鄂西南三源新安江模型的流域水污染研究

鄂西南三源新安江模型的流域水污染研究

非點(diǎn)源污染與點(diǎn)源污染相對(duì)應(yīng)。也就是說，即使是特定地點(diǎn)的溶解或固體污染物，在降水和地表徑流磨損的作用下，通過水流過程流入受體水體（如河流、湖泊、水庫、海灣等），導(dǎo)致的水體污染。由于非點(diǎn)源污染是造成湖泊、水庫富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因之一,因此,進(jìn)行湖泊、水庫的水質(zhì)預(yù)測(cè)和水污染控制規(guī)劃時(shí),必須估算非點(diǎn)源污染的負(fù)荷量,否則將會(huì)造成預(yù)測(cè)和規(guī)劃脫離實(shí)際,實(shí)施效果差等嚴(yán)重后果。為了滿足水質(zhì)預(yù)測(cè)和流域水污染規(guī)劃的需要,從非點(diǎn)源污染的機(jī)理出發(fā),針對(duì)研究對(duì)象-隔河巖水庫的實(shí)際流域狀況,建立了簡(jiǎn)便易用的流域非點(diǎn)源模型。1水庫內(nèi)暴雨徑流隔河巖水庫位于鄂西南山區(qū),流域降水豐沛、氣候濕潤(rùn)、植被良好,暴雨徑流形成以蓄滿產(chǎn)流為主,徑流成分主要包括飽和地面徑流、壤中徑流和地下水徑流,適宜用三水源新安江模型分析其暴雨徑流過程。隔河巖水庫區(qū)間集水面積2761km2,占整個(gè)水庫來水面積的19%,均無水文站控制;隔河巖至高壩洲區(qū)間面積為850km2,僅在丹水上設(shè)高家堰水文站控制。高家堰水文站控制流域面積334km2,占隔河巖至高壩洲區(qū)間面積的39%。因此,流域水文模型研制的任務(wù)是:首先選擇一些氣候條件和下墊面條件與上述無資料區(qū)域相似的具有一定數(shù)量的水文氣象資料的流域,分別率定它們的三水源新安江模型的參數(shù),然后移用于無資料流域,實(shí)現(xiàn)這些流域的暴雨徑流的模擬計(jì)算。1.1模型及計(jì)算條件三水源新安江模型的基本結(jié)構(gòu)可以概括為:產(chǎn)流和匯流兩階段,飽和地面徑流、壤中水徑流和地下水徑流3種水源,分單元面積出流并迭加,還考慮了包氣帶張力水、重力水和降雨等3種空間不均勻分布。流域的產(chǎn)流部分采用蓄滿產(chǎn)流模式。所謂蓄滿,是指包氣帶的土壤含水量達(dá)到田間持水量。在土壤濕度未達(dá)到田間持水量時(shí)不產(chǎn)流,所有的降雨都被土壤吸收,成為張力水;而在土壤濕度滿足田間持水量以后,所有的降雨(減去同時(shí)期的蒸散發(fā))都產(chǎn)流。一般說來,流域上的土壤濕度分布與蓄水容量分布是不均勻的。三水源新安江模型用蓄水容量來考慮土壤缺水量分布不均勻的問題,把流域內(nèi)各點(diǎn)的蓄水容量曲線概化成如圖1所示的一條拋物曲線。用W’mm表示流域內(nèi)最大的點(diǎn)蓄水容量,W’m表示流域內(nèi)某一點(diǎn)的蓄水容量,f表示蓄水能力小于等于W’m值的流域面積,F表示流域面積,B表示拋物線指數(shù),其公式為:fF=1?(1?W’mW’mm)B(1)fF=1-(1-W’mW’mm)B(1)流域平均蓄水容量為:WM=∫0W’mm(1?fF)dW’m=W’mmB+1(2)WΜ=∫0W’mm(1-fF)dW’m=W’mmB+1(2)與流域初始平均蓄水量(W0)相應(yīng)的縱坐標(biāo)(A)為:A=W’mm[1?(1?W0Wm)1B+1](3)A=W’mm[1-(1-W0Wm)1B+1](3)產(chǎn)流時(shí),若PE+A<W’mm,則R=PE?WM+W0+WM(1?PE+AW’mm)B+1(4)R=ΡE-WΜ+W0+WΜ(1-ΡE+AW’mm)B+1(4)若PE+A>W’mm時(shí),則R=PE?(WM?W0)(5)R=ΡE-(WΜ-W0)(5)式中:PE=P-E;P為降雨量;E為蒸散發(fā)量。作產(chǎn)流計(jì)算時(shí),模型的輸入為PE,參數(shù)包括流域平均蓄水容量WM和拋物線指數(shù)B;輸出為產(chǎn)流量R及流域時(shí)段末平均含水量W。模型的蒸散發(fā)采用三層模型,各層蒸散發(fā)的計(jì)算原則是:上層按蒸散發(fā)能力蒸發(fā),上層含水量不夠時(shí),剩余蒸散發(fā)能力從下層蒸發(fā),下層蒸發(fā)與剩余蒸散發(fā)能力與下層含水量成正比,與下層蓄水容量成反比。要求計(jì)算的下層蒸發(fā)量與剩余蒸散發(fā)能力之比不小于蒸散發(fā)系數(shù)C。否則,不足部分由下層含水量補(bǔ)給,當(dāng)下層水量不夠補(bǔ)給時(shí),用深層含水量補(bǔ)。蒸散發(fā)計(jì)算時(shí),模型的輸入是蒸發(fā)器實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)和流域蒸散發(fā)能力的折算系數(shù)K,模型參數(shù)是上、下、深三層的蓄水容量是WUM,WLM,WDM(WM=WUM+WLM+WDM)和深層蒸散發(fā)系數(shù)C。