基于WASP模型的小流域精细化管理研究——以株洲渌水流域为例*

陶虹霓，刘兴旺，李 彬，2，胡 晞

(1.湘潭大学 环境与资源学院，湖南 湘潭 411105；2.塔那那利佛大学 地质工程学院，马达加斯加 塔那那利佛999054；3.湖南安全技术职业学院，湖南 长沙，410151)

0 引言

精细化管理最初起源于20世纪50年代，是日本企业的一种管理理念，其实质在于对目标的细化、分解和落实[1-2].我国的水质管理多年来以总量控制为核心，随着水环境的总体改善和水环境治理过程中问题的暴露，近年来，我国开始聚焦于流域的精细化水质目标管理[3-4].美国是较早研究也是较为成功的管理流域的国家，目前广泛应用的流域水质管理模式为最大日负荷量计划，简称最大日负荷总量(total maximum daily loads，TMDL)计划[5-6].欧盟推行欧盟区域合作管理模式，制定了针对每个流域的总量——质量联动的精细化管理方法，提出了《水框架指令》[7].日本伊势湾、濑户内海、以及日本东京湾等流域实施总量控制计划[8].“十一五”“十二五”期间，我国在流域水环境管理技术方面实现了共性关键技术的重点突破[9]，2015年，国务院印发的《水污染防治行动计划》作为这一时期全国水污染防治工作的行动指南，提出了流域精细化管理的要求和思路.2016年，中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于全面推行河长制的意见》，对水环境的精细化管理做出细致的明确分工，将河流精细化管理作为河、湖长制工作的重要抓手.“十三五”期间，由中国环境科学研究院承担的国家水体污染控制与治理科技重大专项提出“流域控制单元水质目标管理技术集成”课题，旨在总结水质目标管理技术成果，构建差别化、精细化、科学化的流域控制单元水质目标管理技术体系，有力支撑生态环境根本好转[10].以水环境模型为工具，开展流域水环境容量计算、水质达标方案设计，在流域管理工作中得到了广泛应用[11-13].针对流域特定的水环境特点，来制定合理的水污染防治方案，已成为我国流域管理的发展趋势[14-17].目前来看，我国在长三角、珠三角、京津冀地区等大区域水质目标管理技术体系已在逐步集成完善，而对于中小河流，由于水文和历史资料的缺乏，水质目标管理技术方法的应用研究还比较欠缺[18-19].

本研究选取位于湖南省株洲市的渌水流域为研究对象.渌水流域土地肥沃，物产丰饶，人口较为稠密，经济发展较快.渌水是湖南省创建的省级样板河，是湘赣边区域合作示范区流域综合治理典范[20].渌水作为典型的城市河流，在全国对环境的重视程度越来越高的趋势下，是一个具有意义的比较完整的小流域.本研究从株洲市渌水流域实际出发，考虑不同水期，以控制单元为载体，选取渌水流域水污染较严重的COD、氨氮、总磷为水质模拟指标，建立渌水流域WASP水质模型，基于TMDL计划构建精细化污染负荷削减方案，针对流域突出污染问题做出情景分析，为管理部门的工作提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

渌水是株洲市的主要河流，也是醴陵市的母亲河，其流域基本情况如图1所示.渌水有南、北两源，以南源为主.南源发于江西省萍乡市千拉岭南麓，流经萍乡，称萍水，于金鱼石进入醴陵境内，至双江口与北源汇合，于渌口区渌口镇汇入湘江，地理坐标在北纬27°33′～27°52′，东经113°07′～114°07′之间.北源出自江西万载，流经浏阳，于南桥进入醴陵境内，称澄潭江或南川水.

图1 渌水流域基本情况图

株洲市渌水干流全长82 km，包括醴陵市68 km，渌口区14 km.渌水支流水系发达，支流众多，在株洲境内共有一级支流16条，其中醴陵市12条，渌口区4条.流经醴陵市、渌口区和攸县23个乡镇，总流域面积2 788 km2.渌水干流从上游至下游设置监测断面6个.6～8月为渌水丰水期，流量占全年流量的66.6%；1月、11月、12月为枯水期，其他时期为平水期.

根据株洲市委市政府2020年污染防治攻坚战暨生态文明建设会议精神，达到“渌水全流域水质从地表水Ⅲ类提升至Ⅱ类标准”的目标，以改善水环境质量为核心，按照“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”原则，对渌水流域提出精细化管理方案，系统推进水污染防治、水生态保护和水资源管理，促进渌水水质提升，渌水省际样板河建设顺利完成.

