楊 杰

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流域水環(huán)境污染模型及其應(yīng)用研究綜述

楊 杰

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目前，中國(guó)的流域水環(huán)境整體狀況已進(jìn)入大范圍生態(tài)退化和復(fù)合性環(huán)境污染的新階段，污染負(fù)荷不斷增加、污染治理進(jìn)展艱難，水污染加劇的態(tài)勢(shì)未能得到有效遏制，水環(huán)境質(zhì)量隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展而下降乃至突變的潛在危險(xiǎn)依然存在，水資源與水環(huán)境質(zhì)量仍然是制約與脅迫我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大瓶頸。因此，急需研究流域水環(huán)境系統(tǒng)分析模擬技術(shù)，特別是涉及社會(huì)、環(huán)境、生態(tài)等諸多因素的模型系統(tǒng)。基于此本文分析了流域水環(huán)境污染模型及其應(yīng)用。

流域水環(huán)境；污染模型；應(yīng)用

1 、研究意義

從流域尺度出發(fā)，系統(tǒng)認(rèn)識(shí)流域水環(huán)境系統(tǒng)特征，研究各種污染形成機(jī)制，遵循流域水資源和水環(huán)境聯(lián)合協(xié)調(diào)管理的理念，才能有效地抑制水污染惡化的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)流域水污染問(wèn)題的根本解決。

流域水體污染演化過(guò)程的研究是當(dāng)前水環(huán)境保護(hù)措施的重要依據(jù)。流域水污染過(guò)程涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)、污染排放、氣候及水資源循環(huán)系統(tǒng)變化等諸多因素，其演化機(jī)理極為復(fù)雜。成熟的流域水環(huán)境模型可以描述流域范圍內(nèi)污染物隨時(shí)間和空間遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律，對(duì)其影響因素進(jìn)行研究，還可以在科學(xué)的參數(shù)率定基礎(chǔ)上，對(duì)水環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。流域水環(huán)境模型可用于水環(huán)境模擬和評(píng)價(jià)，進(jìn)行水質(zhì)預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)，輔助制定污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、水質(zhì)規(guī)劃以及輔助進(jìn)行水域的水質(zhì)管理等，是流域水環(huán)境規(guī)劃、管理、研究的重要工具。因此，急需研究流域水環(huán)境系統(tǒng)分析模擬技術(shù)。

2 、流域水環(huán)境污染模型及其應(yīng)用

2.1 污染負(fù)荷模型

2.1.1 GWLF(GeneralizedWatershedLoadingFunc-tions)

GWLF模型是由賓夕法尼亞州立大學(xué)的Haith和Shoemaker共同開(kāi)發(fā)的半分布式、半經(jīng)驗(yàn)式的流域負(fù)荷模型，主要以月步長(zhǎng)的形式模擬流域內(nèi)不同土地利用類(lèi)型產(chǎn)生的徑流量、土壤侵蝕量和氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷。模型將整個(gè)流域視為一個(gè)單一的單元，并不對(duì)流域進(jìn)行空間劃分，僅對(duì)所有土地利用地區(qū)的負(fù)荷量進(jìn)行簡(jiǎn)單加和.GWLF模型采用SCS曲線方程對(duì)地表徑流進(jìn)行計(jì)算模擬.利用改進(jìn)的USLE方程計(jì)算進(jìn)入水體中的土壤侵蝕產(chǎn)生量.對(duì)于污染負(fù)荷模擬，GWLF模型將進(jìn)入水體的污染物按形態(tài)分為溶解態(tài)污染物和顆粒態(tài)污染物.溶解態(tài)污染負(fù)荷來(lái)源包括點(diǎn)源、農(nóng)村徑流和地下水;顆粒態(tài)污染負(fù)荷來(lái)源包括農(nóng)村徑流和城市徑流.GWLF采用負(fù)荷方程將溶解態(tài)和顆粒態(tài)污染物與流量聯(lián)系起來(lái)。

GWLF模型能夠利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)和遙感技術(shù)(RS)提供的空間數(shù)據(jù)，在中等尺度流域的范圍內(nèi)進(jìn)行非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算.GWLF對(duì)數(shù)據(jù)的要求比較低，只需要土地利用信息、土地覆蓋、土壤、徑流參數(shù)、土壤侵蝕和營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷等。其相對(duì)SWAT等大型分布式流域模型具有空間數(shù)據(jù)要求少、參數(shù)量少、模擬過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，且模型不需要校準(zhǔn)，盡管水文校準(zhǔn)已證明對(duì)具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)非常有用。

