粵港澳大灣區(qū)金山湖流域水質(zhì)變化規(guī)律

張萬順，張紫倩，彭 虹，李 琳，張 瀟，夏 函，章 玲

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；3.武漢大學(xué)中國發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃研究院，湖北 武漢 430072； 4.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072)

粵港澳大灣區(qū)是我國城鎮(zhèn)化水平最高的城市群區(qū)域[1]，人口集聚度高、河湖水系發(fā)達(dá)、自然地貌復(fù)雜，隨著人水關(guān)系逐漸增強(qiáng)，水資源短缺、水體黑臭、生態(tài)服務(wù)功能下降等城市河湖水環(huán)境問題日益嚴(yán)峻[2-5]。受社會(huì)經(jīng)濟(jì)過程與自然過程交叉影響，城市河湖水質(zhì)變化規(guī)律愈發(fā)復(fù)雜，存在水質(zhì)變化機(jī)制不確定的突出問題，成為制約粵港澳大灣區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸[6-8]。精準(zhǔn)揭示城市河湖獨(dú)特的水文情勢(shì)和強(qiáng)人類活動(dòng)相互影響下的水質(zhì)變化規(guī)律，涉及河湖水系交匯、陸面降雨徑流、土地利用格局和水庫調(diào)度等多過程[9-11]，亟須對(duì)氣象、水文、水質(zhì)等多要素全過程進(jìn)行全面精細(xì)的量化研究。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)精細(xì)量化水環(huán)境變化規(guī)律開展了大量研究，主要集中在自然條件下大尺度流域降水、徑流、水量、水質(zhì)等過程的定量模擬[12-13]。城市河湖存在水文、生態(tài)、社會(huì)異質(zhì)性特征復(fù)雜多變等特點(diǎn)，為精細(xì)刻畫城市河湖水質(zhì)變化過程，需要統(tǒng)籌陸面單元大尺度、河網(wǎng)中尺度、重要水域小尺度水環(huán)境過程機(jī)制差異的模型體系[14-15]?；隈詈蠚庀髷?shù)值模型、陸地模型和水動(dòng)力-水質(zhì)-水生態(tài)模型的“空-地-水”一體化模型逐漸成為全面揭示水質(zhì)變化規(guī)律的重要工具[16-18]，可突破流域陸面空間上不同尺度單元耦合的瓶頸，實(shí)現(xiàn)流域自然過程與社會(huì)經(jīng)濟(jì)過程的耦合與響應(yīng)關(guān)系的定量模擬[19-20]，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)流域水環(huán)境模型尺度單一、唯自然過程的不足。

金山湖流域是位于粵港澳大灣區(qū)的典型城市流域，河湖水系交錯(cuò)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間分異明顯，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、水體黑臭等水環(huán)境問題較為嚴(yán)重。本文以金山湖流域?yàn)槔⒘笋詈详懨鎲卧?、河網(wǎng)、湖泊等不同尺度的“空-地-水”一體化模型，模擬強(qiáng)人類活動(dòng)、水文、氣象過程等多重因素影響下流域內(nèi)污染負(fù)荷以及水質(zhì)變化過程，以揭示水質(zhì)變化機(jī)制以及土地利用格局對(duì)水質(zhì)的影響。

1 研究區(qū)概況

金山湖流域位于廣東省惠州市城區(qū)南部，東江流域中下游，西枝江左岸。金山湖流域水系由金山湖與4條主要入湖河涌構(gòu)成，入湖河涌為金山河、蓮塘布、河橋水和冷水坑，流域集雨面積約 63.7 km2，水系如圖1所示。流域上游為農(nóng)業(yè)區(qū)域，中游為城鄉(xiāng)接合部，下游為城市地區(qū)，點(diǎn)源排放密集，農(nóng)業(yè)面源、城鎮(zhèn)面源污染嚴(yán)重，人類活動(dòng)影響顯著。2019年，入湖4條河涌整體為劣Ⅴ類水體，水質(zhì)狀況均屬于“輕度黑臭”；湖區(qū)水質(zhì)整體為Ⅴ類，金山河入湖口至河橋水入湖口湖段水質(zhì)屬于“輕度黑臭”，全湖段均呈現(xiàn)出不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

