嫩江流域农业面源污染管理及水质模型系统集成及应用

姚艳玲，张 宇，吕 军

(松辽水环境科学研究所，吉林 长春 130021)



嫩江流域农业面源污染管理及水质模型系统集成及应用

姚艳玲，张 宇，吕 军

(松辽水环境科学研究所，吉林 长春 130021)

嫩江流域；农业面源污染；水质模型

嫩江是松花江的北源，发源于大兴安岭支脉伊勒呼里山中段南侧，纵贯松嫩平原西部，河源至河口全长1 370 km，高差约900 m。嫩江流域位于E119°52′～126°30′、N45°27′～ 51°38′，总面积29.7万km2，占松花江流域面积的52%[1]。嫩江流域行政区划属黑龙江省、内蒙古自治区和吉林省。随着经济的快速发展，流域内农业面源污染问题愈发严重，污染物主要来自农田化肥农药施用、水产畜禽养殖和居民生活废水废物[2]。农业面源污染的影响主要表现在水体中悬浮物、化学需氧量、总磷、总氮、有机毒物含量增加，溶解氧等指标降低。

1 嫩江流域农业面源污染管理及水质模型系统

嫩江流域农业面源污染管理及水质模型系统是为嫩江流域主要河道建立的一套完整的MIKE 11水质模型系统和水质数据库查询系统，可为日常水质管理及突发性事故应急管理提供服务。2005年，松辽委完成了嫩江流域污染源普查登记工作，掌握了流域内入河排污口及农业面源污染的基本信息，为建立嫩江流域农业面源污染管理及水质模型系统提供了基础数据。

1.1 水质模型系统的建立

(1)NAM模型。NAM模型是对流域水文过程的描述，可以模拟单个集水区，对于大的流域也可以在同一个模型中包含数个子流域和复杂的河网。本研究将嫩江流域划分为15个子流域(控制单元)，优先控制单元又细分为污染治理单元、风险防范单元和生态维护单元3种类型。

(2)HD模型。HD模型的建立能够真实地反映流域水动力情况，为水质模拟提供基础。采用MIKE 11模型系统中的水动力模块(HD)进行模拟，能方便灵活地模拟各类水工建筑物，可用于水工建筑物众多、控制调度复杂的情况。嫩江流域河网复杂、河道众多，若详细模拟所有河道，不仅计算费时过多，而且现有测站分布及数据情况很难保证模拟的准确性。在充分掌握流域河网详细的水动力、水文资料的基础上，以主干河道为基础，对嫩江流域河网进行合理概化。其一维河网水动力模型的模拟范围包括嫩江干流及其主要支流绰尔河、诺敏河、洮儿河等。尼尔基水利枢纽作为嫩江干流唯一且至关重要的控制性骨干工程，在模型中被设置为闸孔出流型的水工建筑物。

(3)水质模型。水质模型以其在数值计算、定量分析等方面的强大功能被认为是解决水环境问题和控制水污染的有效手段[3]，特别是与NAM模型和HD模型的联合运用可提高流域水环境管理的科学水平。水质模型包括AD模型与ECOLAB模型。①AD模型。AD模型以HD模型为基础，主要有两个作用：一是作为水污染事故预警预报模拟的核心模型；二是作为ECOLAB模块的基础模块，构成常规水质管理模型系统。②ECOLAB模型。ECOLAB模块与AD模块耦合运行，通过一系列微分方程组的求解，描述河流水体中各物质间的相互作用及其对生态环境的影响。本研究采用2012年流域污染源数据及模型开边界处对应的水质监测站2012年水质监测数据对模型中的边界条件进行调整。水质边界条件以库漠屯、古城子、碾子山、两家子、镇西水质监测站2012年水质监测数据进行调整。

1.2 模型数据

农业面源污染负荷基础数据来自黑龙江、吉林、内蒙古2004年统计年鉴，主要包括耕地、农村生活、畜禽养殖面源污染数据等。各模型中，建立NAM模型所需输入的数据包括气象数据和流量数据；建立HD模型所需的基础数据包括河道地形数据、实测水位与流量数据、水工建筑物的基本设计参数及调度规则等；建立AD模型和ECOLAB模型需要的基础数据为河道水质监测站的监测信息，如水质监测站的位置，常规水质监测指标及其时间序列数据等。

1.3 模型的率定与检验

NAM模型具有自动率定的功能。本研究采用1985—1998年实测水文气象资料进行率定和检验。HD模型的率定与检验方法是调整河床糙率值，使模拟值与实测值尽量吻合。调整后，嫩江流域各河段实际糙率在0.020～0.075之间变动。水质模型参数是水体中各种水质反应常数值，根据排污口普查数据率定后的主要水质模型参数值见表1。

表1 水质模型参数取值

基于2003年实测水文资料，对所建立的水质模型进行检验，选取大安站进行模拟精度分析。从精度评定结果可以看出，全年模拟平均值与实测平均值的相对误差在15%以内，汛期的相对误差在20%以内，非汛期的相对误差在10%以内，非汛期模拟精度略高于汛期。综合比较6种污染物指标模拟精度，DO、BOD5模拟精度较高，其全年、汛期、非汛期实测均值与模拟均值相对误差都在10%以内。

2 嫩江流域面源污染及水质状况预测

表2 嫩江流域各控制单元的污染物排放量统计 t

表3 模型预测结果统计

注：“—”代表未对水质目标做出要求。

3 结 论

[1] 秦紫东.黑龙江省引嫩扩建工程对嫩江干流水环境影响研究[D].长春:吉林大学,2006：36-75.

[2] 汪雪格,刘洪超,吕军,等.基于小流域划分的拉林河流域农业非点源污染物入河量估算[J].中国水土保持,2016(10):65-67.

[3] 于敏.松花江流域水环境管理系统[D].上海:同济大学,2008:58-80.

[4] 吉林省质量技术监督局.吉林省地表水功能区：DB 22/388—2004[S].长春:吉林人民出版社,2004：1-21.

[5] 黑龙江省质量技术监督局.黑龙江省地表水功能区标准：DB 23/T740—2003[S].哈尔滨:黑龙江人民出版社,2004:1-18.

[6] 内蒙古自治区水利厅.内蒙古自治区水功能区划[R].呼和浩特:内蒙古自治区水利厅,2010:1-198.

(责任编辑 李杨杨)

松花江流域水环境质量预测模拟研究(2012ZX07601002-002)

S157

C

1000-0941(2016)12-0048-03

姚艳玲(1976—)，女，吉林松原市人，高级工程师，硕士，主要从事水资源保护、规划编制方面的工作。

2016-09-01