基于多耦合模型的盛橋河流域水環(huán)境模擬研究

薛樹紅，李 明，吳 巍，呂家瓏，馬 勃，周曉平，姚普靜，楊 霄

(1中國電建集團 西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安710065；2西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安710048；3西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌712100)

近年來，我國大江大河流域水生態(tài)環(huán)境仍然面臨著空前的壓力。根據(jù)《2018年中國生態(tài)環(huán)境公報》，全國地表水水質(zhì)斷面中Ⅳ類及以下占比高達29%，地下水水質(zhì)監(jiān)測點位中較差級及以下占比超過86%[1-2]。流域水環(huán)境問題呈現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)性與復雜性，規(guī)避傳統(tǒng)水環(huán)境治理局部化、線性化思路，以流域為單元，實現(xiàn)水-陸統(tǒng)籌解析成為水環(huán)境量化管理和精準決策的根本前提[3-4]。

作為流域水環(huán)境污染解析與預測的重要手段，基于數(shù)值模型的流域水環(huán)境過程模擬及其應用成為相關研究的一大熱點。目前，根據(jù)模擬對象,水環(huán)境模型可分為地表水環(huán)境模型與非點源污染模型[5]，這些水文、水動力以及水質(zhì)模型最早多源于歐美國家。地表水環(huán)境模型主要用于模擬水流、泥沙、污染物質(zhì)在河流、湖泊等地表水體中的運動過程，最具代表性的有美國EFDC(environmental fluid dynamics code)模型、WASP(water quality analysis simulation program)模型與荷蘭Deft 3D模型等，而SWAT(soil and water assessment tool)模型、HSPF(hydrological simulation program-fortran)模型、SWMM(storm water management model)模型等非點源污染模型在模擬陸面徑流、污染物產(chǎn)生與輸移過程方面應用較多[6-8]。國內(nèi)外學者針對流域水環(huán)境模擬與應用進行了大量研究。Lee等[9]利用HSPF模型和SWMM模型在小流域進行非點源污染試驗，結果表明SWMM模型更適用于小尺度區(qū)域。Moses等[10]利用WASP模型對印度某典型熱帶湖泊的水質(zhì)水生態(tài)日變化過程進行研究，表明降雨徑流對湖泊水質(zhì)有著重要的影響。范麗麗等[11]運用SWAT模型研究了大寧河流域年內(nèi)不同時期降雨-徑流與氮污染入河負荷的關系，為流域非點源污染控制提供了依據(jù)。趙磊等[12]基于SWMM模型對明通河流域進行了降雨徑流模擬，得到了雨水徑流中總磷、化學需氧量的單位面積污染負荷，并指出城市降雨徑流污染在流域污染中占有較大份額。李一平等[13]運用EFDC模型建立了長潭水庫水環(huán)境水生態(tài)數(shù)學模型，模擬了水庫在現(xiàn)狀污染負荷下的藻類生長情況，分析了枯水年水庫富營養(yǎng)化改善程度對不同流域污染削減方案的響應關系。但這些研究多是建立單一地表水環(huán)境模型或流域非點源污染模型，分別模擬流域出口的水文要素、營養(yǎng)負荷及其在地表水體中的遷移轉換過程等，割裂了流域水-陸水文水質(zhì)響應過程，集水-陸解析、響應與預測于一體的多耦合水環(huán)境模型仍鮮有應用[14]。

巢湖是我國五大淡水湖之一，隨著環(huán)巢社會經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)建設和農(nóng)業(yè)用地大幅擴增，非點源與點源污染導致巢湖及環(huán)巢支流水質(zhì)污染以及富營養(yǎng)化問題日益凸顯[15]。本研究以環(huán)巢小流域盛橋河流域為例，耦合降雨徑流水文模型(NAM)、改進的非點源簡易模型(PLOAD)與河道水動力水質(zhì)模型(MIKE11)，構建流域水文-水動力-水質(zhì)多耦合水環(huán)境模型，對不同水文年陸域污染負荷空間分布規(guī)律進行解析，對污染入河與河道水質(zhì)響應全過程進行模擬，以期建立基于情景模擬的流域水環(huán)境綜合治理效果預測方法，進而為流域水環(huán)境綜合治理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

