漠陽(yáng)江流域水環(huán)境容量的時(shí)空分布特征研究

程翔　趙志杰，?　秦華鵬　宋寶木　余香英　何康茂.城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院, 深圳58055; 2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,北京0087; .廣東省環(huán)境科學(xué)研究院, 廣州 50045; ?通信作者, E-mail: zhaozhijie@pku.edu.cn

?

漠陽(yáng)江流域水環(huán)境容量的時(shí)空分布特征研究

程翔1，2趙志杰1，2，?秦華鵬1宋寶木1余香英3何康茂1
1.城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院, 深圳518055; 2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,北京100871; 3.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院, 廣州 510045; ?通信作者, E-mail: zhaozhijie@pku.edu.cn

針對(duì)實(shí)測(cè)徑流資料較缺乏的漠陽(yáng)江流域, 通過(guò)流域水文模型 HSPF(hydrological simulation program-Fortran)模擬各支流和子流域詳細(xì)的徑流時(shí)空特征, 利用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算不同時(shí)間和空間上化學(xué)需氧量(COD)和氨氮的水環(huán)境容量。結(jié)果表明: 1) 在漠陽(yáng)江流域, HSPF模型對(duì)年與月徑流模擬的相對(duì)誤差小于 15%, Nash-Sutcliffe系數(shù)大于 0.9; 水質(zhì)模型的相對(duì)誤差在 10%左右, Nash-Sutcliffe系數(shù)大于 0.8; 2) 在90%, 50%和10%保證率下, 漠陽(yáng)江流域COD的環(huán)境容量分別為16.45, 21.84和24.97萬(wàn)t, 氨氮的環(huán)境容量分別為0.51, 0.88萬(wàn)t和1.14萬(wàn)t; 受徑流季節(jié)波動(dòng)影響, 枯水期與豐水期季節(jié)水環(huán)境容量差異明顯;1月份的水環(huán)境容量及其變差最小,6月份的水環(huán)境容量及其變差最大; 3) 空間分布上, 漠陽(yáng)江干流流域承載力較大, 一級(jí)與二級(jí)支流的承載力較小。因此, 在水文資料缺乏的流域, 可基于 HSPF 模型模擬的水文條件, 開(kāi)展水環(huán)境容量的時(shí)空分布分析, 為水環(huán)境容量總量控制方案的制定提供指導(dǎo)。

漠陽(yáng)江流域; 水環(huán)境容量; 水文; 時(shí)空分布

北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 第52卷 第3期 2016年5月

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 52, No.3(May 2016) doi: 10.13209/j.0479-8023.2016.029

目前針對(duì)水環(huán)境容量的總量控制大多根據(jù)90%保證率最枯月降雨條件下的設(shè)計(jì)流量進(jìn)行計(jì)算[1],這樣可以保證河流在枯水期水質(zhì)達(dá)標(biāo), 也可避免水環(huán)境保護(hù)的“不足”。實(shí)際上河流水文條件具有動(dòng)態(tài)變化特征, 當(dāng)水量增大(如豐水期)時(shí), 按最枯設(shè)計(jì)流量條件下的水環(huán)境容量進(jìn)行污染物總量控制, 會(huì)造成水環(huán)境“過(guò)保護(hù)”, 浪費(fèi)一部分水環(huán)境的納污能力[2]。流域降雨徑流形成的非點(diǎn)源污染的季節(jié)性差別很大, 目前尚無(wú)公認(rèn)合適的水文設(shè)計(jì)條件, 同時(shí)適用于豐水期和枯水期的水環(huán)境容量計(jì)算, 以便進(jìn)行合理的容量總量控制。流域水環(huán)境容量在空間上也呈現(xiàn)一定差異[3]。現(xiàn)有研究側(cè)重于干流的環(huán)境容量分析,由于水文資料的缺乏,很多流域?qū)χЯ餮芯可?在支流較多的情況下,容量分配易出現(xiàn)不合理的情況[4]。

掌握水環(huán)境容量時(shí)空分布特征是合理分配流域水環(huán)境容量的基礎(chǔ)。但是,在水文資料缺乏的流域,無(wú)法利用實(shí)測(cè)的徑流資料開(kāi)展水環(huán)境容量時(shí)空分布的分析。

