基于多耦合模型的盛桥河流域水环境模拟研究

薛树红，李 明，吴 巍，吕家珑，马 勃，周晓平，姚普静，杨 霄

(1中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安710065；2西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安710048；3西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌712100)

近年来，我国大江大河流域水生态环境仍然面临着空前的压力。根据《2018年中国生态环境公报》，全国地表水水质断面中Ⅳ类及以下占比高达29%，地下水水质监测点位中较差级及以下占比超过86%[1-2]。流域水环境问题呈现出明显的系统性与复杂性，规避传统水环境治理局部化、线性化思路，以流域为单元，实现水-陆统筹解析成为水环境量化管理和精准决策的根本前提[3-4]。

作为流域水环境污染解析与预测的重要手段，基于数值模型的流域水环境过程模拟及其应用成为相关研究的一大热点。目前，根据模拟对象,水环境模型可分为地表水环境模型与非点源污染模型[5]，这些水文、水动力以及水质模型最早多源于欧美国家。地表水环境模型主要用于模拟水流、泥沙、污染物质在河流、湖泊等地表水体中的运动过程，最具代表性的有美国EFDC(environmental fluid dynamics code)模型、WASP(water quality analysis simulation program)模型与荷兰Deft 3D模型等，而SWAT(soil and water assessment tool)模型、HSPF(hydrological simulation program-fortran)模型、SWMM(storm water management model)模型等非点源污染模型在模拟陆面径流、污染物产生与输移过程方面应用较多[6-8]。国内外学者针对流域水环境模拟与应用进行了大量研究。Lee等[9]利用HSPF模型和SWMM模型在小流域进行非点源污染试验，结果表明SWMM模型更适用于小尺度区域。Moses等[10]利用WASP模型对印度某典型热带湖泊的水质水生态日变化过程进行研究，表明降雨径流对湖泊水质有着重要的影响。范丽丽等[11]运用SWAT模型研究了大宁河流域年内不同时期降雨-径流与氮污染入河负荷的关系，为流域非点源污染控制提供了依据。赵磊等[12]基于SWMM模型对明通河流域进行了降雨径流模拟，得到了雨水径流中总磷、化学需氧量的单位面积污染负荷，并指出城市降雨径流污染在流域污染中占有较大份额。李一平等[13]运用EFDC模型建立了长潭水库水环境水生态数学模型，模拟了水库在现状污染负荷下的藻类生长情况，分析了枯水年水库富营养化改善程度对不同流域污染削减方案的响应关系。但这些研究多是建立单一地表水环境模型或流域非点源污染模型，分别模拟流域出口的水文要素、营养负荷及其在地表水体中的迁移转换过程等，割裂了流域水-陆水文水质响应过程，集水-陆解析、响应与预测于一体的多耦合水环境模型仍鲜有应用[14]。

巢湖是我国五大淡水湖之一，随着环巢社会经济的发展，城镇建设和农业用地大幅扩增，非点源与点源污染导致巢湖及环巢支流水质污染以及富营养化问题日益凸显[15]。本研究以环巢小流域盛桥河流域为例，耦合降雨径流水文模型(NAM)、改进的非点源简易模型(PLOAD)与河道水动力水质模型(MIKE11)，构建流域水文-水动力-水质多耦合水环境模型，对不同水文年陆域污染负荷空间分布规律进行解析，对污染入河与河道水质响应全过程进行模拟，以期建立基于情景模拟的流域水环境综合治理效果预测方法，进而为流域水环境综合治理提供科学依据。

1 研究区概况

盛桥河位于合肥市庐江县境内，是环巢支流兆河一级支流，控制流域面积79 km2。流域多年平均降雨1 200 mm，3-9月降雨量占全年水量的85%以上。流域内多为丘陵与平原圩区，坑塘水系密布，地势西高东低，盛桥河自西南流向东北，全长33.4 km。流域上游散布林地及部分农田，中游为盛桥镇区，下游段有七里、盛桥两大农业圩区。盛桥河水环境治理是巢湖生态修复的重要任务之一，按照地表水功能区划与兆河水质管理要求，水质须达到地表Ⅲ类水标准。近年来，随着人口增长和社会经济发展，盛桥河沿线接纳了大量的农田径流、畜禽养殖与城镇雨水等非点源污染，农村与城镇生产生活污、废水散排，导致水质持续恶化，下游段水质常年为Ⅳ类，水质超标因子为NH3-N与TP。研究区地理位置见图1。