1.2 研究方法

1.2.1 WASP模型

WASP水质模型是美国环保署开发的一种水质模型，全称水质分析模拟程序.WASP水质模型包含了水动力、水文、生物、化学、物理等多门学科知识，综合考虑了水体中的物理、化学、生物作用与污染物的迁移转化规律，可以分析预测不同环境污染状况下各种水质状况.模型包含富营养化(EUTRO)模块和有毒污染物(TOXI)模块，可以分析不同类型的水质指标，适用于河流、湖泊、水库、海岸等多种水体.

WASP模型运行的基本原理是以质量守恒为基础的水体单元平移-扩散方程.对于任一无穷小的流体，其质量守恒方程可表示为：

(1)

式中：c为水质指标浓度的数值，单位mg/L；t为时间步长的数值，单位s；Ux，Uy，Uz分别为水体纵向、横向、垂向速度的数值，单位m/s；Ex，Ey，Ez分别为水体纵向、横向、垂向扩散系数的数值，单位m2/s；SL为点源和非点源总负荷的数值，单位g/(m3·d)；SB为边界负荷值的数值，单位g/(m3·d)；SK为总动力转换项的数值，单位g/(m3·d).

1.2.2 河段概化

为简化水质模型，方便流域管理，把一个相对复杂的流域污染问题分解到各个相对独立的控制单元内，以分解污染控制任务，达到流域污染精细化管理和防控目的.通过GIS对流域的DEM数据进行提取，可以获得流域的高程、坡度等基础地理信息.综合考虑流域内的地形变化、监测断面分布、行政区划、水文特征、水质变化情况等因素，将渌水河流概化为6段(见图2)，并分别对应6个控制单元，各河段及其控制单元信息如表1所示.

表1 河段及控制单元信息

图2 河流概化与控制单元划分

图3 TMDL计划实施步骤

1.2.3 污染负荷估算

对地表水环境质量的预测，需要对流域内水文水质资料与点源、非点源污染负荷数据进行收集与分析.点源污染主要包括工业点源和城镇生活源，非点源污染主要包括农村生活源、畜禽水产养殖源和农业径流源.以2019年株洲市各县市统计年鉴数据为来源，第二次全国污染源普查数据为补充，2019年渌水流域COD的总入河量为29 779.80 t/a，氨氮的总入河量为1 312.25 t/a，总磷的总入河量为429.48 t/a.渌水流域各控制单元 COD、氨氮、TP 污染负荷统计数据如表2所示.就污染物COD而言，流域内点源污染占总负荷的23.35%，非点源污染占总负荷的76.65%.就污染物氨氮而言，流域内点源污染占总负荷的36.90%，非点源污染占总负荷的63.10%.就污染物总磷而言，流域内点源污染占总负荷的22.30%，非点源污染占总负荷的77.70%.

表2 渌水流域各控制单元 COD、氨氮、TP 污染负荷统计

1.2.4 最大日污染负荷计划

基于最大日污染负荷计划对渌水流域各河段进行最大污染负荷与削减负荷的分配.最大日污染负荷是指在水体能满足水质标准的情况下，所能容纳的某种污染物的日最大负荷量.建立适合渌水实际情况的水质模型，测算出达到符合水生态环境的水质指标目标所允许的最大污染日负荷总量，并将最大日负荷总量进行分配，以控制至各点源和非点源，制定出相应的污染削减措施.其表达式为：

MTMDL=∑MWLA+∑MLA+MMOS，

(2)

式中：MTMDL为污染物日最大允许排放量；MWLA为点源污染负荷分配；MLA为非点源污染负荷分配；MMOS为安全临界值，通常取MTMDL的5%～10%.

2 结果与分析

2.1 参数确定与模型校验

本研究选择模型试错法来确定渌水WASP水质模型参数.通过查阅手册和参考文献确定参数初始值，通过不断精调参数，使得模拟值与实测值误差尽可能小.各指标模拟值与实测值的相对误差计算公式如下：

(3)

式中：d为相对误差；Xm为各指标实测值；Xn为各指标模拟值.

通过模型试错法，最终确定的渌水WASP水质模型参数结果汇总表如表3所示.

表3 参数结果汇总表

将 WASP8水质模型应用于渌水的水质研究工作，以2019年各月份的监测数据做验证，通过监测值与模拟值的线性拟合结果的决定系数R2对模拟结果的总体效果加以评价.R2是趋势线拟合程度的指标，它的数值大小可以反映趋势线的估计值与对应的实际数据之间的拟合程度.R2值越接近于1，其可靠性越高.由表4可知，该水域的模拟结果与实测值基本吻合，COD、氨氮、总磷的拟合结果决定系数R2均大于0.9.因此，本研究建立的WASP 模型可以作为渌水水质预测管理的有效工具.

