滦河潘家口水库控制流域水量与污染物负荷模型构建及率定

2022-07-05李建柱徐彬鑫

地下水 2022年3期

刘超，李建柱，徐彬鑫

(1.河北省邢台水文勘测研究中心，河北邢台 054000；2.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350；3.水利部海河水利委员会，天津 300170)

水资源是人类生活、生产和生态环境的重要保障，中国的水资源仅为世界平均水平的1/4，且降水的多年变化和年内集中程度均很大[1]，径流多以洪水的形式发生，较大一部分径流不能被利用。随着社会经济的发展，点源污染和非点源污染导致的水环境问题也逐渐凸显，进一步加剧了我国水资源的供需矛盾。由于治理能力的不断提升与管理措施的不断严格，点源污染基本得到控制，非点源污染已成为造成水体污染的主要原因。

流域作为自然形成的水资源动态系统，是水循环过程及水行政管理中的重要单元。流域问题的研究，是水资源开发利用，合理配置优化，综合决策管理等宏观问题研究的落脚点[2]。首要任务是获取流域详实的水文、气象信息，但受限于地理条件与历史因素，同时考虑到经济成本，观测数据往往集中在流域的中下游区域[3]，且在时间上也不具有连续性，客观上限制了流域决策管理的精细化。因此，流域水文、水动力、水质模型成为补充缺测数据的重要手段，以及流域水资源综合管理的有效工具。

潘家口水库是天津市、唐山市重要的水源地，承担着天津、唐山工业、农业、城市生活和环境用水的重任[4]。截至2018年底，累计向天津市供水187亿 m3，为天津市经济可持续发展做出了重要贡献。2000年之前，潘家口水库各断面水质均为III类水标准，近年来，随着社会经济的快速发展，潘家口水库上游工业和城市生活污水、农业生产中大量农药化肥的施用、水库网箱养鱼及水库周边旅游设施造成的污染日益严重。2016-2017年，潘家口水库由于水质较差，天津中断了引滦供水。因此，构建潘家口水库控制流域污染物负荷模型，模拟分析潘家口水库的污染物负荷，对于精准分析污染物来源，并提出针对性措施和对策可提供科学依据。

1 研究区概况

滦河发源于河北省承德市境内的巴彦古尔图山北麓，流经河北省、内蒙古自治区及辽宁省等地区，最终于河北省乐亭县汇入渤海[5]。滦河流域位于39°10′N～42°30′N，115°30′E～119°15′E，控制面积为44 750 km2。潘家口水库是滦河上的大型水库，是引滦入津的水源地，目前承担着保障天津市河道生态需水的重要任务，流域位置及水系情况如图1。

根据2018年国控断面相关河湖水质监测资料，滦河流域重要断面水质为Ⅲ～劣Ⅴ类。主要是一些月份的水质情况不满足各自水环境控制单元与水功能区的控制目标。其中，瀑河大桑园控制断面的水质最差时为劣Ⅴ类，化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD)等指标明显超标；滦河干流的上板城大桥控制断面水质为Ⅴ类，高锰酸盐指数、化学需氧量等指标超标。研究流域内水质控制断面2018年水质情况见表1。

图1 研究区域地理位置及水系图

2 流域污染物负荷模型构建

根据流域水文气象、土地利用及污染物来源等数据，构建SWAT水文水质模型对流域径流过程和污染物负荷进行模拟分析。

2.1 SWAT模型原理

SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool)是美国农业部开发的流域尺度分布式水文模型，模型可用于模拟单一流域或多个具有水文联系流域的水文过程[6]。SWAT模型内包含有土地利用、地下水、流域管理、河道水质情况等多个模块，能够预测长时间序列下流域的水文、泥沙与营养物质的变化情况[7]。

表1 研究流域重要水域控制断面水质

SWAT模拟的水文循环基于水量平衡方程

(1)

式中：SWt为最终土壤水含量，mm；SW0为第i天初始土壤含水量，mm；t为天数，d；Rday为第i天降水量，mm；Qsurf为第i天地表径流，mm；Ea为第i天蒸发量，mm；Wseep为第i天土壤底层渗透量，mm；Qgw为第i天地下水出流，mm。

SWAT在降雨径流计算中则采用SCS曲线法，该方程自上世纪50年代起开始得到广泛应用，其方程式为：

(2)

