基于流域管理的總磷污染動(dòng)態(tài)模擬模型
摘要：為了定量 分析 不同磷來(lái)源對(duì)目標(biāo)水體水質(zhì)的 影響 ，提高流域總磷污染控制管理決策水平，通過(guò)分析流域中磷的產(chǎn)生途徑(包括點(diǎn)源和面源)及其在河流、土壤中的遷移轉(zhuǎn)化 規(guī)律 ，建立起總磷污染控制動(dòng)態(tài)模擬模型，并討論了模型的基本假設(shè)、各個(gè)子模型的結(jié)構(gòu)和關(guān)系、 計(jì)算 機(jī)理等。最后，以我國(guó)北方某大型水庫(kù)及其所屬流域?yàn)槔寐识ê蟮哪Ｐ瓦M(jìn)行模擬計(jì)算，描述了進(jìn)入水庫(kù)的總磷隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，該模型可以為流域總磷污染控制提供 科學(xué) 的決策 參考 。
關(guān)鍵詞：流域模型 徑流模型 面源污染 磷遷移
水體中磷的輸入是造成水體(尤其是湖泊、水庫(kù))富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因之一，而其濃度高低又是判斷富營(yíng)養(yǎng)化程度的因子之一[1]。面對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化 問(wèn)題 ，越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者把防治措施定位在流域級(jí)別的管理上。而流域管理在實(shí)施中，為了量化不同磷來(lái)源對(duì)目標(biāo)水體水質(zhì)的影響，有必要考查流域內(nèi)面污染源的貢獻(xiàn)、點(diǎn)污染源的排放、以及磷在流域河流中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程等。由于以上各過(guò)程(包括生化過(guò)程)都是呈季節(jié)性變化的，因此，相應(yīng)的流域總磷模型如果能進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬是最為理想的。本文所討論的模型特點(diǎn)就是，既可以集成以上過(guò)程，動(dòng)態(tài)模擬流域內(nèi)總磷的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，又能夠區(qū)分不同污染來(lái)源和過(guò)程的貢獻(xiàn)，以便制訂目標(biāo)明確、重點(diǎn)突出的磷污染控制和管理政策和措施。
1.模型的基本假設(shè)
以往有關(guān)磷排放系數(shù)的 研究 成果表明，流域匯水區(qū)內(nèi)磷的年度產(chǎn)生量與畜禽養(yǎng)殖量和土地利用情況是直接相關(guān)的[2];另一方面，相應(yīng)的一些回歸分析則表明，流域內(nèi)磷的動(dòng)態(tài)輸出量(進(jìn)入水體的負(fù)荷量)可近似認(rèn)為是流域徑流量的函數(shù)[3]。以上結(jié)論就是本文中所討論的磷模型的基本假設(shè)。根據(jù)此假設(shè)，在年度磷產(chǎn)生總量和徑流量之間的關(guān)系基礎(chǔ)上，可以把一年內(nèi)磷的總產(chǎn)生量隨時(shí)間變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)分解。一旦磷進(jìn)入河流(湖泊)系統(tǒng)，其遷移過(guò)程和反應(yīng)過(guò)程則可以用串聯(lián)的箱式混合模型來(lái)模擬。
2.模型結(jié)構(gòu)與各個(gè)子模型的計(jì)算機(jī)理
2.1 模型空間概化
將整個(gè)流域劃分為若干個(gè)子流域，每個(gè)子流域?qū)?yīng)一條河流(或者是干流的一個(gè)河段，也可以是支流，并且允許河流上有湖泊水庫(kù))的匯流區(qū)，然后根據(jù)干流和支流的相互關(guān)系建立起子流域的上下游關(guān)系。在計(jì)算中，每一個(gè)河段按長(zhǎng)度等分為上、下兩個(gè)串聯(lián)起來(lái)的完全混合的箱子，稱(chēng)為第一個(gè)箱子和第二個(gè)箱子，并認(rèn)為兩個(gè)箱子的停留時(shí)間是一樣的。
2.2 面源和點(diǎn)源污染物輸入
針對(duì)每個(gè)子流域，分別計(jì)算來(lái)自點(diǎn)污染源和面污染源的磷負(fù)荷。點(diǎn)污染源主要是城鎮(zhèn)生活污水和 工業(yè) 污水排放。缺少數(shù)據(jù)時(shí)，可利用人口當(dāng)量或人均負(fù)荷來(lái)簡(jiǎn)單推算生活污水中的磷負(fù)荷，例如未經(jīng)處理的生活污水中一般總磷濃度為4～15mg/L，平均的人均負(fù)荷可取4.5g/人/d。對(duì)于面污染源，磷的年度排放總量可以采用典型排放系數(shù)(Export Coefficient)和農(nóng)業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)(包括畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)和土地利用情況)來(lái)估算。