表4 各河段水质模拟决定系数情况表

2.2 水环境容量计算

以《地表水水质标准类别(GB3838-2002)》Ⅱ类水质标准为水质目标，如表5所示，经模型试错法计算得到渌水COD在枯水期、平水期和丰水期的水环境容量分别为30 994.29 t/a、39 046.01 t/a、39 755.87 t/a；氨氮在枯水期、平水期和丰水期的水环境容量分别为1 859.70 t/a、2 547.27 t/a、2 450.99 t/a；总磷在枯水期、平水期和丰水期的水环境容量分别为467.23 t/a、551.06 t/a、537.16 t/a.从流域整体来看，水环境容量可以容纳现状污染负荷，但分河段来看，不少河段的COD、总磷存在水质超标风险.需针对各河段的实际水环境现状与水污染问题，制定精细化管理方案.

表5 渌水水环境容量模拟结果

2.3 TMDL最大日负荷计划

根据表2渌水流域各河段的现状污染负荷与表5水环境容量计算结果，按点源和非点源污染负荷占比进行污染负荷分配，基于最大日污染负荷计算公式，分水期、分河段对渌水流域制定河流污染负荷削减方案，如表6所示.

结果表明，在枯水期和平水期，多数河段的水质不能稳定达到水质目标，存在削减需求，主要不达标污染物为COD与总磷.在丰水期，受降水的稀释净化，各河段的现状纳污负荷尚有富余.

由表6可知，渌水流域内受非点源污染的影响范围广.分河段来看，王坊镇断面-三刀石断面河段枯水期总磷超标，该控制单元的主要污染源头为畜禽水产源.三刀石断面-星火断面河段枯水期COD超标，该河段流经城区，水质受人为活动影响较大，主要源头为城镇生活源.星火断面-仙井断面河段存在的问题有枯水期、平水期总磷超标，主要源头为畜禽水产源.仙井断面-渌水入河口河段和网岭镇界-杨泗断面河段均存在枯水期、平水期COD和总磷超标的风险，主要源头为农村生活源、畜禽水产源.杨泗断面-铁水汇入处河段枯水期COD超标，主要源头为畜禽水产源.其中，网岭镇界-杨泗断面河段、杨泗断面-铁水汇入处河段的非点源污染削减压力较大，应是今后河流治理关注的重点.

2.4 情景分析

以地表水Ⅱ类水质标准为目标，基于现状模拟结果，从渌水流域污染实际特点与现行污染防治措施出发，针对渌水属于跨界河流的特点，考察上游来水发生水体污染突发事件时对本流域的影响；针对株洲市目前推行的全流域生活污染治理工作，考察在该工作落实完成后的水质改善情况.为了具体分析不同情景下渌水流域水体污染的情况，将渌水流域情景分成4个假设，如表7所示.

表7 渌水流域情景设计方案

2.4.1 上游来水超标情景下的河段分析

河段1王坊镇断面位于湖南省与江西省交界处，上游入境来水水质整体较差，江西入境河道上也常有水葫芦等漂浮物顺流进入醴陵境内.王坊镇监测断面的水质年均值一直为Ⅲ类水质，监测指标生化需氧量、氨氮、总磷、化学需氧量等长期超Ⅲ类水质标准，甚至有些月份劣于V类，超标源头为萍乡市污染源.三刀石断面是渌水跨界进入株洲市境内后的第一个监测断面，附近即有饮用水保护地.为及时应对突发跨界水环境事件，针对上游来水水质超标突发情况情景下对于三刀石监测断面的水质影响进行模拟分析，如图4所示.

图4 不同上游来水水质情景下三刀石断面的水质模拟结果

由模拟结果可知，在上游来水水质为Ⅳ类时，进入渌水流域的第一个断面三刀石断面将显著受到影响，COD水质也将呈现Ⅳ类水状态，在丰水期水质超标显得更为严重；氨氮指标在3～6月的超标结果显著，呈现Ⅳ类水状态，其他时期的模拟值相对较低，为Ⅲ类水；污染物总磷在3～7月能满足Ⅱ类水质目标，其他时期均为Ⅲ类水或Ⅳ类水.在上游来水水质为Ⅴ类时，三刀石断面的COD水质也将呈现Ⅴ类水状态；氨氮在4月的水质最差，呈劣Ⅴ类水质，其余月份大多呈Ⅲ类水水质，这与渌水流域的种植模式相关，渌水株洲段为市农作物主产区，农作物耕种面积超过120万亩，水田种植的主要粮食作物为水稻，采用早、晚稻双季稻的种植模式，旱地以种植蔬菜为主，化肥施用以氮肥为主.春季受作物种植的影响，氨氮负荷会有所升高，受地势影响，控制区及上游区域的山地、丘陵的污染物易以径流方式流入河流；总磷在1月、8～11月呈现Ⅳ类水状态，其余月份呈现Ⅲ类水质状态，这是因为丰水期河流补水充足，水环境容量增大，枯水期水环境容量缩小，受冬季气温降低的影响，河流自净能力也有所降低.管理部门应当根据不同时期的水质变化特点，在遇到水质突发环境事件时，采取不同强度的措施.

