石臼湖流域水环境联合数学模型与污染物削减研究

《石臼湖流域水环境联合数学模型与污染物削减研究》论文发表期刊：《水电能源科学》；发表周期：2021年02期

《石臼湖流域水环境联合数学模型与污染物削减研究》论文作者信息：俞欣（1983-），男，高级工程师，研究方向为水环境生态修复与生态工程

　　摘要：为了解石臼湖流域污染特征，将分布式水文模型SWAT模型与平面二维数学模型MIKE21模型相结合，定量计算石臼湖流域入湖污染负荷和入湖河流污染物削减量。研究表明，SWAT模型对径流、氮负荷和磷负荷模拟决定系数R"均大于0.6，MIKE21模型对总氮、总磷浓度模拟平均相对误差均小于0.3，SWAT模型和MIKE21模型在石臼湖流域污染模拟研究中具有一定适用性;石臼湖流域2018年入湖污染负荷最大贡献者为中流河，其总氮入湖污染负荷占入湖总量的69%，总磷入湖污染负荷占入湖总量的67%;石臼湖近10年最枯月水位条件下，流域内总磷许可排放量为84.55t/a，入湖污染负荷需削减5.19t/a，削减比例为5.8%，总氮许可排放量为1235.80t/a，入湖污染负荷需削减1164.97t/a，削减比例为48.5%。研究结果对流域尺度污染控制和管理具有一定的指导意义，可作为石臼湖流域水环境、水生态管理的依据。

　　关键词：污染负荷;SWAT模型;MIKE21模型;石臼湖流域

　　1概况

　　石臼湖是长江下游唯一直通江湖泊，是长江流域水环境调节的重要组成部分，面积207.65km2，由江苏省南京市溧水区、高淳区和安徽省马鞍山市博望区、当涂县共同管理。目前石臼湖处于自然状态，是一个过水性、吞吐型、季节性的草型浅水湖泊(图1)。石臼湖流域内基本无大型闸坝，水系间处于相互贯通状态，其主要入湖水系有中流河、野风港、博望河等，其中中流河是进入石臼湖的主要客水。石臼湖流域属北亚热带湿润区，季风气候显著，多年平均年降水量1046mm、年蒸发量884mm，石臼湖作为我国典型的受面源污染侵害的浅水湖泊，目前耦合模型在石臼湖流城域关键污染源识别和污染负荷削减方面的应用较少。为此，本文联合使用SWAT模型和MIKE21模型，分析石臼湖流域入湖污染特征和污染物排放与水质的响应关系.，定量化分析石臼湖入湖河流污染物削减量，旨在为流城水环境治理和控制提供科学支撑。

　　2材料与方法

　　2.1SWAT模型与MIKE21模型耦合设计综合考虑石臼湖流域地形、气象、水文、土壤、水质等因素，将SWAT模型与MIKE21模型联合使用，用于识别流域关键污染源、定量化污染负荷削减量，模型耦合过程主要包括两个步骤步骤1划分石臼湖流城及水文单元，建立SWAT模型数据库，计算石臼湖流域径流量和污染负荷量

　　步骤2统一径流、污染负荷的时间序列文件格式，将SWAT模型污染物负荷输出量与MIKE21模型污染物浓度建立量值上的分配关系，从而将SWAT模型结果反映至MIKE21水动力一水质模型，模拟石臼湖水质。

　　2.2SWAT模型构建

　　SWAT模型为分布式流域水文模型，可用于水文、水质、营养物等要素的模拟]。所用DEM数据来源于地理空间数据云，为v2版ASTERGDEM数据，采用UTM/WGS84投影，数据采集于2009年，空间分辨率为30m，数据类型为TIFF;土地利用数据库采用清华大学2017年全球土地覆盖空间分布数据和南京市土地利用分类数据;土壤数据来源于世界土壤数据库，采用FAO-90土壤分类系统，采用UTM/WGS84投影，空间分辨率为1km，数据类型为GRID气象数据来源于中国气象数据网及水文年鉴，包括气象台站基本信息(经纬度、高程)、降雨量、最高和最低气温、相对湿度、平均风速、太阳辐射数据，时间为2013~2018年;农业管理措施设置参照农业农村部春季主要农作科学施肥指导意见，将石臼湖区域农作物概化为水稻、冬麦;排污口、牲畜养殖排污量、社会人口产污量等概化成点源污染进行设置。

