《石臼湖流域水環(huán)境聯(lián)合數(shù)學(xué)模型與污染物削減研究》論文發(fā)表期刊：《水電能源科學(xué)》；發(fā)表周期：2021年02期

《石臼湖流域水環(huán)境聯(lián)合數(shù)學(xué)模型與污染物削減研究》論文作者信息：俞欣（1983-），男，高級工程師，研究方向為水環(huán)境生態(tài)修復(fù)與生態(tài)工程

　　摘要：為了解石臼湖流域污染特征，將分布式水文模型SWAT模型與平面二維數(shù)學(xué)模型MIKE21模型相結(jié)合，定量計算石臼湖流域入湖污染負(fù)荷和入湖河流污染物削減量。研究表明，SWAT模型對徑流、氮負(fù)荷和磷負(fù)荷模擬決定系數(shù)R"均大于0.6，MIKE21模型對總氮、總磷濃度模擬平均相對誤差均小于0.3，SWAT模型和MIKE21模型在石臼湖流域污染模擬研究中具有一定適用性;石臼湖流域2018年入湖污染負(fù)荷最大貢獻(xiàn)者為中流河，其總氮入湖污染負(fù)荷占入湖總量的69%，總磷入湖污染負(fù)荷占入湖總量的67%;石臼湖近10年最枯月水位條件下，流域內(nèi)總磷許可排放量為84.55t/a，入湖污染負(fù)荷需削減5.19t/a，削減比例為5.8%，總氮許可排放量為1235.80t/a，入湖污染負(fù)荷需削減1164.97t/a，削減比例為48.5%。研究結(jié)果對流域尺度污染控制和管理具有一定的指導(dǎo)意義，可作為石臼湖流域水環(huán)境、水生態(tài)管理的依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：污染負(fù)荷;SWAT模型;MIKE21模型;石臼湖流域

　　1概況

　　石臼湖是長江下游唯一直通江湖泊，是長江流域水環(huán)境調(diào)節(jié)的重要組成部分，面積207.65km2，由江蘇省南京市溧水區(qū)、高淳區(qū)和安徽省馬鞍山市博望區(qū)、當(dāng)涂縣共同管理。目前石臼湖處于自然狀態(tài)，是一個過水性、吞吐型、季節(jié)性的草型淺水湖泊(圖1)。石臼湖流域內(nèi)基本無大型閘壩，水系間處于相互貫通狀態(tài)，其主要入湖水系有中流河、野風(fēng)港、博望河等，其中中流河是進(jìn)入石臼湖的主要客水。石臼湖流域?qū)俦眮啛釒�濕潤區(qū)，季風(fēng)氣候顯著，多年平均年降水量1046mm、年蒸發(fā)量884mm，石臼湖作為我國典型的受面源污染侵害的淺水湖泊，目前耦合模型在石臼湖流城域關(guān)鍵污染源識別和污染負(fù)荷削減方面的應(yīng)用較少。為此，本文聯(lián)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與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系.，定量化分析石臼湖入湖河流污染物削減量，旨在為流城水環(huán)境治理和控制提供科學(xué)支撐。

　　2材料與方法

　　2.1SWAT模型與MIKE21模型耦合設(shè)計綜合考慮石臼湖流域地形、氣象、水文、土壤、水質(zhì)等因素，將SWAT模型與MIKE21模型聯(lián)合使用，用于識別流域關(guān)鍵污染源、定量化污染負(fù)荷削減量，模型耦合過程主要包括兩個步驟步驟1劃分石臼湖流城及水文單元，建立SWAT模型數(shù)據(jù)庫，計算石臼湖流域徑流量和污染負(fù)荷量

　　步驟2統(tǒng)一徑流、污染負(fù)荷的時間序列文件格式，將SWAT模型污染物負(fù)荷輸出量與MIKE21模型污染物濃度建立量值上的分配關(guān)系，從而將SWAT模型結(jié)果反映至MIKE21水動力一水質(zhì)模型，模擬石臼湖水質(zhì)。

　　2.2SWAT模型構(gòu)建

　　SWAT模型為分布式流域水文模型，可用于水文、水質(zhì)、營養(yǎng)物等要素的模擬]。所用DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，為v2版ASTERGDEM數(shù)據(jù)，采用UTM/WGS84投影，數(shù)據(jù)采集于2009年，空間分辨率為30m，數(shù)據(jù)類型為TIFF;土地利用數(shù)據(jù)庫采用清華大學(xué)2017年全球土地覆蓋空間分布數(shù)據(jù)和南京市土地利用分類數(shù)據(jù);土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫，采用FAO-90土壤分類系統(tǒng)，采用UTM/WGS84投影，空間分辨率為1km，數(shù)據(jù)類型為GRID氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)及水文年鑒，包括氣象臺站基本信息(經(jīng)緯度、高程)、降雨量、最高和最低氣溫、相對濕度、平均風(fēng)速、太陽輻射數(shù)據(jù)，時間為2013~2018年;農(nóng)業(yè)管理措施設(shè)置參照農(nóng)業(yè)農(nóng)村部春季主要農(nóng)作科學(xué)施肥指導(dǎo)意見，將石臼湖區(qū)域農(nóng)作物概化為水稻、冬麥;排污口、牲畜養(yǎng)殖排污量、社會人口產(chǎn)污量等概化成點源污染進(jìn)行設(shè)置。

