基于動態模型的湖庫水環境容量影響因素重要性解析

孫玉瑩, 陳煉鋼, 陳少穎, 徐祎凡, 姜克芳, 金 秋

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 江蘇 南京 210029; 2.江蘇省水利科學研究院,江蘇 南京 210017; 3.江蘇省城鎮化和城鄉規劃研究中心, 江蘇 南京 210000)

1 研究背景

水環境容量是水污染控制和環境管理的一個重要指標,是在滿足水體特定功能的情況下水體承載污染物的能力,同時也是總量控制的基礎條件[1],該指標能夠為環境管理部門因地制宜地制定符合當地實際情況的水質目標與排放標準提供堅實的科學基礎[2]。人類活動及區域氣候變化對湖庫水質的影響逐漸加劇,水質污染已成為湖庫管理中亟待解決的問題,因而對湖庫水環境容量的精準計算顯得尤為重要[3]。

目前,關于水環境容量的核算方法在國內外已有豐富的研究成果,Chen等[4]提出了在水文信息匱乏地區計算水環境容量的解決方案;Wang等[5]利用機器學習輔助進行了流域尺度的水環境容量核算;Li等[6]利用零維水質模型對洋河水庫水環境容量進行了估算,基于水動力水質模型的湖庫水環境容量核算方法在國內的杞麓湖[7]、鄱陽湖[8]、太湖[9]、湛江灣[10]、彩云湖[11]等湖庫得到了廣泛應用,但計算所用參數大都以年為單位,未考慮到水環境容量的年內動態變化。陳江海[12]對不同時空尺度下水環境容量評估的差異進行了分析,指出現有的靜態水文設計條件選擇方式易造成“過保護”等問題;崔嵩等[13]與Ma 等[14]分別針對不同河網建立水動力與水質耦合模型對水環境容量進行了逐月動態計算,結果表明入湖流量的動態變化對河流水環境容量影響較大,豐水期與枯水期存在顯著差異;陶亞等[15]通過季節性分析發現水文氣象條件與河流徑流量存在顯著正相關關系,從而使同一河段在不同時期的水環境容量呈現出動態變化的特征;宋澤峰等[16]通過對農田面源污染來源的研究發現,大氣干濕沉降對面源污染具有較大貢獻;Chen等[17]將氮沉降監測資料與半分布式模型相結合,發現氮沉降是重要的氮源。

總結現有研究發現,水環境容量與入湖流量的動態變化、水文氣象條件及大氣干濕沉降等因素密切相關,已有研究提出有針對性的流域分區管理的思路[18],但目前將全要素考慮在內的湖庫水環境容量核算模型較少。此外,現行國家標準[19]所規定的湖庫水環境計算方法僅對于入庫徑流量中所攜帶的入湖負荷、污染物綜合衰減系數以及不均勻混合系數作出了明確規定,還存在針對性不足的問題[20],在實際應用中可能導致水環境治理的精準施策出現偏差。且目前湖庫水環境容量核算的研究多針對某一特定流域開展,研究目標集中于提高結果的準確性,對于計算模型的普適性及各因素對計算結果的影響方面研究較少。因此很有必要建立基于全要素考量的模型來量化不同因子對水環境容量計算值的影響,對重要性強的因子應予以重視,以保障環境容量核算的精度。

本研究以太湖流域大溪水庫為例,綜合考慮影響湖庫水環境容量的各種因素(包括湖庫入庫徑流量、庫面蒸發、大氣干濕沉降、庫區降水、沉降自凈、水溫波動、不均勻混合及庫容變化等全要素),建立逐日動態模型對水環境容量進行核算,對不同影響因素進行定量分析,從中確定影響水環境容量的主要因素,為完善水環境容量核算方法和提高核算精度提供科學依據。