本文以漠陽(yáng)江流域?yàn)閷?duì)象, 在現(xiàn)有水文資料的基礎(chǔ)上, 利用HSPF水文模型模擬得到各子流域不同時(shí)間尺度的徑流量, 然后利用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算相應(yīng)徑流量下的漠陽(yáng)江流域水環(huán)境容量,進(jìn)而開(kāi)展水環(huán)境容量時(shí)空分布特征的分析。研究結(jié)果可為科學(xué)評(píng)價(jià)與合理利用漠陽(yáng)江流域的水環(huán)境容量以及確定流域水環(huán)境承載力提供依據(jù)。

1　漠陽(yáng)江流域概況

漠陽(yáng)江(圖 1)發(fā)源于廣東省云浮市西南大云霧山南側(cè), 在陽(yáng)江市的北津注入南海, 干流全長(zhǎng) 199km, 流域總面積6091 km2, 其中陽(yáng)江市境內(nèi)流域面積 5604.4 km2, 占總流域面積的 93.1%, 境內(nèi)流域面積占陽(yáng)江市總面積的 71.7%。集水面積超過(guò) 100 km2的一級(jí)支流有11條, 其中潭水河、西山河和那龍河集水面積較大; 二級(jí)支流有6條。漠陽(yáng)江流域雨量充沛, 年均降水量為 2195 mm, 降水年內(nèi)分配不均, 年際變化較大。年內(nèi)分配具有干濕季分明、雨量集中于汛期的特點(diǎn)。

漠陽(yáng)江是陽(yáng)江市最主要的飲用水源, 也是流域內(nèi)城鄉(xiāng)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最重要水源。漠陽(yáng)江干流下游水質(zhì)控制目標(biāo)為Ⅲ類水, 上游與中游以及漠陽(yáng)江各支流控制目標(biāo)為Ⅱ類水。目前漠陽(yáng)江全河段水質(zhì)雖以Ⅱ類為主, 但水污染防治形勢(shì)不容樂(lè)觀。近年來(lái),社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展, 對(duì)漠陽(yáng)江水質(zhì)產(chǎn)生較大的影響, 水污染問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn), 水環(huán)境承載力的壓力越來(lái)越大。如果沒(méi)有科學(xué)系統(tǒng)的水環(huán)境綜合管理方案, 流域水質(zhì)保護(hù)的壓力將越來(lái)越大, 也將對(duì)漠陽(yáng)江供水水源水質(zhì)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。以分區(qū)域水環(huán)境容量為基礎(chǔ), 單位面積的水環(huán)境容量可以表示水環(huán)境對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支持能力, 即水環(huán)境承載力的高低。

2　數(shù)據(jù)和方法

漠陽(yáng)江地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括 DEM (分辨率為30 m美國(guó)NASA的ASTER GDEM)、河網(wǎng)(廣東省科學(xué)研究院提供, ArcGIS 矢量數(shù)據(jù))、土地利用矢量數(shù)據(jù)(廣東省科學(xué)研究院提供, 包含水田、旱地等16類, 圖2)以及在此基礎(chǔ)上劃分的 31 個(gè)子流域(在ArcGIS中根據(jù)DEM圖與河網(wǎng)圖手動(dòng)劃分)。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象信息中心, 包括1983—2012年陽(yáng)春、陽(yáng)江兩個(gè)站(圖 1)逐日(20—20 時(shí))降水量、日最高氣溫、日最低氣溫、露點(diǎn)溫度、云量、風(fēng)速、相對(duì)濕度等, 用于水文模型建立時(shí)氣象數(shù)據(jù)的輸入。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自陽(yáng)江市監(jiān)測(cè)站, 包括 2005—郎、河口、漠陽(yáng)江水廠、江城)的數(shù)據(jù)(1—11 月,每月1至6個(gè)監(jiān)測(cè)日), 指標(biāo)包括 COD(化學(xué)需氧量)、氨氮、重金屬等 24 項(xiàng), 用于水質(zhì)模型的校準(zhǔn)與驗(yàn)證。

2.1 水文模型

2.1.1 流域水文條件模擬

由于連續(xù)的實(shí)測(cè)水文資料缺乏, 考慮到各子流域空間異質(zhì)性, 選用分布式水文模型 HSPF 模擬漠陽(yáng)江各支流的徑流量。在對(duì)HSPF模型完成驗(yàn)證的基礎(chǔ)上, 將模擬得到的水文數(shù)據(jù)(各個(gè)子流域 30 年的逐月流量數(shù)據(jù))用于分析研究漠陽(yáng)江流域水環(huán)境容量時(shí)空分布。

