烏梁素海流域水環(huán)境精準(zhǔn)治理決策模型的建立與應(yīng)用

馮湘云 王 慧 張 巍

（1.巴彥淖爾市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控中心,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000；2.內(nèi)蒙古生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)有限公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

1 研究背景

烏梁素海流域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部的巴彥淖爾市境內(nèi)，是同緯度最大的自然濕地，也是黃河流域最大的湖泊濕地，素有“塞外明珠”的美譽。烏梁素海流域總面積約1.63萬平方千米，是我國“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中“北方防沙帶”的重要組成部分，是有效阻止烏蘭布和沙漠向東侵蝕，阻隔烏蘭布和沙漠和庫布齊沙漠連通的“重要關(guān)口”。烏梁素海流域是黃河生態(tài)安全的“自然之腎”，是關(guān)系到黃河中下游水生態(tài)安全的“重要節(jié)點”。

烏梁素海流域的水生態(tài)環(huán)境直接關(guān)系著黃河中下游的水生態(tài)安全。通過建立烏梁素海流域水環(huán)境精準(zhǔn)治理決策模型，構(gòu)建河套灌區(qū)灌溉系統(tǒng)水文水質(zhì)模型，灌區(qū)陸域氣象-污染物產(chǎn)生-遷移-轉(zhuǎn)化數(shù)值模型，以及烏梁素海灌區(qū)-湖泊污染物全生命周期跟蹤與響應(yīng)模型，掌握影響烏梁素海流域的水環(huán)境在時間、空間上的變化情況，定量分析不同類型污染源、不同排干對湖區(qū)水質(zhì)的污染貢獻(xiàn)，從而評估烏梁素海水環(huán)境問題的成因，通過水環(huán)境模型助力烏梁素海水環(huán)境治理和保護(hù)工作。

2 技術(shù)實施

烏梁素海流域水環(huán)境精準(zhǔn)治理決策模型體系的建設(shè)包括三個主要步驟：數(shù)據(jù)整理和分析；模型搭建和校驗；模型運用。

依據(jù)烏梁素海流域的水循環(huán)體系和實際特征構(gòu)建三大模型：灌渠模型、陸域模型和湖體模型。

灌渠模型關(guān)注從黃河取水到河套灌區(qū)各渠道的過程，將烏梁素海流域的渠道分布數(shù)值化，對分布在其上的泵站、閘門等水建筑物進(jìn)行模型精細(xì)化表達(dá)。

陸域模型研究農(nóng)田退水經(jīng)各排干進(jìn)入烏梁素海的過程，結(jié)合區(qū)域的土地利用類型、污染源類型和分布、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和雨量站的監(jiān)測數(shù)據(jù)等，同時考慮溝道人為調(diào)控、水土流失、農(nóng)田面源、畜禽養(yǎng)殖等現(xiàn)有區(qū)域的重要污染源進(jìn)行研究。

湖體模型則以湖區(qū)水環(huán)境研究為重點，以陸域模型的輸入污染負(fù)荷和水量作為邊界條件，同時考慮冰封期、湖體水生植物、底泥等進(jìn)行定制化開發(fā)。這三個模型的耦合構(gòu)成烏梁素海流域水生態(tài)環(huán)境精準(zhǔn)治理決策模型，形成了一個適用于烏梁素海流域的模型體系，運用其評估成果為管理部門的日常工作提供決策支持。烏梁素海流域水環(huán)境精準(zhǔn)治理決策模型架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 烏梁素海流域水環(huán)境精準(zhǔn)治理決策模型架構(gòu)圖

烏梁素海流域水環(huán)境精準(zhǔn)治理決策模型主要包括水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、數(shù)據(jù)采集與挖掘以及數(shù)據(jù)輸入接口三部分，通過相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測整理，對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行采集與挖掘，并結(jié)合數(shù)值模擬與跟蹤子系統(tǒng)，對烏梁素海內(nèi)外源的污染物平衡與追蹤進(jìn)行模擬，最終得出相關(guān)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

3 烏梁素海流域水環(huán)境精準(zhǔn)治理決策模型搭建

3.1 形成一套烏梁素海流域水生態(tài)環(huán)境精準(zhǔn)治理模型的數(shù)據(jù)體系

為系統(tǒng)評估烏梁素海流域的水生態(tài)環(huán)境，全方位的數(shù)據(jù)采集是關(guān)鍵，在數(shù)據(jù)采集中，結(jié)合烏梁素海流域生態(tài)環(huán)境日常數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行歸類與整理，形成數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)分析提供支持。如表1所示，模型建立所需要的數(shù)據(jù)主要包括流域模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、湖體底泥監(jiān)測數(shù)據(jù)、水生植被監(jiān)測數(shù)據(jù)、湖區(qū)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、化肥量數(shù)據(jù)等。采集這些數(shù)據(jù)，形成烏梁素海流域水生態(tài)環(huán)境精準(zhǔn)治理模型完整的數(shù)據(jù)體系，也是烏梁素海流域的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