圖1 金山湖流域水系

2 “空-地-水”一體化模型構(gòu)建

基于課題組前期研究成果[17,20-21]，綜合考慮陸面降雨徑流、河網(wǎng)及湖泊水動(dòng)力演進(jìn)與污染物輸移，構(gòu)建“空-地-水”一體化模型，包含一維河網(wǎng)與二維湖泊水動(dòng)力水質(zhì)模型以及面源模型。以流域面源模型的模擬結(jié)果作為水動(dòng)力水質(zhì)模型的旁側(cè)入流條件，實(shí)現(xiàn)降雨徑流面源模型與水動(dòng)力水質(zhì)模型的耦合計(jì)算；通過在一維河網(wǎng)和二維湖泊的連接斷面處設(shè)置過渡單元，根據(jù)過渡單元上兩種模型模擬的水位、流量、濃度相等的條件，實(shí)現(xiàn)一、二維模型的耦合。

2.1 面源模型

本文選用的流域面源模型為SWMM模型，包含水文與水質(zhì)模塊。選擇地表匯流方式、Horton下滲模型進(jìn)行地表徑流模擬，選擇指數(shù)函數(shù)方程進(jìn)行污染物累積沖刷模擬[20-21]。采用30 m精度的DEM柵格，將金山湖流域陸面共劃分為153個(gè)子匯水區(qū)，如圖1所示。通過DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)確定各子匯水區(qū)的面積、不透水面積占比、流域?qū)挾?、平均坡度等確定性參數(shù)；采用惠陽國家氣象站逐日降雨、蒸發(fā)、氣溫、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)建立氣象數(shù)據(jù)庫。

2.2 一維河網(wǎng)與二維湖泊水動(dòng)力水質(zhì)模型

采用圣維南方程組描述水動(dòng)力學(xué)過程，并充分考慮水體污染物的對(duì)流、擴(kuò)散、降解作用，建立一維河網(wǎng)與二維湖泊水動(dòng)力水質(zhì)模型[17]。收集整理流域內(nèi)水文地形資料，構(gòu)建金山河、蓮塘布、河橋水、冷水坑4條河涌的一維模型地形斷面，共計(jì)75個(gè)；構(gòu)建金山湖湖區(qū)的二維模型，劃分正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格共計(jì)46 624個(gè)，網(wǎng)格精度為20 m×20 m，地形斷面與網(wǎng)格設(shè)置如圖2所示。

2.3 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

根據(jù)金山湖流域水質(zhì)現(xiàn)狀，選取主要污染因子COD、TP作為模擬指標(biāo)。利用金山湖2018年12月(枯水期)和2017年8月(豐水期)的GF-2號(hào)遙感影像水質(zhì)反演結(jié)果(圖3)做模型率定。流域內(nèi)糙率取值范圍為0.025～0.055，COD降解系數(shù)為0.01～0.4 d-1，TP降解系數(shù)為0.02～0.5 d-1。以2019年1月水量驗(yàn)證斷面(圖1)實(shí)測(cè)匯水水量進(jìn)行流域面源模型驗(yàn)證，以4條河涌10個(gè)斷面、湖區(qū)5個(gè)點(diǎn)位(圖1)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行一維河網(wǎng)與二維湖泊水動(dòng)力水質(zhì)模型驗(yàn)證。模型驗(yàn)證結(jié)果見圖4，面源模型水量的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，水動(dòng)力水質(zhì)模型COD和TP的相對(duì)誤差均在15%以內(nèi)，表明“空-地-水”一體化模型能夠滿足金山湖流域面源及水質(zhì)模擬的要求。

(a) COD(2017年8月)