2.1.2 PLOAD

PLOAD模型是由美國(guó)CH2MHILL水資源工程小組開(kāi)發(fā)的基于GIS的流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型，主要在年尺度上分析流域非點(diǎn)源的負(fù)荷量情況[9].PLOAD模型所需的數(shù)據(jù)分為GIS數(shù)據(jù)(包括流域邊界數(shù)據(jù)和土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù))和表格形式的數(shù)據(jù)，輸入的數(shù)據(jù)以文件的形式傳遞給模型進(jìn)行計(jì)算.PLOAD能夠計(jì)算各種污染物的負(fù)荷，包括總懸浮物(TSS)、溶解性總固體(TDS)、化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、氮和磷等，計(jì)算負(fù)荷量時(shí)以不同土地利用類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。PLOAD模型具有眾多優(yōu)點(diǎn)使其在許多區(qū)域得到廣泛應(yīng)用。該模型計(jì)算方法簡(jiǎn)單、易于理解、操作簡(jiǎn)便，而且計(jì)算結(jié)果可視化效果好。

2.2 流域水環(huán)境污染物歸趨模型

流域水環(huán)境污染物歸趨模型主要分為穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模型，本文主要分析動(dòng)態(tài)水流水質(zhì)模型：

當(dāng)水流為非恒定流動(dòng)，不管輸入是否隨時(shí)間而變，系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)量將隨時(shí)間而變，這種模型叫動(dòng)態(tài)模型。WASP模型是美國(guó)EPA推薦使用的水質(zhì)模型，適于對(duì)河流、湖泊、河口、水庫(kù)及海岸的水質(zhì)進(jìn)行模擬，對(duì)在不同環(huán)境污染決策系統(tǒng)中的常規(guī)污染物和有毒污染物造成的各種水質(zhì)狀況進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。WASP7.3的基本方程是基于質(zhì)量守恒基本原則建立的，其水質(zhì)模塊的基本方程是一個(gè)平移、擴(kuò)散質(zhì)量遷移方程，對(duì)于任一無(wú)限小的水體，水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量平衡式為。

式中，ux、uy、uz分別為x、y、z坐標(biāo)的流速，m/s；Ex、Ey、Ez為三維擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；SL為點(diǎn)源或非點(diǎn)源負(fù)荷，正為源，負(fù)為流失，g/(m3·d)；SB為邊界負(fù)荷，包括上游、下游、底泥以及大氣沉降，g/(m3·d)。

最新建立模型WASP的使用包括以下4個(gè)步驟：1)河網(wǎng)模型概化；2)水動(dòng)力研究、質(zhì)量傳輸研究、水質(zhì)轉(zhuǎn)化研究和環(huán)境毒理學(xué)研究；3)研究水流和底質(zhì)中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化；4)研究污染物的影響。水質(zhì)模型的研究經(jīng)歷了3個(gè)階段。第一階段地表水水質(zhì)模型研究對(duì)象僅是水體水質(zhì)本身，主要是簡(jiǎn)單的氧平衡模型和涉及一些非耗氧類(lèi)物質(zhì)，屬于一維穩(wěn)態(tài)模型。第二階段研究了多維模擬、形態(tài)模擬、多介質(zhì)模擬及動(dòng)態(tài)模擬等特征模型，其主要特點(diǎn)是將河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型、湖泊水動(dòng)力水質(zhì)模型及底泥作用模型納入水質(zhì)模擬模型中，典型模型有一維動(dòng)態(tài)模型LAKECO、WRMMS，動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型WASP 等。第三階段水質(zhì)模型研究不斷深化、完善并廣泛應(yīng)用[26]。地表水水質(zhì)模型依據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式和輸入條件隨時(shí)間的變化情況分類(lèi)，不變的為穩(wěn)態(tài)模型，變化的為動(dòng)態(tài)模型。WASP水質(zhì)模型具有3個(gè)方面的作用：描述水質(zhì)現(xiàn)狀，提供一般性水質(zhì)預(yù)測(cè)和提供特定位置水質(zhì)預(yù)測(cè)。將WASP模型應(yīng)用于曲江池的水質(zhì)模擬取得了較滿意的結(jié)果，NH3-N、NO3-N、DO模擬值與實(shí)測(cè)值的平均誤差在可接受范圍內(nèi)，表明WASP模型滿足水質(zhì)模擬的要求。結(jié)合城市人工景觀水體的水污染狀況，基于WASP模型建立了城市人工景觀水體富營(yíng)養(yǎng)模型，并對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證。結(jié)果表明該模型對(duì)景觀水體的水質(zhì)變化模擬具有較好的適用性，可以為水系的優(yōu)化管理和遠(yuǎn)期規(guī)劃提供切實(shí)有效的理論支持。

總之，綜合應(yīng)用流域水環(huán)境模型技術(shù)，基于環(huán)境數(shù)理與計(jì)算機(jī)模擬定量描述流域系統(tǒng)及內(nèi)部污染發(fā)生、傳輸及轉(zhuǎn)化過(guò)程，已成為國(guó)際上常用的有效解析污染源與管理決策支持工具，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究非常有必要。

[1]曹慧群，趙鑫.流域水環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用及研究展望[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2015，06：20-24+31.

[2]楊寅群.流域水環(huán)境系統(tǒng)模型研究及其應(yīng)用[D].武漢大學(xué)，2012.

[3]魏萊.流域水環(huán)境信息管理系統(tǒng)的研究[D].西南交通大學(xué)，2015.