2 數據來源與計算模型

2.1 研究區域概況

大溪水庫位于江蘇省溧陽市的太湖流域西區南河水系天目湖流域,其集水面積約為90 km2,常水位為12～14 m(青島黃海基面),最大水深為8 m,水面面積約為12 km2,總庫容為1.128×108m3。水庫于1960年6月建成﹐是一座以防洪、城鎮供水、灌溉為主的大型水庫[21],也是太湖流域重要的水源涵養區。當地氣候為亞熱帶季風氣候,每年的6—8月為豐水期,該時段內降水量約占常年總降水量的42%;每年10—翌年2月為枯水期,該時段內降水量占常年總降水量的24%左右;每年3—5月以及9月為平水期,該時段內降水量約占常年總降水量的34%。大溪水庫入庫水量主要補給源是流域降水和地表徑流,最大入庫河流為西南部的洙漕河。大溪水庫水質主要受上游來水影響[22],2015—2020年庫內水體中高錳酸鹽指數(CODMn)、總氮(TN)、氨氮(NH3—N)、總磷(TP)濃度均值分別為2.95、0.89、0.09、0.02 mg/L,目前水庫的水質管理目標為全庫Ⅱ類,主要超標因子為TN[23]。因此本文選擇TN作為大溪水庫水環境容量的代表水質因子。

2.2 數據來源

本研究數據資料包括大溪水庫水文、水質及庫容面積曲線,其中,水文數據(水位、流量、降水、蒸發)來源于水文年鑒,為1978—2018年逐日序列數據;水質數據(水溫、TN濃度)來源于大溪水庫水質監測站,包括大溪水庫取水口、庫中、上游3個站點2015—2020年的逐周監測數據,主要用于模型驗證;大氣沉降數據為中田舍流域2014—2020年實測數據,計算均值后代入大氣干濕沉降負荷量方程進行計算。

2.3 容量計算模型與參數取值

2.3.1 容量計算模型 建立能反映所有影響因素的二維分區逐日水量、水質動態平衡模型,對大溪水庫水環境容量影響因素進行定量分析。

分區逐日水量平衡計算公式為:

(1)

分區逐日水質模擬模型計算公式包括公式(2)～(4),其中污染物質量平衡由公式(2)進行計算,入湖徑流污染負荷量由公式(3)進行計算,大氣干濕沉降負荷量由公式(4)進行計算。

(2)

(3)

(4)

對湖庫水量、水質數據采用分區逐日水量平衡計算公式進行長系列計算,并結合分區逐日水質模擬模型進行驗證,針對設計水文條件的代表系列,按水環境容量逐日計算公式(5)進行連續計算。

(5)

2.3.2 混合區劃分 湖庫相較于河網來說水面面積更大,因此具有水體流速、環流形態以及自凈能力時空分布不均勻等特點。若將湖庫視為一個均勻分布的整體,并使用零維模型對水環境容量進行核算,結果通常難以準確反映污染物的實際容許狀態[24],因此常規方法是采用非均勻系數[25]來修正不均勻混合對湖庫水環境容量的影響,然而,將全湖庫作為整體計算得到的水環境容量無法支撐起流域污染總量的分區控制。

為科學反映水環境容量受湖庫水質不均勻混合的影響,將大溪水庫水域劃分為主湖區和湖濱混合區[26],再根據入庫河流的分布和湖庫岸線的特征,將湖濱混合區進一步劃分為5個子區域:洙漕河區、洙漕河東區、大溪東南區、大溪東北區、大溪西區。通過各分區之間的通量交換,可以精確地計算出大溪水庫全湖和混合區各子區域的水環境容量。結合實地考察與模型的調整與計算,確定湖濱混合區占大溪水庫水域總面積的比例為20%;根據陸域集水面積和岸線特征,確定5個混合區子區域的面積比為9∶2∶3∶3∶3。

2.3.3 設計水文條件選擇 根據大溪水庫流域1978—2018年長序列的逐日降水量監測數據,流域多年平均降水量約為1 251 mm,其中2010—2015年的平均降水量約為1 278 mm,與長系列平均值基本一致,可以反映出大溪水庫降水量的多年動態變化特征,故以2010—2015年的逐日動態水文數據作為設計水文條件進行水環境容量計算,具體數據如表1所示。