图1 盛桥河流域的地理位置Fig.1 Location of the Shengqiao River Basin

2 模型与方法

2.1 计算原理

在流域水环境系统模型中，降雨径流水文模型(NAM)与改进的非点源简易模型(PLOAD)作为陆域非点源污染模型，可为河道水动力水质模型(MIKE11)提供边界。各子模型计算原理如下。

(1)降雨径流水文模型(NAM)。NAM模型通过计算流域地表储水层、土壤或根区储水层以及地下水储水层等物理单元含水量来模拟产汇流过程，输出坡面流、壤中流、基流等水文循环信息[16]。

地表储水层坡面流流量QOF可表示为：

(1)

式中：CQOF为坡面流系数；L为根区含水量，mm；Lmax为根区储水层最大含水量，mm；TOF为坡面流的根区土壤含水率临界值；PN为净降雨量，mm/d。

地表储水层壤中流流量QIF可表示为：

(2)

式中：CKIF为壤中流汇水常数，h；TIF为壤中流的根区土壤含水率阈值；U为地表储水层的含水量，mm。

根区储水层含水率的变化与地表储水层坡面流和地下水交换量有关。根区储水层含水率变化DL可表示为：

DL=(PN-QOF)-G。

(3)

式中：G为地下水交换量，mm。

地下水储水层供水形成的基流流量QBF可表示为：

(4)

式中：LBF0为基流产流临界水深，m；LGW为地下水埋深，m；Sy为基流产流系数；CKBF为基流时间常数，h。

(2)改进的非点源简易模型(PLOAD)。PLOAD模型由美国CH2M HILL水资源工程小组开发，其根据土地利用类型及其产污的平均质量浓度(EMC)计算流域非点源污染负荷[17-18]。本研究对PLOAD流域径流计算方法进行改进，即由NAM水文过程取代PLOAD固定径流系数，刻画污染物随坡面流、壤中流与基流的入河过程。

改进后公式为：

LP=∑U(QOF×CUQOF+QIF×CUQIF+

QBF×CUBF)。

(5)

式中：LP为各土地利用类型的污染负荷，kg；CUQOF、CUQIF与CUBF分别为各土地利用坡面流、壤中流与基流产污的平均质量浓度(EMC)，mg/L。

(3)河道水动力水质模型(MIKE11)。MIKE11是基于垂向积分的质量和动量守恒方程，即由一维非恒定流圣维南方程组来模拟河流的水流状态[19]。其水动力表达式为：

式中：A为过水面积，m2；Q为流量，m3/s；t为时间，s；x为沿水流方向的水平坐标，m；q为河道的侧向来流量，m3/s；α为动量修正系数；g为重力加速度，m/s2；y为水位，m；Sf为摩阻坡降；v为侧向流在河道方向的流速，m/s。

MIKE11应用对流扩散方程对可溶性物质进行计算，表达式为：

(7)

式中：C为污染物的质量浓度，mg/L；u为河流平均流速，m/s；Ex为对流扩散系数；K为污染物一级衰减系数。

2.2 模型构建

2.2.1 非点源污染模型 为准确反映流域下垫面特征及其污染输出负荷的空间差异，本研究基于1∶1 000流域地形与渠系分布数据，通过ArcGIS水文分析划分盛桥河流域产流单元11个，并根据坡度与坡向确定了单元与水系的链接关系。鉴于单元水文参数获取较为困难，本次研究中非点源模型水文参数参考NAM模型推荐值，并耦合一维河道水动力模型联合率定[20-21]。