2.4.2 全流域生活污染治理工作完成后的水质改善效果

为深入贯彻习近平生态文明思想和习近平总书记关于治水的重要论述，全面提高渌水流域保护治理水平，针对流域内生活污染负荷突出的问题，株洲市政府有针对性地推行近三年内全流域生活污染治理100%完成的工作.基于渌水水质模型，对全流域生活污染治理工作完成后的渌水水质情况进行模拟预测，如图5所示.

图5 生活污染治理工作完成后各河段的水质模拟结果

由模拟结果可知，在完成全流域生活污染治理工作后，渌水水质将得到明显改善，各河段的COD、氨氮均能稳定满足Ⅱ类水水质目标.但对于污染物总磷而言，并不能稳定达到Ⅱ类水水质目标，河段3、河段4在枯水期和平水期仍存在超标风险.这是因为河段3、河段4的农业面源污染负荷占比高，受养殖业和种植业污染影响较大，仅从生活污染治理工作来改善水环境不足以达到水质目标要求.在降雨补水不够充分的枯水期和平水期，河流的自净能力会有所减弱.从不同污染源污染负荷贡献来看，河段3 的总磷污染负荷以畜禽水产和农业径流为主，为达到水质目标，需要同时注重强化养殖污染防治，深入推进畜禽粪污治理和资源化利用，确保规模养殖场配套率达 100%；建设绿色农田，生态涵养、农业面源污染防治和田园生态改善，做好农田生态功能提升工作.河段4应加强枯水期的水污染防治工作，严格把握枯水期污染物排放限值，全流域需谨防突发水环境污染事件.

3 结论

1)以2019年的水质数据与污染源数据为基础，经计算，渌水流域COD的总入河负荷为29 779.80 t/a，氨氮的总入河负荷为1 312.25 t/a，总磷的总入河负荷为429.48 t/a.通过WASP模型试错法计算得渌水流域COD在枯水期、平水期和丰水期的水环境容量分别为30 994.29 t/a、39 046.01 t/a、39 755.87 t/a；氨氮在枯水期、平水期和丰水期的水环境容量分别为1 859.70 t/a、2 547.27 t/a、2 450.99 t/a；总磷在枯水期、平水期和丰水期的水环境容量分别为467.23 t/a、551.06 t/a、537.16 t/a.

2)基于最大日负荷计划，分水期、分河段对渌水流域制定河流水质精细化管理方案，可开展流域动态管理.河段1应谨防上游水质超标风险，推广和落实畜禽水产养殖的综合治理与利用工作；河段2流经城区河段，应促进形成完整的城镇生活垃圾收运处理体系，有效控制工业、生活污水的排放，通过采取全线截污、污水导排等措施，从根本上减少入河的污染负荷；河段3建议清理围栏围网及网箱养殖、投肥(粪)养殖，全面清退渌水干流醴陵市茶山镇、石亭镇等地网箱养殖，采用生态型护坡对人口居住地的岸坡进行整治，打造既满足河道体系的防护标准，又利于河道系统恢复生态平衡的系统工程；河段4建议推进农村环境综合整治，解决老城区和城乡接合部管网收集不到位、雨污分流未彻底、管道错接等问题；河段5与河段6的主要削减源头在农业面源，建议加强主要支流、入河渠道两岸的畜禽养殖管理，优化种植业测土配方施肥模式，农村生活垃圾采取“农户分类减量、组保洁、村收集、乡镇转运、市处理”的垃圾收集处置体系，采取相应的涉氮磷固定污染源专项整治行动措施减少排放.

3)从渌水流域污染实际特点与现行污染防治措施出发，经分析，上游来水水质超标将对流域内的水质造成明显的影响，COD将不能达标，氨氮、总磷有个别月份能够满足水质目标，但大多时候超标严重，管理部门可以依据污染物在不同时期的变化特征采取不同强度的管理措施.经模拟分析，在全流域生活污染治理工作完成后，流域内的COD、氨氮可以稳定达到Ⅱ类水质目标，但渌水干流中下游河段尚存在总磷超标风险，需针对畜禽水产源和农业径流源采取相关控制措施.