一般情況下，根據(jù)產(chǎn)生總磷的面污染源的不同類(lèi)型，參見(jiàn)表1，結(jié)合各地的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)查、小區(qū)實(shí)驗(yàn)或者參考類(lèi)似地區(qū)的排放系數(shù)，分別獲得不同污染源的磷排放系數(shù)。表1中PL為土地磷排放系數(shù)，PX為畜禽磷排放系數(shù)。每一類(lèi)排放系數(shù)根據(jù)當(dāng)前的數(shù)據(jù)信息支持情況還可以進(jìn)一步細(xì)化，例如家禽還可劃分為雞、鴨等。面污染源每年產(chǎn)生的總磷負(fù)荷ENP (kg/a)可以近似地用(1)式估算。其中，Si為對(duì)應(yīng)不同土地類(lèi)型的用地面積(km2)，Hi為各種畜禽的數(shù)量(頭)。
| 用地類(lèi)型 | PL(kg·km-2a-1) | 養(yǎng)殖類(lèi)型 | PX(kg·頭-1a-1) |
| 城區(qū)用地 | PL1 | 家禽 | PX1 |
| 林地 | PL2 | 豬 | PX2 |
| 草地 | PL3 | 牛 | PX3 |
| 耕地 | PL4 | 羊 | PX4 |
| 菜地 | PL5 | 馬 | PX5 |
| 其它 | PL6 | 其它 | PX6 |
2.3 降雨-徑流子模型
該子模型的功能是根據(jù)降水情況計(jì)算出匯水區(qū)內(nèi)的河流出流量。計(jì)算過(guò)程是：首先根據(jù)已知的每日降雨量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出有效降雨量[4]Uk;Uk的一部分進(jìn)入土壤中存儲(chǔ)起來(lái)，另一部分經(jīng)土壤后形成出流量x1;x1被基流系數(shù)k劃分為兩部分，一部分是地下水kx1，另一部分則直接進(jìn)入河流體系;kx1中的一部分x2被看作是地下水的出流，即地下水與河流體系的交換部分。河流的入流量x3的計(jì)算則包括支流輸入、上游輸入、點(diǎn)源污水排入、河流取水、地下水交換等部分。其中，上游輸入直接進(jìn)入第一個(gè)箱子，對(duì)于沒(méi)有上游輸入的子流域，第一個(gè)箱子可以被忽略。其它的輸入則進(jìn)入第二個(gè)箱子。對(duì)于點(diǎn)源污水排放，由于季節(jié)性變化不大，可以采用日平均值，或用季節(jié)分布系數(shù)給予修正。河流取水也從第二個(gè)箱子中取走，取水量大小可以根據(jù)季節(jié)變化來(lái)調(diào)整，尤其是農(nóng)業(yè)灌溉取水量。河流出流量為x4，是入流量的函數(shù)。模型所描述的水流過(guò)程和總磷運(yùn)移過(guò)程見(jiàn)圖1。
模型所描述的基本過(guò)程相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式如下：
其中，x1為土壤出流量，Uk為有效降雨量，T1為土壤停留時(shí)間;x2為地下水出流量，k為基流系數(shù)，T2為地下水停留時(shí)間;x4為河段出流量，x3為河段入流量，T3為河段停留時(shí)間;L為河段長(zhǎng)度，u為河流平均流速;a、b為與河道形狀和物理特性相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
2.4 總磷遷移轉(zhuǎn)化子模型
對(duì)每個(gè)子流域而言，進(jìn)入系統(tǒng)的總磷負(fù)荷應(yīng)該是以下各項(xiàng)之和：①上游磷輸入量P(1);②地下水中的磷本底負(fù)荷P(2);③點(diǎn)污染源排放的磷P(3);④來(lái)自土壤的磷負(fù)荷P(4);⑤取水帶走的磷負(fù)荷P(5)。除了來(lái)自上游的磷負(fù)荷是進(jìn)入河段的第一個(gè)箱子外，其余輸入都直接進(jìn)入第二個(gè)箱子。因取水帶走的磷負(fù)荷，也從第二個(gè)箱子中減去。
來(lái)自土壤的磷負(fù)荷P(4)則由磷釋放因子Pr、總磷的年產(chǎn)生量E(跟畜禽養(yǎng)殖和土地利用直接相關(guān))、土壤出流量x1構(gòu)成的函數(shù)計(jì)算而得。
P(4)=f(Pr,E,x1) (3)
磷在河流中的遷移過(guò)程由下式給出：
其中，Pin和Pout分別是進(jìn)入和流出子流域的總磷負(fù)荷;kp是總磷的同化速率;τ是因擴(kuò)散和彌散作用引起的溶質(zhì)(此處為總磷)隨水流遷移的時(shí)間遲滯;DF則是彌散分?jǐn)?shù)，計(jì)算中可取經(jīng)驗(yàn)值0.3[5]。
3.案例 研究