径流污染的平均质量浓度(EMC)是PLOAD模型计算流域非点源污染负荷的重要参数，国内外学者对流域径流污染的平均质量浓度进行了大量的监测与研究工作。本研究通过盛桥河流域正射影像监督分类，将该流域土地利用类型划分为农用地、自然保留地、坑塘水域和建设用地4大类，各类面积比例分别为64.8%,4.1%,14.0%和17.1%，其典型地块的径流污染的平均质量浓度(EMC)参考安徽农业科学院[22]、安徽大学[23]和南京大学[24]等在长江中下游的研究成果和研究区多场次径流水质监测成果确定，具体见表1。盛桥河流域产流单元的径流污染平均质量浓度取单元内地块EMC的面积加权平均质量浓度。

表1 盛桥河流域典型地块径流污染的平均质量浓度Table 1 Average runoff pollution concentration of typical land use types in the Shengqiao River Basin

2.2.2 河道水动力水质模型 河道水动力水质模型搭建的环节主要包括河网数字化与模型边界定义。河道沿程源或汇作为模型内边界，在模拟中有平衡水量和水质的作用。本研究对盛桥河流域河道水动力水质模型内边界作如下概化：大流量农村污水、污水直排口和污水厂尾水等具有明显汇流特性的污染源，在模型中以点源形式链接河道；而农村散排污水、城镇未纳管生活污水以及畜禽散养殖废弃物等具有无组织特性的污染源，以分布源形式进入河道，其他农田与城镇径流等非点源污染负荷通过NAM水文过程进入河道。模型外边界选盛桥河流域出口水位、水质监测数据。表2为盛桥河流域入河污染负荷调研统计结果，表中城镇生活源、企业服务业、农村污水、污水厂尾水和养殖废水等污染负荷根据第一次全国污染源普查工作手册与实地监测确定，并假设其在不同水文年入河负荷保持不变，而农业与城镇等非点源污染负荷由非点源污染模型模拟给出。

表2 盛桥河流域点源污染入河负荷Table 2 Point source pollution loads into river in the Shengqiao River Basin t/年

盛桥河流域经过概化，形成“五支(塅咀渠、庙岗河、蒲塘渠、小长河和中心沟)一干”11个产流单元、15座水坝、32个点源和11个降雨驱动分布源。盛桥河流域水环境模型的产流单元见图2。

图2 盛桥河流域水环境模型的产流单元Fig.2 Runoff units of water environment model of the Shengqiao River Basin

2.3 模型率定及验证

利用盛桥河实测流量数据对模型水文、水动力部分进行率定与验证。模型设置2014年5月-2015年5月为预热期，将2015年5月-2016年6月作为参数率定期，率定时间步长为“天(d)”，基于初始参数反复调参试算，尽可能使模拟值接近实测值。盛桥河流域水环境模型的流量率定过程见图3，率定期河道流量变化趋势符合流域降雨产汇流规律，模拟值与实测值有较好的拟合效果，平均相对误差(MRE)为14.64%，决定系数R2为0.989。

图3 盛桥河流域水环境模型的流量率定过程Fig.3 Flow calibration process of water environment model for the Shengqiao River Basin

利用率定校准后参数，选取2016-06-15-2016-07-15实测日流量序列进行验证，盛桥河流域水环境模型的流量验证过程见图4。由图4可见，2016-07-02盛桥河日降雨量达311 mm，持续暴雨导致中下游发生严重洪涝灾害。经分析，本次盛桥河流域水环境模型流量模拟值与实测值的平均相对误差(MRE)为8.36%，决定系数R2为0.988，满足模型应用的误差要求。

图4 盛桥河流域水环境模型的流量验证过程(2016年)Fig.4 Flow verification process of water environment model for the Shengqiao River Basin(2016)

鉴于水质资料有限，本研究采用2016-06-15-2016-07-15水质日监测数据进行率定和验证，率定期盛桥河流域NH3-N和TP的模拟值与实测值的拟合效果见图5。

图5 率定期盛桥河流域NH3-N及TP模拟值和实测值的比较Fig.5 Comparison of simulated and measured NH3-N and TP values in calibration period of the Shengqiao River Basin

