基于流域管理的总磷污染动态模拟模型

基于流域管理的总磷污染动态模拟模型论文名称：基于于流域管理的的总磷污染动动态模拟模型型作者：曾思思育，杜鹏飞飞，冉圣宏，傅傅国伟摘要：：为了定量分分析不同磷来来源对目标水水体水质的影影响，提高流流域总磷污染染控制管理决决策水平，通通过分析流域域中磷的产生生途径（包括括点源和面源源）及其在河河流、土壤中中的迁移转化化规律，建立立起总磷污染染控制动态模模拟模型，并并讨论了模型型的基本假设设、各个子模模型的结构和和关系、计算算机理等。最最后，以我国国北方某大型型水库及其所所属流域为例例，利用率定定后的模型进进行模拟计算算，描述了进进入水库的总总磷随时间的的动态变化趋趋势。结果表表明，该模型型可以为流域域总磷污染控控制提供科学学的决策参考考。关键字：流流域模型径流模型面源污染磷迁移水体中磷的的输入是造成成水体（尤其其是湖泊、水水库）富营养养化的主要原原因之一，而而其浓度高低低又是判断富富营养化程度度的因子之一一[1]。面对对水体富营养养化问题，越越来越多的专专家学者把防防治措施定位位在流域级别别的管理上。而而流域管理在在实施中，为为了量化不同同磷来源对目目标水体水质质的影响，有有必要考查流流域内面污染染源的贡献、点点污染源的排排放、以及磷磷在流域河流流中的迁移转转化过程等。由由于以上各过过程（包括生生化过程）都都是呈季节性性变化的，因因此，相应的的流域总磷模模型如果能进进行动态模拟拟是最为理想想的。本文所所讨论的模型型特点就是，既既可以集成以以上过程，动动态模拟流域域内总磷的迁迁移转化过程程，又能够区区分不同污染染来源和过程程的贡献，以以便制订目标标明确、重点点突出的磷污污染控制和管管理政策和措措施。1．模型的基本本假设以往有关磷磷排放系数的的研究成果表表明，流域汇汇水区内磷的的年度产生量量与畜禽养殖殖量和土地利利用情况是直直接相关的[[2]；另一一方面，相应应的一些回归归分析则表明明，流域内磷磷的动态输出出量（进入水水体的负荷量量）可近似认认为是流域径径流量的函数数[3]。以上上结论就是本本文中所讨论论的磷模型的的基本假设。根根据此假设，在在年度磷产生生总量和径流流量之间的关关系基础上，可可以把一年内内磷的总产生生量随时间变变化进行动态态分解。一旦旦磷进入河流流（湖泊）系系统，其迁移移过程和反应应过程则可以以用串联的箱箱式混合模型型来模拟。2．模型结构与与各个子模型型的计算机理理2.1模型空空间概化将整个流域域划分为若干干个子流域，每每个子流域对对应一条河流流（或者是干干流的一个河河段，也可以以是支流，并并且允许河流流上有湖泊水水库）的汇流流区，然后根根据干流和支支流的相互关关系建立起子子流域的上下下游关系。在在计算中，每每一个河段按按长度等分为为上、下两个个串联起来的的完全混合的的箱子，称为为第一个箱子子和第二个箱箱子，并认为为两个箱子的的停留时间是是一样的。22.2面源和点源源污染物输入入针对每每个子流域，分分别计算来自自点污染源和和面污染源的的磷负荷。点点污染源主要要是城镇生活活污水和工业业污水排放。缺缺少数据时，可可利用人口当当量或人均负负荷来简单推推算生活污水水中的磷负荷荷，例如未经经处理的生活活污水中一般般总磷浓度为为4～15mg//L，平均的人人均负荷可取取4.5g/人/d。对于面污污染源，磷的的年度排放总总量可以采用用典型排放系系数(ExpoortCooefficcient))和农业调查查数据（包括括畜禽养殖数数据和土地利利用情况）来来估算。一般般情况下，根根据产生总磷磷的面污染源源的不同类型型，参见表1，结合各地地的特点，通通过调查、小小区实验或者者参考类似地地区的排放系系数，分别获获得不同污染染源的磷排放放系数。