基于BASINS 模型系統(tǒng)的青龍河流域水質模擬

楊 旭

(河北省承德水文勘測研究中心，河北 承德 067000)

1 流域概況

青龍河屬于海河流域，是灤河流域的主要支流之一，流域發(fā)源于燕山山脈， 范圍包括河北省秦皇島市至遼寧省凌源市。流域下游的桃林口水庫是“八五”“九五”期間水利部、河北省的重點建設項目[1]。引灤濟津工程成功為天津調水后，為解決灤河中下游地區(qū)的用水困難問題，建立了桃林口水庫，旨在開發(fā)灤河中下游水資源，主要為秦皇島和唐山供給生活、工業(yè)和農業(yè)用水。

2 數(shù)據(jù)及模型介紹

2.1 數(shù)據(jù)信息

文章列出了 BASINS/HSPF 模型需要的前期基礎數(shù)據(jù)，包括地形數(shù)據(jù)、土地利用、河網(wǎng)數(shù)據(jù)和氣象水文數(shù)據(jù)建立BASINS 模型所需的數(shù)據(jù)庫準備完成，見表1所示。除此以外，本章還列出了模型模擬需要的流域實測數(shù)據(jù)及其來源，為模型運行、校準和驗證過程做好了準備工作[2]。

表1 BASINS 數(shù)據(jù)庫

2.2 模型簡介及模擬過程

BASINS(Better Assessment Science Integrating Point and Non-point Sources)是由美國環(huán)保局(EPA)開發(fā)的，以物理過程為基礎的、面向流域的多功能綜合水質分析系統(tǒng)，它使用了Windows環(huán)境和Map Window GIS 作為集成框架，主要用于流域的水文和水質分析，并能夠生成流域特征報告[3]。HSPF模型提供的是一個交互式界面，可以創(chuàng)建HSPF輸入序列或修改現(xiàn)有HSPF輸入序列，基于uci文件，模型還可以從內部運行與修改程序。HSPF模型將空間分布的物理屬性與水文響應單元(HRU)相結合，每一個單元與氣象輸入數(shù)據(jù)(如降雨、潛在蒸發(fā)和溫度)以及儲存能力因素(如坡面截留和土壤儲存)響應，以統(tǒng)一的方式輸出。

3 模擬過程及結果

3.1 水溫模擬

流域水質模擬的對象為總氮、總磷、氨氮和 BOD，在模擬污染物之前，首先需要完成泥沙和水溫的模擬，泥沙和水溫不僅可作為污染物，同時也對其它水質成分的遷移變化有顯著的影響[4]。水溫模塊計算輸出選擇HTRCH:TW。為了校準溫度，需要調整的參數(shù)包括PSTEMP(ASLT、BSLT、ULTP1、ULTP2)、IWTGAS(AWTF、BWTF)和 RCHERS等，相對河道中的水流來說，表層流的流量很小， 坡面流的溫度能夠很快與渠道中水流的溫度達到動力平衡，不會影響到渠道中水流的溫度[46]，因此比較重要的參數(shù)主要是 RCHERS 中的 KATRAD、KCOND、KEVAP和CFSAEX。CFSAEX 與太陽輻射有關，KATRAD 是長波輻射系數(shù)，KCOND 與溫度的傳輸過程有關，KEVAP 是蒸發(fā)系數(shù)。水溫模擬結果如圖2所示，研究流域可以獲取的實測水溫數(shù)據(jù)為2010年，對比結果見圖3，整體趨勢較為接近。

圖1 模型運行圖

圖2 水溫模擬結果

圖3 2010年研究流域水溫模擬與實測對比結果

3.2 泥沙模擬

泥沙是地表沖刷過程中流失的最為常見的污染物質，泥沙不僅可能淤積河道，也可能由于淤積而導致水庫庫容減小。同時，泥沙在輸移過程中還會傳輸、攜帶營養(yǎng)物質與有毒物質，因此，泥沙的模擬也是后續(xù)污染物模擬的基礎。

模型運行之后，在 GenScn 中查看模擬結果，并進行泥沙校準。實測數(shù)據(jù)包括桃林口流域多年平均侵蝕模數(shù)和徑流小區(qū)侵蝕模數(shù)，對比侵蝕模數(shù)與所有分割單元上SOSED(坡面流沖刷沉積物與土壤總量)和SOSLD(不透水地面地表徑流沖刷量)兩項總和以評判模擬效果[5]。

