黄河流域水量水质综合模拟与评价

【水资源】

黄河流域水量水质综合模拟与评价

牛存稳,贾仰文,王　浩,高　辉

(中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京100044)

摘　要:在分布式水文模型(W EP-L)的基础上,建立了流域水量水质综合模拟模型。提出了基于综合模拟模型的水量水质联合评价方法,并首次从“断面水”和“片水”两方面综合评价流域水资源的数量与质量。结果表明:黄河流域的“片水”水质状况要优于“断面水”水质情况。

关　键　词:W EP-L;分布式水文模型;水质模拟;水量水质联合评价;黄河流域

中图分类号:T V213;T V882.1 文献标识码:A 文章编号:100021379(2007)1120058203

水资源包含水量和水质两个方面,由于二者研究的不同步性,以及相互间存在复杂的作用关系,因此长期以来我国水量水质评价实行的是分离评价模式。随着我国水资源统一管理和分质供水进程的不断被推进,水量水质分离评价模式存在的缺陷越来越明显,已经不能满足流域水资源合理开发、高效利用和有效保护的需求[1,2]。

目前黄河流域水资源短缺和水质恶化问题并存,已成为流域经济和社会发展的重要制约因素。因此,需要从水量和水质两方面通盘考虑黄河流域水资源的合理配置,实施水资源水环境综合管理,以真正实现黄河流域“不但有水用,而且还要有达标水用”的目标。流域水量水质综合模拟与评价是综合管理工作的基础,它将为决策者提供更加科学的决策依据。

1　水量与水质综合模拟方法

笔者构建的流域地表水水量水质综合模拟模型由分布式水文模型、土壤侵蚀子模型和污染物迁移转化子模型3部分耦合而成,其中,由分布式水文模型完成流域水循环过程的分布式模拟,由于土壤侵蚀和泥沙输移以及污染物迁移转化均为流域水循环过程的伴生过程,因此采用土壤侵蚀和泥沙输移子模型、污染物迁移转化子模型与分布式水文模型相互嵌套的方式,实现对流域水循环、土壤侵蚀和泥沙输移以及污染物迁移转化的综合模拟。

1.1　分布式水文模型

流域水循环过程是伴生的水沙过程和水化学过程的基础,而且降雨径流过程是形成非点源污染的直接驱动力,因此流域水循环过程的模拟是整个水量水质评价的基本前提。研究中采用W EP-L(W ater and Energy transfer Pr ocesses in Large river basins)模型[3～5],该模型先后在日本、韩国的多个流域以及中国的黑河流域得到验证和应用。为了克服采用小网格单元带来的计算灾难,以及采用过粗网格单元产生的计算失真问题,采用“子流域内的等高程带”为计算单元,应用GI S技术将黄河流域划分成具有空间拓扑关系的8485个子流域,将各子流域划分成1～10个等高带,黄河流域共划分为38720个等高带,作为水文模拟的计算单元。

1.2　土壤侵蚀和泥沙输移模型

泥沙能吸附或携带其他许多污染物(如氮、磷和重金属

等),因此流域土壤侵蚀和泥沙输移过程的模拟是重要基础。

以月为时间步长,以上述8485个子流域为对象,分29种土地和植被类型,采用美国农业部农业研究所的通用土壤流失方程(US LE)计算土壤侵蚀模数[6,7]:

M S=KR p L S CB(1)式中:M

S

为土壤侵蚀模数;K为土壤可蚀性因子;R

P

为降雨能

量因子;L

S

为坡度坡长因子;B为侵蚀控制措施因子;C为植被覆盖因子。

1.3　污染物迁移转化模型

污染物的迁移转化根据输移过程又可分为点源污染物入河之前的迁移转化、面源污染物在坡面地表径流中的迁移转化和河道中的污染物迁移转化等分项过程。分别构建了各分项过程的水质模型,时间步长为月,模拟对象为8485个子流域及其对应的8485个子河段。

(1)点源污染物入河量。点源污染物入河量由点源污染物产生量乘以入河系数计算。点源污染物产生量估算采用定额法,工业和生活分开计算,工业由万元产值决定,生活由农村和城市人口决定。点源污染物入河系数根据各分区的典型调查估算[8]。

(2)面源污染物入河量。面源污染物分为溶解态和固态。由降水径流产生的溶解态污染物入河量采用下式计算:

L D=0.1C D R T D(2)