表1中PL为土地磷排排放系数，PX为畜禽磷排排放系数。每每一类排放系系数根据当前前的数据信息息支持情况还还可以进一步步细化，例如如家禽还可划划分为鸡、鸭鸭等。面污染染源每年产生生的总磷负荷荷ENP((kg/a))可以近似地地用（1）式估算。其其中，Si为对应不同同土地类型的的用地面积（km2），Hi为各种畜禽禽的数量（头头）。表1面污染源源磷排放系数数的主要类型型Tablee1PhoosphorrousEExporttCoefffcienntofDiffuusedPPolluttionSSourcee用地类型PL(kg·kkm-2a--1)养殖类型PX(kg·头头-1a-11)城区用地PL1家禽PX1林地PL2猪PX2草地PL3牛PX3耕地PL4羊PX4菜地PL5马PX5其它PL6其它PX62.3降雨－－径流子模型型该子模模型的功能是是根据降水情情况计算出汇汇水区内的河河流出流量。计计算过程是：：首先根据已已知的每日降降雨量和蒸发发量数据，计计算出有效降降雨量[4]]Uk；Uk的一部分进进入土壤中存存储起来，另另一部分经土土壤后形成出出流量x1；x1被基流系数k划分为两部部分，一部分分是地下水kx1，另一部分分则直接进入入河流体系；；kx1中的一部分x2被看作是地地下水的出流流，即地下水水与河流体系系的交换部分分。河流的入入流量x3的计算则包包括支流输入入、上游输入入、点源污水水排入、河流流取水、地下下水交换等部部分。其中，上上游输入直接接进入第一个个箱子，对于于没有上游输输入的子流域域，第一个箱箱子可以被忽忽略。其它的的输入则进入入第二个箱子子。对于点源源污水排放，由由于季节性变变化不大，可可以采用日平平均值，或用用季节分布系系数给予修正正。河流取水水也从第二个个箱子中取走走，取水量大大小可以根据据季节变化来来调整，尤其其是农业灌溉溉取水量。河河流出流量为为x4，是入流量量的函数。模模型所描述的的水流过程和和总磷运移过过程见图1。模型型所描述的基基本过程相应应的数学公式式如下：其中，x11为土壤出流流量，Uk为有效降雨雨量，T1为土壤停留留时间；x2为地下水出出流量，k为基流系数数，T2为地下水停停留时间；x4为河段出流流量，x3为河段入流流量，T3为河段停留留时间；L为河段长度度，u为河流平均均流速；a、b为与河道形形状和物理特特性相关的经经验系数。22.4总磷迁移转转化子模型对每个子子流域而言，进进入系统的总总磷负荷应该该是以下各项项之和：①上游磷输入入量P(1)；②地下水中的的磷本底负荷荷P(2)；③点污染源排排放的磷P(3)；④来自土壤的的磷负荷P(4)；⑤取水带走的的磷负荷P(5)。除了来自自上游的磷负负荷是进入河河段的第一个个箱子外，其其余输入都直直接进入第二二个箱子。因因取水带走的的磷负荷，也也从第二个箱箱子中减去。来自土壤壤的磷负荷P(4)则由磷释放放因子Pr、总磷的年年产生量E（跟畜禽养养殖和土地利利用直接相关关）、土壤出出流量x1构成的函数数计算而得。P(4)==f(Pr,,E,x1))(3)磷在河流中中的迁移过程程由下式给出出：其中，Piin和Pout分别是进入入和流出子流流域的总磷负负荷；kp是总磷的同同化速率；τ是因扩散和和弥散作用引引起的溶质（此此处为总磷）随随水流迁移的的时间迟滞；；DF则是弥散分分数，计算中中可取经验值值0.3[5]]。3．案例研究以我国北方方某大型水库库及其所属流流域为例，利利用前文所述述模型，对流流域内的总磷磷从产生到进进入目标水体体的全过程进进行实例研究究。水库控制制流域面积5437平方公里，上上游有3条主要支流流汇入。因为为该水库是重重要的饮用水水源地，再加加上近年来水水库水质有富富营养化的趋趋势，为此对对流域范围内内的总磷污染染问题比较敏敏感。