表1 大溪水庫設計水文條件

2.3.4 綜合降解系數 水體中微生物及水生植物的存在使得氮素在進入湖體后會經過一個沉降自凈的過程,動態容量解析模型中需要率定的與自凈有關的參數為綜合降解系數K,該系數綜合反映了氮素在進入水體后通過反硝化作用等來降低污染物濃度的能力[27],受水溫的影響較大,通常水溫對綜合降解系數的影響可用下式計算:

Kt=k20·α(t-20)

(6)

式中:Kt為水溫為t℃時的綜合降解系數,d-1;k20為水溫為20 ℃時的綜合降解系數,d-1,經率定得出大溪水庫TN的k20為0.007 5 d-1;α為水溫修正系數,取值為1.08。

2.4 模型驗證結果

對大溪水庫選取2010—2018年水量數據開展逐日動態模擬計算驗證水量平衡,庫水位驗證結果見圖1(a);以2015—2018年逐周水質數據為基礎,驗證分區逐日水質模型的準確性,水質驗證結果見圖1(b)。由圖1可見,庫水位的實測值與模擬值變化過程相吻合,決定系數R2達到0.98(圖1(a)),說明構建的分區逐日水量平衡模型能有效反映水庫蓄水量的動態變化過程;TN濃度的實測值與模擬值變化過程基本一致,決定系數R2為0.79(圖1(b)),說明所建分區逐日水質模擬模型能合理反映庫區水質的長系列動態變化,可用于大溪水庫水環境容量的解析。

圖1 模型水量與水質模擬結果驗證

3 影響因素重要性分析方法

湖庫動態水環境容量主要影響因素源于模型中所考慮的各項參數,基于水環境容量逐日動態計算模型開展研究,考慮的綜合因素包括湖庫徑流變化、庫面蒸發、大氣干濕沉降、庫區降水、沉降自凈、水溫波動、不均勻混合、庫容變化和水質目標。為探索各因素對水環境容量的影響,對模型中所考慮的各因素運用控制單一變量的方法進行定量分析。按照輸入狀態可將其分為物理因子、計算參數和水庫管理目標,針對不同的因素采取不同方法進行對比。

3.1 物理因子

(1)入庫徑流量是模型計算的主體,不同來水年型及徑流的年內分配能夠體現徑流量的變化狀態,因此選擇通過比較不同來水年型水環境容量的差異來分析入庫徑流量對水環境容量的影響,并分析年內水量分配的影響。

(2)水溫影響水體中營養鹽的化學反應過程及生物的降解過程,從而間接影響水環境容量。對水溫影響的估算可采用固定的溫度數值作為輸入條件,本研究將固定水溫選為20 ℃,將固定水溫下與水溫波動情況下的水環境容量進行對比,分析水溫波動對容量的影響情況。

(3)大氣干濕沉降是面源污染的一個重要來源,庫面蒸發和庫區降水是水量平衡中的重要影響因子,也是容量計算中的重要輸入條件,但在目前水環境容量計算中這3個因素常被忽視,因此選擇將不考慮對應因素時的環境容量核算結果作為基準情景,對比分析各因素對水環境容量的影響。其中庫區降水對水量平衡的影響極大,且與大氣干濕沉降密切相關,為排除沉降等因素對庫區降水影響的干擾,設置兩組計算方案,如表2所示。

表2 庫面降水討論方案設計

將兩組方案計算結果分別與基準情景進行對照分析,則方案1和方案2各自計算結果與基準情景計算結果偏差值的差值即為庫區降水的影響程度。

3.2 計算參數

在本研究所應用的參數中,可率定的參數為綜合降解系數K和混合區占比,其中綜合降解系數中又包含水溫為20 ℃時的綜合降解系數k20和水溫修正系數α。在設計水文條件下,對參數選用蒙特卡洛方法(Monte Carlo method)進行5 000次均勻抽樣,分析參數變化對水環境容量的影響。

3.3 水庫管理目標

水質目標管理[28]與水量目標管理[29-30]是目前流域水環境管理中常用的兩種模式。研究區水質管理目標結合《常州天目湖保護條例》中相關規定,將TN的水質目標設置為全湖Ⅱ類和主湖區Ⅱ類,對應的TN濃度為0.5 mg/L,其中全湖Ⅱ類為模型設置的基準情景。