表1 烏梁素海流域水生態(tài)環(huán)境精準(zhǔn)治理模型數(shù)據(jù)類別與內(nèi)容

3.2 基于挖掘數(shù)據(jù)搭建烏梁素海流域矢量圖集

模型建立的過程中，結(jié)合發(fā)掘的數(shù)據(jù)，以及烏梁素海本身的河流分系圖，搭建一套烏梁素海流域的多源要素空間矢量圖集，提升烏梁素海治理的直觀性?；谠械臑趿核睾：犹坠鄥^(qū)渠道平面布置圖，結(jié)合新增的渠道和渠道位置有變更的情況，經(jīng)過遙感解譯、實地調(diào)研和人工調(diào)研，將原有渠道布置圖進(jìn)行細(xì)化和更新，形成新的河套灌區(qū)渠道分布圖，如圖2所示。灌渠模型模擬的過程中，需要將流域中的閘門、泵站等水工建筑物進(jìn)行模型表達(dá)，最終得到流域水工建筑物分布節(jié)點圖，如圖3所示。

圖2 河套灌區(qū)渠道分布圖

圖3 水工建筑物分布圖

根據(jù)農(nóng)作物化肥施用量情況，考慮影響施肥強度的因素對農(nóng)田施肥過程的精細(xì)表達(dá)，模擬表達(dá)各子流域施肥強度變化，給出優(yōu)先管控區(qū)，并形成矢量圖層便于進(jìn)一步分析評估，如圖4所示?；跀?shù)字高程數(shù)據(jù)與水系，最終劃分了729個子流域，以及相應(yīng)的729條河道，并對12個溝道揚水站進(jìn)行了表達(dá)。烏梁素海流域DEM圖如圖5所示，站點與水系溝道匹配圖如圖6所示。基于用地類型、土壤類型、坡度對流域進(jìn)行水文響應(yīng)單元劃分，劃分過程中形成了烏梁素海流域坡度類型，如圖7所示。

圖4 施肥強度圖

圖5 烏梁素海流域DEM圖

圖6 站點與水系溝道匹配圖

圖7 烏梁素海流域坡度類型圖

4 烏梁素海流域水環(huán)境精準(zhǔn)治理模型成效

烏梁素海流域的污染源溯源分為湖體污染源溯源和總排干重點斷面污染源溯源分析。

4.1 湖體污染源溯源分析

在湖體污染源的溯源過程中，結(jié)合污染源排放結(jié)構(gòu)，將直接排入烏梁素海的各排干污染負(fù)荷貢獻(xiàn)量和大小進(jìn)行排名，找到污染貢獻(xiàn)最大的入湖排干；再將匯入該排干匯水分區(qū)支排的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)量和大小進(jìn)行排名，找到污染貢獻(xiàn)最大的分排干；再按照同樣的方式追溯到子流域，找到排污量最大的行政單元，提供給管理部門并提出相關(guān)建議。

具體來看，首先確定總排干為主要貢獻(xiàn)溝道，對總排干的污染源解析如圖8所示，根據(jù)入總排干的溝道河流的輸出負(fù)荷量排名，可知三排干溝的負(fù)荷貢獻(xiàn)最大。同時，根據(jù)圖8中的餅圖，還能夠解析出總排干污染負(fù)荷構(gòu)成類型。

圖8 總排干污染源溯源示意圖

繼續(xù)對三排干溝進(jìn)行溯源分析，圖9的餅圖顯示了其匯水區(qū)內(nèi)的污染源類型主要是畜禽養(yǎng)殖污染源和農(nóng)田面源污染源；右下角的條形圖可以看出660號子流域輸出的負(fù)荷量最大。對于660號子流域，該區(qū)域內(nèi)的行政村主要有9個，其中有25.7%的區(qū)域?qū)儆诿窠ù澹渌€有約50%的區(qū)域?qū)儆诿褙S村、新豐村、棋盤村民委員會。而且，這四個行政村均有60%以上的面積屬于660子流域?？梢詫@四個行政村的畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田施肥情況進(jìn)行調(diào)查分析和診斷，從而制定有效的管控措施。

圖9 總排干重點斷面污染源溯源分析示意圖

4.2 總排干重點斷面污染源溯源分析

溯源分析的第二層面是針對總排干的重點斷面進(jìn)行溯源分析。總排干上分布了5個重要的斷面：韓四橋、黃濟(jì)橋、裴家橋、六份橋、紅圪卜等，每個斷面上游的匯水區(qū)都有多個子流域和行政村，對于上述斷面，需要分析出哪些行政區(qū)域為重要的貢獻(xiàn)源。通過模型體系的計算結(jié)果對上述斷面進(jìn)行溯源分析，從而更全面地了解總排干匯水區(qū)內(nèi)的污染源情況。

首先，對5個斷面的污染源排放結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖10，5個餅圖給出總排干上5個斷面的污染排放結(jié)構(gòu)?？梢?，5個斷面都是畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田面源占主導(dǎo)，但是不同斷面的污染源類型結(jié)構(gòu)又有差異，農(nóng)村生活污染源和生態(tài)補水的貢獻(xiàn)從上游到下游逐漸增加。以裴家橋斷面為例進(jìn)行溯源解析，其主要污染源類型為畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田面源，農(nóng)村生活污染源和生態(tài)補水也有一定貢獻(xiàn)；其上游匯水區(qū)內(nèi)三排干溝的輸出負(fù)荷量最多，再按照同樣的方式追溯到子流域，匹配到行政單元提出管理建議。

圖10 總排干的不同斷面的污染負(fù)荷類型示意圖

5 結(jié)論

本文研究建立了一套烏梁素海流域水環(huán)境數(shù)據(jù)體系，構(gòu)建了一套流域水環(huán)境精準(zhǔn)治理決策模型，結(jié)合實際繪制形成流域矢量圖集，同時系統(tǒng)分析和評估了烏梁素海的水生態(tài)環(huán)境，為管理部門的決策分析給出初步建議。