盛橋河位于合肥市廬江縣境內(nèi)，是環(huán)巢支流兆河一級支流，控制流域面積79 km2。流域多年平均降雨1 200 mm，3-9月降雨量占全年水量的85%以上。流域內(nèi)多為丘陵與平原圩區(qū)，坑塘水系密布，地勢西高東低，盛橋河自西南流向東北，全長33.4 km。流域上游散布林地及部分農(nóng)田，中游為盛橋鎮(zhèn)區(qū)，下游段有七里、盛橋兩大農(nóng)業(yè)圩區(qū)。盛橋河水環(huán)境治理是巢湖生態(tài)修復的重要任務之一，按照地表水功能區(qū)劃與兆河水質(zhì)管理要求，水質(zhì)須達到地表Ⅲ類水標準。近年來，隨著人口增長和社會經(jīng)濟發(fā)展，盛橋河沿線接納了大量的農(nóng)田徑流、畜禽養(yǎng)殖與城鎮(zhèn)雨水等非點源污染，農(nóng)村與城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活污、廢水散排，導致水質(zhì)持續(xù)惡化，下游段水質(zhì)常年為Ⅳ類，水質(zhì)超標因子為NH3-N與TP。研究區(qū)地理位置見圖1。

圖1 盛橋河流域的地理位置Fig.1 Location of the Shengqiao River Basin

2 模型與方法

2.1 計算原理

在流域水環(huán)境系統(tǒng)模型中，降雨徑流水文模型(NAM)與改進的非點源簡易模型(PLOAD)作為陸域非點源污染模型，可為河道水動力水質(zhì)模型(MIKE11)提供邊界。各子模型計算原理如下。

(1)降雨徑流水文模型(NAM)。NAM模型通過計算流域地表儲水層、土壤或根區(qū)儲水層以及地下水儲水層等物理單元含水量來模擬產(chǎn)匯流過程，輸出坡面流、壤中流、基流等水文循環(huán)信息[16]。

地表儲水層坡面流流量QOF可表示為：

(1)

式中：CQOF為坡面流系數(shù)；L為根區(qū)含水量，mm；Lmax為根區(qū)儲水層最大含水量，mm；TOF為坡面流的根區(qū)土壤含水率臨界值；PN為凈降雨量，mm/d。

地表儲水層壤中流流量QIF可表示為：

(2)

式中：CKIF為壤中流匯水常數(shù)，h；TIF為壤中流的根區(qū)土壤含水率閾值；U為地表儲水層的含水量，mm。

根區(qū)儲水層含水率的變化與地表儲水層坡面流和地下水交換量有關。根區(qū)儲水層含水率變化DL可表示為：

DL=(PN-QOF)-G。

(3)

式中：G為地下水交換量，mm。

地下水儲水層供水形成的基流流量QBF可表示為：

(4)

式中：LBF0為基流產(chǎn)流臨界水深，m；LGW為地下水埋深，m；Sy為基流產(chǎn)流系數(shù)；CKBF為基流時間常數(shù)，h。

(2)改進的非點源簡易模型(PLOAD)。PLOAD模型由美國CH2M HILL水資源工程小組開發(fā)，其根據(jù)土地利用類型及其產(chǎn)污的平均質(zhì)量濃度(EMC)計算流域非點源污染負荷[17-18]。本研究對PLOAD流域徑流計算方法進行改進，即由NAM水文過程取代PLOAD固定徑流系數(shù)，刻畫污染物隨坡面流、壤中流與基流的入河過程。

改進后公式為：

LP=∑U(QOF×CUQOF+QIF×CUQIF+

QBF×CUBF)。

(5)

式中：LP為各土地利用類型的污染負荷，kg；CUQOF、CUQIF與CUBF分別為各土地利用坡面流、壤中流與基流產(chǎn)污的平均質(zhì)量濃度(EMC)，mg/L。

(3)河道水動力水質(zhì)模型(MIKE11)。MIKE11是基于垂向積分的質(zhì)量和動量守恒方程，即由一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流的水流狀態(tài)[19]。其水動力表達式為：

