基于多方法的渾河流域水質模擬研究

孫 宇

（遼寧省觀音閣水庫管理局有限責任公司，遼寧 本溪 117100）

渾河流域主要分布于遼寧省的中東部地區，發源于撫順清原縣，河流由東北向西南流經四個城市，河流全長415 km，流域面積11481 km2，在遼東灣入海［1]。渾河支流主要分布在中上游，包括太子河、社河、蒲河、細河等。

近年來渾河水環境治理已取得很大成就，河流斷面水質明顯改善，但仍存在的一些問題，如支流水質問題導致干流水質不穩定；城鎮生活污水處理率低，排放標準低，并存在直排現象；畜禽養殖、農業面源污染也造成渾河干流水質下降等，再加上河流普遍為季節性河流，生態水量不足，枯水期流量小，水質超標現象時有發生。為更好研究渾河水質狀況，對其進行模擬，為保證水質模擬結果的合理性，在分布式水文模型水質模擬的同時，采用輸出系數法對渾河流域水質污染總量進行估算。

1 非點源污染總量估算

1.1 計算方法

輸出系數法的計算方法簡單，所需數據量較小，相對容易獲得，為此在面源污染負荷估算中應用較多。同時，輸出系數法通常直接計算總氮和總磷的負荷量，并且不涉及氮和磷特定形式，因此減少了計算量，大大提高了模型結果的可靠性。輸出系數模型公式如下所示［2]：

式中：j為污染物類型；m為流域中土地利用類型的種類或牲畜、人口；Lj為污染物j在該流域的總負荷量，kg·a-1；Eij為污染物j在流域第i種土地利用類型中的輸出系數，kg·hm-2·a-1，或牲畜、人口的輸出系數，kg·ca-1·a-1；Ai為第i種土地利用類型的面積，hm2，或牲畜、人口數量，ca。

1.2 參數確定

從相關文獻可以看出，在遼河一級水功能區，氨氮、總氮、總磷的面源污染主要來源于農業生產。COD 面源污染主要來源于農村生活及牲畜。因此，對于渾河流域面源污染估算，主要涉及農村面源污染，包括生活污水、農業種植及畜牧業。根據統計年鑒，統計遼河流域流經各市人口、農業種植面積、牲畜水量等指標，結果見表1。

對于輸出系數法，如何得到輸出系數是至關重要的。根據對遼河流域污染源的分析，面源污染是遼河流域主要的污染源，主要包括農業、牲畜及居民污水等，為此輸出系數可以從土地利用、牲畜和居民三個大方面統計。根據查閱相關資料及現場調研，給出了渾河流域面源污染的輸出系數，見表2。

表1 渾河流域流經各市主要指標情況統計表

表2 渾河流域輸出系數表

1.3 估算結果

采用輸出系數法，并根據表2 中渾河流域面源污染各類型輸出系數，計算得到渾河流域總氮、總磷的污染源負荷量，計算結果見表3 和表4。

表3 渾河流域總氮污染負荷計算結果 單位：t

表4 渾河流域總磷污染負荷計算結果 單位：t

根據表3 和表4 計算結果顯示，混合流域總氮19217 t，總磷1098 t。根據表3，渾河流域總氮分布主要集中在沈陽、撫順兩個城市，占比是流經行政區最多的，兩市共占渾河流域總氮的92.5%。在土地利用類型方面，林地和旱地的總氮占比最多，占渾河流域總氮污染負荷的50.2%。主要是因為渾河流域主要流經沈陽、撫順兩個市，其中流經區域耕地面積占比在90%左右，污染源主要是農業的面源污染，大量的農藥、化肥致使流經區域總氮負荷大。另外，流經的農村區域，農村生活的點源污染，如生活污水、牲畜養殖等也是對總氮量貢獻之一。根據表4，總磷的來源主要來自沈陽和撫順兩個市。從污染來源來看，農村生活作為總磷的主要來源，占比32%；其次是旱田，占比23%。在畜禽養殖中，豬和家禽的總磷貢獻最大，達到14%。綜合以上的分析，渾河流域總氮、總磷主要來源于沈陽和撫順，流經區域總氮貢獻最大的是耕地，總磷貢獻最大的是農村生活。因此，要對農業面源污染和農村的點源污染作為重點的治理對象。

2 分布式水文模型水質模擬

2.1 SWAT 模型

SWAT 模型是在SWRRB 模型基礎上發展起來的，融合了ARS 幾個模型的特點。SWAT 是一個物理基礎的模型，可以進行連續時間序列的模擬［3]。SWAT 模擬的流域水文過程分為水文循環的陸地階段和水文循環的匯流階段。前者控制著每個子流域內主河道的水、沙、營養物質和化學物質等的輸入量；后者決定水、沙等物質從河網向流域出口的輸移運動。整個水分循環系統遵循水量平衡規律。

2.2 水質模擬

將雨量站1975年～2002年逐日雨量輸入到SWAT 模型，對流量和泥沙進行模擬，校正計算模型各項參數，見圖1。通過撫順降雨站進行驗證，泥沙量納什效率系數0.88，說明模擬數值與實際數值趨勢基本一致，擬合度較好。面源污染與降雨有很大關系，隨著降雨的延長，污染源從土壤中通過徑流流入渾河流域水體中，從而造成河流污染。

圖1 流量和泥沙模擬計算結果

根據沈陽雨量站，對河流水質進行模擬，見圖2 與圖3。從模擬結果可知，模擬的水質趨勢與實測趨勢基本一致。

圖2 N-N 水質模擬

圖3 NO3-N 水質模擬

將2019年1月～12月實測日降雨及氣象數據輸入SWAT模型，模擬2019年總氮、總磷水質變化，見表5。

表5 2019年總氮、總磷模擬結果 單位：t

由表5 可知，渾河流域總氮15664.1 t，總磷1134.2 t。其中，總氮主要集中在年內的5月～10月，6 個月的總氮排放量占年總排放量的71.4%，說明總氮污染負荷主要來源于旱田且與降雨量有關。5月進入土壤耕作期，化肥農藥施用量增大，隨著汛期降雨量增大，入河污染也加大。總磷年內排放集中在兩個時期，分別是3月和7月、8月，這與污染源及徑流也有重要關系。由前面分析可知，總磷主要來源于居民生活和旱田。農村由于缺乏有效的排水措施，農村生活污水主要是潑在地上或者排放到村落溝渠，遇到降雨沖刷時隨著雨水匯流到江河湖庫，造成水環境的嚴重污染。由于渾河流域地處東北地區，其冬季流域內有強降雪過程。進入3月降雪融化形成融雪徑流，造成污染物排放量增大。進入7月、8月，隨著降雨增多，使農田污染物及居民生活污水排放量增大。

3 結果比較

輸出系數法與SWAT 模型模擬結果比較見表6。從表6 可以看出，兩種方法模擬結果比較接近，說明模擬、估算結果具有一定的合理性。

表6 輸出系數法估算結果與SWAT 模型模擬結果比較表

4 結論

通過采用輸出系數法與SWAT 模型模擬的渾河流域水質模擬研究，計算結果與實際基本相符，能夠指導渾河流域水質水量聯合調度改善水質提供數據基礎。但是由于受到降水量、區域水資源及新增入河排污量等多因素影響，對于以后的年份水質變化趨勢還需要進行驗證，文中只是在現狀的基礎上考慮水質變化情況，開展水質模擬，基礎條件和數據的變化對水質變化趨勢有很大影響，在以后的需要進一步開展研究。