基于流域管理的總磷污染動態(tài)模擬模型
摘要：為了定量 分析 不同磷來源對目標水體水質的 影響 ，提高流域總磷污染控制管理決策水平，通過分析流域中磷的產生途徑(包括點源和面源)及其在河流、土壤中的遷移轉化 規(guī)律 ，建立起總磷污染控制動態(tài)模擬模型，并討論了模型的基本假設、各個子模型的結構和關系、 計算 機理等。最后，以我國北方某大型水庫及其所屬流域為例，利用率定后的模型進行模擬計算，描述了進入水庫的總磷隨時間的動態(tài)變化趨勢。結果表明，該模型可以為流域總磷污染控制提供 科學 的決策 參考 。
關鍵詞：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)富營養(yǎng)化的主要原因之一，而其濃度高低又是判斷富營養(yǎng)化程度的因子之一[1]。面對水體富營養(yǎng)化 問題 ，越來越多的專家學者把防治措施定位在流域級別的管理上。而流域管理在實施中，為了量化不同磷來源對目標水體水質的影響，有必要考查流域內面污染源的貢獻、點污染源的排放、以及磷在流域河流中的遷移轉化過程等。由于以上各過程(包括生化過程)都是呈季節(jié)性變化的，因此，相應的流域總磷模型如果能進行動態(tài)模擬是最為理想的。本文所討論的模型特點就是，既可以集成以上過程，動態(tài)模擬流域內總磷的遷移轉化過程，又能夠區(qū)分不同污染來源和過程的貢獻，以便制訂目標明確、重點突出的磷污染控制和管理政策和措施。
1.模型的基本假設
以往有關磷排放系數(shù)的 研究 成果表明，流域匯水區(qū)內磷的年度產生量與畜禽養(yǎng)殖量和土地利用情況是直接相關的[2];另一方面，相應的一些回歸分析則表明，流域內磷的動態(tài)輸出量(進入水體的負荷量)可近似認為是流域徑流量的函數(shù)[3]。以上結論就是本文中所討論的磷模型的基本假設。根據(jù)此假設，在年度磷產生總量和徑流量之間的關系基礎上，可以把一年內磷的總產生量隨時間變化進行動態(tài)分解。一旦磷進入河流(湖泊)系統(tǒng)，其遷移過程和反應過程則可以用串聯(lián)的箱式混合模型來模擬。
2.模型結構與各個子模型的計算機理
2.1 模型空間概化
將整個流域劃分為若干個子流域，每個子流域對應一條河流(或者是干流的一個河段，也可以是支流，并且允許河流上有湖泊水庫)的匯流區(qū)，然后根據(jù)干流和支流的相互關系建立起子流域的上下游關系。在計算中，每一個河段按長度等分為上、下兩個串聯(lián)起來的完全混合的箱子，稱為第一個箱子和第二個箱子，并認為兩個箱子的停留時間是一樣的。
2.2 面源和點源污染物輸入
針對每個子流域，分別計算來自點污染源和面污染源的磷負荷。點污染源主要是城鎮(zhèn)生活污水和 工業(yè) 污水排放。缺少數(shù)據(jù)時，可利用人口當量或人均負荷來簡單推算生活污水中的磷負荷，例如未經處理的生活污水中一般總磷濃度為4～15mg/L，平均的人均負荷可取4.5g/人/d。對于面污染源，磷的年度排放總量可以采用典型排放系數(shù)(Export Coefficient)和農業(yè)調查數(shù)據(jù)(包括畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)和土地利用情況)來估算。一般情況下，根據(jù)產生總磷的面污染源的不同類型，參見表1，結合各地的特點，通過調查、小區(qū)實驗或者參考類似地區(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)。每一類排放系數(shù)根據(jù)當前的數(shù)據(jù)信息支持情況還可以進一步細化，例如家禽還可劃分為雞、鴨等。面污染源每年產生的總磷負荷ENP (kg/a)可以近似地用(1)式估算。其中，Si為對應不同土地類型的用地面積(km2)，Hi為各種畜禽的數(shù)量(頭)。
| 用地類型 | PL(kg·km-2a-1) | 養(yǎng)殖類型 | 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)降水情況計算出匯水區(qū)內的河流出流量。計算過程是：首先根據(jù)已知的每日降雨量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，計算出有效降雨量[4]Uk;Uk的一部分進入土壤中存儲起來，另一部分經土壤后形成出流量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的計算則包括支流輸入、上游輸入、點源污水排入、河流取水、地下水交換等部分。其中，上游輸入直接進入第一個箱子，對于沒有上游輸入的子流域，第一個箱子可以被忽略。其它的輸入則進入第二個箱子。對于點源污水排放，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箱子中取走，取水量大小可以根據(jù)季節(jié)變化來調整，尤其是農業(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程和總磷運移過程見圖1。
