水文水质模型联合应用于水库水质预测研究

朱 磊,李怀恩,李家科,吴喜军 (西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西 西安 710048)

水文水质模型联合应用于水库水质预测研究

朱 磊,李怀恩*,李家科,吴喜军 (西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西 西安 710048)

联合应用流域水文非点源AnnAGNPS模型和水库水质CE-QUAL-W2模型,AnnAGNPS模型输出黑河流域非点源污染负荷,将其转化为金盆水库入库浓度作为 CE-QUAL-W2模型的输入,对黑河金盆水质进行预测,研究非点源污染对陕西金盆水库水质影响.结果表明,在对水库水质进行预测时,应对洪水期和非洪水期的非点源污染区别对待.非点源污染在洪水期时对金盆水库水质有较大影响,而在非洪水期时非点源污染对水库水质影响不显著.非点源污染对水库纵向和垂向水质影响存在差异性.林地对流域非点源污染削减起到很大作用.

AnnAGNPS模型；CE-QUAL-W2模型；非点源污染；水质预测研究

水污染问题通常包括点源污染和非点源污染.与点源污染相比,非点源污染在空间和时间上具有分布广泛与变化剧烈等特点.非点源污染对水库水质的影响主要集中在丰水期和暴雨洪水过程中,故在进行水库水质预测时,要考虑到非点源污染的这些特点.典型的流域水文模型如SWAT[1]、HSPF[2]和MIKE SHE[3]等,能够模拟大尺度流域长时间的水文过程以及点源和非点源污染演进过程,而不适合如湖泊、水库等较大水体的水质预测.另一方面,如 CE-QUALW2[4]、WASP[5]和 EPD-RIV1[6]等水质模型主要解决较大水体的水动力学以及水质问题,而无法解决流域中出现的水文问题.考虑到没有单一的模型可以同时模拟流域和较大水体的各种水动力和水质变量[7],所以连接流域模型和水体水质模型不可缺少.黑河金盆水库是西安市的主要水源地,是以城市供水为主,兼顾灌溉、发电、防洪等综合利用的大型水利工程.李家科等以陕西黑河流域为研究区,借助GIS和相关资料提取参数,建立 AnnAGNPS 模型数据库.采用 1991～1998年黑峪口断面月径流量、泥沙和无机氮、总磷监测数据率定和验证模型,分析AnnAGNPS模型在西北半干旱地区典型流域的适用性,结果表明,AnnAGNPS可用于该流域非点源污染长期模拟[8].本文作者应用 CE-QUAL-W2模型建立了陕西金盆水库二维水质模型,并对模型的适用性进行了研究,结果表明,预测结果和实测水质数据基本相符[9].因此,本文联合应用流域非点源模型AnnAGNP与水库水质模型CE-QUAL-W2对金盆水库的垂向和纵向水质进行预测研究,并提出可行的非点源污染控制措施.

1 研究区域概况

1.1 流域概况

黑河为渭河右岸较大支流,属黄河二级支流,位于东经 107°43’～108°24’,北纬 33°42’～34°13’,发源于秦岭太白山北麓,由西南流向东北,至周至县马召镇附近的武家庄出峪后由东北的石马村入渭河.全流域面积2258km2,干流总长125.8km,河道比降8.77‰.黑河流域山川地形界限分明,黑峪口以上为峪谷山区,峪口以上集水面积1481km2,占全流域65%,干流总长91.2km,河道平均比降为14.7‰,河系呈羽毛状,流域平均宽度为16.2km,支流多集中于右岸,右岸集水面积为左岸的3倍,河流出峪后,基本为平川地区,河床比降约为1/240～1/1280.

图1 黑河流域水系示意Fig.1 The water system of Heihe watershed

1.2 工程概况

黑河金盆水利枢纽工程位于西安市周至县城南金盆干流峪口以上1.5km 处,东距西安市约86km,北距周至县城 14km,坝址以上流域面积1481km2,控制全流域面积的 65.6%,多年平均径流量 6.67亿 m3.最大坝高 128.9m,正常蓄水位594m,总库容2亿m3,有效库容为1.77亿m3,多年平均调节水量4.28亿m3,其中给西安市城市供水3.05亿 m3,日平均供水量 76.0万 t,供水保证率95%;农用灌溉年供水量1.23亿m3,灌溉面积37万亩,坝后电站装机容量2.0万kW,多年平均发电量为7308万kW⋅h.金盆水利枢纽工程是西安市金盆引水工程的主要水源工程,是一项以城市供水为主,兼顾灌溉、发电、防洪等综合利用的大型水利工程.

