基于多方法的渾河流域水質(zhì)模擬研究

孫 宇

（遼寧省觀音閣水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117100）

渾河流域主要分布于遼寧省的中東部地區(qū)，發(fā)源于撫順清原縣，河流由東北向西南流經(jīng)四個(gè)城市，河流全長415 km，流域面積11481 km2，在遼東灣入海［1]。渾河支流主要分布在中上游，包括太子河、社河、蒲河、細(xì)河等。

近年來渾河水環(huán)境治理已取得很大成就，河流斷面水質(zhì)明顯改善，但仍存在的一些問題，如支流水質(zhì)問題導(dǎo)致干流水質(zhì)不穩(wěn)定；城鎮(zhèn)生活污水處理率低，排放標(biāo)準(zhǔn)低，并存在直排現(xiàn)象；畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)面源污染也造成渾河干流水質(zhì)下降等，再加上河流普遍為季節(jié)性河流，生態(tài)水量不足，枯水期流量小，水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為更好研究渾河水質(zhì)狀況，對其進(jìn)行模擬，為保證水質(zhì)模擬結(jié)果的合理性，在分布式水文模型水質(zhì)模擬的同時(shí)，采用輸出系數(shù)法對渾河流域水質(zhì)污染總量進(jìn)行估算。

1 非點(diǎn)源污染總量估算

1.1 計(jì)算方法

輸出系數(shù)法的計(jì)算方法簡單，所需數(shù)據(jù)量較小，相對容易獲得，為此在面源污染負(fù)荷估算中應(yīng)用較多。同時(shí)，輸出系數(shù)法通常直接計(jì)算總氮和總磷的負(fù)荷量，并且不涉及氮和磷特定形式，因此減少了計(jì)算量，大大提高了模型結(jié)果的可靠性。輸出系數(shù)模型公式如下所示［2]：

式中：j為污染物類型；m為流域中土地利用類型的種類或牲畜、人口；Lj為污染物j在該流域的總負(fù)荷量，kg·a-1；Eij為污染物j在流域第i種土地利用類型中的輸出系數(shù)，kg·hm-2·a-1，或牲畜、人口的輸出系數(shù)，kg·ca-1·a-1；Ai為第i種土地利用類型的面積，hm2，或牲畜、人口數(shù)量，ca。

1.2 參數(shù)確定

從相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，在遼河一級水功能區(qū)，氨氮、總氮、總磷的面源污染主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。COD 面源污染主要來源于農(nóng)村生活及牲畜。因此，對于渾河流域面源污染估算，主要涉及農(nóng)村面源污染，包括生活污水、農(nóng)業(yè)種植及畜牧業(yè)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒，統(tǒng)計(jì)遼河流域流經(jīng)各市人口、農(nóng)業(yè)種植面積、牲畜水量等指標(biāo)，結(jié)果見表1。

對于輸出系數(shù)法，如何得到輸出系數(shù)是至關(guān)重要的。根據(jù)對遼河流域污染源的分析，面源污染是遼河流域主要的污染源，主要包括農(nóng)業(yè)、牲畜及居民污水等，為此輸出系數(shù)可以從土地利用、牲畜和居民三個(gè)大方面統(tǒng)計(jì)。根據(jù)查閱相關(guān)資料及現(xiàn)場調(diào)研，給出了渾河流域面源污染的輸出系數(shù)，見表2。

表1 渾河流域流經(jīng)各市主要指標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)表

表2 渾河流域輸出系數(shù)表

1.3 估算結(jié)果

采用輸出系數(shù)法，并根據(jù)表2 中渾河流域面源污染各類型輸出系數(shù)，計(jì)算得到渾河流域總氮、總磷的污染源負(fù)荷量，計(jì)算結(jié)果見表3 和表4。

表3 渾河流域總氮污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果 單位：t

表4 渾河流域總磷污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果 單位：t

根據(jù)表3 和表4 計(jì)算結(jié)果顯示，混合流域總氮19217 t，總磷1098 t。根據(jù)表3，渾河流域總氮分布主要集中在沈陽、撫順兩個(gè)城市，占比是流經(jīng)行政區(qū)最多的，兩市共占渾河流域總氮的92.5%。在土地利用類型方面，林地和旱地的總氮占比最多，占渾河流域總氮污染負(fù)荷的50.2%。主要是因?yàn)闇喓恿饔蛑饕鹘?jīng)沈陽、撫順兩個(gè)市，其中流經(jīng)區(qū)域耕地面積占比在90%左右，污染源主要是農(nóng)業(yè)的面源污染，大量的農(nóng)藥、化肥致使流經(jīng)區(qū)域總氮負(fù)荷大。另外，流經(jīng)的農(nóng)村區(qū)域，農(nóng)村生活的點(diǎn)源污染，如生活污水、牲畜養(yǎng)殖等也是對總氮量貢獻(xiàn)之一。根據(jù)表4，總磷的來源主要來自沈陽和撫順兩個(gè)市。從污染來源來看，農(nóng)村生活作為總磷的主要來源，占比32%；其次是旱田，占比23%。在畜禽養(yǎng)殖中，豬和家禽的總磷貢獻(xiàn)最大，達(dá)到14%。綜合以上的分析，渾河流域總氮、總磷主要來源于沈陽和撫順，流經(jīng)區(qū)域總氮貢獻(xiàn)最大的是耕地，總磷貢獻(xiàn)最大的是農(nóng)村生活。因此，要對農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)村的點(diǎn)源污染作為重點(diǎn)的治理對象。