模型所描述的基本過程相應的數(shù)學公式如下：
其中，x1為土壤出流量，Uk為有效降雨量，T1為土壤停留時間;x2為地下水出流量，k為基流系數(shù)，T2為地下水停留時間;x4為河段出流量，x3為河段入流量，T3為河段停留時間;L為河段長度，u為河流平均流速;a、b為與河道形狀和物理特性相關的經驗系數(shù)。
2.4 總磷遷移轉化子模型
對每個子流域而言，進入系統(tǒng)的總磷負荷應該是以下各項之和：①上游磷輸入量P(1);②地下水中的磷本底負荷P(2);③點污染源排放的磷P(3);④來自土壤的磷負荷P(4);⑤取水帶走的磷負荷P(5)。除了來自上游的磷負荷是進入河段的第一個箱子外，其余輸入都直接進入第二個箱子。因取水帶走的磷負荷，也從第二個箱子中減去。
來自土壤的磷負荷P(4)則由磷釋放因子Pr、總磷的年產生量E(跟畜禽養(yǎng)殖和土地利用直接相關)、土壤出流量x1構成的函數(shù)計算而得。
P(4)=f(Pr,E,x1) (3)
磷在河流中的遷移過程由下式給出：
其中，Pin和Pout分別是進入和流出子流域的總磷負荷;kp是總磷的同化速率;τ是因擴散和彌散作用引起的溶質(此處為總磷)隨水流遷移的時間遲滯;DF則是彌散分數(shù)，計算中可取經驗值0.3[5]。
3.案例 研究
以我國北方某大型水庫及其所屬流域為例，利用前文所述模型，對流域內的總磷從產生到進入目標水體的全過程進行實例研究。水庫控制流域面積5437平方公里，上游有3條主要支流匯入。因為該水庫是重要的飲用水源地，再加上近年來水庫水質有富營養(yǎng)化的趨勢，為此對流域范圍內的總磷污染 問題 比較敏感。因此，利用模型對來自面源和點源的總磷負荷進行模擬 計算 ，并在此基礎上有針對性地提出管理措施，是很有意義的一項工作。以其中一條入庫支流為代表，利用1997年的數(shù)據(jù)進行參數(shù)率定。表2給出了模型計算過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)對該支流入庫口水質進行模擬，圖2和圖3分別給出了入庫口處徑流子模型和磷遷移子模型的計算結果(參數(shù)率定后)與監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較。從圖中可以看出，率定后的計算結果與監(jiān)測數(shù)據(jù)能很好地吻合。但必須認識到，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)量太少(見圖3)，無法充分反映總磷濃度的動態(tài)變化趨勢，所以磷遷移子模型在 應用 中的不確定性必然會很高。要提高該子模型參數(shù)率定和結果計算的可靠性，必須加強入庫口的監(jiān)測。
| 參數(shù)（或系數(shù)）名稱 | 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 |
| 土壤停留時間 | 1～3 | d |
| 地下水停留時間 | 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生量入手，通過徑流子模型和總磷遷移轉化子模型的模擬計算，最終獲得進入目標水體的總磷動態(tài)負荷輸入。由于模型可以動態(tài)模擬流域范圍內河流和湖泊中的總磷濃度隨時間和空間的變化，在此基礎上，可以采用情景 分析 的 方法 對各種假想的管理措施的效果進行模擬，例如25%的耕地退耕還林，改變種植結構等;或者比較不同污染源對流域總磷負荷的貢獻大小，集中財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的水質模擬模型，可以為今后的流域總磷污染控制和管理提供 科學 依據(jù)，起到輔助決策的作用。
參考 文獻 ：
[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
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