(a) 水量

3 水質(zhì)變化規(guī)律分析

3.1 水質(zhì)時(shí)空變化規(guī)律

由于降水是造成非點(diǎn)源污染的主要驅(qū)動(dòng)因素，豐水期非點(diǎn)源污染尤為顯著[22]，因此選擇典型豐水年2017年作為研究時(shí)段?；凇翱?地-水”一體化模型，模擬了2017年水文、氣象條件下COD、TP質(zhì)量濃度的變化過程。選取4條河涌上游、中游和下游典型斷面開展水質(zhì)變化分析，結(jié)果見圖5和圖6。金山湖2017年典型豐水月6月與典型枯水月12月的水質(zhì)指標(biāo)不同濃度范圍面積占比如圖7所示。由圖5～7可見，金山湖流域水質(zhì)整體較差，枯水期水質(zhì)比豐水期差，金山湖在典型豐水月劣Ⅴ類面積占比均在86.14%以上，在典型枯水月劣Ⅴ類面積占比在96.66%以上。在春夏季降雨豐沛時(shí)期，河道與湖泊的流量、流速整體較大，對(duì)污染物的稀釋作用較強(qiáng)。以地表水Ⅳ為標(biāo)準(zhǔn)，各河涌斷面COD質(zhì)量濃度年達(dá)標(biāo)率均在16.71%以下，TP質(zhì)量濃度年達(dá)標(biāo)率均在2.47%以下；湖泊TP質(zhì)量濃度超標(biāo)嚴(yán)重，COD質(zhì)量濃度整體較好。

(a) 金山河

(a) 金山河

(a) COD

水質(zhì)波動(dòng)與降水量密切相關(guān)，枯水期水質(zhì)無明顯波動(dòng)，豐水期水質(zhì)隨降雨波動(dòng)明顯。2017年，日降水量為15～60 mm的中小雨共出現(xiàn)31次，在中小雨后的1～3 d，金山湖全流域的COD質(zhì)量濃度易升高，TP質(zhì)量濃度有所降低；降水量超過60 mm的大雨共出現(xiàn)8次，在大雨過后，流域的COD、TP質(zhì)量濃度均有所降低。水質(zhì)波動(dòng)特征表明日降水量小于15 mm的降雨對(duì)陸面的沖刷作用不明顯，帶來的降雨徑流污染影響較小，降雨期水質(zhì)較為穩(wěn)定；中小雨時(shí)期產(chǎn)生的陸面降雨徑流污染程度最高，對(duì)水體的COD質(zhì)量濃度影響顯著；大雨沖刷作用產(chǎn)生更高的面源污染負(fù)荷，但由于此時(shí)降雨徑流量較大，面源負(fù)荷對(duì)水質(zhì)的影響程度有所降低。各河涌水質(zhì)具有明顯的空間分異特征，金山河、蓮塘布的中上游水質(zhì)較下游好，河橋水、冷水坑的中下游水質(zhì)較上游好。金山湖豐水期與枯水期COD、TP質(zhì)量濃度分布如圖8所示，湖泊的南部出現(xiàn)超標(biāo)污染帶的污染物濃度較高、范圍較廣，西北部次之，東部水質(zhì)相對(duì)較好。

(a) COD(2017-06-15)

金山湖流域污染物濃度較高的區(qū)域與點(diǎn)源排放密集區(qū)域一致，各區(qū)域點(diǎn)源負(fù)荷如表1所示，金山河、蓮塘布的上游區(qū)域，河橋水、冷水坑的中下游區(qū)域，以及湖泊的南部與西北部區(qū)域點(diǎn)源負(fù)荷較高，表明點(diǎn)源是影響水質(zhì)空間分布特征的主要原因。此外，湖區(qū)南部是河橋水、冷水坑、蓮塘布等河涌集中入?yún)R區(qū)域，河涌入?yún)R攜帶大量污染負(fù)荷至湖泊，對(duì)湖泊水質(zhì)造成不利影響。

表1 金山湖流域各區(qū)域點(diǎn)源負(fù)荷

3.2 土地利用格局對(duì)水質(zhì)的影響

金山湖流域陸面以城鎮(zhèn)用地為主，占全流域陸面面積的37.38%，其次為林地、耕地和農(nóng)村居民點(diǎn)，占比分別為25.29%、24.27%和9.12%，荒地與草地占比僅分別為3.21%和0.75%。城鎮(zhèn)用地主要分布在各支流的中下游，林地主要分布在各支流的中上游，耕地主要分布在河橋水中游、冷水坑上游以及蓮塘布中上游，農(nóng)村居民點(diǎn)主要分布在河橋水中游、冷水坑中下游以及蓮塘布中上游。