　　SWAT模型以子流域为基础对输入数据和参数进行集总"]。石臼湖流域共划分59个子流域(图2)，面积在0.65~53.63km之间，其中，编号为1的子流域面积最大，编号为47的子流域面积最小。子流域入湖出口子流域编号分别为2、10，17，23.41，42.43.44.45、47，48，51，52子流域。

　　2.3MIKE21模型构建

　　2.3.1水动力水质模型构建MIKE21模型为平面二维数学模型，用于模拟河流、湖库等的流场、水质、沉积物等[1。在区域污染源核算的基础上，以石臼湖湖区为主要研究范围，构建二维水动力、水质数学模型，采用三角形网格对计算区域进行划分，网格尺寸在10~30m之间，共计4597个网格单元;地形采用实测水下地形资料。

　　水动力模型选取上游流量控制，下游水位控制的边界条件，上游为12条主要入湖河道及当涂县入湖闸坝入口概化的2条入河通道的流量过程;下游为蛇山水位站的水位变化过程。水质模型水质边界通过SWAT模型算出入湖河道污染负荷量，结合流量转换为入湖污染负荷过程。为了反映水边线的变化，采用富裕水深法修正水边线;模型中设置干湿单元，其中完全干单元设置为

　　0.005m，完全湿单元为0.10m.

　　2.3.2污染物削减计算方案以石臼湖未稳定达标的TP，TN为污染因子，基于MIKE21模型进行石臼湖污染削减研究。根据水文年鉴数据，以近10年最枯月份平均库容作为水文设计条件，以反映不利水文条件对石臼湖水质的影响，其对应的石臼湖蛇山站2014年2月的水位为5.02m。选取同时段研究区气象数据，基于SWAT模型计算各入湖河流径流量及污染物负荷量。风速选取南京市多年平均风速3.5m/s，风向为东北风。

　　研究设置两组计算方案：0最不利水文条件方案(方案1)，在石臼湖流域近10年最枯月(2014年2月)水位条件下，模拟最不利水文条件下石臼湖水质状况;②达标方案(方案2)，以最不利水文条件下入流水质浓度为基础，针对不同入流污染物负荷量及其影响情况，设置不同的污染物削减系数，以满足石臼湖水质达标要求。

　　3结果与分析

　　3.1模型参数率定及分析石臼湖流域缺少连续监测的流量数据，采用具有监测数据的邻近流域(位于相近降水等值线区域)通过流域面积换算的方法获取SWAT模型中石臼湖流域内子流域流量过程数据。径流率定选取28、47号子流域，采用逐日流量数据;水质率定选取47号子流域，采用逐月数据，参数为TN和TP，模拟率定结果见表1，模型径流、氮负荷和磷负荷模拟评价指标决定系数R'均大于0.6，SWAT模拟结果可被接受。

　　MIKE21模型采用2018年2月石臼湖实测水质资料对参数进行率定，图3给出了石臼湖湖心区、溧水湖心区、高淳湖心区及当涂湖心区4个湖区TP、TN浓度实测值与计算值对比结果。由图3可知，平均相对误差TP为0.15，TN为0.28，均小于0.3，MIKE21模型基本能反映湖区水质的空间分布情况。最终确定模型糙率取值范围为0.023～0.028，TN降解系数为0.03/d，总磷降解系数为0.002/d。

　　3.2　入湖污染负荷分析

　　通过SWAT模型得出现状石臼湖流域入湖河流的污染负荷量，见表2。由表2可知，2018年石臼湖南京片区TN入湖污染负荷为726t/a，占入湖总量的25%，TP入湖污染为26t/a，占入湖总量的24%;石臼湖安徽片区TN入湖污染负荷为160t/a，占入湖总量的5%，TP入湖污染负荷为10t/a，占入湖总量的9%;通过中流河进入石臼湖流域的污染负荷中，TN入湖污染负荷为2　030t/a，占入湖总量的69%，TP入湖污染负荷为74t/a，占入湖总量的67%。