式中：A為過水面積，m2；Q為流量，m3/s；t為時間，s；x為沿水流方向的水平坐標，m；q為河道的側向來流量，m3/s；α為動量修正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；y為水位，m；Sf為摩阻坡降；v為側向流在河道方向的流速，m/s。

MIKE11應用對流擴散方程對可溶性物質(zhì)進行計算，表達式為：

(7)

式中：C為污染物的質(zhì)量濃度，mg/L；u為河流平均流速，m/s；Ex為對流擴散系數(shù)；K為污染物一級衰減系數(shù)。

2.2 模型構建

2.2.1 非點源污染模型 為準確反映流域下墊面特征及其污染輸出負荷的空間差異，本研究基于1∶1 000流域地形與渠系分布數(shù)據(jù)，通過ArcGIS水文分析劃分盛橋河流域產(chǎn)流單元11個，并根據(jù)坡度與坡向確定了單元與水系的鏈接關系。鑒于單元水文參數(shù)獲取較為困難，本次研究中非點源模型水文參數(shù)參考NAM模型推薦值，并耦合一維河道水動力模型聯(lián)合率定[20-21]。

徑流污染的平均質(zhì)量濃度(EMC)是PLOAD模型計算流域非點源污染負荷的重要參數(shù)，國內(nèi)外學者對流域徑流污染的平均質(zhì)量濃度進行了大量的監(jiān)測與研究工作。本研究通過盛橋河流域正射影像監(jiān)督分類，將該流域土地利用類型劃分為農(nóng)用地、自然保留地、坑塘水域和建設用地4大類，各類面積比例分別為64.8%,4.1%,14.0%和17.1%，其典型地塊的徑流污染的平均質(zhì)量濃度(EMC)參考安徽農(nóng)業(yè)科學院[22]、安徽大學[23]和南京大學[24]等在長江中下游的研究成果和研究區(qū)多場次徑流水質(zhì)監(jiān)測成果確定，具體見表1。盛橋河流域產(chǎn)流單元的徑流污染平均質(zhì)量濃度取單元內(nèi)地塊EMC的面積加權平均質(zhì)量濃度。

表1 盛橋河流域典型地塊徑流污染的平均質(zhì)量濃度Table 1 Average runoff pollution concentration of typical land use types in the Shengqiao River Basin

2.2.2 河道水動力水質(zhì)模型 河道水動力水質(zhì)模型搭建的環(huán)節(jié)主要包括河網(wǎng)數(shù)字化與模型邊界定義。河道沿程源或匯作為模型內(nèi)邊界，在模擬中有平衡水量和水質(zhì)的作用。本研究對盛橋河流域河道水動力水質(zhì)模型內(nèi)邊界作如下概化：大流量農(nóng)村污水、污水直排口和污水廠尾水等具有明顯匯流特性的污染源，在模型中以點源形式鏈接河道；而農(nóng)村散排污水、城鎮(zhèn)未納管生活污水以及畜禽散養(yǎng)殖廢棄物等具有無組織特性的污染源，以分布源形式進入河道，其他農(nóng)田與城鎮(zhèn)徑流等非點源污染負荷通過NAM水文過程進入河道。模型外邊界選盛橋河流域出口水位、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。表2為盛橋河流域入河污染負荷調(diào)研統(tǒng)計結果，表中城鎮(zhèn)生活源、企業(yè)服務業(yè)、農(nóng)村污水、污水廠尾水和養(yǎng)殖廢水等污染負荷根據(jù)第一次全國污染源普查工作手冊與實地監(jiān)測確定，并假設其在不同水文年入河負荷保持不變，而農(nóng)業(yè)與城鎮(zhèn)等非點源污染負荷由非點源污染模型模擬給出。

表2 盛橋河流域點源污染入河負荷Table 2 Point source pollution loads into river in the Shengqiao River Basin t/年

盛橋河流域經(jīng)過概化，形成“五支(塅咀渠、廟崗河、蒲塘渠、小長河和中心溝)一干”11個產(chǎn)流單元、15座水壩、32個點源和11個降雨驅動分布源。盛橋河流域水環(huán)境模型的產(chǎn)流單元見圖2。

