基于流域管理的總磷污染動態(tài)模擬模型

基于流域管理的總磷污染動態(tài)模擬模型論文名稱：基于于流域管理的的總磷污染動動態(tài)模擬模型型作者：曾思思育，杜鵬飛飛，冉圣宏，傅傅國偉摘要：：為了定量分分析不同磷來來源對目標(biāo)水水體水質(zhì)的影影響，提高流流域總磷污染染控制管理決決策水平，通通過分析流域域中磷的產(chǎn)生生途徑（包括括點(diǎn)源和面源源）及其在河河流、土壤中中的遷移轉(zhuǎn)化化規(guī)律，建立立起總磷污染染控制動態(tài)模模擬模型，并并討論了模型型的基本假設(shè)設(shè)、各個子模模型的結(jié)構(gòu)和和關(guān)系、計算算機(jī)理等。最最后，以我國國北方某大型型水庫及其所所屬流域為例例，利用率定定后的模型進(jìn)進(jìn)行模擬計算算，描述了進(jìn)進(jìn)入水庫的總總磷隨時間的的動態(tài)變化趨趨勢。結(jié)果表表明，該模型型可以為流域域總磷污染控控制提供科學(xué)學(xué)的決策參考考。關(guān)鍵字：流流域模型徑流模型面源污染磷遷移水體中磷的的輸入是造成成水體（尤其其是湖泊、水水庫）富營養(yǎng)養(yǎng)化的主要原原因之一，而而其濃度高低低又是判斷富富營養(yǎng)化程度度的因子之一一[1]。面對對水體富營養(yǎng)養(yǎng)化問題，越越來越多的專專家學(xué)者把防防治措施定位位在流域級別別的管理上。而而流域管理在在實(shí)施中，為為了量化不同同磷來源對目目標(biāo)水體水質(zhì)質(zhì)的影響，有有必要考查流流域內(nèi)面污染染源的貢獻(xiàn)、點(diǎn)點(diǎn)污染源的排排放、以及磷磷在流域河流流中的遷移轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化過程等。由由于以上各過過程（包括生生化過程）都都是呈季節(jié)性性變化的，因因此，相應(yīng)的的流域總磷模模型如果能進(jìn)進(jìn)行動態(tài)模擬擬是最為理想想的。本文所所討論的模型型特點(diǎn)就是，既既可以集成以以上過程，動動態(tài)模擬流域域內(nèi)總磷的遷遷移轉(zhuǎn)化過程程，又能夠區(qū)區(qū)分不同污染染來源和過程程的貢獻(xiàn)，以以便制訂目標(biāo)標(biāo)明確、重點(diǎn)點(diǎn)突出的磷污污染控制和管管理政策和措措施。1．模型的基本本假設(shè)以往有關(guān)磷磷排放系數(shù)的的研究成果表表明，流域匯匯水區(qū)內(nèi)磷的的年度產(chǎn)生量量與畜禽養(yǎng)殖殖量和土地利利用情況是直直接相關(guān)的[[2]；另一一方面，相應(yīng)應(yīng)的一些回歸歸分析則表明明，流域內(nèi)磷磷的動態(tài)輸出出量（進(jìn)入水水體的負(fù)荷量量）可近似認(rèn)認(rèn)為是流域徑徑流量的函數(shù)數(shù)[3]。以上上結(jié)論就是本本文中所討論論的磷模型的的基本假設(shè)。根根據(jù)此假設(shè)，在在年度磷產(chǎn)生生總量和徑流流量之間的關(guān)關(guān)系基礎(chǔ)上，可可以把一年內(nèi)內(nèi)磷的總產(chǎn)生生量隨時間變變化進(jìn)行動態(tài)態(tài)分解。一旦旦磷進(jìn)入河流流（湖泊）系系統(tǒng)，其遷移移過程和反應(yīng)應(yīng)過程則可以以用串聯(lián)的箱箱式混合模型型來模擬。2．模型結(jié)構(gòu)與與各個子模型型的計算機(jī)理理2.1模型空空間概化將整個流域域劃分為若干干個子流域，每每個子流域?qū)?yīng)一條河流流（或者是干干流的一個河河段，也可以以是支流，并并且允許河流流上有湖泊水水庫）的匯流流區(qū)，然后根根據(jù)干流和支支流的相互關(guān)關(guān)系建立起子子流域的上下下游關(guān)系。在在計算中，每每一個河段按按長度等分為為上、下兩個個串聯(lián)起來的的完全混合的的箱子，稱為為第一個箱子子和第二個箱箱子，并認(rèn)為為兩個箱子的的停留時間是是一樣的。22.2面源和點(diǎn)源源污染物輸入入針對每每個子流域，分分別計算來自自點(diǎn)污染源和和面污染源的的磷負(fù)荷。點(diǎn)點(diǎn)污染源主要要是城鎮(zhèn)生活活污水和工業(yè)業(yè)污水排放。缺缺少數(shù)據(jù)時，可可利用人口當(dāng)當(dāng)量或人均負(fù)負(fù)荷來簡單推推算生活污水水中的磷負(fù)荷荷，例如未經(jīng)經(jīng)處理的生活活污水中一般般總磷濃度為為4～15mg//L，平均的人人均負(fù)荷可取取4.5g/人/d。對于面污污染源，磷的的年度排放總總量可以采用用典型排放系系數(shù)(ExpoortCooefficcient))和農(nóng)業(yè)調(diào)查查數(shù)據(jù)（包括括畜禽養(yǎng)殖數(shù)數(shù)據(jù)和土地利利用情況）來來估算。