　　目前石臼湖流域外源污染主要来自入湖河流及当涂县沿湖闸泵，入湖河道汇集了流域点源污染和面源污染，包括排污口、生活污染、农业面源污染、畜禽养殖污染等。尤其是省界河中流河，是进入石臼湖流域的主要客水，据2019年实测流量数据，中流河入湖流量于1、3、5月分别达13.15、42.18、66.14m3/s，其携带的污染物含量对石臼湖水质具有较大影响。石臼湖流域沟汊纵横，水域辽阔，流域内居民居住较为密集，具有典型的新农村特征，部分生活污水未经处理排入附近地表水体，导致地表水TN、TP含量超标，对石臼湖水环境造成不利影响。石臼湖南京片主要种植作物为水稻、小麦，马鞍山博望区农作物总播种面积约1.8×10'ha，化肥农药施用带来一定面源污染，以排涝、灌溉退水等形式进入石臼湖和沿湖河道，对湖泊水质造成污染。

　　3.3污染物排放与水质响应关系基于MIKE21水动力水质模型，在石臼湖流域近10年最枯月(2014年2月)水位条件下，石臼湖湖心、溧水湖心、高淳湖心、博望湖心和当涂湖心5个监测断面水质变化情况见表3，湖区监测断面TP浓度，基本处于达标状态(1类)，当涂湖心TP水质为NV类水，所有监测断面TN不达标。

　　从空间分布上看，近10年最枯月(2014年2月)水位条件下湖区水质主要受省界河中流河和新桥河来水影响。其中，中流河来水对石臼湖湖心断面、高淳湖心断面、当涂湖心断面及博望湖心断面均产生一定影响，而新桥河来水主要影响溧水湖心断面，其他入湖河流影响的湖区范围主要集中于河流入湖口及石臼湖沿岸区域，对湖心水质影响作用有限。

　　3.4污染负荷削减分析

　　根据《江苏省地表水(环境)功能区划》，石臼湖为饮用水源保护区，其水质目标为11类水。基于构建的水动力一水质数学模型，以近10年最枯月平均库容作为水文设计条件，模型运行时间为2014年2月，在削减排污量的条件下，石臼湖湖区5个监测点数据显示，湖区水质2月均值均达到11类水标准(表4)。

　　表5为石臼湖入湖河流污染物的削减量，石臼湖近10年最枯月(2014年2月)水位条件下TP入湖污染负荷为89.74t/a，流域内TP许可排放量为84.55t/a，需削减5.19t/a，削减比例为5.8%;石臼湖近10年最枯月(2014年2月)水位条件下TN入湖污染负荷为2400.77t/a，流域内TN许可排放量为1235.80t/a，需削减1164.97t/a，削减比例为48.5%。

　　4结论

　　a.2018年石臼湖流域入湖污染负荷最大贡献者为中流河，其总氮贡献率为69%，总磷贡献率为67%。

　　b.近10年最枯月水位条件下，流域内总磷削减5.8%，总氮削减48.5%，石臼湖水质可达到水(环境)功能区划目标要求。

　　c.SWAT模型和MIKE21模型耦合可用于石臼湖流域污染模拟，为湖库水质模拟预测提供新手段。

　　参考文献：

　　[1]王晓青，李哲.SWAT与MIKE21耦合模型及其在澎溪河流域的应用[J].长江流域资源与环境，

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　　[2]HE J，WU X，ZHANG Y，et al.Management of water quality targets based on riverlake water quality response relationships for lake basins-A case study of Dianchi Lake[J].Environmental research，2020，186(109479).

　　[3]陈鑫，刘艳丽，刁艳芳，等，基于SWAT模型对气候变化与人类活动影响下径流变化的量化分析[J].南水北调与水利科技，2019，17(4)：9-18.

　　[4]杨凯杰，吕昌河，SWAT模型应用与不确定性综述[J].保持报，2018，32(1)：17-24.