基于水量水質耦合模型的阜新地區農業面源污染模擬

劉瑛楠

(遼寧省沈陽水文局，沈陽 110043)

近些年來，農業面源污染成為流域水體污染的主要來源之一，為對流域水體污染進行綜合治理，亟需要對其農業面源污染負荷進行較為準確的評估，從而制定相對應的治理措施，如耕作方式或者農業結構的轉變[1]。農業面源污染影響因素較多，很難實現其污染負荷的準確模擬，只能結合模型模擬方式進行其污染負荷的評估[2]。當前，國內對于農業面源污染負荷模擬主要為2種方式：①方式1采用數學模型，通過污染負荷監測數據以及相關聯的影響因素，采用數學模型模擬的方式對其演變趨勢進行分析[3-8]，這種方式的優點在于計算原理簡單，缺點在于需要大量的監測數據進行規律分析，才能對面源污染負荷的變化趨勢進行分析；②方式2是采用水質模型對農業面源污染進行模擬[9-15]，這種方式的優點在于可以考慮農業面源污染負荷的成因，可用來進行農業耕種方式轉變下的面源污染評估，但缺點在于計算原理較為復雜，需要大量的基礎數據作為支撐，此外傳統水質模型由于不能考慮水量，而由于水量是水質污染負荷重要載體，對其計算精度也有較大程度的影響，為提高區域農業面源污染負荷，文章以遼寧阜新為具體實例，采用水量水質耦合模型對區域農業面源污染負荷進行模擬，并結合監測數據對模型精度進行探討，研究成果對于評估區域農業耕種方式對面源污染負荷影響具有重要的參考價值。

1 模型耦合計算原理

模型首先對農業面源的各污染項進行計算，計算主要原理為：

1)溶解態氮主要以地表徑流作為運移載體，其負荷量計算方程為：

ρNO3surf=βNO3·ρNO3，mobile·Qsurf

(1)

式中：ρNO3surf為溶解態氮負荷量，mg/l；ρNO3mobile為水體中硝化氮負荷量，mg/l；Qsurf為水量，mm。在方程中溶解態氮負荷量的計算方程為：

(2)

式中：SATly為土壤水達到飽和時的含量，mm；ωmobile為土壤水中的含量，mm；ρNO3ly為土壤縱深方向上溶解態氮的負荷量，mg/l；θe為土壤容重，g/cm3。

2)農業面源污染中溶解態磷隨地表徑流運移的負荷量計算方程為：

(3)

式中：Psurf為農業面源污染中磷的負荷量，mg/l；Psolutio,surf為在水體中溶解的磷負荷量，mg/l；ρb為土壤密度，g/cm3；kd,surf為磷在土壤配比中的比重，%。阜新地區屬于超滲產流區，因此按照超滲產流模型對地表產水量進行計算，從而實現水量和水質模型的耦合，水量模型產流曲線計算方程為：

(4)

式中：F0以及F分別表示計算產流面積以及流域總面積，km2；β為產流曲線系數；f為土壤水下滲速率，mm/h。結合產流曲線對不同時段產流量進行計算：

(5)

(6)

前面主要為農業面源污染在流域面上的污染負荷計算，進入河道后期污染負荷變化采用QUAL2E模型進行計算，模型原理可見參考文獻[16]。

2 模型應用

2.1 監測數據獲取

文章以阜新地區為研究實例，阜新地區主要糧食作物為玉米，區域內主要由6種農業用地的土壤類型，對不同耕地土壤進行了無機氮含量、有機氮以及無機磷含量的測定，土壤化學屬性參數，見表1。

表1 土壤化學屬性參數

2.2 模型參數設置

采用野外監測試驗的方式對模型計算的的相關參數按照參數取值范圍對其初始值進行設定，模型參數范圍和初始值，見表2。

表2 模型計算參數初始值

續表2 模型計算參數初始值

2.3 模擬精度分析

為對水量水質耦合模型在農業面源污染模擬的精度進行分析，結合區域2009—2019年測定的區域總氮含量，考慮到污染源主要來自面源和點源污染負荷，基于區域點源污染負荷數據，將總氮、總磷減去點源總氮和總磷含量，認定為區域面源總氮和總磷的測定負荷，對比分析模型的計算精度，總氮模擬精度結果，見表3；總磷模擬精度結果，見表4。

表3 總氮模擬精度結果

表4 總磷模擬精度結果

從總氮負荷的模擬結果可看出，采用水量水質耦合模型下總氮負荷模擬值和實測值之間的相對誤差均可<±25%，絕對誤差也均<15×106t，可滿足農業面源污染負荷相對誤差控制在±25%以內的要求范圍內，總氮模擬精度較好，這主要是因為水量水質耦合模型可綜合考慮水量對農業面源污染負荷運移以及濃度變化的綜合影響，此外采用QUAL2E模型對農業面源污染負荷進入河道后期污染負荷變化進行分析，也相應提高了模型的精度。從總磷的模擬精度也可看出，采用水量水質耦合模型計算的總磷負荷和實測值之間的相對誤差也均可<±30%，滿足水質模擬的精度要求。此外從模型總氮和總磷模擬值和實測值的相關分析可看出。農業面源污染負荷模擬值和實測值總體呈現指數相關，相關系數均在0.6以上。綜上表明水量水質耦合模型可以滿足農業面源污染負荷模擬的精度要求，在模型建立的基礎上，可以用來實現農業面源污染負荷的空間模擬，也可作為未來農業耕種方式變更或者氣候變化下的農業面源污染負荷定量評估的模擬平臺。

總氮 總磷

3 結 論

1)水量水質耦合模型可綜合考慮水量對農業面源污染負荷運移以及濃度變化的綜合影響，此外采用QUAL2E模型對農業面源污染負荷進入河道后期污染負荷變化進行分析，也相應提高了模型的精度，通過實例分析，面源污染負荷模擬相對誤差均可在±30%以內，可滿足農業面源污染負荷模擬的精度要求。

2)在水利水質耦合模型建立的基礎上，可以用來實現農業面源污染負荷的空間模擬，也可作為未來農業耕種方式變更或者氣候變化下的農業面源污染負荷定量評估的模擬平臺。

3)采用野外監測試驗的方式對模型計算的的相關參數按照參數取值范圍對其初始值進行設定后，隨著模擬次數的增加，需要對其參數進行逐步修正，提高模擬精度。