圖2 盛橋河流域水環(huán)境模型的產(chǎn)流單元Fig.2 Runoff units of water environment model of the Shengqiao River Basin

2.3 模型率定及驗證

利用盛橋河實測流量數(shù)據(jù)對模型水文、水動力部分進行率定與驗證。模型設置2014年5月-2015年5月為預熱期，將2015年5月-2016年6月作為參數(shù)率定期，率定時間步長為“天(d)”，基于初始參數(shù)反復調(diào)參試算，盡可能使模擬值接近實測值。盛橋河流域水環(huán)境模型的流量率定過程見圖3，率定期河道流量變化趨勢符合流域降雨產(chǎn)匯流規(guī)律，模擬值與實測值有較好的擬合效果，平均相對誤差(MRE)為14.64%，決定系數(shù)R2為0.989。

圖3 盛橋河流域水環(huán)境模型的流量率定過程Fig.3 Flow calibration process of water environment model for the Shengqiao River Basin

利用率定校準后參數(shù)，選取2016-06-15-2016-07-15實測日流量序列進行驗證，盛橋河流域水環(huán)境模型的流量驗證過程見圖4。由圖4可見，2016-07-02盛橋河日降雨量達311 mm，持續(xù)暴雨導致中下游發(fā)生嚴重洪澇災害。經(jīng)分析，本次盛橋河流域水環(huán)境模型流量模擬值與實測值的平均相對誤差(MRE)為8.36%，決定系數(shù)R2為0.988，滿足模型應用的誤差要求。

圖4 盛橋河流域水環(huán)境模型的流量驗證過程(2016年)Fig.4 Flow verification process of water environment model for the Shengqiao River Basin(2016)

鑒于水質(zhì)資料有限，本研究采用2016-06-15-2016-07-15水質(zhì)日監(jiān)測數(shù)據(jù)進行率定和驗證，率定期盛橋河流域NH3-N和TP的模擬值與實測值的擬合效果見圖5。

圖5 率定期盛橋河流域NH3-N及TP模擬值和實測值的比較Fig.5 Comparison of simulated and measured NH3-N and TP values in calibration period of the Shengqiao River Basin

由圖5可見，NH3-N、TP模擬值與實測值的決定系數(shù)R2分別為0.976 3和0.966 2，NH3-N模擬的平均相對誤差(MRE)、納什系數(shù)(Ens)分別為2.02%，0.987，TP模擬的平均相對誤差(MRE)、納什系數(shù)(Ens)分別為1.17%，0.961。模型滿足MRE≤10%，Ens≥0.60的適用性模擬要求[25]，流域水環(huán)境模型模擬效果較為滿意。

模型水文、水動力與水質(zhì)參數(shù)取值見表3。陸域單元水文參數(shù)因下墊面與土壤分異取值有所區(qū)別，河道上游天然河段糙率取值低于下游人工段[26]，降解系數(shù)結合河道水力特性和參數(shù)率定分段取值。

表3 盛橋河流域水環(huán)境模型驗證后的參數(shù)取值Table 3 Parameters after verification of water environment model for the Shengqiao River Basin

3 模型應用

3.1 計算條件

選取典型豐(P=75%)、平(P=50%)、枯(P=25%)水年，模擬解析不同水文年盛橋河流域陸域污染入河負荷以及河道水質(zhì)對降雨徑流的響應規(guī)律，并基于最不利水文年(枯水年)，預測盛橋河流域城鎮(zhèn)截污納管、農(nóng)村污水處理、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖整治、非點源污染管理及其組合措施的實施效果。盛橋河流域水環(huán)境模型的模擬情景見表4。

表4 盛橋河流域水環(huán)境模型的模擬情景Table 4 Simulation scenarios of water environment model for the Shengqiao River Basin

