式為：

日負荷=SF×DWC+QF×EMC

其中：SF——給定日的徑流漫流比例；

QF——給定日的徑流快流比例；

DWC——干旱天氣期間測得的平均污染物濃度（mg/L）；

EMC——暴雨天氣測得的流量權(quán)重平均污染物濃度（mg/L）。

2 模型校核與驗證

2.1 降雨徑流模型校驗

參照當?shù)氐奈墨I數(shù)據(jù)對降雨徑流模型系數(shù)進行了校核，所有的模型徑流系數(shù)與文獻值的差異在5%以內(nèi)（表2）。模型中結(jié)合實際情況，充分考慮了閘泵對徑流的影響。

表2 研究區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型的降雨徑流比例

2.2 營養(yǎng)物生成模型

模型輸入?yún)?shù)的總氮和總磷生成率見表3。

表3 分配到各土地利用類型上的基礎(chǔ)EMC/DWC值mg·L-1

3 模擬結(jié)果

在2001-2010年10年運行期間，東山多年平均徑流量為6150萬m3/a，總氮輸出負荷的多年平均值為270 t/a，總磷負荷多年平均值為22 t/a。具體模型模擬結(jié)果見表4和圖4。

表4 2001-2010年模型模擬結(jié)果

不同土地利用類型徑流量、總氮入湖量、總磷入湖量見圖2。產(chǎn)生年均徑流量最大的是水產(chǎn)養(yǎng)殖塘，約占66%，其次為高地茶果樹。高地茶果樹和水產(chǎn)養(yǎng)殖塘的總氮輸出相近，各占30%～40%。對于總磷，模型顯示大部分總磷負荷來自水產(chǎn)養(yǎng)殖塘。

4 規(guī)劃方案及其結(jié)果

4.1 規(guī)劃方案設(shè)計

根據(jù)當?shù)貙嶋H情況作了3個規(guī)劃方案，見表5。

4.1.1 改進點源管理

模型顯示：將低密度城區(qū)剩余的20%化糞池升級為二級處理設(shè)施，同時將東山污水處理廠納入城市干管，可使進入太湖的年均總氮負荷降低9%，總磷降低13%。此污染削減中的大部分（90%）來自于去除污水處理廠的環(huán)境效應(yīng)。

4.1.2 改進面源管理

在蔬菜種植區(qū)和高地茶果樹種植區(qū)采用改進的農(nóng)業(yè)管理實踐，將使這部分總氮和總磷的年均負荷分別減少9%和2%；而在水產(chǎn)養(yǎng)殖塘區(qū)采用改進的管理實踐，將使這部分總氮和總磷年均負荷分別減少9%和23%。

圖2 徑流及營養(yǎng)物入湖量模擬結(jié)果

表5 情景方案的描述和假設(shè)

因此，在蔬菜區(qū)、高地茶果樹區(qū)和水產(chǎn)養(yǎng)殖塘區(qū)實施行優(yōu)化管理實踐，將使每年東山進入太湖的總氮量減少18%，總磷量減少25%。

4.1.3 大型濕地建設(shè)

在研究區(qū)域南側(cè)建設(shè)大型濕地，覆蓋面積約7 km2。模型顯示，濕地建設(shè)可以削減整個小流域13%的總氮輸出量，削減16%的總磷輸出量。

4.2 模擬結(jié)果

三個規(guī)劃方案的模型結(jié)果見圖3。

圖3 規(guī)劃方案模擬結(jié)果

5 結(jié)論

通過模型模擬流域內(nèi)降雨徑流及營養(yǎng)物產(chǎn)生遷移，得出以下結(jié)論：

（1）在2001-2010年期間，東山小流域內(nèi)多年平均徑流量為6150萬m3/a，總氮輸出負荷的多年平均值為270 t/a，總磷負荷多年平均值為22 t/a。

（2）區(qū)域內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖塘和高地茶果樹種植各自貢獻了30%～40%進入太湖的總氮負荷，45%的總磷來自于水產(chǎn)養(yǎng)殖塘。

（3）三個情景方案的模擬，說明當?shù)丨h(huán)境管理方案可以有效地削減入湖的營養(yǎng)負荷，其中第二個情景方案的削減量最大，總氮和總磷負荷分別削減了18%和25%。

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[2]CHEN YUWEI，F(xiàn)AN CHENGXIN，TEUBNER K,et al.Changes of Nutrients and Phytoplankton Chlorophyll：in a Large Shallow Lake，Taihu，China an 8-year Investigation[J].Hydrobiologia，2003，506/509：273-279.

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The Application of Source IMS Water Quantity and Quality Model into Investigating Nutrient Management Options in Small Watershed Area

Chen Meidan1,Yang Jide1,Li Jun2,Zhu Yuefang3
（1.Suzhou Environment Science Research Institute,Suzhou Jiangsu 215007,China；2.Earth Systems China Environmental&Consulting Co.,Ltd,Shanghai 200120,China；3.Suzhou Environmental Monitoring Center,Suzhou Jiangsu 215004,China）

Using Source IMS water quantity and quality model to simulate rainfall runoff generation and TN and TP nutrients loads in Dongshan Peninsula though 2001-2010.According to the simulation,the average annual runoff was 61500000 m3/a,total nitrogen output load is 270 t/a,total phosphorus load 22 t/a.The aquiculture pond and highland tea fruit is Dongshan area's main nutrient source.Through three scenarios simulation,the local environmental management scheme can effectively reduce the nutrient load into the lake,the second scenarios'reduction is the most,total nitrogen and total phosphorus load respectively by 18%and 25%.

Source IMS；non-point source；pollution load；TN；TP

TV213.4

A

1008-813X（2012）03-0046-04

10.3969/j.issn.1008-813X.2012.03.014

2012-04-12

陳美丹（1981-），女，江蘇常熟人，畢業(yè)于河海大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事水環(huán)境研究和環(huán)境科研工作。