水量目標管理依賴于水位調控,受庫區管理范圍征地與移民限制。長期以來大溪水庫設計功能效益無法正常發揮,難以滿足周邊社會、經濟及生態環境的需求,急需提升大溪水庫蓄水量。根據最新批復“大溪水庫汛限水位由12.00 m恢復為除險加固確認的汛限水位14.00 m,非汛期控制水位相應地由13.00 m調整為14.00 m”,在原有研究基礎上將水位抬高2 m,分析新的水量控制目標下大溪水庫的水環境容量變化情況。

4 結果與分析

4.1 基準水環境容量

基于建立的大溪水庫容量計算模型,設置模型基準情景為考慮所有輸入因子及計算參數,水質目標設定為全湖Ⅱ類。按設計水文條件長系列逐日計算后取均值作為多年平均來水條件下大溪水庫TN水環境容量(以下簡稱TN容量)的基準值,結果見表3,其中洙漕河控制單元的TN容量為9.18 t,占全流域的46.53%。

取Lut-SD和Lut-PC-SD，在同一條件下比較體外溶出情況，結果見圖7。Lut-SD在120 min內的溶出速率及累積溶出率均高于Lut-PC-SD，120 min之后Lut-PC和Lut-PC-SD中的Lut均可基本溶出完畢。

表3 多年平均來水條件下大溪水庫流域TN容量基準值 t

基準情景下大溪水庫年內逐月降水量和TN容量如圖2所示。由圖2可知,豐水期、平水期、枯水期的月均TN容量分別為3.72、1.64、0.40 t,月TN容量的最大值在7月份,最小值在1月份,TN容量與流域降水量呈顯著正相關關系,相關系數R2為0.86。

圖2 基準情景下大溪水庫年內逐月降水量和TN容量

4.2 物理因子的影響

(1)入庫徑流量的影響。入庫徑流量呈動態變化狀態,不同來水年型TN容量及入庫徑流量與基準值偏差見表4。由表4可以看出,不同來水年型下TN容量隨入庫徑流量的不同存在明顯差異,豐水年、平水年、枯水年TN容量分別為26.45、19.81、16.27 t,與基準值偏差分別為34.06%、0.41%、-17.54%,入庫徑流量與基準值相比分別偏差38.26%、2.28%、-22.55%。相比較而言,豐水年與枯水年TN容量的偏差小于相應來水年型入庫徑流的偏差,受入庫徑流量的影響較大。

表4 不同來水年型TN容量及入庫徑流量與基準值偏差

不同來水年型條件下大溪水庫年內逐月TN容量與入庫徑流量如圖3所示。

圖3 不同來水年型大溪水庫年內逐月TN容量與徑流量

由圖3可知,入庫徑流量的年內分配狀態與TN容量的變化趨勢基本一致,表現為豐水期徑流量大、TN容量大,枯水期徑流量小、TN容量小。

(2)庫面蒸發的影響。在多年來水條件下對不考慮庫面蒸發影響時的水環境容量進行核算,蒸發量的去除首先會對水量平衡的計算結果產生影響,不考慮蒸發量時庫水位的驗證結果與實際產生了較大偏差,模型模擬水位與實測水位的相關系數R2由0.98降低至0.62。TN容量核算結果為22.88 t,與基準值相比偏大15.97%,其主要原因是不考慮蒸發時庫內蓄水量增大,使水庫內可以容納的污染物總量相應增加。

(3)大氣干濕沉降的影響。若不考慮大氣干濕沉降,多年來水條件下大溪水庫的TN容量為24.64 t,與基準值相比偏大24.89%。由此可見,對于湖庫這類水面面積較大的水域,大氣干濕沉降對其水環境容量的影響不可忽視,否則可能會造成過高的污染負荷流入湖庫內部使其產生大面積的污染,影響水環境整體的平衡性以及水質目標。