泥沙參數(shù)調整的思路以模型運算過程為依據(jù)，分透水地面、不透水地面和水體進行。分析研究流域內的土地利用面積，透水地面耕地、樹林與草地為主要類型，分別占總土地面積的 45.84%、50.79%和2.99%。研究流域按大暖泉各徑流小區(qū)實測了泥沙的侵蝕模數(shù)，根據(jù)徑流小區(qū)的坡度和植被分布特征，選擇編號為4的對應草地類型，XQ6 和 XQ9 分別對應耕地與樹林，如表2所示。

表2 徑流小區(qū)對應土地類型

首先調整透水地面的有關參數(shù)，設置城市和水體的泥沙輸出量為 0，分別假設透水地面均為耕地、樹林和草地，在土地編輯器中調整各土地類型面積，見圖4。統(tǒng)一設置透水地面的所有參數(shù)，與對應徑流小區(qū)2012年的泥沙侵蝕模數(shù)對比。

圖4 HSPF 模型中土地編輯窗口

校準過程中發(fā)現(xiàn)，對青龍河流域而言，KGER和JGER兩個參數(shù)對三種土地類型的泥沙輸出結果影響較為明顯，樹林的泥沙模擬結果還受參數(shù)KRER和MON-COVER 表影響。與三個徑流小區(qū)的擬合誤差較小后，接著進行不透水地面與水體的參數(shù)調整，使整體泥沙輸出量與多年平均侵蝕模數(shù)對比，得到較為滿意的模擬結果。泥沙校準結果如表3所示，總誤差為-1.176%，模擬效果較理想。

表3 泥沙校準結果評價

圖5反映了1957-2013年間每年的泥沙輸出量，從中看出，泥沙輸出的年際變化懸殊。產沙量最高的類型為 P101、P105、P107 和 P112，均為土地利用中的耕地類型，說明即耕地對水體中泥沙含量貢獻最大。由于泥沙實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的不足，此處只能做到較為粗糙的模擬，但從總量與分類的模擬結果來看，泥沙的參數(shù)校準有一定的可靠性。如果在更多實測數(shù)據(jù)的條件下，可以進行 SLDS(不透水地面地表沉積物儲量)和 DETS(可剝離的潛在沉積物儲量)圖形的描繪，來比較泥沙沖刷的細節(jié)部分，提高模擬精度。

圖5 1957年—2013年研究流域年均泥沙輸出量

3.3 污染物模擬

1)污染物模擬

研究流域水質模擬包括點源污染與非點源源污染兩部分，模擬的水質成分包括BOD、總氮、氨氮和總磷，見圖6。點源污染主要考慮青龍滿族自治縣滿源水處理有限公司的污染負荷數(shù)據(jù)，污染物數(shù)據(jù)來自2012年-2014年《污水處理廠國控企業(yè)主要污染物監(jiān)督性監(jiān)測結果》。青龍縣滿源污水處理廠于2010年6月28日正式投入使用，因此點源污染數(shù)據(jù)從該日起開始輸入。在HSPF模型界面輸入點源污染，如圖7 所示，需要設定污染源排放的位置、污染物類型及日負荷量等。根據(jù)地理位置，設置點源在編號為15的河段(即南河)，輸入4種污染物類型，分別為總氮、總磷、氨氮和BOD。由于COD在沿途過程中的衰減主要是 BOD 物質的衰減，同時根據(jù)桃林口水庫多年的水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，BOD 是 COD 的主要組成，故此處可應用 BOD替代COD。

圖6 選擇目標輸出水質成分

圖7 在 HSPF 模型中輸入點源污染

青龍河流域內面污染源以殘留農藥、化肥為主，農藥平均為9.6kg/hm2，化肥平均為544.5kg/hm2。生活污染包括生活污水排放、生活垃圾露天堆置等，根據(jù)研究流域人口數(shù)量，參考國家環(huán)保局確定的污染源調查參數(shù)，選擇“污染人均產物系數(shù)法”進行估算[51]，其中BOD參照CODcr，取值為16.4g/head·d,總氮負荷量為5.0 g/head·d，總磷取0.44 g/head·d，氨氮取4.0g/head·d，調查研究流域的人口數(shù)量，估計四種污染物的非點源污染負荷量。

參數(shù)在污染物的模擬中至關重要，參數(shù)值的選取主要考慮兩方面：首先根據(jù)參數(shù)說明和經驗值輸入初始參數(shù)，而后根據(jù)模擬結果與實測的對比進行調整。這些參數(shù)決定了污染物模擬的方法、水體或泥沙中輸移量以及初始儲量等相關信息。在 HSPF 模型中，PQUAL 和 IQUAL 實現(xiàn)水質組分的輸入有兩種方法，分別為一階消解速率法和潛在因素法[52]。由于磷吸附在泥沙中，且其遷移轉化過程與泥沙有密切關系，因此本研究選擇潛在因素法，其它污染物均采用一階消解速率法.