　　SWAT模型以子流域為基礎(chǔ)對輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行集總"]。石臼湖流域共劃分59個子流域(圖2)，面積在0.65~53.63km之間，其中，編號為1的子流域面積最大，編號為47的子流域面積最小。子流域入湖出口子流域編號分別為2、10，17，23.41，42.43.44.45、47，48，51，52子流域。

　　2.3MIKE21模型構(gòu)建

　　2.3.1水動力水質(zhì)模型構(gòu)建MIKE21模型為平面二維數(shù)學(xué)模型，用于模擬河流、湖庫等的流場、水質(zhì)、沉積物等[1。在區(qū)域污染源核算的基礎(chǔ)上，以石臼湖湖區(qū)為主要研究范圍，構(gòu)建二維水動力、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，采用三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸在10~30m之間，共計4597個網(wǎng)格單元;地形采用實測水下地形資料。

　　水動力模型選取上游流量控制，下游水位控制的邊界條件，上游為12條主要入湖河道及當(dāng)涂縣入湖閘壩入口概化的2條入河通道的流量過程;下游為蛇山水位站的水位變化過程。水質(zhì)模型水質(zhì)邊界通過SWAT模型算出入湖河道污染負(fù)荷量，結(jié)合流量轉(zhuǎn)換為入湖污染負(fù)荷過程。為了反映水邊線的變化，采用富裕水深法修正水邊線;模型中設(shè)置干濕單元，其中完全干單元設(shè)置為

　　0.005m，完全濕單元為0.10m.

　　2.3.2污染物削減計算方案以石臼湖未穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的TP，TN為污染因子，基于MIKE21模型進(jìn)行石臼湖污染削減研究。根據(jù)水文年鑒數(shù)據(jù)，以近10年最枯月份平均庫容作為水文設(shè)計條件，以反映不利水文條件對石臼湖水質(zhì)的影響，其對應(yīng)的石臼湖蛇山站2014年2月的水位為5.02m。選取同時段研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)，基于SWAT模型計算各入湖河流徑流量及污染物負(fù)荷量。風(fēng)速選取南京市多年平均風(fēng)速3.5m/s，風(fēng)向為東北風(fēng)。

　　研究設(shè)置兩組計算方案：0最不利水文條件方案(方案1)，在石臼湖流域近10年最枯月(2014年2月)水位條件下，模擬最不利水文條件下石臼湖水質(zhì)狀況;②達(dá)標(biāo)方案(方案2)，以最不利水文條件下入流水質(zhì)濃度為基礎(chǔ)，針對不同入流污染物負(fù)荷量及其影響情況，設(shè)置不同的污染物削減系數(shù)，以滿足石臼湖水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求。

　　3結(jié)果與分析

　　3.1模型參數(shù)率定及分析石臼湖流域缺少連續(xù)監(jiān)測的流量數(shù)據(jù)，采用具有監(jiān)測數(shù)據(jù)的鄰近流域(位于相近降水等值線區(qū)域)通過流域面積換算的方法獲取SWAT模型中石臼湖流域內(nèi)子流域流量過程數(shù)據(jù)。徑流率定選取28、47號子流域，采用逐日流量數(shù)據(jù);水質(zhì)率定選取47號子流域，采用逐月數(shù)據(jù)，參數(shù)為TN和TP，模擬率定結(jié)果見表1，模型徑流、氮負(fù)荷和磷負(fù)荷模擬評價指標(biāo)決定系數(shù)R'均大于0.6，SWAT模擬結(jié)果可被接受。

　　MIKE21模型采用2018年2月石臼湖實測水質(zhì)資料對參數(shù)進(jìn)行率定，圖3給出了石臼湖湖心區(qū)、溧水湖心區(qū)、高淳湖心區(qū)及當(dāng)涂湖心區(qū)4個湖區(qū)TP、TN濃度實測值與計算值對比結(jié)果。由圖3可知，平均相對誤差TP為0.15，TN為0.28，均小于0.3，MIKE21模型基本能反映湖區(qū)水質(zhì)的空間分布情況。最終確定模型糙率取值范圍為0.023～0.028，TN降解系數(shù)為0.03/d，總磷降解系數(shù)為0.002/d。