1.3 水源区污染源分析

水源区是指为保护水源而划定的区域,本研究所讲的水源区是指金盆水库坝址以上流域面积所包含的范围.水源区染源包括点源污染和非点源污染,其中点源污染包括库区汇流范围内的各县的工业污染源和城镇生活污染源;非点源污染主要是农业及水土流失等所形成的污染.

1.3.1 点源污染来源 经普查,水源区内基本上没有规模型工业生产,乡镇企业不仅数量少,而且只限于加工业.因此,水源区内,点源类污染只有人口相对聚居的乡镇生活污染和矿产资源开发2种基本类型.

1.3.2 非点源污染来源 农业及天然有机质污染:坡耕地肥力充足的表层土壤极易被暴雨侵蚀,氮磷、农药等污染物随地表径流进入河流,最终汇入水库.另一方面,由于流域上良好的植被覆盖,地表被大量死亡的植物和落叶形成的腐殖物质所覆盖,加之地表坡度很大,暴雨径流将会携带大量固态、胶态和少量溶解态的腐殖物质进入河流,并最终汇入水库,以固态、胶态形式存在的有机与无机污染物大部分沉积库底,成为水库污染沉积物的主要来源.旅游污染:研究区域良好的植被和山水风光,正是久居城市而厌倦闹市生活,向往“回归大自然”的城市居民休闲度假、旅游的好去处.随旅游业的发展,无疑带来旅游污染,其污染物随人群活动呈无序状态,这也构成了水源区非点源类污染.交通污染:在水源区内,有两条国道(G108和G210)穿过,两条国道每日车流量就均在 3000辆以上,随着旅游业和经济建设的发展,将有越来越多的车辆、人群进入水源区.因此,车辆排放的尾气、车辆部件磨损以及液体化学品泄漏等也会导致水源区水体非点源类污染.

2 研究方法

2.1 AnnAGNPS模型简介

AnnAGNPS(Annualized Agricultural Nonpoint Source Pollution Model)[10-11]是新一代的AGNPS模型,该模型以日为基础连续模拟一个时段(月、年)内每天及累计的径流、泥沙、养分和杀虫剂的输出结果,可用于评价流域内非点源污染的长期作用以及实施不同水保措施的相对效果.与AGNPS类似,AnnAGNPS模型的基本思路仍是将流域划分成一定的分室(cell),所不同的是它按流域水文特征,即集水区来划分单元而不是按固定网格划分.AnnAGNPS的另一个改进是采用RUSLE而不是USLE来预测各分室的土壤侵蚀.另外,AnnAGNPS模型还包括一些特殊的模块,可计算点源、畜牧养殖场产生的污染物、评估沟谷、水坝集水坑对径流、泥沙、营养盐和农药产生的影响[12].

2.2 CE-QUAL-W2模型简介

CE-QUAL-W2模型是横向平均二维(纵向和垂向)水动力和水质模型,由US ACE(美国陆军工程兵团水道实验站)开发,是由水动力模型和水质输移模型耦合而成,假设横向是平均的,对于水库、河流、湖泊以及河口等不同条件下多种污染物的迁移转化规律均适宜,尤其对相对狭长的湖泊和分层水库的水质模拟极佳,可以预测水平和垂直速度、温度、DO、BOD、pH值、营养物、有机物、大肠杆菌、藻类、溶解和悬浮物等 21种水质变量浓度变化[13].

从图2可以看出金盆水库模型概化情况:陈河乡到坝前为金盆水库流域的主干,分段划分原则是在水库结构和形状出现较大变化的位置分段,使每一个河段内的水流分布情况大体相同,且每条河段尽可能均匀,河段1和17为模型自定义的虚拟河段.左视图可以看到垂向的网格划分,考虑到模型计算的时间,层间距不宜设置过小,但考虑到模型的准确性,层间距又不宜过大,最终层间距设置为2m,层1和层56为模型自定义的虚拟层,俯视图可以观察出河段的分割和层的划分情况.