2)污染物模擬校準

用于校準水質模擬的數(shù)據(jù)為桃林口水庫2012年監(jiān)測水質數(shù)據(jù)，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)一年只有 7 組，因此校準的目標主要為一年中水質變化的趨勢。將點源與非點源污染數(shù)據(jù)輸入模型后，初步模擬結果與實測之間的偏差通過調整每月變化的參數(shù)來減小。對BOD、氮和氨氮，參數(shù)包括水質成分在地表徑流、壤中流和地下水中的每月分配，磷吸附在泥沙中，因此影響磷的參數(shù)主要在泥沙吸附、壤中流和地下水中的每月分配。

圖8-圖11為2012年流域內四種污染負荷模擬值與實測值的比較。從對比情況來看，模型基本能夠模擬出四種水質成分的變化趨勢，擬合程度較好，模擬數(shù)據(jù)的平均值與實測數(shù)據(jù)也較為接近。其中BOD模擬值偏大，由于資料的局限性，計算BOD非點源污染時選用的是國家環(huán)保局確定的太湖流域污染源調查參數(shù)，與研究流域實際情況有一定出入，就平均值而言，模擬值全年平均為2.72，實測數(shù)據(jù)平均值為2.33，認為誤差在可接受范圍之內。

圖8 桃林口水庫總氮模擬值與實測值比較

圖9 桃林口水庫氨氮模擬值與實測值比較

圖10 桃林口水庫總磷模擬值與實測值比較

圖11 桃林口水庫 BOD 模擬值與實測值比較

3)結果分析

污染物模擬的結果沒有采用水文模型中的Nash效率系數(shù)與集對分析等方法，這是因為實測水質成分的數(shù)據(jù)一年只有7組，缺少連續(xù)時間序列，采用以上兩種方法分析沒有效果。但就總體效果而言，污染物模擬整體趨勢與實測數(shù)據(jù)吻合，流域出口輸出污染物總量見表4。在校準全年變化趨勢的情況下，污染物模擬存在一定誤差。由于在物理、化學和生物的綜合作用下，污染物在多種環(huán)境介質之間實際遷移轉化過程比較復雜，模擬時僅考慮了部分主要的過程，且模型本身對污染物的遷移作了近似假設。其次，對模型參數(shù)的調整局限于研究者的認知，與流域實際情況可能有所差異，許多參數(shù)的隨機性給模型的結果帶來了不確定性；最后，模擬結果的誤差還來自于前期泥沙和水溫模擬過程中的不確定性和誤差累積。

根據(jù)表4，在4種水質成分中，總磷輸出量最小，為污染最輕的成分，總氮在該流域是主要的污染成分，BOD次之。氨氮數(shù)值較小，由此可知流域污染物中氮主要以硝態(tài)氮以及其它形式存在。在流域污染負荷輸出總量中，非點源污染占比例均在97%以上，說明在青龍河流域，非點源污染起主要控制作用，因此，該流域的限制納污應以非點源污染為削減對象。

表4 研究流域污染輸出總量

受經濟社會狀況、土地類型等因素影響，水體中的污染負荷量在不同子流域的分布有較大的差異?？偟虰OD在子流域15、20和22上的產量明顯大于其它子流域， 氨氮的產量在子流域14和15較大，流域20和22的氨氮分布最少，說明在這兩個流域上的氮主要以硝態(tài)氮的形式存在，總磷的數(shù)值整體較小，其在子流域15的突出變化說明滿源污水處理廠排出的點源污染對該流域的總磷污染起主要控制作用。

圖13 4種水質成分在流域的空間分布

4 結 論

以青龍河流域的水文模型為基礎，建立了水質模型，按水溫、泥沙和污染物的順序分別進行了模擬與校準。水溫模擬結果與 2010 年實測水溫數(shù)據(jù)進行對比，泥沙的校準數(shù)據(jù)為 2012 年流域侵蝕模數(shù)和大暖泉徑流小區(qū)的侵蝕模數(shù)。根據(jù)徑流小區(qū)的數(shù)據(jù)，首先對流域內透水地面的泥沙參數(shù)進行了率定，然后校準不透水地面和水體的參數(shù)，與總侵蝕模數(shù)比較。泥沙總量擬合效果好，耕地類型對泥沙負荷的貢獻量最大。污染物的輸出目標是總氮、氨氮、總磷和 BOD，對四種水質成分進行點源和非點源污染模擬，輸出結果與桃林口水庫入庫水質監(jiān)測數(shù)據(jù)比較，總體趨勢吻合程度較好。