輸出是上、下、深各層的流域蒸散發(fā)量EU,EL,ED(E=EU+EL+ED)。計(jì)算中包括三個(gè)時(shí)變參數(shù),即各層土壤含水量WU,WL,WD(W=WU+WL+WD)。WM,E,W分別表示總的土壤蓄水容量,蒸散發(fā)量和土壤含水量。三水源新安江模型采用一個(gè)自由水庫進(jìn)行水源劃分,自由蓄水庫設(shè)置兩個(gè)出口,其出流次數(shù)分別為KI和KG。產(chǎn)流量進(jìn)入自由水庫內(nèi),通過兩個(gè)出流系數(shù)和溢流的方式把它們分成地面徑流(RS),壤中流(RI)和地下徑流(RG)。自由蓄水庫的結(jié)構(gòu)見圖2。求出各單元的出流過程后,根據(jù)單元出口及流域出口的距離和河槽的水力學(xué)特性,通常用分段馬斯京根法(參數(shù)XE、KE)把單元的出流量演進(jìn)至流域出口處,再作線形迭加。1.2干流及控制面積根據(jù)清江流域氣候及下墊面特點(diǎn),以及水文氣象資料條件,選擇招徠河水文站和高家堰水文站作為參證站。招徠河水文站位于泗渡河,控制面積為792km2,干流平均坡度1.25%;高家堰水文站位于丹水,控制面積為334km2,干流平均坡度0.77%。兩站及控制面積內(nèi)均有較長(zhǎng)的實(shí)測(cè)流量、水位和降雨資料系列。水面蒸發(fā)在相同氣候條件下一般隨空間變化不大,高家堰流域采用漁峽口站蒸發(fā)資料;招徠河流域采用長(zhǎng)陽站資料。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,兩參證站模型參數(shù)的率定精度均達(dá)到了部頒標(biāo)準(zhǔn)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。1.3成6個(gè)流域根據(jù)計(jì)算需要,隔河巖水庫區(qū)間面積需劃分成6個(gè)子流域。根據(jù)各子流域的氣候條件和下墊面特征以及參照參證站的模型參數(shù),用水文比擬法給出的各子流域模型參數(shù)見表1。2面源污染負(fù)荷與流量模數(shù)的關(guān)系由于面源污染為暴雨徑流所攜帶,故在污染源一定時(shí),暴雨徑流中污染物負(fù)荷與流量將呈現(xiàn)較密切的關(guān)系,但建立此種關(guān)系必須具備水量與水質(zhì)的同步監(jiān)測(cè)資料。隔河巖水庫區(qū)間面積共有2761km2,要全部設(shè)站控制,并進(jìn)行水量與水質(zhì)同步監(jiān)測(cè),不僅要耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力,而且技術(shù)上也難以做到。解決的途徑是在區(qū)域內(nèi)選擇一些代表性區(qū)域,對(duì)其實(shí)行一定測(cè)次的水量與水質(zhì)同步監(jiān)測(cè),建立其面源污染物負(fù)荷與流量的關(guān)系,然后將這些代表性關(guān)系推廣應(yīng)用到區(qū)域的其它子流域。面源污染物質(zhì)與流量模數(shù)的關(guān)系一般具有如下形式:Ea=AqB(6)Ea=AqB(6)式中:Ea為單位面積的污染物負(fù)荷(即單位面積污染物流失率),g/s·km2;q為流量模數(shù)(即單位面積徑流率),m3/s·km2;A、B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。通過比較分析和可行性論證,擬選擇高家堰水文站作為建立該區(qū)域面源污染物負(fù)荷與流量的關(guān)系的代表性流域。為此,對(duì)該流域從1999年到2000年實(shí)施了一定測(cè)次的水量與水質(zhì)同步監(jiān)測(cè),據(jù)此,得出了該區(qū)域有代表性的總氮面源污染負(fù)荷與流量的關(guān)系如圖3:Ea=1.7877q1.1149(7)Ea=1.7877q1.1149(7)由于庫區(qū)區(qū)間的面污染情況與高家堰流域并不完全一樣,因此面源污染公式中的系數(shù)不能完全照搬。為了解這些系數(shù)的分布規(guī)律,又設(shè)置了天池河、平洛河河口上2個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面。由于這2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面沒有測(cè)流,因此采用水文模型計(jì)算流量,然后建立總氮面源污染負(fù)荷與流量模數(shù)間的關(guān)系。圖4為所建立的天池河子流域總氮污染負(fù)荷與流量模數(shù)的關(guān)系圖。圖5和圖6為天池河和平洛河河口上的驗(yàn)證成果。表2為推算出的各子流域總氮非點(diǎn)源污染公式中各系數(shù)一覽表。3計(jì)算利用建立的