(4)水溫波動的影響。若不考慮水溫變化,利用固定數據計算得到的多年來水條件下TN容量為18.54 t,與基準值相比偏小6.03%。

(5)庫區降水的影響。按照表2中的兩種設計方案對庫區降水影響程度進行計算分析。計算結果表明,方案1、方案2的TN容量分別為27.94、22.25 t,比基準值分別增大了41.61%、12.77%。方案1與方案2的偏差值之差為28.84%,即不考慮庫區降水時,大溪水庫TN容量減小了28.84%。

各物理因子與TN容量的線性相關系數如表5所示。

表5 各物理因子與大溪水庫TN容量的線性相關系數

綜合分析各物理因子對應容量核算結果的偏差程度及其與TN容量的線性相關系數R2可知,入庫徑流量與TN容量核算結果的相關性最強,徑流量與設計水文條件下偏差越大,其TN容量的偏差值也越大。基準情景設計水文條件下庫區降水對容量核算結果偏差值的影響最大,其次為大氣干濕沉降,考慮的沉降量越多,TN容量越小;庫面蒸發量對TN容量核算結果偏差值的影響及線性相關系數均較小;在物理因子中固定的水溫對TN容量計算結果的影響最小,且受降解等物理化學反應的影響,水溫波動與TN容量之間并非簡單的線性關系。

4.3 計算參數的影響

(1)綜合降解系數的影響。經率定,大溪水庫流域基準情景中k20為0.007 5 d-1,對k20取值為0～0.015 d-1時利用蒙特卡洛均勻分布進行計算,得出TN容量范圍為14.36～24.26 t,與基準值偏差-27.22%～22.96%,k20取值與TN容量的關系曲線如圖4(a)所示,兩者接近線性相關關系。可見湖庫的自凈能力是影響水環境容量大小的一個重要因素,其取值是否合理將對湖庫水環境管理決策的準確性產生較大影響,如果對湖庫的水溫數據進行逐日監測較為困難,可考慮利用具有代表性的常數進行計算,盡量減小水體沉降自凈帶來的影響。

圖4 各計算參數與TN水環境容量關系曲線

(2)水溫修正系數的影響。以水溫修正系數α=1.08為基準,對溫度系數取值為1.0～1.5進行計算,得出TN容量范圍為18.54～30.01 t,與基準值偏差-6.03%～52.10%。水溫修正系數α取值與TN容量的關系曲線如圖4(b)所示。

(3)混合區面積占比系數的影響。基準情景中混合區面積占比為0.2,利用動態模型對混合區面積占比進行重新計算,在其取值范圍為0.05～0.50時,對應的TN容量范圍為19.07～20.80 t,與基準值偏差-3.35%～5.42%。另外,若考慮取消混合區設置,利用均勻混合模型對TN容量進行核算,則結果為27.54 t,與基準模型相比偏大39.58%。混合區面積占比與TN容量的關系曲線如圖4(c)所示,兩者基本接近線性相關,并且混合區面積占比越大,則TN容量越大。上述結果表明,在計算大面積湖庫的水環境容量時,需要設置污染混合區,以確保流入湖庫的總污染物控制在湖庫的實際污染承載力范圍之內。

因以上3個參數的率定范圍不一致,為統一對比標準,對各計算參數在相應基準值的基礎上分別變化 5%、 10%與 20%,核算TN容量相比基準值的偏差百分比,結果如表6所示。由表6可知,水溫修正系數對TN容量的影響最大,混合區面積占比影響最小。

表6 各計算參數不同幅度變化對應的TN容量相比基準值的偏差百分比 %

4.4 水庫管理目標的影響

大溪水庫流域水質管理目標為主湖區Ⅱ類時,庫區多年平均TN容量為55.91 t,比基準值偏大183.38%。可見水質管理目標直接影響水環境容量的大小,對流域水環境管理具有決定性的作用。根據大溪水庫最新調控方案將庫水位抬高2 m后,計算得出的TN年容量為21.33 t,比基準值偏大8.11%。可見合理調控水位能夠使湖庫水質狀況得到改善,該方法可為湖庫管理部門在制定水環境管理策略上提供新思路。

