基于源流域水量水质模型研究小流域营养物管理方案

陈美丹，杨积德，李隽，朱月芳

（1.苏州市环境科学研究所，江苏苏州215007；2.澳思环境科技咨询有限公司，上海200120；3.苏州市环境监测中心，江苏苏州215004）

基于源流域水量水质模型研究小流域营养物管理方案

陈美丹1，杨积德1，李隽2，朱月芳3

（1.苏州市环境科学研究所，江苏苏州215007；2.澳思环境科技咨询有限公司，上海200120；3.苏州市环境监测中心，江苏苏州215004）

采用澳大利亚源流域水量水质模型模拟东山小流域内2001-2010年9种不同土地利用类型产生的降雨径流及总氮和总磷的污染负荷，模拟结果为：流域内多年平均径流量为6150万m3/a，总氮输出负荷为270 t/a，总磷负荷为22 t/a。模拟结果表明：水产养殖塘和高地茶果树是东山地区主要的营养物来源。通过三个情景方案的模拟，说明当地环境管理方案可以有效地削减入湖的营养负荷，其中第二个情景方案的削减量最大，总氮和总磷负荷分别削减了18%和25%。

源流域模型；面源；污染负荷；总氮；总磷

太湖是我国第三大淡水湖，位于江苏和浙江两省交界处，面积达36900 km2。在过去的20年里，工业和农业的快速发展使太湖流域水体富营养化成为华南地区最为严重的环境问题之一。从20世纪80年代后期开始，太湖北部梅梁湾就开始频繁暴发蓝藻水华，到2006年水华暴发面积占太湖总面积的一半以上[1～3]；太湖水体水质超标率也从2001年的65%上升到2006年的95%[4]。近年来，太湖流域工业点源污染整治力度加强之后，面源污染对流域水环境的贡献及其治理受到越来越多的关注[5]。许多学者研究得出总氮的贡献在34%～52%，总磷的贡献在17%～54%[6～7]。由此可见，面源污染的影响正在成为继工业污染和城市污染之后的最大污染源之一。

研究的目标是在太湖流域的一个示范区——东山半岛构建一个源流域模型（Source IMS），应用模型研究流域内营养物的主要来源；通过模拟不同土地利用类型随降雨径流产生的污染负荷，找出有效改善营养物（总氮和总磷）管理的途径，进一步为营养物管理提供建议。

1 源流域模型系统（Source IMS）

1.1 模型介绍

在源流域模型系统中，流域水量水质模型框架不是一个模型，而是模型的集合。在这个集合中，用户可以选择对自己流域内的流域水文和污染物生成过程做出最佳描述的径流、污染物生成、过滤和流内模型模块。污染物生成模型被应用于“功能单元”，典型的功能单元是一个子流域内的某种土地利用类型或水文响应单元。子流域内每个功能单元的输出流量和污染物负荷都在子流域的出口节点叠加。模型中通过代表河网和流域出口的“节点”和“链接”模拟径流和污染物的迁移转化过程。除利用源流域模型系统标准配置的模型之外，用户还可以在模型内的任何节点和链接处加入自己的数学方程式或表达式来计算和记录所有可能的变量。

1.2 东山概况

东山半岛位于太湖的东南部（北纬31°05'，东经120°24'），人口约5.3万人，其中约4.4万人居住在农村，面积为7736 hm2，区域内的土地利用类型面积及所占比例见表1。

1.3 模型构建

1.3.1 土地利用类型

依据不同的土地类型、土地覆盖、地貌和危害类型，子流域被分成多种功能单元。模型中包括了9种面源土地利用种类：水产养殖、蔬菜种植、低地果树、高地森林、工业区、城镇区、农村地区、水面、污水处理厂。

1.3.2 子流域和排水网络配置

模型将研究区域划分为50个子流域，由于区域河道网络错综复杂，因此将模拟输出归纳为5个虚拟节点（图1）。节点1的输出代表从高地山区流出半岛北侧的降雨径流和污染物负荷的集合；节点3和4代表所有水产养殖塘形成的径流；节点2和5代表其余从小河港和运河进入太湖的径流。