式中：Qsurf为地表径流量，mm；Rday为降雨量，mm；Ia为初损量，mm；S为滞留系数，mm；表达式如下：

(3)

式中：CN为模拟日的曲线数，初损Ia通常估计为0.2S。

表2 SWAT模型建模所需基础数据

2.2 SWAT模型构建

SWAT模型在构建过程中需要输入数字高程数据、土壤数据、土地利用数据与气象数据(降水、气温、太阳辐射、风速及相对湿度等)，具体输入数据见表2。在模型建立后，还需要利用实测径流数据对模型进行率定。具体建模过程如下：首先通过八流向法根据DEM与设定的集水面积阈值生成流域内河网，并划定出若干子流域；其次，定义流域内土地利用情况、土壤类型与坡度分级，通过设定各自对应的阈值，进而形成阈值组合以在各子流域内生成水文响应单元(HRUs)；之后在模型中加载气象数据并运行，SWAT以HRU为最小计算单元各自独立进行水文循环过程模拟，之后通过SCS曲线法计算得到地表径流，河道水流演算则采用马斯京根法。

2.2.1 数字高程(DEM)数据处理

潘家口水库控制流域DEM由NASA提供的SRTM的DEM数据裁剪得到，分辨率为30 m×30 m(如图2)，将研究区域划分了34个子流域。

图2 研究区DEM及子流域划分情况

2.2.2 土地利用及土壤数据

选用2005年土地利用数据，并将土地利用数据进行重分类，分为林地、草地、耕地、水域、建设用地及未利用土地六大类，

土壤数据资料来源于HWSD土壤数据库(http://www.fao.org)，该数据库由联合国粮农组织(FAO)、中国科学院南京土壤研究所(ISSCAS)、欧盟委员会联合研究中心(JRC)等国内外多家机构联合构建。研究区域土地利用情况与土壤类型见图3。

图3 研究区域土壤类型及土地利用情况

2.2.3 水文气象数据

降水数据来自三道河子、宽城、下河南等10个雨量站1998-2018年逐日数据，气象数据选用多伦、围场、承德及青龙4个气象站同时段逐日数据，数据来源为中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)。

2.2.4 污染物数据概化

农村生活污染与畜禽污染年内污染负荷产生量较为固定，因此在SWAT模型中将两种污染分别根据其各自TN、TP、NH3-N的比例，定义新的化肥类型，以连续施肥的形式进行概化。施肥持续时间设置为1年，施肥频次设置为每日一次，同时按照各子流域人口与面积加权，确定子流域污染排放量。

对于化肥污染，承德市主要种植作物为玉米、大豆、马铃薯，生长季节约在每年3-10月份，因此设置施肥时间为每年3-9月，施肥频次设置为每月一次。

点源污染数据采用各排污口排放数据输入模型，由于收集到资料为年排放总量，因此将其概化为每月输出量相等，即年内12个月均匀排放至流域。

2.3 SWAT模型适用性评价

采用相关系数R2及纳什效率系数(NSE)两种指标来评价模拟结果，其计算公式分别见式(4)、(5)。

(4)

(5)

2.3.1 径流量率定验证结果分析

采用SWAT-CUP对模型参数进行率定，经过2 000次迭代得到最终模拟结果，计算各水文站率定期与验证期的相关系数与纳什效率系数，见表3，潘家口水库入库径流量模拟结果见图4。可见流域内各控制站R2、NSE均高于0.50，说明模型能较好地反映流域内水文变化过程。尤其是在潘家口水库入库径流模拟时，率定期和验证期NSE分别为0.80和0.79，表明构建的SWAT模型对潘家口水库水量模拟结果很好。

表3 各水文站模拟效果评价

图4 潘家口水库径流模拟与实测对比

2.3.2 水质率定验证结果

选择2018年对模型进行率定，2017年对模型进行验证。对各站TN、TP模拟值与实测值的相关系数进行计算，结果如表4、表5所示，R2均在0.57以上。从图5可以看出，率定后的模型能较好地反映研究流域营养物迁移转化情况，但对于汛期的极值点模拟效果并不理想，主要原因为汛期氮磷负荷主要受泥沙影响，而本研究中由于缺乏泥沙监测数据，未对其进行率定验证，因而造成了误差。