乌梁素海流域水环境精准治理决策模型的建立与应用

2022-05-25冯湘云

中阿科技论坛(中英文) 2022年5期

冯湘云王慧张巍

（1.巴彦淖尔市生态环境监测监控中心,内蒙古巴彦淖尔 015000；2.内蒙古生态环境大数据有限公司,内蒙古呼和浩特 010010）

1 研究背景

乌梁素海流域位于内蒙古自治区中西部的巴彦淖尔市境内，是同纬度最大的自然湿地，也是黄河流域最大的湖泊湿地，素有“塞外明珠”的美誉。乌梁素海流域总面积约1.63万平方千米，是我国“两屏三带”生态安全战略格局中“北方防沙带”的重要组成部分，是有效阻止乌兰布和沙漠向东侵蚀，阻隔乌兰布和沙漠和库布齐沙漠连通的“重要关口”。乌梁素海流域是黄河生态安全的“自然之肾”，是关系到黄河中下游水生态安全的“重要节点”。

乌梁素海流域的水生态环境直接关系着黄河中下游的水生态安全。通过建立乌梁素海流域水环境精准治理决策模型，构建河套灌区灌溉系统水文水质模型，灌区陆域气象-污染物产生-迁移-转化数值模型，以及乌梁素海灌区-湖泊污染物全生命周期跟踪与响应模型，掌握影响乌梁素海流域的水环境在时间、空间上的变化情况，定量分析不同类型污染源、不同排干对湖区水质的污染贡献，从而评估乌梁素海水环境问题的成因，通过水环境模型助力乌梁素海水环境治理和保护工作。

2 技术实施

乌梁素海流域水环境精准治理决策模型体系的建设包括三个主要步骤：数据整理和分析；模型搭建和校验；模型运用。

依据乌梁素海流域的水循环体系和实际特征构建三大模型：灌渠模型、陆域模型和湖体模型。

灌渠模型关注从黄河取水到河套灌区各渠道的过程，将乌梁素海流域的渠道分布数值化，对分布在其上的泵站、闸门等水建筑物进行模型精细化表达。

陆域模型研究农田退水经各排干进入乌梁素海的过程，结合区域的土地利用类型、污染源类型和分布、土壤数据、气象数据和雨量站的监测数据等，同时考虑沟道人为调控、水土流失、农田面源、畜禽养殖等现有区域的重要污染源进行研究。

湖体模型则以湖区水环境研究为重点，以陆域模型的输入污染负荷和水量作为边界条件，同时考虑冰封期、湖体水生植物、底泥等进行定制化开发。这三个模型的耦合构成乌梁素海流域水生态环境精准治理决策模型，形成了一个适用于乌梁素海流域的模型体系，运用其评估成果为管理部门的日常工作提供决策支持。乌梁素海流域水环境精准治理决策模型架构图如图1所示。

图1 乌梁素海流域水环境精准治理决策模型架构图

乌梁素海流域水环境精准治理决策模型主要包括水环境监测网络建设、数据采集与挖掘以及数据输入接口三部分，通过相关数据的监测整理，对数据内容进行采集与挖掘，并结合数值模拟与跟踪子系统，对乌梁素海内外源的污染物平衡与追踪进行模拟，最终得出相关的数据分析结果。

3 乌梁素海流域水环境精准治理决策模型搭建

3.1 形成一套乌梁素海流域水生态环境精准治理模型的数据体系

为系统评估乌梁素海流域的水生态环境，全方位的数据采集是关键，在数据采集中，结合乌梁素海流域生态环境日常数据，对数据内容进行归类与整理，形成数据库，为数据分析提供支持。如表1所示，模型建立所需要的数据主要包括流域模型基础数据、湖体底泥监测数据、水生植被监测数据、湖区养殖数据、污染源数据、化肥量数据等。采集这些数据，形成乌梁素海流域水生态环境精准治理模型完整的数据体系，也是乌梁素海流域的数据资产。

