嫩江流域農(nóng)業(yè)面源污染管理及水質(zhì)模型系統(tǒng)集成及應(yīng)用

姚艷玲，張 宇，呂 軍

(松遼水環(huán)境科學研究所，吉林 長春 130021)

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嫩江流域農(nóng)業(yè)面源污染管理及水質(zhì)模型系統(tǒng)集成及應(yīng)用

姚艷玲，張 宇，呂 軍

(松遼水環(huán)境科學研究所，吉林 長春 130021)

嫩江流域；農(nóng)業(yè)面源污染；水質(zhì)模型

嫩江是松花江的北源，發(fā)源于大興安嶺支脈伊勒呼里山中段南側(cè)，縱貫松嫩平原西部，河源至河口全長1 370 km，高差約900 m。嫩江流域位于E119°52′～126°30′、N45°27′～ 51°38′，總面積29.7萬km2，占松花江流域面積的52%[1]。嫩江流域行政區(qū)劃屬黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染問題愈發(fā)嚴重，污染物主要來自農(nóng)田化肥農(nóng)藥施用、水產(chǎn)畜禽養(yǎng)殖和居民生活廢水廢物[2]。農(nóng)業(yè)面源污染的影響主要表現(xiàn)在水體中懸浮物、化學需氧量、總磷、總氮、有機毒物含量增加，溶解氧等指標降低。

1 嫩江流域農(nóng)業(yè)面源污染管理及水質(zhì)模型系統(tǒng)

嫩江流域農(nóng)業(yè)面源污染管理及水質(zhì)模型系統(tǒng)是為嫩江流域主要河道建立的一套完整的MIKE 11水質(zhì)模型系統(tǒng)和水質(zhì)數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)，可為日常水質(zhì)管理及突發(fā)性事故應(yīng)急管理提供服務(wù)。2005年，松遼委完成了嫩江流域污染源普查登記工作，掌握了流域內(nèi)入河排污口及農(nóng)業(yè)面源污染的基本信息，為建立嫩江流域農(nóng)業(yè)面源污染管理及水質(zhì)模型系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1 水質(zhì)模型系統(tǒng)的建立

(1)NAM模型。NAM模型是對流域水文過程的描述，可以模擬單個集水區(qū)，對于大的流域也可以在同一個模型中包含數(shù)個子流域和復雜的河網(wǎng)。本研究將嫩江流域劃分為15個子流域(控制單元)，優(yōu)先控制單元又細分為污染治理單元、風險防范單元和生態(tài)維護單元3種類型。

(2)HD模型。HD模型的建立能夠真實地反映流域水動力情況，為水質(zhì)模擬提供基礎(chǔ)。采用MIKE 11模型系統(tǒng)中的水動力模塊(HD)進行模擬，能方便靈活地模擬各類水工建筑物，可用于水工建筑物眾多、控制調(diào)度復雜的情況。嫩江流域河網(wǎng)復雜、河道眾多，若詳細模擬所有河道，不僅計算費時過多，而且現(xiàn)有測站分布及數(shù)據(jù)情況很難保證模擬的準確性。在充分掌握流域河網(wǎng)詳細的水動力、水文資料的基礎(chǔ)上，以主干河道為基礎(chǔ)，對嫩江流域河網(wǎng)進行合理概化。其一維河網(wǎng)水動力模型的模擬范圍包括嫩江干流及其主要支流綽爾河、諾敏河、洮兒河等。尼爾基水利樞紐作為嫩江干流唯一且至關(guān)重要的控制性骨干工程，在模型中被設(shè)置為閘孔出流型的水工建筑物。