3.2 模擬結果分析

3.2.1 陸域污染源解析 表5為盛橋河流域不同水文年陸域產(chǎn)流單元的非點源NH3-N與TP的入河污染負荷。由表5可見，豐、平、枯水年盛橋河流域NH3-N入河污染負荷分別為88.23，42.81和35.45 t/年，TP入河污染負荷分別為7.53，3.65和3.24 t/年。受降雨徑流的影響，不同水文年流域NH3-N與TP入河污染負荷明顯不同，總體呈現(xiàn)出豐水年>平水年>枯水年的趨勢；同一水文年，下游#11單元因存在兩大農(nóng)業(yè)聯(lián)圩，入河污染負荷最大，#7單元入河污染負荷次之，#4單元入河污染負荷最小。

表5 盛橋河流域不同水文年陸域產(chǎn)流單元的非點源污染負荷Table 5 Non-point source pollution load of runoff units in the Shengqiao River Basin under different hydrological years t/年

綜合盛橋河流域點、非點源入河污染負荷分析可知，豐、平、枯水年NH3-N非點源污染負荷占比分別為70%，54%和50%；TP非點源污染負荷占比分別為51%，35%和33%，總體呈現(xiàn)年降雨量越大，非點源入河污染負荷占比越大；年降雨量越小，城鎮(zhèn)生活源、農(nóng)村污水、企業(yè)服務業(yè)、污水廠尾水等生產(chǎn)生活污水、廢水等點源的入河污染負荷占比越大。

3.2.2 河道水質(zhì)響應解析 以典型枯水年為例，盛橋河河道NH3-N及TP月均質(zhì)量濃度對月降雨量的響應過程見圖6。結合圖6分析可知，受城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活點源及農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)非點源污染的疊加影響，河道水質(zhì)對降雨徑流的響應較為敏感，非汛期(10月至次年2月)農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)非點源污染入河負荷雖小，但低流量河道自凈與稀釋能力有限，城鎮(zhèn)污水散排和管網(wǎng)溢流導致河道水質(zhì)超標，11月NH3-N與TP最大超標倍數(shù)分別為1.42和0.90；汛期(3-9月)降雨超過某一臨界值時，河道流量雖然增大，但農(nóng)田徑流的輸入開始占主導地位，河道水質(zhì)出現(xiàn)惡化，以9月為例，NH3-N和TP超標倍數(shù)分別為1.02和0.45。盛橋河NH3-N和TP質(zhì)量濃度與流量的關系見圖7。

圖6 盛橋河NH3-N和TP質(zhì)量濃度對降雨的響應Fig.6 Response of NH3-N and TP concentrations in the Shengqiao River to rainfall

圖7 盛橋河NH3-N和TP質(zhì)量濃度與流量的關系Fig.7 Relationship of NH3-N and TP concentrations and flow in the Shengqiao River

由圖7可以看出，典型枯水年盛橋河河道流量與NH3-N及TP質(zhì)量濃度擬合曲線的決定系數(shù)R2分別為0.75和0.84，低流量(0～0.52 m3/s)內(nèi)流量越大水質(zhì)越好；當河道流量大于0.52 m3/s時，流量增大，水質(zhì)并未出現(xiàn)明顯好轉，NH3-N質(zhì)量濃度反而升高，這與圖6中流域降雨和水質(zhì)響應規(guī)律基本一致。綜上分析，流域生產(chǎn)生活污水、廢水排放與降雨徑流非點源輸出是盛橋河水質(zhì)超標的主要原因。

3.2.3 水環(huán)境治理預測 圖8為最不利水文年(枯水年)6種模擬情景下盛橋河流域NH3-N和TP污染的水質(zhì)空間分布圖。由圖8可以看出，無措施(情景1)條件下盛橋河流域上游水質(zhì)優(yōu)于下游；受污水、廢水、雨污混流和非點源污染的影響，中心溝支流、干流鎮(zhèn)區(qū)段及其下游水質(zhì)較差；#8單元位于鎮(zhèn)村結合部，城市和農(nóng)田非點源以及污水、廢水點源導致小長河水質(zhì)污染最為嚴重，局部河段為劣Ⅴ類水；#4單元開發(fā)強度低，所涉匯水面積小，支流水質(zhì)可達到Ⅲ類水質(zhì)標準。與情景1相比，情景2(鎮(zhèn)區(qū)截污納管)有效改善了中心溝、盛橋河鎮(zhèn)區(qū)段及下游的水質(zhì)；情景3(農(nóng)村污水處理)河道沿程NH3-N與TP質(zhì)量濃度均有不同程度的降低，小長河水質(zhì)改善效果尤為明顯，局部水質(zhì)由劣Ⅴ類降至Ⅳ類；情景4(畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖整治)表明畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖整治對盛橋河水質(zhì)的改善效果相對較差，而非點源污染管理(情景5)情形下，盛橋河全段水質(zhì)明顯提升，尤其是在下游農(nóng)業(yè)圩區(qū)段。

