《石臼湖流域水環境聯合數學模型與污染物削減研究》論文發表期刊：《水電能源科學》；發表周期：2021年02期

《石臼湖流域水環境聯合數學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，研究方向為水環境生態修復與生態工程

　　摘要：為了解石臼湖流域污染特征，將分布式水文模型SWAT模型與平面二維數學模型MIKE21模型相結合，定量計算石臼湖流域入湖污染負荷和入湖河流污染物削減量。研究表明，SWAT模型對徑流、氮負荷和磷負荷模擬決定系數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年入湖污染負荷最大貢獻者為中流河，其總氮入湖污染負荷占入湖總量的69%，總磷入湖污染負荷占入湖總量的67%;石臼湖近10年最枯月水位條件下，流域內總磷許可排放量為84.55t/a，入湖污染負荷需削減5.19t/a，削減比例為5.8%，總氮許可排放量為1235.80t/a，入湖污染負荷需削減1164.97t/a，削減比例為48.5%。研究結果對流域尺度污染控制和管理具有一定的指導意義，可作為石臼湖流域水環境、水生態管理的依據。

　　關鍵詞：污染負荷;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，是長江流域水環境調節的重要組成部分，面積207.65km2，由江蘇省南京市溧水區、高淳區和安徽省馬鞍山市博望區、當涂縣共同管理。目前石臼湖處于自然狀態，是一個過水性、吞吐型、季節性的草型淺水湖泊(圖1)。石臼湖流域內基本無大型閘壩，水系間處于相互貫通狀態，其主要入湖水系有中流河、野風港、博望河等，其中中流河是進入石臼湖的主要客水。石臼湖流域屬北亞熱帶濕潤區，季風氣候顯著，多年平均年降水量1046mm、年蒸發量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鍵污染源識別和污染負荷削減方面的應用較少。為此，本文聯合使用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的響應關系.，定量化分析石臼湖入湖河流污染物削減量，旨在為流城水環境治理和控制提供科學支撐。

　　2材料與方法

　　2.1SWAT模型與MIKE21模型耦合設計綜合考慮石臼湖流域地形、氣象、水文、土壤、水質等因素，將SWAT模型與MIKE21模型聯合使用，用于識別流域關鍵污染源、定量化污染負荷削減量，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模型數據庫，計算石臼湖流域徑流量和污染負荷量

　　步驟2統一徑流、污染負荷的時間序列文件格式，將SWAT模型污染物負荷輸出量與MIKE21模型污染物濃度建立量值上的分配關系，從而將SWAT模型結果反映至MIKE21水動力一水質模型，模擬石臼湖水質。

　　2.2SWAT模型構建

　　SWAT模型為分布式流域水文模型，可用于水文、水質、營養物等要素的模擬]。所用DEM數據來源于地理空間數據云，為v2版ASTERGDEM數據，采用UTM/WGS84投影，數據采集于2009年，空間分辨率為30m，數據類型為TIFF;土地利用數據庫采用清華大學2017年全球土地覆蓋空間分布數據和南京市土地利用分類數據;土壤數據來源于世界土壤數據庫，采用FAO-90土壤分類系統，采用UTM/WGS84投影，空間分辨率為1km，數據類型為GRID氣象數據來源于中國氣象數據網及水文年鑒，包括氣象臺站基本信息(經緯度、高程)、降雨量、最高和最低氣溫、相對濕度、平均風速、太陽輻射數據，時間為2013~2018年;農業管理措施設置參照農業農村部春季主要農作科學施肥指導意見，將石臼湖區域農作物概化為水稻、冬麥;排污口、牲畜養殖排污量、社會人口產污量等概化成點源污染進行設置。

　　SWAT模型以子流域為基礎對輸入數據和參數進行集總"]。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模型構建

　　2.3.1水動力水質模型構建MIKE21模型為平面二維數學模型，用于模擬河流、湖庫等的流場、水質、沉積物等[1。在區域污染源核算的基礎上，以石臼湖湖區為主要研究范圍，構建二維水動力、水質數學模型，采用三角形網格對計算區域進行劃分，網格尺寸在10~30m之間，共計4597個網格單元;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。水質模型水質邊界通過SWAT模型算出入湖河道污染負荷量，結合流量轉換為入湖污染負荷過程。為了反映水邊線的變化，采用富裕水深法修正水邊線;模型中設置干濕單元，其中完全干單元設置為