图2 金盆水库模型概化Fig.2 The map generalization of Jinpen Reservoir

2.3 研究方法

通过AnnAGNPS模型计算2003年(丰水年)和 2008年(枯水年)黑河流域的总磷、总氮非点源负荷,并将总磷、总氮非点源污染负荷转化为CE-QUAL-W2模型水库入流浓度输入,应用率定后的CE-QUAL-W2模型,对黑河金盆水库在2种情景、4种计算方案下的水质进行预测研究.

金盆水库入库点源污染主要来自于相对聚集的乡镇生活和矿产资源开发污染,且点源污染排放量相对稳定,因此,假设各月点源污染负荷恒定不变,将2008年冬季实测总磷、总氮的均值作为“只考虑点源”情况下入库水质数据输入,分析水库水质情况,点源总磷浓度为0.010mg/L,点源总氮浓度为1.055mg/L.2008年陈河来流量如表1所示.

表1 2008年陈河乡来流量(×104m3)Table 1 Flow of Chenghe Village in 2008 (×104m3)

2008年 11,12月总磷点源负荷分别为0.11,0.07t, 2003和2008年总磷点源月负荷取均值0.09t,总磷2003和2008年点源负荷1.08t.2008年11,12月总氮点源负荷分别为11.6,7.46t, 2003和 2008年总氮点源月负荷取均值 9.53t,总氮2003和2008年点源负荷114.37t.

应用AnnAGNPS模型计算2003年(丰水年)现状条件下总磷非点源负荷量为 4.56t,总氮非点源负荷量为234.85t;2008年(枯水年)现状条件下总磷非点源负荷量为1.72t,总氮非点源负荷量为87.81t.

2003,2008年总磷及总氮年负荷率见表2.

表2 总磷和总氮年负荷率(%)Table 2 Pollution loading capacity for total phosphate and total nitrogen (%)

应用AnnAGNPS模型,设计非点源污染管理措施,评价其环境效果,根据所选择的控制措施,调整相关输入参数,生成模型的输入文件,运行模型估算各项措施的年均污染负荷,对比无控制措施时的计算值,评价该项措施的有效性.考虑到CN值对径流、泥沙和氮磷污染物输出影响最大,在统筹该流域非点源污染管理措施时,以2000年土地利用现状为基础,设计了以下2种情景:①黑河流域位于秦岭山区,山高坡陡,假设未来响应国家水源保护政策,将山区人口搬离,全部退耕还林,流域土地利用只有林地.②在 2000年土地利用现状基础上,大于 15°还林,15°以下坡地中未利用地和工矿用地全部还林,15°以下耕地不变.

将2003年和2008年点源月负荷、非点源月负荷量、情景1和情景2下非点源月负荷转化为月入库平均浓度,非点源月负荷按照月径流量比重对非点源年负荷量进行分配计算,对陈河来流量运用径流分割法进行分割得到月径流量.具体计算方案的水质输入(即入库浓度)如下:计算方案①:点源;计算方案②:点源+非点源;计算方案③:点源+情景1非点源;计算方案④:点源浓度+情景2非点源.利用CE-QUAL-W2水质模型计算金盆水库2003年(丰水年)和2008年(枯水年)垂向和纵向总磷总氮浓度分布.

3 结果与讨论

通过对2008年(枯水年)和2003年(丰水年)4种计算方案下进行计算,得到2003年(丰水年)和2008年(枯水年)洪水期和非洪水期,水库上游、中游和坝前不同深度的月平均总磷、总氮浓度分布,如图3所示.

由计算结果可知:2003年和2008年洪水期时,计算方案②、③、④得到的水库总磷总氮浓度均大于计算方案①水库中对应位置的总磷、总氮浓度,这表明非点源污染在洪水期时对金盆水库水质有较大影响.2003年和2008年非洪水期时,计算方案②、③、④得到的总磷总氮浓度与计算方案①的总磷总氮浓度相比差异不大,这表明非点源污染在非洪水期时对金盆水库水质影响不显著.非点源污染对水库纵向(水流方向)水质的影响.水库坝前、库区中游和库区上游河道水质均受到非点源污染的影响,而且非点源污染对水库纵向水质变化的影响大体相同.