表1 乌梁素海流域水生态环境精准治理模型数据类别与内容

3.2 基于挖掘数据搭建乌梁素海流域矢量图集

模型建立的过程中，结合发掘的数据，以及乌梁素海本身的河流分系图，搭建一套乌梁素海流域的多源要素空间矢量图集，提升乌梁素海治理的直观性。基于原有的乌梁素海河套灌区渠道平面布置图，结合新增的渠道和渠道位置有变更的情况，经过遥感解译、实地调研和人工调研，将原有渠道布置图进行细化和更新，形成新的河套灌区渠道分布图，如图2所示。灌渠模型模拟的过程中，需要将流域中的闸门、泵站等水工建筑物进行模型表达，最终得到流域水工建筑物分布节点图，如图3所示。

图2 河套灌区渠道分布图

图3 水工建筑物分布图

根据农作物化肥施用量情况，考虑影响施肥强度的因素对农田施肥过程的精细表达，模拟表达各子流域施肥强度变化，给出优先管控区，并形成矢量图层便于进一步分析评估，如图4所示。基于数字高程数据与水系，最终划分了729个子流域，以及相应的729条河道，并对12个沟道扬水站进行了表达。乌梁素海流域DEM图如图5所示，站点与水系沟道匹配图如图6所示。基于用地类型、土壤类型、坡度对流域进行水文响应单元划分，划分过程中形成了乌梁素海流域坡度类型，如图7所示。

图4 施肥强度图

图5 乌梁素海流域DEM图

图6 站点与水系沟道匹配图

图7 乌梁素海流域坡度类型图

4 乌梁素海流域水环境精准治理模型成效

乌梁素海流域的污染源溯源分为湖体污染源溯源和总排干重点断面污染源溯源分析。

4.1 湖体污染源溯源分析

在湖体污染源的溯源过程中，结合污染源排放结构，将直接排入乌梁素海的各排干污染负荷贡献量和大小进行排名，找到污染贡献最大的入湖排干；再将汇入该排干汇水分区支排的污染负荷贡献量和大小进行排名，找到污染贡献最大的分排干；再按照同样的方式追溯到子流域，找到排污量最大的行政单元，提供给管理部门并提出相关建议。

具体来看，首先确定总排干为主要贡献沟道，对总排干的污染源解析如图8所示，根据入总排干的沟道河流的输出负荷量排名，可知三排干沟的负荷贡献最大。同时，根据图8中的饼图，还能够解析出总排干污染负荷构成类型。

图8 总排干污染源溯源示意图

继续对三排干沟进行溯源分析，图9的饼图显示了其汇水区内的污染源类型主要是畜禽养殖污染源和农田面源污染源；右下角的条形图可以看出660号子流域输出的负荷量最大。对于660号子流域，该区域内的行政村主要有9个，其中有25.7%的区域属于民建村，其他还有约50%的区域属于民丰村、新丰村、棋盘村民委员会。而且，这四个行政村均有60%以上的面积属于660子流域。可以对这四个行政村的畜禽养殖和农田施肥情况进行调查分析和诊断，从而制定有效的管控措施。

图9 总排干重点断面污染源溯源分析示意图

4.2 总排干重点断面污染源溯源分析

溯源分析的第二层面是针对总排干的重点断面进行溯源分析。总排干上分布了5个重要的断面：韩四桥、黄济桥、裴家桥、六份桥、红圪卜等，每个断面上游的汇水区都有多个子流域和行政村，对于上述断面，需要分析出哪些行政区域为重要的贡献源。通过模型体系的计算结果对上述断面进行溯源分析，从而更全面地了解总排干汇水区内的污染源情况。

首先，对5个断面的污染源排放结构进行分析，如图10，5个饼图给出总排干上5个断面的污染排放结构。可见，5个断面都是畜禽养殖和农田面源占主导，但是不同断面的污染源类型结构又有差异，农村生活污染源和生态补水的贡献从上游到下游逐渐增加。以裴家桥断面为例进行溯源解析，其主要污染源类型为畜禽养殖和农田面源，农村生活污染源和生态补水也有一定贡献；其上游汇水区内三排干沟的输出负荷量最多，再按照同样的方式追溯到子流域，匹配到行政单元提出管理建议。