　　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定達標的TP，TN為污染因子，基于MIKE21模型進行石臼湖污染削減研究。根據水文年鑒數據，以近10年最枯月份平均庫容作為水文設計條件，以反映不利水文條件對石臼湖水質的影響，其對應的石臼湖蛇山站2014年2月的水位為5.02m。選取同時段研究區氣象數據，基于SWAT模型計算各入湖河流徑流量及污染物負荷量。風速選取南京市多年平均風速3.5m/s，風向為東北風。

　　研究設置兩組計算方案：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狀況;②達標方案(方案2)，以最不利水文條件下入流水質濃度為基礎，針對不同入流污染物負荷量及其影響情況，設置不同的污染物削減系數，以滿足石臼湖水質達標要求。

　　3結果與分析

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

　　MIKE21模型采用2018年2月石臼湖實測水質資料對參數進行率定，圖3給出了石臼湖湖心區、溧水湖心區、高淳湖心區及當涂湖心區4個湖區TP、TN濃度實測值與計算值對比結果。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水質的空間分布情況。最終確定模型糙率取值范圍為0.023～0.028，TN降解系數為0.03/d，總磷降解系數為0.002/d。

　　3.2　入湖污染負荷分析

　　通過SWAT模型得出現狀石臼湖流域入湖河流的污染負荷量，見表2。由表2可知，2018年石臼湖南京片區TN入湖污染負荷為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TN入湖污染負荷為160t/a，占入湖總量的5%，TP入湖污染負荷為10t/a，占入湖總量的9%;通過中流河進入石臼湖流域的污染負荷中，TN入湖污染負荷為2　030t/a，占入湖總量的69%，TP入湖污染負荷為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、農業面源污染、畜禽養殖污染等。尤其是省界河中流河，是進入石臼湖流域的主要客水，據2019年實測流量數據，中流河入湖流量于1、3、5月分別達13.15、42.18、66.14m3/s，其攜帶的污染物含量對石臼湖水質具有較大影響。石臼湖流域溝汊縱橫，水域遼闊，流域內居民居住較為密集，具有典型的新農村特征，部分生活污水未經處理排入附近地表水體，導致地表水TN、TP含量超標，對石臼湖水環境造成不利影響。石臼湖南京片主要種植作物為水稻、小麥，馬鞍山博望區農作物總播種面積約1.8×10'ha，化肥農藥施用帶來一定面源污染，以排澇、灌溉退水等形式進入石臼湖和沿湖河道，對湖泊水質造成污染。

　　3.3污染物排放與水質響應關系基于MIKE21水動力水質模型，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、博望湖心和當涂湖心5個監測斷面水質變化情況見表3，湖區監測斷面TP濃度，基本處于達標狀態(1類)，當涂湖心TP水質為NV類水，所有監測斷面TN不達標。

　　從空間分布上看，近10年最枯月(2014年2月)水位條件下湖區水質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、當涂湖心斷面及博望湖心斷面均產生一定影響，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范圍主要集中于河流入湖口及石臼湖沿岸區域，對湖心水質影響作用有限。

　　3.4污染負荷削減分析

　　根據《江蘇省地表水(環境)功能區劃》，石臼湖為飲用水源保護區，其水質目標為11類水。基于構建的水動力一水質數學模型，以近10年最枯月平均庫容作為水文設計條件，模型運行時間為2014年2月，在削減排污量的條件下，石臼湖湖區5個監測點數據顯示，湖區水質2月均值均達到11類水標準(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入湖污染負荷為89.74t/a，流域內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入湖污染負荷為2400.77t/a，流域內TN許可排放量為1235.80t/a，需削減1164.97t/a，削減比例為48.5%。

　　4結論

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

　　b.近10年最枯月水位條件下，流域內總磷削減5.8%，總氮削減48.5%，石臼湖水質可達到水(環境)功能區劃目標要求。

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

　　參考文獻：

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