烏梁素海流域水環境精準治理決策模型的建立與應用

馮湘云 王 慧 張 巍

（1.巴彥淖爾市生態環境監測監控中心,內蒙古 巴彥淖爾 015000；2.內蒙古生態環境大數據有限公司,內蒙古 呼和浩特 010010）

1 研究背景

烏梁素海流域位于內蒙古自治區中西部的巴彥淖爾市境內，是同緯度最大的自然濕地，也是黃河流域最大的湖泊濕地，素有“塞外明珠”的美譽。烏梁素海流域總面積約1.63萬平方千米，是我國“兩屏三帶”生態安全戰略格局中“北方防沙帶”的重要組成部分，是有效阻止烏蘭布和沙漠向東侵蝕，阻隔烏蘭布和沙漠和庫布齊沙漠連通的“重要關口”。烏梁素海流域是黃河生態安全的“自然之腎”，是關系到黃河中下游水生態安全的“重要節點”。

烏梁素海流域的水生態環境直接關系著黃河中下游的水生態安全。通過建立烏梁素海流域水環境精準治理決策模型，構建河套灌區灌溉系統水文水質模型，灌區陸域氣象-污染物產生-遷移-轉化數值模型，以及烏梁素海灌區-湖泊污染物全生命周期跟蹤與響應模型，掌握影響烏梁素海流域的水環境在時間、空間上的變化情況，定量分析不同類型污染源、不同排干對湖區水質的污染貢獻，從而評估烏梁素海水環境問題的成因，通過水環境模型助力烏梁素海水環境治理和保護工作。

2 技術實施

烏梁素海流域水環境精準治理決策模型體系的建設包括三個主要步驟：數據整理和分析；模型搭建和校驗；模型運用。

依據烏梁素海流域的水循環體系和實際特征構建三大模型：灌渠模型、陸域模型和湖體模型。

灌渠模型關注從黃河取水到河套灌區各渠道的過程，將烏梁素海流域的渠道分布數值化，對分布在其上的泵站、閘門等水建筑物進行模型精細化表達。

陸域模型研究農田退水經各排干進入烏梁素海的過程，結合區域的土地利用類型、污染源類型和分布、土壤數據、氣象數據和雨量站的監測數據等，同時考慮溝道人為調控、水土流失、農田面源、畜禽養殖等現有區域的重要污染源進行研究。

湖體模型則以湖區水環境研究為重點，以陸域模型的輸入污染負荷和水量作為邊界條件，同時考慮冰封期、湖體水生植物、底泥等進行定制化開發。這三個模型的耦合構成烏梁素海流域水生態環境精準治理決策模型，形成了一個適用于烏梁素海流域的模型體系，運用其評估成果為管理部門的日常工作提供決策支持。烏梁素海流域水環境精準治理決策模型架構圖如圖1所示。

圖1 烏梁素海流域水環境精準治理決策模型架構圖

烏梁素海流域水環境精準治理決策模型主要包括水環境監測網絡建設、數據采集與挖掘以及數據輸入接口三部分，通過相關數據的監測整理，對數據內容進行采集與挖掘，并結合數值模擬與跟蹤子系統，對烏梁素海內外源的污染物平衡與追蹤進行模擬，最終得出相關的數據分析結果。

3 烏梁素海流域水環境精準治理決策模型搭建

3.1 形成一套烏梁素海流域水生態環境精準治理模型的數據體系

為系統評估烏梁素海流域的水生態環境，全方位的數據采集是關鍵，在數據采集中，結合烏梁素海流域生態環境日常數據，對數據內容進行歸類與整理，形成數據庫，為數據分析提供支持。如表1所示，模型建立所需要的數據主要包括流域模型基礎數據、湖體底泥監測數據、水生植被監測數據、湖區養殖數據、污染源數據、化肥量數據等。采集這些數據，形成烏梁素海流域水生態環境精準治理模型完整的數據體系，也是烏梁素海流域的數據資產。

表1 烏梁素海流域水生態環境精準治理模型數據類別與內容

3.2 基于挖掘數據搭建烏梁素海流域矢量圖集

模型建立的過程中，結合發掘的數據，以及烏梁素海本身的河流分系圖，搭建一套烏梁素海流域的多源要素空間矢量圖集，提升烏梁素海治理的直觀性。基于原有的烏梁素海河套灌區渠道平面布置圖，結合新增的渠道和渠道位置有變更的情況，經過遙感解譯、實地調研和人工調研，將原有渠道布置圖進行細化和更新，形成新的河套灌區渠道分布圖，如圖2所示。灌渠模型模擬的過程中，需要將流域中的閘門、泵站等水工建筑物進行模型表達，最終得到流域水工建筑物分布節點圖，如圖3所示。