HSPF模型中水文模擬以 Stanford水文模型為基礎(chǔ), 根據(jù)土地利用特征, 分為透水地面和不透水地面, 針對(duì)不同下墊面的水文過(guò)程進(jìn)行模擬。透水地面的模擬考慮降水、截留、地表填洼、蒸發(fā)、蒸騰、滲透、地表徑流、壤中流和地下水流等水文過(guò)程; 不透水地面的模擬包括降水、截留、地表徑流、蒸發(fā)。HSPF 模型水文模塊對(duì)于降雨徑流復(fù)雜過(guò)程的描述, 能較好地再現(xiàn)流域?qū)嶋H水文過(guò)程[5–6]。 2011年7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(春灣、陂面、魚(yú)皇石、中

國(guó)內(nèi)外利用 HSPF 模型對(duì)降雨徑流為主的水文過(guò)程、氣候變化以及土地利用變化對(duì)水文過(guò)程的影響開(kāi)展了很多研究, 表明 HSPF模型在諸多地區(qū)水文過(guò)程的時(shí)空分布變化模擬中均有很好的表現(xiàn), 石赟赟等[7]、李燕等[8]、Cryer等[9]、Alarcon 等[10]和董延軍等[11]在不同時(shí)間與空間尺度上模擬所得結(jié)果的相對(duì)誤差均小于 15%, NASH系數(shù)都在 0.8 以上, 模擬效果良好。

2.1.2 漠陽(yáng)江流域HSPF水文模型驗(yàn)證

漠陽(yáng)江流域面積較大, 水文過(guò)程復(fù)雜, 水文敏感參數(shù)較多, 對(duì)河流流量影響較大, 水分平衡以及水文參數(shù)對(duì)整個(gè)流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷模擬起著至關(guān)重要的作用。本文參考HSPF模型手冊(cè)[12]和HSPFParm[13]以及相關(guān)研究成果設(shè)定參數(shù)初值, 然后對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定, 水文部分主要參數(shù)的最終取值見(jiàn)表1。

利用 2009年漠陽(yáng)江流域水文觀測(cè)資料對(duì)水文模塊進(jìn)行參數(shù)率定, 根據(jù) HSPF 模型指定的參數(shù)范圍, 反復(fù)調(diào)整參數(shù), 使流域年出流總量的模擬值和實(shí)際出流總量趨于一致。以 2010年實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證模型, 水文模擬首先從年度水分平衡開(kāi)始, 初步模擬年度水量低于測(cè)量值, 因此適當(dāng)減小下層額定存儲(chǔ)量(LZSN), 減少潛在蒸散, 增加產(chǎn)流, 從而增加降水引起的徑流水量。年水量模擬結(jié)果中, 2009年模擬值為190.95 m3/s, 實(shí)測(cè)值為203.28 m3/s; 2010年模擬值為 228.91 m3/s, 實(shí)測(cè)值為 259.12 m3/s; 2009年相對(duì)誤差為 6.06%, 2010年的相對(duì)誤差為11.7%, 相對(duì)誤差均小于15%。

2009年和 2010 年的月水量模擬結(jié)果分析見(jiàn)圖3。除2009年5月模擬結(jié)果的相對(duì)誤差為52.7%外(漠陽(yáng)江地區(qū)有較多水庫(kù), 我們未得到相關(guān)數(shù)據(jù)或說(shuō)明, 為了保持流域的完整性, 沒(méi)有扣除水庫(kù)所在子流域, 該月誤差較大可能是由于水量激增引起的水庫(kù)蓄水所致), 其他月份模擬值與觀測(cè)值的相對(duì)誤差均小于 15%, Nash系數(shù)在0.9以上, 曲線走向一致, 較好地反映了漠陽(yáng)江流域的水文過(guò)程。

表1　水文部分主要參數(shù)取值Table1 Main parameters of hydrological part

2.2 水質(zhì)模型與環(huán)境容量估算方法

2.2.1 水質(zhì)模型的建立與驗(yàn)證

對(duì)于研究河流水污染遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程, 若主要關(guān)心污染物濃度的沿程變化, 對(duì)斷面上的變化情況沒(méi)有太多要求時(shí), 可采用一維水質(zhì)模型進(jìn)行描述。水環(huán)境容量是在特定的水文設(shè)計(jì)條件下, 穩(wěn)定的污染源和水文特征時(shí), 河流能接受的最大污染物的負(fù)荷量。在河流流速、流量、水位都不隨時(shí)間而變化,污染源排放連續(xù)穩(wěn)定情況下, 縱向分散作用遠(yuǎn)小于河流的移流和降解作用, 同時(shí)不同時(shí)刻的縱向分散作用在宏觀上可以相互抵消。在這種特定情況下,