由图5可见，NH3-N、TP模拟值与实测值的决定系数R2分别为0.976 3和0.966 2，NH3-N模拟的平均相对误差(MRE)、纳什系数(Ens)分别为2.02%，0.987，TP模拟的平均相对误差(MRE)、纳什系数(Ens)分别为1.17%，0.961。模型满足MRE≤10%，Ens≥0.60的适用性模拟要求[25]，流域水环境模型模拟效果较为满意。

模型水文、水动力与水质参数取值见表3。陆域单元水文参数因下垫面与土壤分异取值有所区别，河道上游天然河段糙率取值低于下游人工段[26]，降解系数结合河道水力特性和参数率定分段取值。

表3 盛桥河流域水环境模型验证后的参数取值Table 3 Parameters after verification of water environment model for the Shengqiao River Basin

3 模型应用

3.1 计算条件

选取典型丰(P=75%)、平(P=50%)、枯(P=25%)水年，模拟解析不同水文年盛桥河流域陆域污染入河负荷以及河道水质对降雨径流的响应规律，并基于最不利水文年(枯水年)，预测盛桥河流域城镇截污纳管、农村污水处理、畜禽水产养殖整治、非点源污染管理及其组合措施的实施效果。盛桥河流域水环境模型的模拟情景见表4。

表4 盛桥河流域水环境模型的模拟情景Table 4 Simulation scenarios of water environment model for the Shengqiao River Basin

3.2 模拟结果分析

3.2.1 陆域污染源解析 表5为盛桥河流域不同水文年陆域产流单元的非点源NH3-N与TP的入河污染负荷。由表5可见，丰、平、枯水年盛桥河流域NH3-N入河污染负荷分别为88.23，42.81和35.45 t/年，TP入河污染负荷分别为7.53，3.65和3.24 t/年。受降雨径流的影响，不同水文年流域NH3-N与TP入河污染负荷明显不同，总体呈现出丰水年>平水年>枯水年的趋势；同一水文年，下游#11单元因存在两大农业联圩，入河污染负荷最大，#7单元入河污染负荷次之，#4单元入河污染负荷最小。

表5 盛桥河流域不同水文年陆域产流单元的非点源污染负荷Table 5 Non-point source pollution load of runoff units in the Shengqiao River Basin under different hydrological years t/年

综合盛桥河流域点、非点源入河污染负荷分析可知，丰、平、枯水年NH3-N非点源污染负荷占比分别为70%，54%和50%；TP非点源污染负荷占比分别为51%，35%和33%，总体呈现年降雨量越大，非点源入河污染负荷占比越大；年降雨量越小，城镇生活源、农村污水、企业服务业、污水厂尾水等生产生活污水、废水等点源的入河污染负荷占比越大。

3.2.2 河道水质响应解析 以典型枯水年为例，盛桥河河道NH3-N及TP月均质量浓度对月降雨量的响应过程见图6。结合图6分析可知，受城镇生产生活点源及农业、城镇非点源污染的叠加影响，河道水质对降雨径流的响应较为敏感，非汛期(10月至次年2月)农业和城镇非点源污染入河负荷虽小，但低流量河道自净与稀释能力有限，城镇污水散排和管网溢流导致河道水质超标，11月NH3-N与TP最大超标倍数分别为1.42和0.90；汛期(3-9月)降雨超过某一临界值时，河道流量虽然增大，但农田径流的输入开始占主导地位，河道水质出现恶化，以9月为例，NH3-N和TP超标倍数分别为1.02和0.45。盛桥河NH3-N和TP质量浓度与流量的关系见图7。

图6 盛桥河NH3-N和TP质量浓度对降雨的响应Fig.6 Response of NH3-N and TP concentrations in the Shengqiao River to rainfall

图7 盛桥河NH3-N和TP质量浓度与流量的关系Fig.7 Relationship of NH3-N and TP concentrations and flow in the Shengqiao River

由图7可以看出，典型枯水年盛桥河河道流量与NH3-N及TP质量浓度拟合曲线的决定系数R2分别为0.75和0.84，低流量(0～0.52 m3/s)内流量越大水质越好；当河道流量大于0.52 m3/s时，流量增大，水质并未出现明显好转，NH3-N质量浓度反而升高，这与图6中流域降雨和水质响应规律基本一致。综上分析，流域生产生活污水、废水排放与降雨径流非点源输出是盛桥河水质超标的主要原因。