5 討 論

目前在湖庫水環境容量的計算中,計算模型中所考慮的因素往往不夠全面,針對這一問題,本研究綜合考慮所有影響水環境容量的因素建立了逐日動態模型,并對各因素按照物理因子、計算參數以及水庫管理目標進行分類,針對不同類別的影響因子采取不同對比方式進行定量分析。

在所有因素中,水庫管理目標中的水質管理目標對大溪水庫TN容量核算結果的影響最大,這與李靜等[31]對不同水質目標下居延海(東)水環境容量分析所得結論相吻合。水量目標管理對TN容量核算結果的影響與水質管理目標相比較小,但在湖庫的水位調控與運行管理過程中也要科學合理地進行考量。

物理因子中入庫徑流量的變化是影響湖庫水環境容量的一個重要因素,這與崔嵩等[13]的研究成果一致。徑流量年際、年內的豐枯變化顯著影響著水環境容量的大小,入庫徑流量越大,則水環境容量越大;若不考慮水量的動態變化過程,仍將以年為單位進行靜態核算的結果作為水環境保護工作的依據,對于以面源輸入為主的湖庫型流域的水環境容量計算結果將產生明顯偏差[12]。其他因素中庫面蒸發與庫區降水對水環境容量核算的影響也不容忽視,其實質是通過影響水量平衡過程對最終計算結果產生影響,不考慮庫面蒸發時,湖庫內水量增加,相應的容量也增大;不考慮庫區降水時,湖庫內水量減少,相應的容量也減小。在庫區降水的定量分析過程中,通過兩組方案與基準情景的對比可以看出,庫面蒸發與庫區降水之間存在一種互相抵消的過程,即方案2中同時去除庫面蒸發、大氣沉降和庫區降水的影響時,TN容量與基準值的偏差值較僅去除庫面蒸發和大氣沉降的方案1偏差減小,因此,在降水與蒸發資料缺乏時,可以選擇同時不考慮二者影響,利用二者相抵消的特性來提高計算精度。

模型計算結果進一步驗證了大氣干濕沉降是湖庫非點源污染的重要來源,對水環境容量的影響程度較大,這與宋澤峰等[16]的研究結果一致。湖庫水溫的波動是另一重要因素,固定的溫度輸入條件使TN水環境容量計算結果明顯小于基準情景下的計算結果,這是因為大溪水庫流域的豐水期為每年的6—8月,該時段水溫通常高于設定的固定溫度20 ℃,而較適宜的高水溫有利于水體中污染物的降解自凈[32]。

計算參數中與水溫相關的參數有水溫為20 ℃的綜合降解系數k20與水溫修正系數α,兩個參數與核算結果均為正相關關系,并且水環境容量受水溫修正系數α的影響更大,因此在計算過程中應更加重視該參數的率定工作。混合區面積占比的變化對核算結果的影響較小,但若完全不考慮混合區的作用也是不可取的,因此在計算時需要對混合區占比進行合理劃分。

6 結 論

本文基于構建的水環境容量逐日動態計算模型,量化分析了物理因子、計算參數、水庫管理目標3類影響因素對湖庫TN水環境容量核算值的影響。主要結論如下:

(1)綜合考慮影響湖庫水環境容量的所有因素計算得到的大溪水庫TN年容量基準值為19.73 t,TN容量與流域降水量存在顯著正相關關系,相關系數R2為0.86。

(2)物理因子中入庫徑流量與TN容量核算結果相關性最強,基準情景設計水文條件下庫區降水對TN容量核算結果偏差值的影響最大,其他因素對TN容量的影響也不容忽視。計算參數中水溫修正系數α對容量核算結果的影響最大,綜合降解系數k20次之。水庫管理目標中的水質管理目標對TN容量的影響最大,而且是所有因素中對TN容量影響最大的因子。

(3)本研究明確了各影響因素改變后對水環境容量核算結果的影響程度,可為精確核算水環境容量提供依據,為數據缺乏地區構建水環境容量計算模型時選取關鍵影響因子提供參考,還可為環境管理部門的科學決策提供依據。