圖8 枯水年6種模擬情景下盛橋河流域NH3-N和TP質(zhì)量濃度的空間分布Fig.8 Distribution of NH3-N and TP concentrations under six simulation scenarios in the Shengqiao River Basin

綜合以上情景分析可知，單項管理措施實施后，盛橋河全段NH3-N與TP的質(zhì)量濃度未能滿足地表Ⅲ類水標準要求，而情景6(多措施組合)表明，經(jīng)過多措施綜合治理后，在水環(huán)境不利水文年(枯水年)盛橋河水質(zhì)仍可達到地表Ⅲ類水標準。圖9為綜合治理前后盛橋河流域出口斷面NH3-N和TP質(zhì)量濃度的對比。由圖9可見，治理前盛橋河流域出口全年NH3-N月均質(zhì)量濃度均高于地表Ⅲ類水標準限值；非汛期(10月至次年2月)與6月，TP質(zhì)量濃度高于地表Ⅲ類水標準限值，經(jīng)過流域水環(huán)境綜合治理后，NH3-N月年均質(zhì)量濃度為0.65～0.91 mg/L，TP月均質(zhì)量濃度為0.12～0.18 mg/L，均低于地表Ⅲ類水標準限值。

圖9 綜合治理前后盛橋河流域出口斷面NH3-N和TP質(zhì)量濃度的對比Fig.9 Comparison of NH3-N and TP concentrations at the Shengqiao River Basin outlet before and after comprehensive treatments

4 結論與展望

以盛橋河流域為例，通過建立流域陸域-水體全過程多耦合水環(huán)境系統(tǒng)模型，對無管理措施陸域污染入河負荷與枯水年河道水質(zhì)響應規(guī)律進行了解析；應用情景模擬法，基于最不利水文年(枯水年)對水環(huán)境管理措施進行了效果評估，本研究可得到以下幾點結論。

1)典型豐、平、枯水年，盛橋河流域NH3-N入河污染負荷分別為88.23，42.81和35.45 t/年，TP入河污染負荷分別為7.53，3.65和3.24 t/年，年降雨量越大，非點源污染入河負荷占比越大；受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的干擾，不同水文年下游#11單元非點源入河污染負荷最大。

2)最不利水文年(枯水年)盛橋河流域河道NH3-N與TP質(zhì)量濃度均有超標現(xiàn)象，汛期和非汛期水質(zhì)超標主導因素分別為非點源和點源；受點源與非點源污染的疊加影響，河道流量與水質(zhì)有較強相關性，在低流量區(qū)間內(nèi)隨著流量的增大水質(zhì)趨于好轉；當流量大于0.52 m3/s時，TP質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定，NH3-N質(zhì)量濃度升高。

3)經(jīng)模擬預測，城鎮(zhèn)截污納管、農(nóng)村污水處理、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖整治、非點源污染管理等措施均可不同程度地改善盛橋河流域局部河段的水質(zhì)，多措施綜合治理后，流域出口水質(zhì)全年穩(wěn)定可達地表Ⅲ類水標準。

4)所構建的流域水文、水動力與水質(zhì)多耦合水環(huán)境模型具有較好的可靠性，可用于類似流域水環(huán)境污染解析與響應預測。流域水環(huán)境問題是系統(tǒng)問題，只有水-陸統(tǒng)籌、點-面兼治方可有效改善流域水環(huán)境質(zhì)量。