(3)水質(zhì)模型。水質(zhì)模型以其在數(shù)值計算、定量分析等方面的強大功能被認為是解決水環(huán)境問題和控制水污染的有效手段[3]，特別是與NAM模型和HD模型的聯(lián)合運用可提高流域水環(huán)境管理的科學水平。水質(zhì)模型包括AD模型與ECOLAB模型。①AD模型。AD模型以HD模型為基礎(chǔ)，主要有兩個作用：一是作為水污染事故預警預報模擬的核心模型；二是作為ECOLAB模塊的基礎(chǔ)模塊，構(gòu)成常規(guī)水質(zhì)管理模型系統(tǒng)。②ECOLAB模型。ECOLAB模塊與AD模塊耦合運行，通過一系列微分方程組的求解，描述河流水體中各物質(zhì)間的相互作用及其對生態(tài)環(huán)境的影響。本研究采用2012年流域污染源數(shù)據(jù)及模型開邊界處對應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測站2012年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型中的邊界條件進行調(diào)整。水質(zhì)邊界條件以庫漠屯、古城子、碾子山、兩家子、鎮(zhèn)西水質(zhì)監(jiān)測站2012年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)整。

1.2 模型數(shù)據(jù)

農(nóng)業(yè)面源污染負荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古2004年統(tǒng)計年鑒，主要包括耕地、農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖面源污染數(shù)據(jù)等。各模型中，建立NAM模型所需輸入的數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)；建立HD模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括河道地形數(shù)據(jù)、實測水位與流量數(shù)據(jù)、水工建筑物的基本設(shè)計參數(shù)及調(diào)度規(guī)則等；建立AD模型和ECOLAB模型需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為河道水質(zhì)監(jiān)測站的監(jiān)測信息，如水質(zhì)監(jiān)測站的位置，常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測指標及其時間序列數(shù)據(jù)等。

1.3 模型的率定與檢驗

NAM模型具有自動率定的功能。本研究采用1985—1998年實測水文氣象資料進行率定和檢驗。HD模型的率定與檢驗方法是調(diào)整河床糙率值，使模擬值與實測值盡量吻合。調(diào)整后，嫩江流域各河段實際糙率在0.020～0.075之間變動。水質(zhì)模型參數(shù)是水體中各種水質(zhì)反應(yīng)常數(shù)值，根據(jù)排污口普查數(shù)據(jù)率定后的主要水質(zhì)模型參數(shù)值見表1。

表1 水質(zhì)模型參數(shù)取值

基于2003年實測水文資料，對所建立的水質(zhì)模型進行檢驗，選取大安站進行模擬精度分析。從精度評定結(jié)果可以看出，全年模擬平均值與實測平均值的相對誤差在15%以內(nèi)，汛期的相對誤差在20%以內(nèi)，非汛期的相對誤差在10%以內(nèi)，非汛期模擬精度略高于汛期。綜合比較6種污染物指標模擬精度，DO、BOD5模擬精度較高，其全年、汛期、非汛期實測均值與模擬均值相對誤差都在10%以內(nèi)。

2 嫩江流域面源污染及水質(zhì)狀況預測

表2 嫩江流域各控制單元的污染物排放量統(tǒng)計 t

表3 模型預測結(jié)果統(tǒng)計

注：“—”代表未對水質(zhì)目標做出要求。

3 結(jié) 論

[1] 秦紫東.黑龍江省引嫩擴建工程對嫩江干流水環(huán)境影響研究[D].長春:吉林大學,2006：36-75.

[2] 汪雪格,劉洪超,呂軍,等.基于小流域劃分的拉林河流域農(nóng)業(yè)非點源污染物入河量估算[J].中國水土保持,2016(10):65-67.

[3] 于敏.松花江流域水環(huán)境管理系統(tǒng)[D].上海:同濟大學,2008:58-80.

[4] 吉林省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.吉林省地表水功能區(qū)：DB 22/388—2004[S].長春:吉林人民出版社,2004：1-21.

[5] 黑龍江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.黑龍江省地表水功能區(qū)標準：DB 23/T740—2003[S].哈爾濱:黑龍江人民出版社,2004:1-18.

[6] 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳.內(nèi)蒙古自治區(qū)水功能區(qū)劃[R].呼和浩特:內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳,2010:1-198.

(責任編輯 李楊楊)

松花江流域水環(huán)境質(zhì)量預測模擬研究(2012ZX07601002-002)

S157

C

1000-0941(2016)12-0048-03

姚艷玲(1976—)，女，吉林松原市人，高級工程師，碩士，主要從事水資源保護、規(guī)劃編制方面的工作。

2016-09-01