利用流域仿真模型分析非點源污染對水庫水質影響

摘要：本文通過開發構建水庫數字流域系統，建立水庫流域的土地開發建設和水環境影響之間的關系，模擬分析小流域開發建設對水文和水環境的影響，持續結合降雨和水文水質的測量數據對模型進行校正，提高模型對降雨和洪水的模擬分析準確度，優化截排站的泄洪控制，減少對水庫的影響。在此基礎上，根據各類污染因素的輸入結果，模擬分析對供水水質的影響，實現對飲用水的水質預警管理，進而為改善設施的運行管理提供參考。

關鍵詞：流域仿真模型;模型驗證;流域系統分析

深圳某某飲用水源水庫供水沿程及其點污染源已得到全面有效的控制，基本不會再對水庫水質構成威脅。除源水的本底污染之外，水質保護區范圍內的非點源污染是水庫的第二大污染來源。而其入庫河流S河所占份額最大，盡管S河截排工程能將初期雨水排至水庫下游，但由于截排工程規模的限制，不得不將超過截排容量的洪水排入水庫，成為某飲用水源水庫不可忽視的風險污染因素。由于非點源污染負荷的影響因素較多，除了人為因素的影響外，也受氣象因素的影響，因此很難準確確定非點源污染的負荷。在實際研究工作中，往往在現場的測量和采樣分析的基礎上，通過建立流域水環境模型來減少實測過程中不確定性因素的影響，從而獲得更準確的流域污染分析結果。

本文對某飲用水源水庫入庫河流和S河流域降雨產洪過程進行了測量分析，并對洪水進行采樣化驗，用于對模型進行校正，提高模型對入庫河流降雨和洪水的模擬分析準確度，優化S河截排站的泄洪控制，減少對水庫的影響。

一、流域仿真模型構建

流域仿真模型的實現，需要耦合各種功能，包括龐大的管網數據和地理信息數據的管理調用和處理、模型的參數和數據的輸入調用，模型計算內核調用，結果可視化等。目前國內外使用的流域徑流模型主要有SWMM、STORM、UCURM、DR3M-QUAL、HSP、WALLINGFORD等，每個模型都有自己的優缺點和適用范圍，對于不同的地區，可根據模型特點、研究目標、研究區域的特點和對模型的熟悉程度來選擇最適合的模型和軟件。

SWMM作為分布式模型在城市化區域的地表產匯流和排水管網的管道輸送過程計算方面具有比較明顯的優勢，選擇該模型作為深圳S河流域仿真系統技術分析工具。SWMM是美國環保局為了設計和管理城市暴雨而研制的綜合性數學模型，它可以模擬完整的城市降雨徑流過程，包括地面徑流和排水系統中雨洪的調蓄過程。SWMM模塊包括徑流模塊、輸送模塊、擴展的輸送模塊、調蓄/處理模塊和受納水體等主要模塊。模型的輸出可以顯示系統內和受納水體中各點的水流和水質狀況。

深圳S河流域仿真模型建立在地理信息系統與流域模型耦合的基礎上。構架如下所示。利用了ArcGIS的數據存儲調用、二次開發和空間分析功能，在此平臺上生成SWMM模擬文件和調用SWMM計算內核，得出模擬結果并將其可視化表達。

二、基礎數據處理與錄入

基礎數據都通過ArcGIS的ArcCatlog功能來錄入存儲。并在地理信息系統支持下依據年份及區域研究單元按地形、土壤、植被、土地利用（產污類型）、水文氣象數據、水利工程分布、水文地質參數、社會經濟統計等專題，組織建立數據庫。

模型利用的數據包括：

某飲用水源水庫1：10000地形數據;

S河流域土地利用類型數據（2005年，2010年）;

S河河道截面數據;

S河流域雨水管網規劃與現狀圖（2010年）;

S河流域污水管網規劃與現狀圖（2010年）;

2011年S河流域實測降雨數據（三個雨量站）;

2011年至2012年降雨和洪水的采樣分析數據。

三、模型驗證分析

為了驗證模型將實測的降雨、徑流及水質數據進行整理，修正模型參數，并驗證模型的準確度。其中參數率定用到2012年4月19日的實測數據，參數驗證校核用到2012年5月17日和26日的實測數據。

其中率定結果如圖1，2012年4月19日實際降雨過程，為S河截排站上游1.3公里處的實測過程數據。降雨數據為氣象臺數據，流量數據和水質數據為實測值。數據驗證分析表明模型的準確度高。

圖1 仿真模型的數據驗證

四、流域系統分析

模型構建完畢后進行了初步的模擬分析，利用2011年降雨數據進行全年連續降雨的模擬分析。2011年年降雨量1191.3mm，屬于枯水年，年內共計錄得降雨場次111場。結果如表1。

表1 仿真模型的數據驗證

月份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

共計

降雨

次數

2

7

7

5

11

17

17

10

15

9

8

3

111

降雨量/mm

13.5

40.7

24.2

74.3

144

345.2

243.7

117.8

77.1

46

63.4

1.4

1191.3

根據模型模擬結果，S河截排站共計開閘4次。

表2 S河泄洪數據的模擬分析

年降雨場次

開閘次數

百分比（%）

111

4

3.60

年徑流量（m3）

開閘泄洪量（m3）

百分比（%）

36215520

3156730

8.72

根據模型模擬結果，年污染負荷如表3。

表3 S河泄洪污染負荷的模擬分析

指標

污染負荷（t/a）

泄洪污染負荷（t/a）

百分比（%）

COD

1774.56

239.91

13.52

SS

3693.98

400.9

10.85

氨氮

79.67

12.63

15.85

從模擬結果可以看出，S河流域在暴雨情況下，對某飲用水源水庫的污染貢獻明顯。3.6%的場次降雨泄洪量占全年的8.72%，污染物負荷比例達到15%左右。因此暴雨徑流污染控制勢在必行。

從1988年到2007年，某飲用水源水庫流域城建用地面積從7.52平方公里增加到20.48平方公里，整體不透水面比例從10.66%增加到29.03%，流域處于快速城市化階段，由此導致洪峰加大，洪峰提前，面源污染增加等各種環境問題。

考慮城建用地面積的變化，利用模型進行了情景分析，降雨數據采用2011年實測數據，分析了不透水面從10%增加到29%的變化。計算結果表明（表4）城建用地面積對S河進入某飲用水源水庫的污染負荷影響很大。不透水比例從10%增加到29%后，入庫流量增加了5.7倍，從1.53%增加到8.72%;入庫污染負荷增加了4倍多

五、結論

從以上分析得出，水庫流域仿真系統的建設，為水庫流域土地開發、排水設施建設等的決策管理提供支持，形成以水環境保護為優先目的的管理模式，實現對非點源污染的有效管理，進一步提升水庫的污染防護力度。

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