基于多方法的浑河流域水质模拟研究

孙 宇

（辽宁省观音阁水库管理局有限责任公司，辽宁 本溪 117100）

浑河流域主要分布于辽宁省的中东部地区，发源于抚顺清原县，河流由东北向西南流经四个城市，河流全长415 km，流域面积11481 km2，在辽东湾入海［1]。浑河支流主要分布在中上游，包括太子河、社河、蒲河、细河等。

近年来浑河水环境治理已取得很大成就，河流断面水质明显改善，但仍存在的一些问题，如支流水质问题导致干流水质不稳定；城镇生活污水处理率低，排放标准低，并存在直排现象；畜禽养殖、农业面源污染也造成浑河干流水质下降等，再加上河流普遍为季节性河流，生态水量不足，枯水期流量小，水质超标现象时有发生。为更好研究浑河水质状况，对其进行模拟，为保证水质模拟结果的合理性，在分布式水文模型水质模拟的同时，采用输出系数法对浑河流域水质污染总量进行估算。

1 非点源污染总量估算

1.1 计算方法

输出系数法的计算方法简单，所需数据量较小，相对容易获得，为此在面源污染负荷估算中应用较多。同时，输出系数法通常直接计算总氮和总磷的负荷量，并且不涉及氮和磷特定形式，因此减少了计算量，大大提高了模型结果的可靠性。输出系数模型公式如下所示［2]：

式中：j为污染物类型；m为流域中土地利用类型的种类或牲畜、人口；Lj为污染物j在该流域的总负荷量，kg·a-1；Eij为污染物j在流域第i种土地利用类型中的输出系数，kg·hm-2·a-1，或牲畜、人口的输出系数，kg·ca-1·a-1；Ai为第i种土地利用类型的面积，hm2，或牲畜、人口数量，ca。

1.2 参数确定

从相关文献可以看出，在辽河一级水功能区，氨氮、总氮、总磷的面源污染主要来源于农业生产。COD 面源污染主要来源于农村生活及牲畜。因此，对于浑河流域面源污染估算，主要涉及农村面源污染，包括生活污水、农业种植及畜牧业。根据统计年鉴，统计辽河流域流经各市人口、农业种植面积、牲畜水量等指标，结果见表1。

对于输出系数法，如何得到输出系数是至关重要的。根据对辽河流域污染源的分析，面源污染是辽河流域主要的污染源，主要包括农业、牲畜及居民污水等，为此输出系数可以从土地利用、牲畜和居民三个大方面统计。根据查阅相关资料及现场调研，给出了浑河流域面源污染的输出系数，见表2。

表1 浑河流域流经各市主要指标情况统计表

表2 浑河流域输出系数表

1.3 估算结果

采用输出系数法，并根据表2 中浑河流域面源污染各类型输出系数，计算得到浑河流域总氮、总磷的污染源负荷量，计算结果见表3 和表4。

表3 浑河流域总氮污染负荷计算结果 单位：t

表4 浑河流域总磷污染负荷计算结果 单位：t

根据表3 和表4 计算结果显示，混合流域总氮19217 t，总磷1098 t。根据表3，浑河流域总氮分布主要集中在沈阳、抚顺两个城市，占比是流经行政区最多的，两市共占浑河流域总氮的92.5%。在土地利用类型方面，林地和旱地的总氮占比最多，占浑河流域总氮污染负荷的50.2%。主要是因为浑河流域主要流经沈阳、抚顺两个市，其中流经区域耕地面积占比在90%左右，污染源主要是农业的面源污染，大量的农药、化肥致使流经区域总氮负荷大。另外，流经的农村区域，农村生活的点源污染，如生活污水、牲畜养殖等也是对总氮量贡献之一。根据表4，总磷的来源主要来自沈阳和抚顺两个市。从污染来源来看，农村生活作为总磷的主要来源，占比32%；其次是旱田，占比23%。在畜禽养殖中，猪和家禽的总磷贡献最大，达到14%。综合以上的分析，浑河流域总氮、总磷主要来源于沈阳和抚顺，流经区域总氮贡献最大的是耕地，总磷贡献最大的是农村生活。因此，要对农业面源污染和农村的点源污染作为重点的治理对象。

2 分布式水文模型水质模拟

2.1 SWAT 模型

SWAT 模型是在SWRRB 模型基础上发展起来的，融合了ARS 几个模型的特点。SWAT 是一个物理基础的模型，可以进行连续时间序列的模拟［3]。SWAT 模拟的流域水文过程分为水文循环的陆地阶段和水文循环的汇流阶段。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量；后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。整个水分循环系统遵循水量平衡规律。

2.2 水质模拟

将雨量站1975年～2002年逐日雨量输入到SWAT 模型，对流量和泥沙进行模拟，校正计算模型各项参数，见图1。通过抚顺降雨站进行验证，泥沙量纳什效率系数0.88，说明模拟数值与实际数值趋势基本一致，拟合度较好。面源污染与降雨有很大关系，随着降雨的延长，污染源从土壤中通过径流流入浑河流域水体中，从而造成河流污染。

图1 流量和泥沙模拟计算结果

根据沈阳雨量站，对河流水质进行模拟，见图2 与图3。从模拟结果可知，模拟的水质趋势与实测趋势基本一致。

图2 N-N 水质模拟

图3 NO3-N 水质模拟

将2019年1月～12月实测日降雨及气象数据输入SWAT模型，模拟2019年总氮、总磷水质变化，见表5。

表5 2019年总氮、总磷模拟结果 单位：t

由表5 可知，浑河流域总氮15664.1 t，总磷1134.2 t。其中，总氮主要集中在年内的5月～10月，6 个月的总氮排放量占年总排放量的71.4%，说明总氮污染负荷主要来源于旱田且与降雨量有关。5月进入土壤耕作期，化肥农药施用量增大，随着汛期降雨量增大，入河污染也加大。总磷年内排放集中在两个时期，分别是3月和7月、8月，这与污染源及径流也有重要关系。由前面分析可知，总磷主要来源于居民生活和旱田。农村由于缺乏有效的排水措施，农村生活污水主要是泼在地上或者排放到村落沟渠，遇到降雨冲刷时随着雨水汇流到江河湖库，造成水环境的严重污染。由于浑河流域地处东北地区，其冬季流域内有强降雪过程。进入3月降雪融化形成融雪径流，造成污染物排放量增大。进入7月、8月，随着降雨增多，使农田污染物及居民生活污水排放量增大。

3 结果比较

输出系数法与SWAT 模型模拟结果比较见表6。从表6 可以看出，两种方法模拟结果比较接近，说明模拟、估算结果具有一定的合理性。

表6 输出系数法估算结果与SWAT 模型模拟结果比较表

4 结论

通过采用输出系数法与SWAT 模型模拟的浑河流域水质模拟研究，计算结果与实际基本相符，能够指导浑河流域水质水量联合调度改善水质提供数据基础。但是由于受到降水量、区域水资源及新增入河排污量等多因素影响，对于以后的年份水质变化趋势还需要进行验证，文中只是在现状的基础上考虑水质变化情况，开展水质模拟，基础条件和数据的变化对水质变化趋势有很大影响，在以后的需要进一步开展研究。