图3 总磷、总氮浓度分布Fig.3 Distribution of total phosphorus and total nitrogen concentration

2003年洪水期,计算方案②与计算方案①相比,水库坝前、库区中游和库区上游河道的表层总磷浓度分别增加 4.75,4.70,4.64mg/m3;计算方案②与计算方案①相比,水库坝前、库区中游和库区上游河道的表层总氮浓度增加分别0.26,0.26,0.26mg/L,其他方案不同河段不同深度总磷浓度变化与此规律相符.非点源污染对水库垂向(水深方向)水质的影响.水库表层水质对非点源污染较为敏感,而库底水质受到非点源污染的影响较小.2008年洪水期,计算方案②与计算方案①相比,坝前水深 0,10,20,30,40,50,60,70米总磷浓度分别增加4.81,4.44,4.06,4.08,4.07, 1.14, 1.14,1.14mg/m3;计算方案②与计算方案①相比,坝前水深0, 10, 20, 30, 40, 50、60,70米总氮浓度分别增加 0.27,0.25,0.23,0.23,0.23,0.04,0.04, 0.04mg/L, 其他方案不同深度总磷浓度变化均符合这个规律.考虑非点源污染的影响,方案③水库中对应位置的总磷、总氮浓度＜方案④水库中对应位置总磷、总氮浓度＜方案②水库中对应位置总磷、总氮浓度.如2003年洪水期,方案②、③和④与计算方案①相比,计算库区上游河道表层总磷浓度分别为 14.198,13.921,13.948mg/m3,方案②、③和④与计算方案①相比,计算库区上游河道表层总氮浓度分别为0.819,0.747,0.776mg/L,说明林地对流域非点源污染削减起到很大作用,应尽量增加林地的面积,植树造林,减少耕地面积,这将有利于减少进入水库非点源污染负荷.

4 结论

4.1 联合应用流域非点源模型 AnnAGNPS和水库水质模型CE-QUAL-W2,对黑河金盆水质进行预测,应对洪水期和非洪水期的非点源污染区别对待.非点源污染在洪水期时对金盆水库水质有较大影响,而在非洪水期时非点源污染对金盆水库水质影响不显著.

4.2 非点源污染对金盆水库纵向和垂向水质的影响是有差异的.水库坝前、库区中游和库区上游河道的水质均受到非点源污染的影响,而且这种影响大体相同;水库表层水质对非点源污染较为敏感,而库底水质受到非点源污染的影响较小.

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Connecting hydrological and water quality models for prediction research of reservoir water quality.

ZHU Lei, LI Huai-en*, LI Jia-ke, WU Xi-jun (Key Laboratory of Water Resources, Environment and Ecology in Northwest China, Ministry of Education, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：571～576

Two powerful watershed and water quality models (AnnAGNPS and CE-QUAL-W2) were integrated In this paper. The non-point source pollution loading of AnnAGNPS model input the CE-QUAL-W2 model. The CE-QUAL-W2 model was applied to simulate water quality in the Jinpen Reservoir and study of non-point source pollution on water quality of reservoir. When predicting the water quality of reservoir non-point source pollutions should be treated differently in flood and non-flood period. Non-point source pollution had great impact for water quality of Jinpen Reservoir in flood period, but non-point source pollution had less impact for reservoir water quality in non-flood period. The impacts made a great difference between longitudinal and vertical water quality. Forest played a significant role for non-point source pollution reduction in the watershed.

AnnAGNPS；CE-QUAL-W2；non-point source pollution；water quality prediction research

X524

A

1000-6923(2012)03-0571-06

2011-05-10

国家自然科学基金项目(50909080,90610030);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07212-002);

* 责任作者, 教授, huaienl@yahoo.com

朱 磊(1981-),男,吉林省吉林市人,西安理工大学博士研究生,研究方向为环境水文及水资源保护.发表论文5篇.