表1 研究区域土地利用类型面积及比例

1.3.3 模型运行期

模型运行时间为2001-2010年。

1.3.4 降雨径流生成

本研究项目使用了SIMHYD降雨径流模型，该模型在湿润温和气候条件下模拟效果较好。

1.3.5 小河港、运河径流及泵水过程

径流经过小河港与内部交错接连的人工运河进入太湖。当太湖水位涨至3.45 m或更高时水闸关闭以防止湖水倒灌，同时径流由4个泵站打入太湖。

1.3.6 氮和磷的生成

对于污染物质的生成，选择了EMC/DWC模型（事件平均浓度/旱季平均浓度）。该模型的表达式为：

日负荷=SF×DWC+QF×EMC

其中：SF——给定日的径流漫流比例；

QF——给定日的径流快流比例；

DWC——干旱天气期间测得的平均污染物浓度（mg/L）；

EMC——暴雨天气测得的流量权重平均污染物浓度（mg/L）。

2 模型校核与验证

2.1 降雨径流模型校验

参照当地的文献数据对降雨径流模型系数进行了校核，所有的模型径流系数与文献值的差异在5%以内（表2）。模型中结合实际情况，充分考虑了闸泵对径流的影响。

表2 研究区域内不同土地利用类型的降雨径流比例

2.2 营养物生成模型

模型输入参数的总氮和总磷生成率见表3。

表3 分配到各土地利用类型上的基础EMC/DWC值mg·L-1

3 模拟结果

在2001-2010年10年运行期间，东山多年平均径流量为6150万m3/a，总氮输出负荷的多年平均值为270 t/a，总磷负荷多年平均值为22 t/a。具体模型模拟结果见表4和图4。

表4 2001-2010年模型模拟结果

不同土地利用类型径流量、总氮入湖量、总磷入湖量见图2。产生年均径流量最大的是水产养殖塘，约占66%，其次为高地茶果树。高地茶果树和水产养殖塘的总氮输出相近，各占30%～40%。对于总磷，模型显示大部分总磷负荷来自水产养殖塘。

4 规划方案及其结果

4.1 规划方案设计

根据当地实际情况作了3个规划方案，见表5。

4.1.1 改进点源管理

模型显示：将低密度城区剩余的20%化粪池升级为二级处理设施，同时将东山污水处理厂纳入城市干管，可使进入太湖的年均总氮负荷降低9%，总磷降低13%。此污染削减中的大部分（90%）来自于去除污水处理厂的环境效应。

4.1.2 改进面源管理

在蔬菜种植区和高地茶果树种植区采用改进的农业管理实践，将使这部分总氮和总磷的年均负荷分别减少9%和2%；而在水产养殖塘区采用改进的管理实践，将使这部分总氮和总磷年均负荷分别减少9%和23%。

图2 径流及营养物入湖量模拟结果

表5 情景方案的描述和假设

因此，在蔬菜区、高地茶果树区和水产养殖塘区实施行优化管理实践，将使每年东山进入太湖的总氮量减少18%，总磷量减少25%。

4.1.3 大型湿地建设

在研究区域南侧建设大型湿地，覆盖面积约7 km2。模型显示，湿地建设可以削减整个小流域13%的总氮输出量，削减16%的总磷输出量。

4.2 模拟结果

三个规划方案的模型结果见图3。

图3 规划方案模拟结果

5 结论

通过模型模拟流域内降雨径流及营养物产生迁移，得出以下结论：

（1）在2001-2010年期间，东山小流域内多年平均径流量为6150万m3/a，总氮输出负荷的多年平均值为270 t/a，总磷负荷多年平均值为22 t/a。

（2）区域内水产养殖塘和高地茶果树种植各自贡献了30%～40%进入太湖的总氮负荷，45%的总磷来自于水产养殖塘。

（3）三个情景方案的模拟，说明当地环境管理方案可以有效地削减入湖的营养负荷，其中第二个情景方案的削减量最大，总氮和总磷负荷分别削减了18%和25%。

[1]范成新，季江，陈荷生.太湖富营养化现状、趋势及其综合整治对策[J].上海环境科学，1997，16（8）：4-7，17.

[2]CHEN YUWEI，FAN 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.

[3]林泽新.太湖流域水环境变化及缘由分析[J].湖泊科学，2002，14（2）：111-116.

[4]虞锡君.构建太湖流域水生态补偿机制探讨[J].农业经济问题，2007（9）：56-59.

[5]王苏民，窦鸿身.中国湖泊志[M].北京：科学出版社，1998：3-21.

[6]张维理，武淑霞，冀宏杰，等.中国农业面源污染形势估计及控制对策——2l世纪初期中国农业面源污染的形势估计[J].中国农业科学，2004，37（7）：1008-1017.

[7]金相灿，叶春，颜昌宙，等.太湖重点污染控制区综合治理方案研究[J].环境科学研究，1999，12（5）：1-5.

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

陈美丹（1981-），女，江苏常熟人，毕业于河海大学环境工程专业，工程师，现从事水环境研究和环境科研工作。