鄂西南三源新安江模型的流域水污染研究

鄂西南三源新安江模型的流域水污染研究

非点源污染与点源污染相对应。也就是说，即使是特定地点的溶解或固体污染物，在降水和地表径流磨损的作用下，通过水流过程流入受体水体（如河流、湖泊、水库、海湾等），导致的水体污染。由于非点源污染是造成湖泊、水库富营养化的重要原因之一,因此,进行湖泊、水库的水质预测和水污染控制规划时,必须估算非点源污染的负荷量,否则将会造成预测和规划脱离实际,实施效果差等严重后果。为了满足水质预测和流域水污染规划的需要,从非点源污染的机理出发,针对研究对象-隔河岩水库的实际流域状况,建立了简便易用的流域非点源模型。1水库内暴雨径流隔河岩水库位于鄂西南山区,流域降水丰沛、气候湿润、植被良好,暴雨径流形成以蓄满产流为主,径流成分主要包括饱和地面径流、壤中径流和地下水径流,适宜用三水源新安江模型分析其暴雨径流过程。隔河岩水库区间集水面积2761km2,占整个水库来水面积的19%,均无水文站控制;隔河岩至高坝洲区间面积为850km2,仅在丹水上设高家堰水文站控制。高家堰水文站控制流域面积334km2,占隔河岩至高坝洲区间面积的39%。因此,流域水文模型研制的任务是:首先选择一些气候条件和下垫面条件与上述无资料区域相似的具有一定数量的水文气象资料的流域,分别率定它们的三水源新安江模型的参数,然后移用于无资料流域,实现这些流域的暴雨径流的模拟计算。1.1模型及计算条件三水源新安江模型的基本结构可以概括为:产流和汇流两阶段,饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流3种水源,分单元面积出流并迭加,还考虑了包气带张力水、重力水和降雨等3种空间不均匀分布。流域的产流部分采用蓄满产流模式。所谓蓄满,是指包气带的土壤含水量达到田间持水量。在土壤湿度未达到田间持水量时不产流,所有的降雨都被土壤吸收,成为张力水;而在土壤湿度满足田间持水量以后,所有的降雨(减去同时期的蒸散发)都产流。一般说来,流域上的土壤湿度分布与蓄水容量分布是不均匀的。三水源新安江模型用蓄水容量来考虑土壤缺水量分布不均匀的问题,把流域内各点的蓄水容量曲线概化成如图1所示的一条抛物曲线。用W’mm表示流域内最大的点蓄水容量,W’m表示流域内某一点的蓄水容量,f表示蓄水能力小于等于W’m值的流域面积,F表示流域面积,B表示抛物线指数,其公式为:fF=1−(1−W’mW’mm)B(1)fF=1-(1-W’mW’mm)B(1)流域平均蓄水容量为:WM=∫0W’mm(1−fF)dW’m=W’mmB+1(2)WΜ=∫0W’mm(1-fF)dW’m=W’mmB+1(2)与流域初始平均蓄水量(W0)相应的纵坐标(A)为:A=W’mm[1−(1−W0Wm)1B+1](3)A=W’mm[1-(1-W0Wm)1B+1](3)产流时,若PE+A<W’mm,则R=PE−WM+W0+WM(1−PE+AW’mm)B+1(4)R=ΡE-WΜ+W0+WΜ(1-ΡE+AW’mm)B+1(4)若PE+A>W’mm时,则R=PE−(WM−W0)(5)R=ΡE-(WΜ-W0)(5)式中:PE=P-E;P为降雨量;E为蒸散发量。作产流计算时,模型的输入为PE,参数包括流域平均蓄水容量WM和抛物线指数B;输出为产流量R及流域时段末平均含水量W。模型的蒸散发采用三层模型,各层蒸散发的计算原则是:上层按蒸散发能力蒸发,上层含水量不够时,剩余蒸散发能力从下层蒸发,下层蒸发与剩余蒸散发能力与下层含水量成正比,与下层蓄水容量成反比。