以我國(guó)北方某大型水庫(kù)及其所屬流域?yàn)槔们拔乃瞿Ｐ停瑢?duì)流域內(nèi)的總磷從產(chǎn)生到進(jìn)入目標(biāo)水體的全過(guò)程進(jìn)行實(shí)例研究。水庫(kù)控制流域面積5437平方公里，上游有3條主要支流匯入。因?yàn)樵撍畮?kù)是重要的飲用水源地，再加上近年來(lái)水庫(kù)水質(zhì)有富營(yíng)養(yǎng)化的趨勢(shì)，為此對(duì)流域范圍內(nèi)的總磷污染 問(wèn)題 比較敏感。因此，利用模型對(duì)來(lái)自面源和點(diǎn)源的總磷負(fù)荷進(jìn)行模擬 計(jì)算 ，并在此基礎(chǔ)上有針對(duì)性地提出管理措施，是很有意義的一項(xiàng)工作。以其中一條入庫(kù)支流為代表，利用1997年的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定。表2給出了模型計(jì)算過(guò)程中用到的主要系數(shù)和參數(shù)取值范圍。利用1998年數(shù)據(jù)對(duì)該支流入庫(kù)口水質(zhì)進(jìn)行模擬，圖2和圖3分別給出了入庫(kù)口處徑流子模型和磷遷移子模型的計(jì)算結(jié)果(參數(shù)率定后)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比較。從圖中可以看出，率定后的計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能很好地吻合。但必須認(rèn)識(shí)到，由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量太少(見(jiàn)圖3)，無(wú)法充分反映總磷濃度的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，所以磷遷移子模型在 應(yīng)用 中的不確定性必然會(huì)很高。要提高該子模型參數(shù)率定和結(jié)果計(jì)算的可靠性，必須加強(qiáng)入庫(kù)口的監(jiān)測(cè)。
| 參數(shù)（或系數(shù)）名稱(chēng) | 取值范圍 | 單位 |
| 豬的磷排放系數(shù) | 0.025～0.038 | kg/頭/d |
| 羊的磷排放系數(shù) | 0.013～0.026 | kg/頭/d |
| 馬的磷排放系數(shù) | 0.09～0.15 | kg/頭/d |
| 城區(qū)用地磷排放系數(shù) | 0.02～0.04 | kg/ha/a |
| 耕地磷排放系數(shù) | 0.25～0.34 | kg/ha/a |
| 林地磷排放系數(shù) | 0.02～0.05 | kg/ha/a |
| 土壤停留時(shí)間 | 1～3 | d |
| 地下水停留時(shí)間 | 10～80 | d |
| 基流系數(shù) | 0.1～1.0 | - |
| 磷釋放因子 | 10～30 | - |
| 磷同化系數(shù) | 0.01～0.05 | 1/d |
4.結(jié)論
本文中建立起的總磷污染控制模擬模型，是從流域降雨量和總磷的源頭產(chǎn)生量入手，通過(guò)徑流子模型和總磷遷移轉(zhuǎn)化子模型的模擬計(jì)算，最終獲得進(jìn)入目標(biāo)水體的總磷動(dòng)態(tài)負(fù)荷輸入。由于模型可以動(dòng)態(tài)模擬流域范圍內(nèi)河流和湖泊中的總磷濃度隨時(shí)間和空間的變化，在此基礎(chǔ)上，可以采用情景 分析 的 方法 對(duì)各種假想的管理措施的效果進(jìn)行模擬，例如25%的耕地退耕還林，改變種植結(jié)構(gòu)等;或者比較不同污染源對(duì)流域總磷負(fù)荷的貢獻(xiàn)大小，集中財(cái)力物力治理和控制主要污染源。這種在流域尺度上建立起來(lái)的水質(zhì)模擬模型，可以為今后的流域總磷污染控制和管理提供 科學(xué) 依據(jù)，起到輔助決策的作用。
參考 文獻(xiàn) ：
[1] Chapra S. Surface Water-Quality Modeling [D]. McGraw Hill International, 1997
[2] Johnes, P. J. Evaluation and management of the impact of land use change on the nitrogen and phosphorous load delivered to surface waters: the export efficient modeling approach [J]. J. Hydrology, 1996, 183.
[3] Xue Y, David M B, Gentry L E. Kinetica and modeling of dissolved phosphorous export from a tile-drained agricultural watershed [J]. J. Environmental Quality, 1998, 27, 917
[4] Jolley, T. J. Large scale hydrological modelling - the development and validation of improved land-surface parametistion for meteorological inputs [D]. London: Imperial College, 1995
[5] Lees, M. J., Camacho, L. Extension of the QUASAR river water quality model to incorporate dead-zone mixing [J]. Hydrol. Earth. Syst. Sci. 1998, 2, 353
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