可以忽略縱向分散作用?？紤]到國(guó)內(nèi), 尤其是漠陽(yáng)江流域所在地區(qū)的水環(huán)境保護(hù)要求以及水環(huán)境容量計(jì)算的精度, 同時(shí)考慮到穩(wěn)態(tài)模型發(fā)展的成熟性, 本文采用一維穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算水環(huán)境容量。

為保證水質(zhì)模型能真實(shí)地反映污染物流入后的情形, 我們驗(yàn)證了所建立的水質(zhì)模型。將 199km的漠陽(yáng)江干流及主要支流劃分為27個(gè)河段共81 個(gè)計(jì)算單元(圖 4), 每個(gè)計(jì)算單元的空間步長(zhǎng)為1 km。以 2010 年漠陽(yáng)江流域污染負(fù)荷和水文條件輸入所建立的河流水質(zhì)模型, 模擬出漠陽(yáng)江干流沿程的COD 和氨氮濃度值, 選取5個(gè)斷面的實(shí)測(cè)值作為模型驗(yàn)證的對(duì)比資料, 選用相對(duì)誤差(RE)和 Nash-Sutcliffe標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估模型在校準(zhǔn)和驗(yàn)證過(guò)程中的模擬效果。NASH公式計(jì)算如下:

Qi為第i時(shí)刻觀測(cè)流量(m3/s); Q'i為第i時(shí)刻模擬流量(m3/s); n為時(shí)段總數(shù);Q為平均觀測(cè)流量。

NASH系數(shù)是描述計(jì)算值對(duì)目標(biāo)值擬合精度的無(wú)量綱統(tǒng)計(jì)參數(shù), 一般取值在-∞～1 之間, 本研究中, NASH系數(shù)在 0.8以上表明符合要求, 0.6～0.8為基本符合要求, 低于 0.6 則認(rèn)為偏差過(guò)大, 結(jié)果不適宜。

參考中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所編制的《粵西主要河流水質(zhì)保護(hù)規(guī)劃修編(研究報(bào)告)》, 廣東省粵西地區(qū)COD的衰減系數(shù)為0.08~0.1 d-1, 氨氮的衰減系數(shù)為 0.07 d-1, 經(jīng)過(guò)模型驗(yàn)證, COD 的衰減系數(shù)KCOD取值為 0.1 d-1, 氨氮的衰減系數(shù)K氨氮取值為0.07 d-1。模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

將下游入?？谧鳛榫嚯x基準(zhǔn), 為0 km, 上游發(fā)源地為199km, 從春灣監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近開(kāi)始模擬, 根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 得到驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。

由圖 5可以看出, 除中朗點(diǎn)氨氮實(shí)測(cè)值與模擬值誤差較大(中朗位于陽(yáng)春市中心的下游, 其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有很大的不確定性)外, 其余點(diǎn)的 COD與氨氮的模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差均在10%左右, Nash-Sutcliffe 系數(shù)在 0.8 以上, 且實(shí)測(cè)值與模擬值的沿河變化趨勢(shì)基本相同, 說(shuō)明模擬結(jié)果符合漠陽(yáng)江干流的水質(zhì)變化特征。由此表明, 該一維水質(zhì)模型可適用于漠陽(yáng)江流域水環(huán)境容量的計(jì)算。

.表2 一維水質(zhì)模型模擬值與實(shí)測(cè)值比較Table 2 Comparison of COD and NH3-N monitoring and simulation concentration of one-dimensional water quality model respectively

2.2.2 水環(huán)境容量估算方法

根據(jù)漠陽(yáng)江流域的實(shí)際情況, 以 COD 和氨氮為研究對(duì)象。對(duì)于漠陽(yáng)江干流的混合輸移過(guò)程, 研究重點(diǎn)是污染物濃度的沿程變化, 因此采用一維水質(zhì)模型模擬水質(zhì)變化和計(jì)算水環(huán)境容量。

