基于HydroGeoSphere的辽河石佛寺水库氨氮污染风险分析

王世界

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110043)

辽河是我国七大河流之一，是辽宁省内最大的河流。辽河干流沈阳段流经地区均为农村，经康平县、法库县、沈北新区、新民市、辽中区5区、县(市)，河长307.4 km[1]，其河谷开阔，地势平坦，河道迂回曲折，河道比降小。石佛寺水库是辽河干流上唯一的调蓄控制型水库，兼顾水生态、蓄水等众多职能。该区域人类活动频繁，地表水地下水交互密切，存在着人均水资源量不足、水质达标率低等问题，对人民生活、农业、工业都有着巨大的影响。该区域地表水地下水交互密切，将地表水和地下水看作统一整体，采取支持向量回归方法预测研究区2017—2021年降水量，应用HydroGeoSphere(HGS)软件建立研究区地表水地下水水质耦合模拟模型。通过水质模型，预报未来石佛寺水库入库节点氨氮变化情况，对污染风险进行评估。

1 研究区概况

通过水文站汇水区范围结合ArcGIS高程数据确定辽河沈阳区域汇水区为研究区，区内河段从上游开原市至下游新民市新立屯村附近，地跨铁岭县、调兵山市、沈北新区、法库县和新民市等区域。研究区位于辽河河谷平原区，面积约为2552.0 km2。

研究区地表岩性主要为亚黏土、淤泥质亚黏土、亚砂土和砂砾石。地下水较为丰富，广泛分布有第四系松散岩类孔隙水，含水层岩性以砾卵石、砂砾石为主，其岩石渗透性好，地下水水力梯度大，径流条件较好。地下水的补给来源主要为大气降水入渗补给及河道渗漏补给，排泄方式主要为人工开采、潜水蒸发和侧向径流排泄。

2 研究方法

HGS技术系统(软件)由加拿大Waterloo大学、Laval大学及Hydrogeologic公司联合研制开发。它能够在流域尺度上，同时对地表水和地下水进行耦合数学模拟[2]。

将研究区地下水边界条件、含水层结构、含水层水力特征及源汇项等进行概化，建立研究区地下水概念模型。将研究区地表水边界条件、土地利用类型、源汇项等进行概化，建立研究区地表水概念模型[3]。根据建立的地表水、地下水概念模型，分别建立地表水、地下水水流数学模拟模型。数学模型主要包括两部分：一是描述水流运动规律的偏微分方程；二是反应系统边界条件和初始条件的定解条件。

采用双重节点方式耦合地表水模型与地下水模型。它将平面二维地表水模型叠置在地下水模型的顶部，对地下水、地表水模型进行相同的空间和时间离散。表层的地表水模型节点与地下水模型顶部节点具有完全一致的空间坐标，即耦合模型表层的节点同时具有地表水和地下水属性，每个地表水节点与相应的地下水节点进行水力联系[4]。

通过达西流关系来描述两者之间的水流交换，数学表达式为：

dQS G=kr oKs o(h-hs)

(1)

式中：d为地表水与地下水的耦合长度，L，是表征水体在地表与地下转移难易程度的度量；QS G为地下水与地表水交换通量，L3L-2T-1；kr o为上游节点的相对渗透率，无量纲；Ks o为地下水表层介质的渗透系数，LT-1；h为地下水水头，L；hs为地表水水头,L[4]。

3 模型建立

依据研究区边界条件及来水量情况建立水流运移模型，假定溶质仅随水流运移，溶质弥散作用忽略不计，研究区地下水南北侧水流边界为零通量边界，则南侧、北侧为溶质零通量边界；研究区地下水东侧、西侧为水流交换边界条件，则东侧、西侧水质交换边界条件可概化为第三类边界条件。当地表水地下水水质耦合模拟模型计算结果与实际监测结果误差小于25.00%，认为所建立的水质模型符合研究区实际情况。

3.1 降水量预报

根据研究区范围内及附近的降水量观测点资料，采用泰森多边形法确定区域降水量分布。利用各降水量观测点1956—2016年61 a降水量数据，采用支持向量回归法预报未来2017—2021年降水量情况。以前五年降水量推求后一年降水量，分别在各观测点得到55组训练样本，以前45组作为训练样本，后10组作为检验样本。在Matlab软件平台下运转编写的支持向量回归法计算代码[5]，实测数据和计算数据对比情况见图1，对比表明计算结果达到了预期精度要求。

图1 观测点降水量预报

3.2 模型校正

模型模拟期的初始浓度分布情况采用2014年3月10日研究区地表水地下水溶质浓度分布，将模拟期内各源汇项输入模型后，运行至2015年12月31日。将监测点2014年11月和2015年11月模型计算溶质浓度与实测溶质浓度进行对比,见表1。

表1 校正期监测点氨氮浓度对比情况

通过将模型的计算结果与研究区的实际情况进行对比，所建立的地表水地下水水质耦合模拟模型氨氮预报结果相对误差小于25.00%，能够反映研究区地表水和地下水水质系统的动态变化特征。

3.3 模型检验

设定模型检验模拟期为2016年1月1日—2016年12月31日，利用2016年11月研究区实际数据对校正后的溶质模拟模型进行检验，将模拟结果同2016年11月研究区地表水和地下水水质观测数据进行对比分析，见表2。

表2 检验期监测点氨氮浓度对比情况

模型的检验结果满足误差要求，所建立的地表水地下水水质耦合模拟模型能够反映研究区的实际情况。

4 氨氮污染预报及风险分析

4.1 污染预报

假定研究区内排污口位置、排污量以及污水溶质浓度均不发生变化，研究区边界条件不变，以2016年12月地表水地下水溶质浓度初始条件、未来5年的降水量作为输入变量，运转所建立的研究区地表水地下水水质耦合模拟模型对氨氮溶质进行模拟分析，见图2。

图2 2017—2021年石佛寺水库入库口氨氮浓度变化情况

由图2可以看出，在石佛寺水库入库口处氨氮的浓度存在着一定的波动规律。从年际角度来看，各溶质浓度波动略有变动，总体上均呈现下降的趋势，但趋势变化不显著。

4.2 污染风险分析

根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中地表水质量常规指标及限值表，确定氨氮的浓度限值分别为0.50 mg/L，同浓度预报结果相比较可以看出，在石佛寺水库入库口处氨氮的浓度在丰水期浓度不会超出限值，为Ⅰ、Ⅱ类水，但在枯水期超出限值，多为V类水，会对水质造成污染，绘制观测点未来5年地表水氨氮浓度累积分布函数图(图3)，氯化物污染的风险为0.39。

图3 地表水氨氮浓度累积分布函数图

5 结 论

以辽河石佛寺水库为研究节点，建立了地表水地下水水质耦合模型，并应用HGS软件对其进行同步求解，综合划定2017—2021年辽河石佛寺水库氨氮污染风险为0.390，石佛寺水库入库口在2017—2021年各年内，丰水期时浓度均较低，而在枯水期时浓度均较高，即当流量较大时，溶质浓度较低，反之，溶质浓度较高。分析其原因是水中氨氮浓度受河流流量影响，当溶质质量一定时，流量越大，浓度越低；反之，流量越小，浓度越高。当污水排放量或排放污水氨氮浓度一定时，可在丰水期适当增加排放污水的氨氮浓度或排放污水流量，而在枯水期降低排放污水的氨氮浓度或排放污水流量。在当今辽河流域全面推行河长制、实行最严格水资源管理制度的形势下，实时动态监测水质污染情况，并对排污进行合理调控有着重大的现实意义。