要求计算的下层蒸发量与剩余蒸散发能力之比不小于蒸散发系数C。否则,不足部分由下层含水量补给,当下层水量不够补给时,用深层含水量补。蒸散发计算时,模型的输入是蒸发器实测水面蒸发和流域蒸散发能力的折算系数K,模型参数是上、下、深三层的蓄水容量是WUM,WLM,WDM(WM=WUM+WLM+WDM)和深层蒸散发系数C。输出是上、下、深各层的流域蒸散发量EU,EL,ED(E=EU+EL+ED)。计算中包括三个时变参数,即各层土壤含水量WU,WL,WD(W=WU+WL+WD)。WM,E,W分别表示总的土壤蓄水容量,蒸散发量和土壤含水量。三水源新安江模型采用一个自由水库进行水源划分,自由蓄水库设置两个出口,其出流次数分别为KI和KG。产流量进入自由水库内,通过两个出流系数和溢流的方式把它们分成地面径流(RS),壤中流(RI)和地下径流(RG)。自由蓄水库的结构见图2。求出各单元的出流过程后,根据单元出口及流域出口的距离和河槽的水力学特性,通常用分段马斯京根法(参数XE、KE)把单元的出流量演进至流域出口处,再作线形迭加。1.2干流及控制面积根据清江流域气候及下垫面特点,以及水文气象资料条件,选择招徕河水文站和高家堰水文站作为参证站。招徕河水文站位于泗渡河,控制面积为792km2,干流平均坡度1.25%;高家堰水文站位于丹水,控制面积为334km2,干流平均坡度0.77%。两站及控制面积内均有较长的实测流量、水位和降雨资料系列。水面蒸发在相同气候条件下一般随空间变化不大,高家堰流域采用渔峡口站蒸发资料;招徕河流域采用长阳站资料。根据计算结果,两参证站模型参数的率定精度均达到了部颁标准《水文情报预报标准》的要求。1.3成6个流域根据计算需要,隔河岩水库区间面积需划分成6个子流域。根据各子流域的气候条件和下垫面特征以及参照参证站的模型参数,用水文比拟法给出的各子流域模型参数见表1。2面源污染负荷与流量模数的关系由于面源污染为暴雨径流所携带,故在污染源一定时,暴雨径流中污染物负荷与流量将呈现较密切的关系,但建立此种关系必须具备水量与水质的同步监测资料。隔河岩水库区间面积共有2761km2,要全部设站控制,并进行水量与水质同步监测,不仅要耗费大量人力、物力和财力,而且技术上也难以做到。解决的途径是在区域内选择一些代表性区域,对其实行一定测次的水量与水质同步监测,建立其面源污染物负荷与流量的关系,然后将这些代表性关系推广应用到区域的其它子流域。面源污染物质与流量模数的关系一般具有如下形式:Ea=AqB(6)Ea=AqB(6)式中:Ea为单位面积的污染物负荷(即单位面积污染物流失率),g/s·km2;q为流量模数(即单位面积径流率),m3/s·km2;A、B为经验系数。通过比较分析和可行性论证,拟选择高家堰水文站作为建立该区域面源污染物负荷与流量的关系的代表性流域。为此,对该流域从1999年到2000年实施了一定测次的水量与水质同步监测,据此,得出了该区域有代表性的总氮面源污染负荷与流量的关系如图3:Ea=1.7877q1.1149(7)Ea=1.7877q1.1149(7)由于库区区间的面污染情况与高家堰流域并不完全一样,因此面源污染公式中的系数不能完全照搬。为了解这些系数的分布规律,又设置了天池河、平洛河河口上2个水质监测断面。由于这2个监测断面没有测流,因此采用水文模型计算流量,然后建立总氮面源污染负荷与流量模数间的关系。图4为所建立的天池河子流域总氮污染负荷与流量模数的关系图。图5和图6为天池河和平洛河河口上的验证成果。表2为推算出的各子流域总氮非点源污染公式中各系数一览表。3计算利用建立的