一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型假定各排污口連續(xù)、均勻地排污[14]。根據(jù)旁側(cè)入流和污染源位置, 將對(duì)象河段分成若干段, 旁側(cè)入流和污染源位于段首, 每段保證流速、流量定常, 在同一段內(nèi), 采用《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》(HJ/T 2.1—2.3-93)[15]推薦的斯特里特-菲立浦(Streeter-Phelps)模式:

式中, C(x)和C0分別為x=x 和x=0處河水COD或氨氮濃度(mg/L), x為到排污口(x=0)的河水流動(dòng)距離(m), u為河水平均流速(m/s), K為COD或氨氮的綜合降解系數(shù)(d-1)。

本研究采用段首控制方法, 即控制上游斷面(即段首)的水質(zhì)達(dá)到功能區(qū)段的要求, 這樣, 由于有機(jī)物的降解, 則在該段內(nèi)的下游水質(zhì)處處達(dá)到或優(yōu)于功能區(qū)段的控制指標(biāo)。段首控制方法嚴(yán)格控制功能區(qū)段的水質(zhì)不超標(biāo)。

在功能區(qū)段的段首, 由于來(lái)水中污染物的濃度和功能區(qū)段水質(zhì)要求的差別, 為來(lái)水提供稀釋容量:

E0為功能區(qū)段段首的稀釋容量(t/d), Cs為功能區(qū)段水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L), Q0為來(lái)水流量(m3/s), C0為來(lái)水濃度(mg/L)。

第i個(gè)斷面處的環(huán)境容量為

Ei為第i個(gè)斷面處的環(huán)境容量(t/d), qi為第i個(gè)斷面處的排污流量(m3/s), Qi為混合后干流流量(m3/s),其余符號(hào)意義同上。

功能區(qū)段內(nèi)所具有的總環(huán)境容量為

3 結(jié)果與討論

3.1 徑流變化特征

漠陽(yáng)江流域徑流量的年際變化主要受降水影響, 1983—2012年共 30 年的徑流量結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出:最大徑流量為537.7 m3/s (2001年), 最小徑流量為166.6 m3/s (1989年), 30年平均值為322.5 m3/s, 變差系數(shù)為0.29。

漠陽(yáng)江流域年內(nèi)豐水期與枯水期徑流差異明顯, 其中枯水期最大徑流量為210.1 m3/s (1990年),最小徑流量為 50.0 m3/s (2004年), 30年平均值為105.1 m3/s, 變差系數(shù)為 0.4; 豐水期最大徑流量為990.2 m3/s (2001年), 最小徑流量為 235.2 m3/s (1999年), 30 年平均值為 540.0 m3/s, 變差系數(shù)為0.3。豐水期平均徑流量是枯水期平均徑流量的5倍, 且豐水期最大徑流量與最小徑流量與年際最大與最小徑流量相同, 主要原因是豐水期降雨量大,對(duì)漠陽(yáng)江流域的徑流量的產(chǎn)生量作用巨大。

漠陽(yáng)江流域360個(gè)月中最小徑流量為10.1 m3/s (2005年2月), 最大徑流量為3042.3m3/s (2001年6月), 月份差異巨大。

3.2 水環(huán)境容量的時(shí)間分布

3.2.1 年際變化

在完成 HSPF 模型驗(yàn)證之后, 模擬估算漠陽(yáng)江流域各個(gè)子流域連續(xù) 30 年的徑流量, 結(jié)合相關(guān)的河網(wǎng)、流速等物理數(shù)據(jù), 利用驗(yàn)證后的水環(huán)境容量模型, 計(jì)算出漠陽(yáng)江流域 COD 與氨氮的逐年環(huán)境容量變化曲線(圖 6)?？梢钥闯? COD 與氨氮的容量走勢(shì)與年際降雨量走勢(shì)基本上一致, COD容量整體上是氨氮的 25 倍左右。1983—2012 年共 30年的 COD 容量最大值為 27.42 萬(wàn) t/a, 最小值為 15.44 萬(wàn) t/a, 平均容量為 20.92 萬(wàn) t/a, 變差系數(shù)為 0.15;氨氮容量最大值為 1.35 萬(wàn) t/a, 最小值為 0.45 萬(wàn)