2 分布式水文模型水質(zhì)模擬

2.1 SWAT 模型

SWAT 模型是在SWRRB 模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了ARS 幾個(gè)模型的特點(diǎn)。SWAT 是一個(gè)物理基礎(chǔ)的模型，可以進(jìn)行連續(xù)時(shí)間序列的模擬［3]。SWAT 模擬的流域水文過程分為水文循環(huán)的陸地階段和水文循環(huán)的匯流階段。前者控制著每個(gè)子流域內(nèi)主河道的水、沙、營養(yǎng)物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)等的輸入量；后者決定水、沙等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移運(yùn)動(dòng)。整個(gè)水分循環(huán)系統(tǒng)遵循水量平衡規(guī)律。

2.2 水質(zhì)模擬

將雨量站1975年～2002年逐日雨量輸入到SWAT 模型，對流量和泥沙進(jìn)行模擬，校正計(jì)算模型各項(xiàng)參數(shù)，見圖1。通過撫順降雨站進(jìn)行驗(yàn)證，泥沙量納什效率系數(shù)0.88，說明模擬數(shù)值與實(shí)際數(shù)值趨勢基本一致，擬合度較好。面源污染與降雨有很大關(guān)系，隨著降雨的延長，污染源從土壤中通過徑流流入渾河流域水體中，從而造成河流污染。

圖1 流量和泥沙模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)沈陽雨量站，對河流水質(zhì)進(jìn)行模擬，見圖2 與圖3。從模擬結(jié)果可知，模擬的水質(zhì)趨勢與實(shí)測趨勢基本一致。

圖2 N-N 水質(zhì)模擬

圖3 NO3-N 水質(zhì)模擬

將2019年1月～12月實(shí)測日降雨及氣象數(shù)據(jù)輸入SWAT模型，模擬2019年總氮、總磷水質(zhì)變化，見表5。

表5 2019年總氮、總磷模擬結(jié)果 單位：t

由表5 可知，渾河流域總氮15664.1 t，總磷1134.2 t。其中，總氮主要集中在年內(nèi)的5月～10月，6 個(gè)月的總氮排放量占年總排放量的71.4%，說明總氮污染負(fù)荷主要來源于旱田且與降雨量有關(guān)。5月進(jìn)入土壤耕作期，化肥農(nóng)藥施用量增大，隨著汛期降雨量增大，入河污染也加大?？偭啄陜?nèi)排放集中在兩個(gè)時(shí)期，分別是3月和7月、8月，這與污染源及徑流也有重要關(guān)系。由前面分析可知，總磷主要來源于居民生活和旱田。農(nóng)村由于缺乏有效的排水措施，農(nóng)村生活污水主要是潑在地上或者排放到村落溝渠，遇到降雨沖刷時(shí)隨著雨水匯流到江河湖庫，造成水環(huán)境的嚴(yán)重污染。由于渾河流域地處東北地區(qū)，其冬季流域內(nèi)有強(qiáng)降雪過程。進(jìn)入3月降雪融化形成融雪徑流，造成污染物排放量增大。進(jìn)入7月、8月，隨著降雨增多，使農(nóng)田污染物及居民生活污水排放量增大。

3 結(jié)果比較

輸出系數(shù)法與SWAT 模型模擬結(jié)果比較見表6。從表6 可以看出，兩種方法模擬結(jié)果比較接近，說明模擬、估算結(jié)果具有一定的合理性。

表6 輸出系數(shù)法估算結(jié)果與SWAT 模型模擬結(jié)果比較表

4 結(jié)論

通過采用輸出系數(shù)法與SWAT 模型模擬的渾河流域水質(zhì)模擬研究，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際基本相符，能夠指導(dǎo)渾河流域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度改善水質(zhì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但是由于受到降水量、區(qū)域水資源及新增入河排污量等多因素影響，對于以后的年份水質(zhì)變化趨勢還需要進(jìn)行驗(yàn)證，文中只是在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上考慮水質(zhì)變化情況，開展水質(zhì)模擬，基礎(chǔ)條件和數(shù)據(jù)的變化對水質(zhì)變化趨勢有很大影響，在以后的需要進(jìn)一步開展研究。