基于wrf模型的流域非点源污染模拟研究基于WRF模型的澎溪河流域非点源污染预测

基于wrf模型的流域非点源污染模拟研究基于WRF模型的澎溪河流域非点源污染预测

流域非点源污染过程受到自然和人类活动的许多影响。三峡库区流域特殊的降水、地形地貌和土地利用的空间异质性和复杂性加剧了流域水文和水质过程的不确定性，流域非点源污染问题突出。本文以三峡库区典型支流澎溪河为研究区域，基于WRF模型，构建了能反映流域3km×3km精细格点降水的流域非点源污染模拟预测模型，能精准模拟流域非点源过程，准确反映局部空间单元上非点源污染的异质性，可为保障水资源科学管控和水环境精细化治理提供参考。1．反应范围及下游干流澎溪河位于北纬30°50′～31°42′，东经107°56′～108°54′，是三峡库区上游北岸的一级支流，干流全长约182km，面积5172.5km2模型建设2.1方向和方位模型WRF模型是完全可压缩的非静力中尺度模型，模型水平方向采用Arakawa-C网格，垂直方向采用地形跟随坐标系，采用Runge-Kutta时间积分方案求解非静力欧拉方程，在中尺度天气模拟预报方面表现出突出的优势2.2流域径流和非点源污染模拟SWAT模型是基于过程的分布式水文模型，通过将流域划分为子流域（SUB）和水文相应单元（HRU）模拟预测复杂流域的水文过程和产流产污规律本文分别将气象站降水和WRF模型输出降水作为SWAT模型的输入，采用单向耦合方式将WRF模型内层嵌套3km×3km的细网格降水过程通过数据处理和尺度转换输入SWAT模型进行流域径流和非点源污染模拟。本文输入SWAT模型的污染源包括点源和附加非点源，其中点源主要包括工业点源和城镇污水处理厂，非点源主要包括农村生活污水、畜禽养殖和农业化肥等。2.3模型效果验证本文采用Pearson相关系数（选取澎溪河流域周围6个气象站点2009—2012年逐日连续降水观测数据对WRF模型降水模拟效果进行评价。如表1所示，日尺度降水模拟的相关系数在0.27~0.44，均方根误差在7.43~12.83；月尺度相关系数在0.58~0.89，均方根误差在65.76~175.39。模拟效果与现有研究结果接近采用澎溪河流域温泉水文站的逐日径流监测数据对SWAT模型径流过程模拟效果进行评价，以2011年为模型率定期，2012年为验证期，模拟效果如表2和图3所示。采用WRF模型输出降水的径流模拟精度均高于采用气象站降水，模型验证期径流模拟精度提高了27%，径流模拟结果满足模型模拟精度要求，可用于模拟澎溪河流域径流过程。采用澎溪河流域水东坝监测断面逐月水质监测数据对SWAT模型水质模拟效果进行评价，以2011年为模型率定期，2012年为验证期，模拟效果如表2和图4所示。采用WRF模型输出降水的水质模拟精度均高于采用气象站降水，模型验证期总磷模拟精度提高了31%，总氮模拟精度提高了36%，水质模拟结果满足模型模拟精度要求，可用于澎溪河流域非点源污染研究。3结果与分析3.1降水时空分布WRF模型模拟降水和气象站降水过程如图5和图6所示。WRF模型模拟降水与气象站降水峰值对应较好，流域内60%~80%的降水集中在6—9月，降水峰值多出现在7—8月，降水较少的月份出现在11月至次年3月，呈现出明显的丰枯月差异。WRF模拟日降水最大值为141.4mm，气象站日降水最大值为122.6mm；WRF模拟月均降水量在120mm左右，月降水最大值为585.7mm；气象站月均降水量在95mm左右，月降水最大值为340.9mm。WRF模拟的2011年3月、6月、9月和12月降水空间分布如图7所示，降水呈精细格点状分布，空间异质性明显，四个典型月降水量均呈现出从东北向西南递减趋势，降水较高的区域主要分布在流域东北部和南部边缘等区域，这些区域多为海拔较高的林地和草地，对水汽具有阻挡抬升作用，容易形成降水3月最大降水量为209mm，各区域最大降水量顺序依次为：东河>桃溪河-南河>普里河-澎溪河干流；6月最大降水量为699mm，各区域最大降水量顺序依次为：东河>普里河-澎溪河干流>桃溪河-南河；9月最大降水量为553mm，各区域最大降水量顺序依次为：东河>普里河-澎溪河干流>桃溪河-南河；12月最大降水量为82mm，各区域最大降水量顺序依次为：普里河-澎溪河干流>东河>桃溪河-南河。3月、6月、9月和12月平均降水量最大分别为92mm、268mm、272mm和43mm，均集中在东河，各区域平均降水量顺序依次为：东河>桃溪河-南河>普里河-澎溪河干流。3.2流域分布特征采用WRF模型输出的降水数据作为非点源模型输入条件，模拟的澎溪河流域2010—2012年径流量分别为54.04亿m基于WRF模型输出降水模拟的澎溪河流域地表径流深空间分布如图8所示，整体上呈现东北部高于东南部高于中部的规律。2010—2012年，澎溪河流域径流深总体呈现出逐年递减的趋势，平均径流深依次为1617mm、1270mm和1021mm，平均径流深最大的区域均集中在东河，各区域平均径流深顺序依次为：东河>桃溪河-南河>普里河-澎溪河干流。径流深大于1200mm的子流域单元集中分布在东河东北部，径流深小于500mm的子流域单元多集中在普里河北岸以及澎溪河干流附近。流域东北部地势高，对水汽具有阻挡抬升作用，易形成降水，增加了流域产流量；流域南部植被覆盖度较高，水源涵养能力较强，产流相对其他区域较小。3.3总氮负荷时空分布采用WRF模型输出的降水数据作为非点源模型输入条件，模拟的澎溪河流域2010—2012年总磷负荷分别为1402.50t/a、1140.06t/a和911.50t/a总氮负荷量分别为14503.39t/a、11487.39t/a和9288.37t/a，呈下降趋势，与径流变化趋势吻合度较高。WRF降水模拟总磷负荷范围为911.50~1402.50t/a，均值为1151.35t/a；总氮负荷范围为9288.37~1450339t/a，均值为11759.72t/a。高银超等基于WRF模型输出降水模拟的澎溪河流域氮磷负荷空间分布如图9和图10所示。总氮、总磷负荷空间分布总体呈现出“局部集中，靠近水体”的特点单位面积总磷负荷高于10kg/hm4流域非点源污染预测模型验证a.本文构建的WRF模型模拟的降水呈精细格点状分布，对日尺度降水模拟的相关系数最大可达到0.44，均方根误差在7.43~12.83；月尺度相关系数最大可达到0.89，均方根误差在65.76~175.39，模拟效果较为可靠。b.基于WRF模型，构建了能反映流域3km×3km精细格点降水的流域非点源污染预测模型。与澎溪河流域6个气象站点2009—2012年观测降水资料相比，基于WRF降水数据的径流模拟精度提升了27%，总磷