圖2 河套灌區渠道分布圖

圖3 水工建筑物分布圖

根據農作物化肥施用量情況，考慮影響施肥強度的因素對農田施肥過程的精細表達，模擬表達各子流域施肥強度變化，給出優先管控區，并形成矢量圖層便于進一步分析評估，如圖4所示。基于數字高程數據與水系，最終劃分了729個子流域，以及相應的729條河道，并對12個溝道揚水站進行了表達。烏梁素海流域DEM圖如圖5所示，站點與水系溝道匹配圖如圖6所示。基于用地類型、土壤類型、坡度對流域進行水文響應單元劃分，劃分過程中形成了烏梁素海流域坡度類型，如圖7所示。

圖4 施肥強度圖

圖5 烏梁素海流域DEM圖

圖6 站點與水系溝道匹配圖

圖7 烏梁素海流域坡度類型圖

4 烏梁素海流域水環境精準治理模型成效

烏梁素海流域的污染源溯源分為湖體污染源溯源和總排干重點斷面污染源溯源分析。

4.1 湖體污染源溯源分析

在湖體污染源的溯源過程中，結合污染源排放結構，將直接排入烏梁素海的各排干污染負荷貢獻量和大小進行排名，找到污染貢獻最大的入湖排干；再將匯入該排干匯水分區支排的污染負荷貢獻量和大小進行排名，找到污染貢獻最大的分排干；再按照同樣的方式追溯到子流域，找到排污量最大的行政單元，提供給管理部門并提出相關建議。

具體來看，首先確定總排干為主要貢獻溝道，對總排干的污染源解析如圖8所示，根據入總排干的溝道河流的輸出負荷量排名，可知三排干溝的負荷貢獻最大。同時，根據圖8中的餅圖，還能夠解析出總排干污染負荷構成類型。

圖8 總排干污染源溯源示意圖

繼續對三排干溝進行溯源分析，圖9的餅圖顯示了其匯水區內的污染源類型主要是畜禽養殖污染源和農田面源污染源；右下角的條形圖可以看出660號子流域輸出的負荷量最大。對于660號子流域，該區域內的行政村主要有9個，其中有25.7%的區域屬于民建村，其他還有約50%的區域屬于民豐村、新豐村、棋盤村民委員會。而且，這四個行政村均有60%以上的面積屬于660子流域。可以對這四個行政村的畜禽養殖和農田施肥情況進行調查分析和診斷，從而制定有效的管控措施。

圖9 總排干重點斷面污染源溯源分析示意圖

4.2 總排干重點斷面污染源溯源分析

溯源分析的第二層面是針對總排干的重點斷面進行溯源分析。總排干上分布了5個重要的斷面：韓四橋、黃濟橋、裴家橋、六份橋、紅圪卜等，每個斷面上游的匯水區都有多個子流域和行政村，對于上述斷面，需要分析出哪些行政區域為重要的貢獻源。通過模型體系的計算結果對上述斷面進行溯源分析，從而更全面地了解總排干匯水區內的污染源情況。

首先，對5個斷面的污染源排放結構進行分析，如圖10，5個餅圖給出總排干上5個斷面的污染排放結構。可見，5個斷面都是畜禽養殖和農田面源占主導，但是不同斷面的污染源類型結構又有差異，農村生活污染源和生態補水的貢獻從上游到下游逐漸增加。以裴家橋斷面為例進行溯源解析，其主要污染源類型為畜禽養殖和農田面源，農村生活污染源和生態補水也有一定貢獻；其上游匯水區內三排干溝的輸出負荷量最多，再按照同樣的方式追溯到子流域，匹配到行政單元提出管理建議。

圖10 總排干的不同斷面的污染負荷類型示意圖

5 結論

本文研究建立了一套烏梁素海流域水環境數據體系，構建了一套流域水環境精準治理決策模型，結合實際繪制形成流域矢量圖集，同時系統分析和評估了烏梁素海的水生態環境，為管理部門的決策分析給出初步建議。