將 30 年 COD 與氨氮的容量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的保證率進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 結(jié)果如圖 7所示?？梢钥闯? 1) 保證率隨容量的增大而逐漸減小, 在 3%左右的時(shí)候出現(xiàn)減緩拐點(diǎn), 主要原因是高于 25.5 萬(wàn) t/a 的容量(3%保證率)需要較為極端的氣象情況(2001年降雨量較為極端)才會(huì)出現(xiàn), 這個(gè)區(qū)間內(nèi)容量的不確定性較大, 因此小于 3%保證率的容量減緩趨勢(shì)不明顯; 2) 在90% (傳統(tǒng)的水文設(shè)計(jì)條件), 50%和10%保證率水文年下, 漠陽(yáng)江流域 COD 的環(huán)境容量分別為 16.45, 21.84 和 24.97 萬(wàn) t/a,氨氮的環(huán)境容量分別為0.51, 0.88和1.14萬(wàn)t/a; 3) 利用該曲線可以在漠陽(yáng)江流域科學(xué)地利用水環(huán)境容量, 以平水年 2010年為例, 若全流域COD的排放量達(dá)到COD的容量(21.4萬(wàn) t/a), 則漠陽(yáng)江流域超負(fù)荷排放的概率是50%。 t/a, 平均容量為 0.83萬(wàn) t/a, 變差系數(shù)為0.27。

3.2.2 季節(jié)變化

對(duì)漠陽(yáng)江流域各個(gè)水文年枯水期(1—3月以及10—12月)與豐水期(4—9月)的環(huán)境容量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖8所示?？梢钥闯? 1) 相同保證率的COD豐水期的容量都是枯水期容量的 2倍左右, 氨氮豐水期的容量是枯水期容量的 3倍左右, 季節(jié)性明顯; 2) 在 90%(傳統(tǒng)的水文設(shè)計(jì)條件), 50%和 10%保證率水文年下, 漠陽(yáng)江流域 COD 雨季的環(huán)境容量分別為9.3, 12.92和15萬(wàn)t/a, COD旱季的環(huán)境容量分別為4.69, 5.73和7.35萬(wàn)t/a, 氨氮雨季的環(huán)境容量分別為0.37, 0.69和0.9萬(wàn)t/a, 氨氮旱季的環(huán)境容量分別為0.08, 0.14和0.23萬(wàn)t/a; 3) 保證率越小, COD 與氨氮的容量在豐水期與枯水期的差異越大,主要原因是漠陽(yáng)江流域降豐水期節(jié)分明, 豐水期降雨量大, 導(dǎo)致豐水期比枯水期容量大, 而枯水期的降雨量的影響在于基流(基流在年際變化中保持相對(duì)穩(wěn)定); 4) COD與氨氮在枯水期和豐水期的變化趨勢(shì)基本上一致, 且容量與降雨量的關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系, 雨季的保證率所對(duì)應(yīng)的容量變化幅度較大, 旱季較小。

3.2.3 逐月變化

對(duì)漠陽(yáng)江全流域 30 年逐月的 COD 與氨氮環(huán)境容量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 結(jié)果見(jiàn)圖 9?？梢钥闯? 1)在逐月變化圖中, 各月份平均數(shù)與中位數(shù)逐月變化走勢(shì)一致, 以中位數(shù)為標(biāo)準(zhǔn), COD與氨氮的容量在1月最小, 分別是0.7和101.84 t/a, 1至6月逐月升高, 并在6月達(dá)到最大容量, 分別是 2.4 和 1385.27 t/a, 然后在6至12月逐月減少; 2) 對(duì)于 COD 容量的 12 個(gè)箱體數(shù)據(jù), 豐水期(4—9月)的容量較大, 枯水期(1—3月, 10—12 月)的容量較小, 且豐水期容量數(shù)據(jù)之間的變幅大, 變差系數(shù)也大, 豐水期容量最大值為5.44萬(wàn)t/a (2001年6月), 最小值為0.65 萬(wàn)t/a (1994年4月), 極差為4.79萬(wàn)t/a, 變差系數(shù)為0.44; 枯水期容量最大值為1.97萬(wàn)t/a (1990年2 月), 最小值為 0.63萬(wàn) t/a (2005年 2月), 極差為1.34萬(wàn)t/a, 變差系數(shù)為0.34。主要原因是豐水期雨量較大, 豐水期容量的影響因素更多, 更為復(fù)雜。