一般般情況下，根根據(jù)產(chǎn)生總磷磷的面污染源源的不同類型型，參見表1，結(jié)合各地地的特點(diǎn)，通通過調(diào)查、小小區(qū)實(shí)驗或者者參考類似地地區(qū)的排放系系數(shù)，分別獲獲得不同污染染源的磷排放放系數(shù)。表1中PL為土地磷排排放系數(shù)，PX為畜禽磷排排放系數(shù)。每每一類排放系系數(shù)根據(jù)當(dāng)前前的數(shù)據(jù)信息息支持情況還還可以進(jìn)一步步細(xì)化，例如如家禽還可劃劃分為雞、鴨鴨等。面污染染源每年產(chǎn)生生的總磷負(fù)荷荷ENP((kg/a))可以近似地地用（1）式估算。其其中，Si為對應(yīng)不同同土地類型的的用地面積（km2），Hi為各種畜禽禽的數(shù)量（頭頭）。表1面污染源源磷排放系數(shù)數(shù)的主要類型型Tablee1PhoosphorrousEExporttCoefffcienntofDiffuusedPPolluttionSSourcee用地類型PL(kg·kkm-2a--1)養(yǎng)殖類型PX(kg·頭頭-1a-11)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PX62.3降雨－－徑流子模型型該子模模型的功能是是根據(jù)降水情情況計算出匯匯水區(qū)內(nèi)的河河流出流量。計計算過程是：：首先根據(jù)已已知的每日降降雨量和蒸發(fā)發(fā)量數(shù)據(jù)，計計算出有效降降雨量[4]]Uk；Uk的一部分進(jìn)進(jìn)入土壤中存存儲起來，另另一部分經(jīng)土土壤后形成出出流量x1；x1被基流系數(shù)k劃分為兩部部分，一部分分是地下水kx1，另一部分分則直接進(jìn)入入河流體系；；kx1中的一部分x2被看作是地地下水的出流流，即地下水水與河流體系系的交換部分分。河流的入入流量x3的計算則包包括支流輸入入、上游輸入入、點(diǎn)源污水水排入、河流流取水、地下下水交換等部部分。其中，上上游輸入直接接進(jìn)入第一個個箱子，對于于沒有上游輸輸入的子流域域，第一個箱箱子可以被忽忽略。其它的的輸入則進(jìn)入入第二個箱子子。對于點(diǎn)源源污水排放，由由于季節(jié)性變變化不大，可可以采用日平平均值，或用用季節(jié)分布系系數(shù)給予修正正。河流取水水也從第二個個箱子中取走走，取水量大大小可以根據(jù)據(jù)季節(jié)變化來來調(diào)整，尤其其是農(nóng)業(yè)灌溉溉取水量。河河流出流量為為x4，是入流量量的函數(shù)。模模型所描述的的水流過程和和總磷運(yùn)移過過程見圖1。模型型所描述的基基本過程相應(yīng)應(yīng)的數(shù)學(xué)公式式如下：其中，x11為土壤出流流量，Uk為有效降雨雨量，T1為土壤停留留時間；x2為地下水出出流量，k為基流系數(shù)數(shù)，T2為地下水停停留時間；x4為河段出流流量，x3為河段入流流量，T3為河段停留留時間；L為河段長度度，u為河流平均均流速；a、b為與河道形形狀和物理特特性相關(guān)的經(jīng)經(jīng)驗系數(shù)。22.4總磷遷移轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化子模型對每個子子流域而言，進(jìn)進(jìn)入系統(tǒng)的總總磷負(fù)荷應(yīng)該該是以下各項項之和：①上游磷輸入入量P(1)；②地下水中的的磷本底負(fù)荷荷P(2)；③點(diǎn)污染源排排放的磷P(3)；④來自土壤的的磷負(fù)荷P(4)；⑤取水帶走的的磷負(fù)荷P(5)。除了來自自上游的磷負(fù)負(fù)荷是進(jìn)入河河段的第一個個箱子外，其其余輸入都直直接進(jìn)入第二二個箱子。因因取水帶走的的磷負(fù)荷，也也從第二個箱箱子中減去。來自土壤壤的磷負(fù)荷P(4)則由磷釋放放因子Pr、總磷的年年產(chǎn)生量E（跟畜禽養(yǎng)養(yǎng)殖和土地利利用直接相關(guān)關(guān)）、土壤出出流量x1構(gòu)成的函數(shù)數(shù)計算而得。P(4)==f(Pr,,E,x1))(3)磷在河流中中的遷移過程程由下式給出出：其中，Piin和Pout分別是進(jìn)入入和流出子流流域的總磷負(fù)負(fù)荷；kp是總磷的同同化速率；τ是因擴(kuò)散和和彌散作用引引起的溶質(zhì)（此此處為總磷）隨隨水流遷移的的時間遲滯；；DF則是彌散分分?jǐn)?shù)，計算中中可取經(jīng)驗值值0.3[5]]。3．案例研究以我國北方方某大型水庫庫及其所屬流流域為例，利利用前文所述述模型，對流流域內(nèi)的總磷磷從產(chǎn)生到進(jìn)進(jìn)入目標(biāo)水體體的全過程進(jìn)進(jìn)行實(shí)例研究究。