從土地利用格局尺度分析，不同水質(zhì)斷面受區(qū)間入?yún)R直接影響[23]，因此本文將每個(gè)斷面的子流域范圍定義為斷面區(qū)間范圍內(nèi)符合產(chǎn)匯流機(jī)制的所有子流域。分別對(duì)4條河涌選取典型干流斷面開展子流域土地利用格局分析，4條河涌所選斷面以及不同斷面子流域土地利用類型占比如圖9所示。各支流從上游至下游，金山河5個(gè)斷面子流域城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)面積占比逐漸增大，林地、耕地面積占比逐漸減小，草地、荒地面積占比低于2%；河橋水4個(gè)斷面子流域城鎮(zhèn)用地面積占比逐漸增大，農(nóng)村居民點(diǎn)、耕地面積占比先增大后減小，林地占比逐漸減小，草地、荒地占比低于1%；冷水坑4個(gè)斷面子流域城鎮(zhèn)用地面積占比先增大后減小，林地、耕地面積占比逐漸減小，農(nóng)村居民點(diǎn)面積占比逐漸增大，草地、荒地面積占比低于4%；蓮塘布7個(gè)斷面子流域城鎮(zhèn)用地面積占比逐漸增大，耕地面積占比先增大后減小，林地面積占比逐漸減小，農(nóng)村居民點(diǎn)面積先增大后減小，草地、荒地面積占比低于5%。

圖9 不同斷面子流域土地利用類型

將不同水質(zhì)斷面COD、TP質(zhì)量濃度的年均值、典型豐水月6月均值和典型枯水月12月均值與對(duì)應(yīng)子流域土地利用類型結(jié)構(gòu)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。COD質(zhì)量濃度與耕地、草地面積占比呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與林地面積占比呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；TP質(zhì)量濃度與耕地、農(nóng)村居民點(diǎn)面積占比均呈顯著正相關(guān)關(guān)系；其余土地利用類型面積占比與水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度的相關(guān)性不顯著。耕地面積占比與水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度均呈正相關(guān)關(guān)系，耕地區(qū)域農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)頻繁，化肥流失、農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，導(dǎo)致水體中的污染加重；豐水月COD質(zhì)量濃度和TP質(zhì)量濃度與耕地面積占比相關(guān)性高于枯水月和年均值，表明降水會(huì)加重農(nóng)業(yè)面源污染；COD質(zhì)量濃度的相關(guān)性較TP質(zhì)量濃度更高，表明農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)COD質(zhì)量濃度的影響程度更大。林地面積占比與水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，林地區(qū)域人類活動(dòng)較弱，植被覆蓋度高，水土保持能力強(qiáng)，植被對(duì)污染物的截流以及凈化作用可以有效減少污染物。農(nóng)村居民點(diǎn)面積占比與水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度均呈正相關(guān)關(guān)系，農(nóng)村居民點(diǎn)承載了較多農(nóng)村居民生活、畜禽養(yǎng)殖活動(dòng)，給水環(huán)境帶來大量農(nóng)村生活污染。城鎮(zhèn)用地面積占比與水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度相關(guān)性不顯著，城鎮(zhèn)帶來的污染以工業(yè)廢水和市政污水點(diǎn)源為主，而流域內(nèi)點(diǎn)源在支流各區(qū)域分布不均。流域內(nèi)草地與荒地由于面積占比極小，與水質(zhì)指標(biāo)質(zhì)量濃度相關(guān)性的不確定性較大。

表2 水質(zhì)指標(biāo)與土地利用類型面積占比的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié) 語

本研究建立的耦合陸面單元、河網(wǎng)、湖泊等不同尺度的“空-地-水”一體化模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)粵港澳大灣區(qū)強(qiáng)人類活動(dòng)影響下的金山湖流域河湖水質(zhì)變化過程的精細(xì)化模擬。模型綜合考慮了陸面降雨徑流、河網(wǎng)及湖泊水動(dòng)力演進(jìn)與污染物輸移的影響，能有效反映流域水質(zhì)變化機(jī)制。模擬結(jié)果表明，金山湖流域水質(zhì)與流域降雨和土地利用類型密切相關(guān)，為推進(jìn)流域水環(huán)境精細(xì)化管理提供有力的技術(shù)支撐，助力形成“人水和諧”的新時(shí)代生態(tài)文明格局。