　　3.2　入湖污染負(fù)荷分析

　　通過SWAT模型得出現(xiàn)狀石臼湖流域入湖河流的污染負(fù)荷量，見表2。由表2可知，2018年石臼湖南京片區(qū)TN入湖污染負(fù)荷為726t/a，占入湖總量的25%，TP入湖污染為26t/a，占入湖總量的24%;石臼湖安徽片區(qū)TN入湖污染負(fù)荷為160t/a，占入湖總量的5%，TP入湖污染負(fù)荷為10t/a，占入湖總量的9%;通過中流河進(jìn)入石臼湖流域的污染負(fù)荷中，TN入湖污染負(fù)荷為2　030t/a，占入湖總量的69%，TP入湖污染負(fù)荷為74t/a，占入湖總量的67%。

　　目前石臼湖流域外源污染主要來自入湖河流及當(dāng)涂縣沿湖閘泵，入湖河道匯集了流域點源污染和面源污染，包括排污口、生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染、畜禽養(yǎng)殖污染等。尤其是省界河中流河，是進(jìn)入石臼湖流域的主要客水，據(jù)2019年實測流量數(shù)據(jù)，中流河入湖流量于1、3、5月分別達(dá)13.15、42.18、66.14m3/s，其攜帶的污染物含量對石臼湖水質(zhì)具有較大影響。石臼湖流域溝汊縱橫，水域遼闊，流域內(nèi)居民居住較為密集，具有典型的新農(nóng)村特征，部分生活污水未經(jīng)處理排入附近地表水體，導(dǎo)致地表水TN、TP含量超標(biāo)，對石臼湖水環(huán)境造成不利影響。石臼湖南京片主要種植作物為水稻、小麥，馬鞍山博望區(qū)農(nóng)作物總播種面積約1.8×10'ha，化肥農(nóng)藥施用帶來一定面源污染，以排澇、灌溉退水等形式進(jìn)入石臼湖和沿湖河道，對湖泊水質(zhì)造成污染。

　　3.3污染物排放與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系基于MIKE21水動力水質(zhì)模型，在石臼湖流域近10年最枯月(2014年2月)水位條件下，石臼湖湖心、溧水湖心、高淳湖心、博望湖心和當(dāng)涂湖心5個監(jiān)測斷面水質(zhì)變化情況見表3，湖區(qū)監(jiān)測斷面TP濃度，基本處于達(dá)標(biāo)狀態(tài)(1類)，當(dāng)涂湖心TP水質(zhì)為NV類水，所有監(jiān)測斷面TN不達(dá)標(biāo)。

　　從空間分布上看，近10年最枯月(2014年2月)水位條件下湖區(qū)水質(zhì)主要受省界河中流河和新橋河來水影響。其中，中流河來水對石臼湖湖心斷面、高淳湖心斷面、當(dāng)涂湖心斷面及博望湖心斷面均產(chǎn)生一定影響，而新橋河來水主要影響溧水湖心斷面，其他入湖河流影響的湖區(qū)范圍主要集中于河流入湖口及石臼湖沿岸區(qū)域，對湖心水質(zhì)影響作用有限。

　　3.4污染負(fù)荷削減分析

　　根據(jù)《江蘇省地表水(環(huán)境)功能區(qū)劃》，石臼湖為飲用水源保護(hù)區(qū)，其水質(zhì)目標(biāo)為11類水。基于構(gòu)建的水動力一水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，以近10年最枯月平均庫容作為水文設(shè)計條件，模型運(yùn)行時間為2014年2月，在削減排污量的條件下，石臼湖湖區(qū)5個監(jiān)測點數(shù)據(jù)顯示，湖區(qū)水質(zhì)2月均值均達(dá)到11類水標(biāo)準(zhǔn)(表4)。

　　表5為石臼湖入湖河流污染物的削減量，石臼湖近10年最枯月(2014年2月)水位條件下TP入湖污染負(fù)荷為89.74t/a，流域內(nèi)TP許可排放量為84.55t/a，需削減5.19t/a，削減比例為5.8%;石臼湖近10年最枯月(2014年2月)水位條件下TN入湖污染負(fù)荷為2400.77t/a，流域內(nèi)TN許可排放量為1235.80t/a，需削減1164.97t/a，削減比例為48.5%。

　　4結(jié)論

　　a.2018年石臼湖流域入湖污染負(fù)荷最大貢獻(xiàn)者為中流河，其總氮貢獻(xiàn)率為69%，總磷貢獻(xiàn)率為67%。

　　b.近10年最枯月水位條件下，流域內(nèi)總磷削減5.8%，總氮削減48.5%，石臼湖水質(zhì)可達(dá)到水(環(huán)境)功能區(qū)劃目標(biāo)要求。

　　c.SWAT模型和MIKE21模型耦合可用于石臼湖流域污染模擬，為湖庫水質(zhì)模擬預(yù)測提供新手段。

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