水庫控制制流域面積5437平方公里，上上游有3條主要支流流匯入。因為為該水庫是重重要的飲用水水源地，再加加上近年來水水庫水質(zhì)有富富營養(yǎng)化的趨趨勢，為此對對流域范圍內(nèi)內(nèi)的總磷污染染問題比較敏敏感。因此，利利用模型對來來自面源和點(diǎn)點(diǎn)源的總磷負(fù)負(fù)荷進(jìn)行模擬擬計算，并在在此基礎(chǔ)上有有針對性地提提出管理措施施，是很有意意義的一項工工作。以其中中一條入庫支支流為代表，利利用1997年的數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行參數(shù)率定定。表2給出了模型型計算過程中中用到的主要要系數(shù)和參數(shù)數(shù)取值范圍。利利用1998年數(shù)據(jù)對該該支流入庫口口水質(zhì)進(jìn)行模模擬，圖2和圖3分別給出了了入庫口處徑徑流子模型和和磷遷移子模模型的計算結(jié)結(jié)果（參數(shù)率率定后）與監(jiān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的比比較。從圖中中可以看出，率率定后的計算算結(jié)果與監(jiān)測測數(shù)據(jù)能很好好地吻合。但但必須認(rèn)識到到，由于監(jiān)測測數(shù)據(jù)量太少少（見圖3），無法充充分反映總磷磷濃度的動態(tài)態(tài)變化趨勢，所所以磷遷移子子模型在應(yīng)用用中的不確定定性必然會很很高。要提高高該子模型參參數(shù)率定和結(jié)結(jié)果計算的可可靠性，必須須加強(qiáng)入庫口口的監(jiān)測。表2部分系數(shù)數(shù)、參數(shù)取值值范圍參數(shù)（或系數(shù)）名名稱取值范圍單位豬的磷排放系數(shù)數(shù)0.025～00.038kg/頭/d羊的磷排放系數(shù)數(shù)0.013～00.026kg/頭/d馬的磷排放系數(shù)數(shù)0.09～0..15kg/頭/d城區(qū)用地磷排放放系數(shù)0.02～0..04kg/ha/aa耕地磷排放系數(shù)數(shù)0.25～0..34kg/ha/aa林地磷排放系數(shù)數(shù)0.02～0..05kg/ha/aa土壤停留時間1～3d地下水停留時間間10～80d基流系數(shù)0.1～1.00-磷釋放因子10～30-磷同化系數(shù)0.01～0..051/d4．結(jié)論本文中建立立起的總磷污污染控制模擬擬模型，是從從流域降雨量量和總磷的源源頭產(chǎn)生量入入手，通過徑徑流子模型和和總磷遷移轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化子模型的的模擬計算，最最終獲得進(jìn)入入目標(biāo)水體的的總磷動態(tài)負(fù)負(fù)荷輸入。由由于模型可以以動態(tài)模擬流流域范圍內(nèi)河河流和湖泊中中的總磷濃度度隨時間和空空間的變化，在在此基礎(chǔ)上，可可以采用情景景分析的方法法對各種假想想的管理措施施的效果進(jìn)行行模擬，例如如25%的耕地退耕耕還林，改變變種植結(jié)構(gòu)等等；或者比較較不同污染源源對流域總磷磷負(fù)荷的貢獻(xiàn)獻(xiàn)大小，集中中財力物力治治理和控制主主要污染源。這這種在流域尺尺度上建立起起來的水質(zhì)模模擬模型，可可以為今后的的流域總磷污污染控制和管管理提供科學(xué)學(xué)依據(jù)，起到到輔助決策的的作用。參考文獻(xiàn)：[1]ChhapraS.SuurfaceeWateer-QuaalityModelling[[D].MMcGrawwHilllInteernatiional,,19977[2]JJohness,P.J.Evvaluattionaandmaanagemmentooftheeimpaactofflanddusechanggeonthennitroggenanndphoosphorrouslloadddeliveeredttosurrfacewaterrs:thheexpporteefficiientmmodeliingappproacch[J]].J.Hydroology,,19966,1833.[3]XXueY,,DaviidMBB,GenntryLLE.KKinetiicaanndmoddelinggofddissollvedpphosphhoroussexpoortfrromatile--drainnedaggricullturallwateershedd[J]..J.EEnviroonmenttalQuualityy,19998,277,9177[4]JJolleyy,T.J.Laargesscalehydroologiccalmoodelliing-theddeveloopmenttandvaliddationnofiimprovvedlaand-suurfaceeparaametisstionfor