因此，利利用模型对来来自面源和点点源的总磷负负荷进行模拟拟计算，并在在此基础上有有针对性地提提出管理措施施，是很有意意义的一项工工作。以其中中一条入库支支流为代表，利利用1997年的数据进进行参数率定定。表2给出了模型型计算过程中中用到的主要要系数和参数数取值范围。利利用1998年数据对该该支流入库口口水质进行模模拟，图2和图3分别给出了了入库口处径径流子模型和和磷迁移子模模型的计算结结果（参数率率定后）与监监测数据的比比较。从图中中可以看出，率率定后的计算算结果与监测测数据能很好好地吻合。但但必须认识到到，由于监测测数据量太少少（见图3），无法充充分反映总磷磷浓度的动态态变化趋势，所所以磷迁移子子模型在应用用中的不确定定性必然会很很高。要提高高该子模型参参数率定和结结果计算的可可靠性，必须须加强入库口口的监测。表2部分系数数、参数取值值范围参数（或系数）名名称取值范围单位猪的磷排放系数数0.025～00.038kg/头/d羊的磷排放系数数0.013～00.026kg/头/d马的磷排放系数数0.09～0..15kg/头/d城区用地磷排放放系数0.02～0..04kg/ha/aa耕地磷排放系数数0.25～0..34kg/ha/aa林地磷排放系数数0.02～0..05kg/ha/aa土壤停留时间1～3d地下水停留时间间10～80d基流系数0.1～1.00-磷释放因子10～30-磷同化系数0.01～0..051/d4．结论本文中建立立起的总磷污污染控制模拟拟模型，是从从流域降雨量量和总磷的源源头产生量入入手，通过径径流子模型和和总磷迁移转转化子模型的的模拟计算，最最终获得进入入目标水体的的总磷动态负负荷输入。由由于模型可以以动态模拟流流域范围内河河流和湖泊中中的总磷浓度度随时间和空空间的变化，在在此基础上，可可以采用情景景分析的方法法对各种假想想的管理措施施的效果进行行模拟，例如如25%的耕地退耕耕还林，改变变种植结构等等；或者比较较不同污染源源对流域总磷磷负荷的贡献献大小，集中中财力物力治治理和控制主主要污染源。这这种在流域尺尺度上建立起起来的水质模模拟模型，可可以为今后的的流域总磷污污染控制和管管理提供科学学依据，起到到辅助决策的的作用。参考文献：[1]ChhapraS.SuurfaceeWateer-QuaalityModelling[[D].MMcGrawwHilllInteernatiional,,19977[2]JJohness,P.J.Evvaluattionaandmaanagemmentooftheeimpaactofflanddusechanggeonthennitroggenanndphoosphorrouslloadddeliveeredttosurrfacewaterrs:thheexpporteefficiientmmodeliingappproacch[J]].J.Hydroology,,19966,1833.[3]XXueY,,DaviidMBB,GenntryLLE.KKinetiicaanndmoddelinggofddissollvedpphosphhoroussexpoortfrromatile--drainnedaggricullturallwateershedd[J]..J.EEnviroonmenttalQuualityy,19998,277,9177[4]JJolleyy,T.J.Laargesscalehydroologiccalmoodelliing-theddeveloopmenttandvaliddationnofiimprovvedlaand-suurfaceeparaametisstionfor