3.3 空間分布

選取平水年 2010年為空間分布研究的基準(zhǔn)年,漠陽(yáng)江各個(gè)子流域 COD 與氨氮單位面積的環(huán)境容量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖 10?？梢钥闯鲆韵聨c(diǎn)。1) 單位面積 COD 容量與單位面積氨氮容量的空間分布基本上相同。2) 以 COD 為例, 漠陽(yáng)江干流的沿河變化是由漠陽(yáng)江上游的 95.27 t/km2減小到漠陽(yáng)江中游的 51.62 t/km2, 再增大到漠陽(yáng)江下游的 77.32 t/km2。上游到中游 COD 的減小主要是由于漠陽(yáng)江上游水質(zhì)較好, 而在上游及中游的各條支流匯入一定濃度的 COD后, 中游能容納的 COD 量變小, 而面積又增大, 因此單位面積容量減小。中游到下游COD 的增大是因?yàn)橄掠蔚乃|(zhì)目標(biāo)是三類水, 而上游與中游的水質(zhì)目標(biāo)是二類水, 所以下游能容納更多的 COD, 但因?yàn)槠涿娣e較大, 所以其單位面積的 COD容量比中游大, 但沒(méi)有上游大。3) 除去水庫(kù)以及漠陽(yáng)江的干流流域, 漠陽(yáng)江一級(jí)支流與二級(jí)支流單位面積的 COD 容量較小。一級(jí)支流中西山河下游流域容量(77.83t/km2)最大, 主要原因是西山河下游流域有多條支流匯入, 流量大, 坡度大,且流域面積小; 大八河流域容量(5.37 t/km2)最小,主要原因是大八河流域流量小, 坡度小, 面積大,且城鎮(zhèn)及居民用地所形成的不透水地面面積大。對(duì)于漠陽(yáng)江流域其他一級(jí)二級(jí)支流, 其承載力(以單位面積的環(huán)境容量表示)的大小由流域面積、流量、坡度以及土地利用等因素綜合決定。

4　結(jié)論

根據(jù)漠陽(yáng)江的實(shí)際情況, 在水文資料不足的情況下, 本文利用水文模型 HSPF 實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子流域時(shí)間空間上水文數(shù)據(jù)計(jì)算, 并將水文模型與一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型相結(jié)合, 計(jì)算得到流域水環(huán)境容量總量的時(shí)空分布, 結(jié)論如下。

1) HSPF模型對(duì)于水文過(guò)程的模擬結(jié)果中, 2009年的相對(duì)誤差為 6.06%, 2010 年的相對(duì)誤差為11.7%, 月模擬值與觀測(cè)值相對(duì)誤差均小于 15%, Nash系數(shù)在 0.9以上, 曲線走向一致, 可較好地反映漠陽(yáng)江流域的水文過(guò)程。一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的對(duì)比資料顯示模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差均在10%左右, Nash-Sutcliffe 系數(shù)在 0.8 以上, 且濃度沿河變化趨勢(shì)基本上相同, 模擬結(jié)果符合漠陽(yáng)江干流的水質(zhì)變化情況。

2) 漠陽(yáng)江 30 年的容量統(tǒng)計(jì)分析顯示: 漠陽(yáng)江流域雨量充沛, COD與氨氮環(huán)境容量很大, 30年容量變化曲線與降雨變化曲線走勢(shì)基本上一致; 枯水期與豐水期季節(jié)差異明顯, 豐水期容量遠(yuǎn)大于枯水期容量。對(duì)選取的5個(gè)代表性水文年的容量統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析得出: 漠陽(yáng)江流域環(huán)境容量隨保證率增大呈現(xiàn)增長(zhǎng)減緩的趨勢(shì); 漠陽(yáng)江流域豐水期容量變幅較大, 變差系數(shù)大; 漠陽(yáng)江流域最枯月為1月, 最豐月為6月。

3) 以單位面積的環(huán)境容量表示漠陽(yáng)江流域各個(gè)子流域的承載力, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明: 漠陽(yáng)江干流流域承載力較大, 漠陽(yáng)江干流的一級(jí)與二級(jí)支流的承載力較小; 其水環(huán)境承載力由流域面積、流量、坡度以及土地利用等因素綜合決定。

[1] 陳文穎, 方棟, 薛大知, 等. 總量控制優(yōu)化治理投資費(fèi)用分?jǐn)倖?wèn)題的分析與處理. 清華大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 1998, 38(4): 7–11

[2] 陸海曙. 基于博弈論的流域水資源利用沖突及初始水權(quán)分配研究[D]. 南京: 河海大學(xué), 2007: 4–31

[3] 鮑全盛, 王華東, 曹利軍. 中國(guó)河流水環(huán)境容量區(qū)劃研究. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 1996, 16(2): 87–91

