粵港澳大灣區金山湖流域水質變化規律

張萬順，張紫倩，彭 虹，李 琳，張 瀟，夏 函，章 玲

(1.武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430072；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；3.武漢大學中國發展戰略與規劃研究院，湖北 武漢 430072； 4.武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072)

粵港澳大灣區是我國城鎮化水平最高的城市群區域[1]，人口集聚度高、河湖水系發達、自然地貌復雜，隨著人水關系逐漸增強，水資源短缺、水體黑臭、生態服務功能下降等城市河湖水環境問題日益嚴峻[2-5]。受社會經濟過程與自然過程交叉影響，城市河湖水質變化規律愈發復雜，存在水質變化機制不確定的突出問題，成為制約粵港澳大灣區高質量發展的瓶頸[6-8]。精準揭示城市河湖獨特的水文情勢和強人類活動相互影響下的水質變化規律，涉及河湖水系交匯、陸面降雨徑流、土地利用格局和水庫調度等多過程[9-11]，亟須對氣象、水文、水質等多要素全過程進行全面精細的量化研究。

近年來，國內外學者針對精細量化水環境變化規律開展了大量研究，主要集中在自然條件下大尺度流域降水、徑流、水量、水質等過程的定量模擬[12-13]。城市河湖存在水文、生態、社會異質性特征復雜多變等特點，為精細刻畫城市河湖水質變化過程，需要統籌陸面單元大尺度、河網中尺度、重要水域小尺度水環境過程機制差異的模型體系[14-15]。基于耦合氣象數值模型、陸地模型和水動力-水質-水生態模型的“空-地-水”一體化模型逐漸成為全面揭示水質變化規律的重要工具[16-18]，可突破流域陸面空間上不同尺度單元耦合的瓶頸，實現流域自然過程與社會經濟過程的耦合與響應關系的定量模擬[19-20]，能夠彌補傳統流域水環境模型尺度單一、唯自然過程的不足。

金山湖流域是位于粵港澳大灣區的典型城市流域，河湖水系交錯，社會經濟發展空間分異明顯，水質不達標、水體黑臭等水環境問題較為嚴重。本文以金山湖流域為例，建立了耦合陸面單元、河網、湖泊等不同尺度的“空-地-水”一體化模型，模擬強人類活動、水文、氣象過程等多重因素影響下流域內污染負荷以及水質變化過程，以揭示水質變化機制以及土地利用格局對水質的影響。

1 研究區概況

金山湖流域位于廣東省惠州市城區南部，東江流域中下游，西枝江左岸。金山湖流域水系由金山湖與4條主要入湖河涌構成，入湖河涌為金山河、蓮塘布、河橋水和冷水坑，流域集雨面積約 63.7 km2，水系如圖1所示。流域上游為農業區域，中游為城鄉接合部，下游為城市地區，點源排放密集，農業面源、城鎮面源污染嚴重，人類活動影響顯著。2019年，入湖4條河涌整體為劣Ⅴ類水體，水質狀況均屬于“輕度黑臭”；湖區水質整體為Ⅴ類，金山河入湖口至河橋水入湖口湖段水質屬于“輕度黑臭”，全湖段均呈現出不同程度的富營養化現象。

圖1 金山湖流域水系

2 “空-地-水”一體化模型構建

基于課題組前期研究成果[17,20-21]，綜合考慮陸面降雨徑流、河網及湖泊水動力演進與污染物輸移，構建“空-地-水”一體化模型，包含一維河網與二維湖泊水動力水質模型以及面源模型。以流域面源模型的模擬結果作為水動力水質模型的旁側入流條件，實現降雨徑流面源模型與水動力水質模型的耦合計算；通過在一維河網和二維湖泊的連接斷面處設置過渡單元，根據過渡單元上兩種模型模擬的水位、流量、濃度相等的條件，實現一、二維模型的耦合。

2.1 面源模型

本文選用的流域面源模型為SWMM模型，包含水文與水質模塊。選擇地表匯流方式、Horton下滲模型進行地表徑流模擬，選擇指數函數方程進行污染物累積沖刷模擬[20-21]。采用30 m精度的DEM柵格，將金山湖流域陸面共劃分為153個子匯水區，如圖1所示。通過DEM數據、土地利用數據確定各子匯水區的面積、不透水面積占比、流域寬度、平均坡度等確定性參數；采用惠陽國家氣象站逐日降雨、蒸發、氣溫、相對濕度等數據建立氣象數據庫。