3.2.3 水环境治理预测 图8为最不利水文年(枯水年)6种模拟情景下盛桥河流域NH3-N和TP污染的水质空间分布图。由图8可以看出，无措施(情景1)条件下盛桥河流域上游水质优于下游；受污水、废水、雨污混流和非点源污染的影响，中心沟支流、干流镇区段及其下游水质较差；#8单元位于镇村结合部，城市和农田非点源以及污水、废水点源导致小长河水质污染最为严重，局部河段为劣Ⅴ类水；#4单元开发强度低，所涉汇水面积小，支流水质可达到Ⅲ类水质标准。与情景1相比，情景2(镇区截污纳管)有效改善了中心沟、盛桥河镇区段及下游的水质；情景3(农村污水处理)河道沿程NH3-N与TP质量浓度均有不同程度的降低，小长河水质改善效果尤为明显，局部水质由劣Ⅴ类降至Ⅳ类；情景4(畜禽水产养殖整治)表明畜禽水产养殖整治对盛桥河水质的改善效果相对较差，而非点源污染管理(情景5)情形下，盛桥河全段水质明显提升，尤其是在下游农业圩区段。

图8 枯水年6种模拟情景下盛桥河流域NH3-N和TP质量浓度的空间分布Fig.8 Distribution of NH3-N and TP concentrations under six simulation scenarios in the Shengqiao River Basin

综合以上情景分析可知，单项管理措施实施后，盛桥河全段NH3-N与TP的质量浓度未能满足地表Ⅲ类水标准要求，而情景6(多措施组合)表明，经过多措施综合治理后，在水环境不利水文年(枯水年)盛桥河水质仍可达到地表Ⅲ类水标准。图9为综合治理前后盛桥河流域出口断面NH3-N和TP质量浓度的对比。由图9可见，治理前盛桥河流域出口全年NH3-N月均质量浓度均高于地表Ⅲ类水标准限值；非汛期(10月至次年2月)与6月，TP质量浓度高于地表Ⅲ类水标准限值，经过流域水环境综合治理后，NH3-N月年均质量浓度为0.65～0.91 mg/L，TP月均质量浓度为0.12～0.18 mg/L，均低于地表Ⅲ类水标准限值。

图9 综合治理前后盛桥河流域出口断面NH3-N和TP质量浓度的对比Fig.9 Comparison of NH3-N and TP concentrations at the Shengqiao River Basin outlet before and after comprehensive treatments

4 结论与展望

以盛桥河流域为例，通过建立流域陆域-水体全过程多耦合水环境系统模型，对无管理措施陆域污染入河负荷与枯水年河道水质响应规律进行了解析；应用情景模拟法，基于最不利水文年(枯水年)对水环境管理措施进行了效果评估，本研究可得到以下几点结论。

1)典型丰、平、枯水年，盛桥河流域NH3-N入河污染负荷分别为88.23，42.81和35.45 t/年，TP入河污染负荷分别为7.53，3.65和3.24 t/年，年降雨量越大，非点源污染入河负荷占比越大；受农业生产活动的干扰，不同水文年下游#11单元非点源入河污染负荷最大。

2)最不利水文年(枯水年)盛桥河流域河道NH3-N与TP质量浓度均有超标现象，汛期和非汛期水质超标主导因素分别为非点源和点源；受点源与非点源污染的叠加影响，河道流量与水质有较强相关性，在低流量区间内随着流量的增大水质趋于好转；当流量大于0.52 m3/s时，TP质量浓度趋于稳定，NH3-N质量浓度升高。

3)经模拟预测，城镇截污纳管、农村污水处理、畜禽水产养殖整治、非点源污染管理等措施均可不同程度地改善盛桥河流域局部河段的水质，多措施综合治理后，流域出口水质全年稳定可达地表Ⅲ类水标准。

4)所构建的流域水文、水动力与水质多耦合水环境模型具有较好的可靠性，可用于类似流域水环境污染解析与响应预测。流域水环境问题是系统问题，只有水-陆统筹、点-面兼治方可有效改善流域水环境质量。