[4] 張宇楠, 趙文晉. 水環(huán)境容量總量分配存在的問(wèn)題及建議. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2010, 10(4): 1088–1092

[5] Johnson M, Coon W, Mehta V. Application of two hydrologic models with different runoff mechanisms to a hillslope dominated watershed in the northeastern US: a comparison of HSPF and SMR. Journal of Hydrology, 2003, 284: 57–76

[6] 薛亦峰, 王曉燕, 王立峰, 等. 基于HSPF模型的大閣河流域徑流量模擬. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2009, 32 (10): 103–107

[7] 石赟赟, 董延軍, 李杰, 等. 東江流域土地覆被變化的水文響應(yīng)模擬研究. 人民珠江, 2009, 30(6): 27–30

[8] 李燕, 李兆富, 席慶. HSPF徑流模擬參數(shù)敏感性分析與模型適用性研究. 環(huán)境科學(xué), 2013, 34(6): 2139– 2145

[9] Cryer S A, Fouch M A, Peacock A L, et al. Characterizing agrochemical patterns and effective BMPs for surface waters using mechanistic modeling and GIS. Environmental Modeling & Assessment, 2001, 6(3): 195–208

[10] Alarcon V J, McAnally W, Ervin G, et al. Using MODIS land-use/land-cover data and hydrological modeling for estimating nutrient concentrations // Computational Science and Its Applications–ICCSA 2010. Berlin: Springer, 2010: 501–514

[11] 董延軍, 鄧家泉, 李杰, 等. 基于HSPF的東江分布式水文模型構(gòu)建. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2011, 28(9): 57–63

[12] Bicknell B R, Imhoff J C, Kittle J L, et al. Hydrological Simulation Program — FORTRAN, User’s Manual for version 12. National Exposure Research Laboratory, US EPA, Georgia, 2001

[13] Donigian A S Jr, Imhoff J C, Kittle J L Jr. HSPFParm: an interactive database of HSPF model parameters version 1.0. Washington DC: US EPA Office of Water, 1999

[14] 彭進(jìn)平, 逄勇, 李一平. 湛江市區(qū)域水環(huán)境容量的計(jì)算研究. 中國(guó)給水排水, 2006, 22(16): 98–102

[15] HJ/T 2.1–93環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則[S]. 1993

Temporal and Spatial Distribution Characteristic Research of Water Environmental Capacity in Moyang River Basin

CHENG Xiang1，2ZHAO Zhijie1，2，?QIN Huapeng1SONG Baomu1YU Xiangying3HE Kangmao1
1. College of Environment and Energy, Peking University, Shenzhen 518055; 2. College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871; 3. Guangdong Province Academy of Environmental Science, Guangzhou 510045; ? Corresponding author, E-mail: zhaozhijie@pku.edu.cn

This study takes Moyang River basin, which is lack of hydrologic data, as the research object to simulate the temporal and spatial distribution of water flow through HSPF (hydrological simulation program-Fortran) model, and calculates the temporal and spatial distribution of chemical oxygen demand (COD) and ammonia nitrogen water environmental capacity using one-dimensional steady-state water quality mathematical model. Results show that 1) HSPF model’s yearly and monthly hydrological errors are below 15%, Nash-Sutcliffe coefficient is over 0.9; the relative error of the water quality model is around 10%, Nash-Sutcliffe coefficient over 0.8. 2) Under 90%, 50% and 10% assurance rate, COD capacity of Moyang River basin is 164500 t, 218400 t and 249700 t respectively, and ammonia nitrogen is 5100 t, 8800 t and 11400 t respectively. Affected by seasonal runoff fluctuations, difference of water environment capacity between dry season and wet season is obvious. The variation of water environment capacity in January is minimum and June the maximum. 3) Bearing capacity of main stream of Moyang River is larger than that of the primary and secondary tributaries. Therefore, in some basins where hydrological data is lack, HSPF model can be applied to simulate the hydrology, analysis time and space distribution of water environmental capacity, and provide guidance for the establishment of total amount control scheme of water environmental capacity.

Moyang River basin; water environmental capacity; hydrology; temporal and spatial distribution

X522

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題(2013ZX07501005)和深圳市科技研發(fā)資金項(xiàng)目(JCYJ20130329180732262)資助

2015-01-20;

2015-02-14; 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-05-17