2.2 一維河網與二維湖泊水動力水質模型

采用圣維南方程組描述水動力學過程，并充分考慮水體污染物的對流、擴散、降解作用，建立一維河網與二維湖泊水動力水質模型[17]。收集整理流域內水文地形資料，構建金山河、蓮塘布、河橋水、冷水坑4條河涌的一維模型地形斷面，共計75個；構建金山湖湖區的二維模型，劃分正交結構網格共計46 624個，網格精度為20 m×20 m，地形斷面與網格設置如圖2所示。

2.3 模型參數率定與驗證

根據金山湖流域水質現狀，選取主要污染因子COD、TP作為模擬指標。利用金山湖2018年12月(枯水期)和2017年8月(豐水期)的GF-2號遙感影像水質反演結果(圖3)做模型率定。流域內糙率取值范圍為0.025～0.055，COD降解系數為0.01～0.4 d-1，TP降解系數為0.02～0.5 d-1。以2019年1月水量驗證斷面(圖1)實測匯水水量進行流域面源模型驗證，以4條河涌10個斷面、湖區5個點位(圖1)的水質監測結果進行一維河網與二維湖泊水動力水質模型驗證。模型驗證結果見圖4，面源模型水量的相對誤差均在5%以內，水動力水質模型COD和TP的相對誤差均在15%以內，表明“空-地-水”一體化模型能夠滿足金山湖流域面源及水質模擬的要求。

(a) COD(2017年8月)

(a) 水量

3 水質變化規律分析

3.1 水質時空變化規律

由于降水是造成非點源污染的主要驅動因素，豐水期非點源污染尤為顯著[22]，因此選擇典型豐水年2017年作為研究時段。基于“空-地-水”一體化模型，模擬了2017年水文、氣象條件下COD、TP質量濃度的變化過程。選取4條河涌上游、中游和下游典型斷面開展水質變化分析，結果見圖5和圖6。金山湖2017年典型豐水月6月與典型枯水月12月的水質指標不同濃度范圍面積占比如圖7所示。由圖5～7可見，金山湖流域水質整體較差，枯水期水質比豐水期差，金山湖在典型豐水月劣Ⅴ類面積占比均在86.14%以上，在典型枯水月劣Ⅴ類面積占比在96.66%以上。在春夏季降雨豐沛時期，河道與湖泊的流量、流速整體較大，對污染物的稀釋作用較強。以地表水Ⅳ為標準，各河涌斷面COD質量濃度年達標率均在16.71%以下，TP質量濃度年達標率均在2.47%以下；湖泊TP質量濃度超標嚴重，COD質量濃度整體較好。

(a) 金山河

(a) 金山河

(a) COD

水質波動與降水量密切相關，枯水期水質無明顯波動，豐水期水質隨降雨波動明顯。2017年，日降水量為15～60 mm的中小雨共出現31次，在中小雨后的1～3 d，金山湖全流域的COD質量濃度易升高，TP質量濃度有所降低；降水量超過60 mm的大雨共出現8次，在大雨過后，流域的COD、TP質量濃度均有所降低。水質波動特征表明日降水量小于15 mm的降雨對陸面的沖刷作用不明顯，帶來的降雨徑流污染影響較小，降雨期水質較為穩定；中小雨時期產生的陸面降雨徑流污染程度最高，對水體的COD質量濃度影響顯著；大雨沖刷作用產生更高的面源污染負荷，但由于此時降雨徑流量較大，面源負荷對水質的影響程度有所降低。各河涌水質具有明顯的空間分異特征，金山河、蓮塘布的中上游水質較下游好，河橋水、冷水坑的中下游水質較上游好。金山湖豐水期與枯水期COD、TP質量濃度分布如圖8所示，湖泊的南部出現超標污染帶的污染物濃度較高、范圍較廣，西北部次之，東部水質相對較好。

(a) COD(2017-06-15)