式中:L

D

为子流域溶解态污染物入河量;C

D

为溶解态污染物的

浓度;R为子流域地表径流量;T

D

为溶解态污染物沿地表向子河段输移的比例系数。

　收稿日期:2007202228

　基金项目:国家“973”计划项目(G1999043602,2006C B403404)。　作者简介:牛存稳(1979—),男,河南安阳人,博士研究生,主要研究方向为水文水资源。

第29卷第11期 人　民　黄　河 Vol.29,No.11

2007年11月 YE LLOW　R I V ER Nov.,2007

基于侵蚀和泥沙输移模型,固态污染物可用下式计算:

L S =0.001C S M S T S

(3)

式中:L S 为单位面积上的固态污染物入河量;C S 为固态污染物的浓度;T S 为固态污染物沿地表向子河段输移的比例系数。

(3)河道水质模型。以河道水量水质平衡为研究对象,任

何一个子河段都可以概化为图1。其中:Q 0为入境客水量;C 0为入境污染物浓度;R 为当地产水量;C R 为当地产水入河污染物浓度(C R =(L D +L S )/R );W p 为点源排入水量;C p 为点源污

染物浓度;W t 为跨流域调水量(调入为“+”,调出为“-”

);C t 为调水污染物浓度;Q I 为出境水量;C I 为出境污染物浓度;Q U 为人工取耗水量;C U 为取用水污染物浓度;V 01、V 1分别为时段初及时段末子河段蓄水量

。

图1　子河段水量水质平衡示意

子河段水量平衡方程如下:

V 1-V 01=(Q 0+R +W p )-(Q I +Q U +W t )(4)

子河段水质平衡方程(假定河段内污染物均匀混合)如下:

V 1C 1-V 01C 01=(Q 0C 0+RC R I +W p C p +W t C t )-[Q I C I +Q U C U0+k (V 1C 1+V 01C 01)Δt/2]

(5) 上式中输入项包括上游客水输入污染物(Q 0C 0)、天然径流带来的溶解态面源污染物和泥沙输移带来的固态面源污染物(RC R I )、工农业用水排放的点源污染物(W p C p )、跨流域调水量相应的污染物(W t C t );输出或减少项包括下游输出的污染物

(Q 1C 1),人类活动取用水带走的污染物(Q U C U0)以及河道的降

解作用消耗的污染物(kCV Δt )。

综合起来,W EP -L 水质模块的计算框图见图2

。

图2　W EP -L 水质模块计算框图

2　水量水质联合评价框架

水体的流动使得水资源质量在流域上下游不断发生变化,

难以用一个口径来描述。可以采用“断面水”水质与“片水”水质相结合的办法进行评价。“断面水”水质是指某一河道断面的水质。客观地说,下垫面变化和取用水活动改变了流域的水质情况,水质状况与用水水平和用水结构有关。“片水”水质是指子河段的水质(假定污染物在该河段内充分混合),它反映流域面上不同分区水资源的水质状况。

2.1　“片水”水质评价法

以流域干支流主要水质监测站的监测数据为依据,以其与模拟值的误差为指标,进行参数率定,模拟各子流域点、面源污染物入河量、出入境水质状况。在水质模拟的基础上,以各个子流域出口水质代表“片水”水质状况,子流域产水量为“片水”水量状况,按照地表水环境质量标准(G B3838—2002)的不同口径统计,进行水量水质的联合评价。

2.2　“断面水”水质评价法

“片水”评价虽然能反映区域水质水量状况,但对于流域开发利用规划的制定,“断面水”评价更为直接和重要。“断面

水”水质评价主要依据断面水量水质的监测资料,在缺测地区结合水量水质综合模型,时间上按照汛期和非汛期,空间上按照干流和支流分不同水质类别进行统计评价。由于断面的上游地区取用水的水质状况难以获取,因此评价水质需要借助水质水量模型。需要指出的是各断面水量具有不可叠加性,所以各个分区的出口断面水量之和并不等于全流域总量。

3　应用示例

对黄河流域2000年的水量水质进行联合评价。笔者对水质的模拟进行了验证,见图3。

(1)“断面水”评价。选取唐乃亥、贵德、兰州、头道拐、龙

门、三门峡、花园口、高村和利津等9个干流断面进行水量水质的联合统计,结果见表1

。

图3　黄河干流主要控制断面水质模拟和实测对比

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