金山湖流域污染物濃度較高的區域與點源排放密集區域一致，各區域點源負荷如表1所示，金山河、蓮塘布的上游區域，河橋水、冷水坑的中下游區域，以及湖泊的南部與西北部區域點源負荷較高，表明點源是影響水質空間分布特征的主要原因。此外，湖區南部是河橋水、冷水坑、蓮塘布等河涌集中入匯區域，河涌入匯攜帶大量污染負荷至湖泊，對湖泊水質造成不利影響。

表1 金山湖流域各區域點源負荷

3.2 土地利用格局對水質的影響

金山湖流域陸面以城鎮用地為主，占全流域陸面面積的37.38%，其次為林地、耕地和農村居民點，占比分別為25.29%、24.27%和9.12%，荒地與草地占比僅分別為3.21%和0.75%。城鎮用地主要分布在各支流的中下游，林地主要分布在各支流的中上游，耕地主要分布在河橋水中游、冷水坑上游以及蓮塘布中上游，農村居民點主要分布在河橋水中游、冷水坑中下游以及蓮塘布中上游。

從土地利用格局尺度分析，不同水質斷面受區間入匯直接影響[23]，因此本文將每個斷面的子流域范圍定義為斷面區間范圍內符合產匯流機制的所有子流域。分別對4條河涌選取典型干流斷面開展子流域土地利用格局分析，4條河涌所選斷面以及不同斷面子流域土地利用類型占比如圖9所示。各支流從上游至下游，金山河5個斷面子流域城鎮用地、農村居民點面積占比逐漸增大，林地、耕地面積占比逐漸減小，草地、荒地面積占比低于2%；河橋水4個斷面子流域城鎮用地面積占比逐漸增大，農村居民點、耕地面積占比先增大后減小，林地占比逐漸減小，草地、荒地占比低于1%；冷水坑4個斷面子流域城鎮用地面積占比先增大后減小，林地、耕地面積占比逐漸減小，農村居民點面積占比逐漸增大，草地、荒地面積占比低于4%；蓮塘布7個斷面子流域城鎮用地面積占比逐漸增大，耕地面積占比先增大后減小，林地面積占比逐漸減小，農村居民點面積先增大后減小，草地、荒地面積占比低于5%。

圖9 不同斷面子流域土地利用類型

將不同水質斷面COD、TP質量濃度的年均值、典型豐水月6月均值和典型枯水月12月均值與對應子流域土地利用類型結構進行Pearson相關性分析，結果如表2所示。COD質量濃度與耕地、草地面積占比呈顯著正相關關系，與林地面積占比呈顯著負相關關系；TP質量濃度與耕地、農村居民點面積占比均呈顯著正相關關系；其余土地利用類型面積占比與水質指標質量濃度的相關性不顯著。耕地面積占比與水質指標質量濃度均呈正相關關系，耕地區域農業耕作活動頻繁，化肥流失、農業面源污染嚴重，導致水體中的污染加重；豐水月COD質量濃度和TP質量濃度與耕地面積占比相關性高于枯水月和年均值，表明降水會加重農業面源污染；COD質量濃度的相關性較TP質量濃度更高，表明農業面源污染對COD質量濃度的影響程度更大。林地面積占比與水質指標質量濃度均呈負相關關系，林地區域人類活動較弱，植被覆蓋度高，水土保持能力強，植被對污染物的截流以及凈化作用可以有效減少污染物。農村居民點面積占比與水質指標質量濃度均呈正相關關系，農村居民點承載了較多農村居民生活、畜禽養殖活動，給水環境帶來大量農村生活污染。城鎮用地面積占比與水質指標質量濃度相關性不顯著，城鎮帶來的污染以工業廢水和市政污水點源為主，而流域內點源在支流各區域分布不均。流域內草地與荒地由于面積占比極小，與水質指標質量濃度相關性的不確定性較大。

表2 水質指標與土地利用類型面積占比的相關系數

4 結 語

本研究建立的耦合陸面單元、河網、湖泊等不同尺度的“空-地-水”一體化模型能夠實現對粵港澳大灣區強人類活動影響下的金山湖流域河湖水質變化過程的精細化模擬。模型綜合考慮了陸面降雨徑流、河網及湖泊水動力演進與污染物輸移的影響，能有效反映流域水質變化機制。模擬結果表明，金山湖流域水質與流域降雨和土地利用類型密切相關，為推進流域水環境精細化管理提供有力的技術支撐，助力形成“人水和諧”的新時代生態文明格局。