基于流溪河模型的柵格式流域非點(diǎn)源污染模型.pdf

1、長期以來,居民生活污水和工業(yè)廢水等點(diǎn)污染源一直被認(rèn)為是世界性水污染的主要來源,如何應(yīng)對點(diǎn)源污染也一直是水質(zhì)管理中的主要課題。隨著水處理(包括物理處理、化學(xué)處理和生化處理)技術(shù)以及水質(zhì)模型等水污染評估和治理方法的不斷發(fā)展和大量應(yīng)用,點(diǎn)源污染已經(jīng)得到了較為有效的控制。然而,對于非點(diǎn)源污染,這一廣泛存在于農(nóng)村地區(qū)并以地表徑流作為主要擴(kuò)散途徑的污染形式,卻缺乏足夠的重視,而非點(diǎn)源污染問題已經(jīng)越來越普遍,尤其是會給受納水體帶來嚴(yán)重的富營養(yǎng)化威脅,

2、所以對非點(diǎn)源污染的治理顯得越來越緊迫。
　　 對于非點(diǎn)源污染的研究,國內(nèi)外普遍的做法是建立非點(diǎn)源污染模型來模擬非點(diǎn)污染源所產(chǎn)生的污染物在空間上和時間上的隨流輸移過程以及對地表和地下水體水質(zhì)的影響,按照模型的復(fù)雜程度可以分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型。其中,機(jī)理模型(如ANSWERS、AGNPS、SWAT等)是從物理過程的角度評估非點(diǎn)源污染,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,得到了很廣泛的應(yīng)用。此外,作為一種對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、分析和顯示的平臺,地理

3、信息系統(tǒng)(GIS)已經(jīng)成為非點(diǎn)源污染模型領(lǐng)域中不可或缺的技術(shù)手段。
　　 然而,現(xiàn)有的非點(diǎn)源污染模型在污染物產(chǎn)生能力評估、模型機(jī)理、參數(shù)形式、空間表達(dá)方式以及不確定性等方面仍有很多亟待研究的空間。本研究主要針對三個問題:首先,目前大多數(shù)的非點(diǎn)源污染評估案例是以流域或子流域為模擬單元的,這樣的空間劃分方式難以與柵格GIS數(shù)據(jù)(如DEM)和分布式水文模型實現(xiàn)緊密的耦合；其次,現(xiàn)有的非點(diǎn)源污染模型將非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生量當(dāng)作模型的一個初

4、始量,并不具備獨(dú)立的非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生估算功能,也沒有考慮到降雨徑流對污染物產(chǎn)生的影響；第三,現(xiàn)有的非點(diǎn)源污染模型在模型結(jié)構(gòu)上存在不一致性,雖然很多模型在降雨徑流計算環(huán)節(jié)采用分布式水文模型,但在土壤侵蝕評估和污染物遷移模擬中使用的是經(jīng)驗法:最后,模型的模擬結(jié)果是各類非點(diǎn)源污染物的含量或濃度,對于非水質(zhì)領(lǐng)域人員理解起來比較抽象,所以有必要將模擬結(jié)果進(jìn)行分級分類,用更簡單和和易于理解的方式來表述,以支持相關(guān)的水質(zhì)決策。
　　 因此,本

5、研究提出并建立了一個基于流溪河模型的柵格式流域非點(diǎn)源污染模型--GNSPM,模型分為降雨徑流計算、非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生估算、土壤侵蝕評估和污染物遷移模擬四個功能模塊。其中,在降雨徑流計算中,模型采用流溪河物理水文模型的設(shè)計原理,該模型由中山大學(xué)自然災(zāi)害研究中心陳洋波教授等人提出,具有完全分布式、可操作性強(qiáng)、結(jié)算精度高、計算速度快等優(yōu)點(diǎn),并已經(jīng)在多個流域取得了良好的使用效果。基于流溪河模型的原理及其降雨徑流計算所得的結(jié)果,模型對非點(diǎn)源污染物產(chǎn)

6、生、土壤侵蝕以及污染物遷移等狀況進(jìn)行了預(yù)測。在非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生估算中,模型采用事件平均濃度法(EMC)；在土壤侵蝕量評估中,模型在WEPP模型坡面版原理的基礎(chǔ)上,對傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)泥沙連續(xù)方程進(jìn)行了修改,提出了一種適用于柵格數(shù)據(jù)的土壤侵蝕評估方法；在污染物遷移模擬中,模型根據(jù)SWAT模型的養(yǎng)分模塊,考慮了其在網(wǎng)格環(huán)境下的方程轉(zhuǎn)化,模擬了含有氮和磷的營養(yǎng)類污染物的遷移。與現(xiàn)有的非點(diǎn)源污染模型相比,GNSPM模型具有網(wǎng)格化處理、考慮了非點(diǎn)源污染物

7、產(chǎn)生能力和完全分布式等優(yōu)點(diǎn)。此外,本研究開發(fā)了一個基于GIS平臺的流溪河流域非點(diǎn)源污染管理系統(tǒng),并且根據(jù)多準(zhǔn)則決策分析、水質(zhì)指標(biāo)分類和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)等理論,建立了一個非點(diǎn)源污染物負(fù)荷指標(biāo)--NSPLI,用來描述徑流水中非點(diǎn)源污染物的負(fù)荷狀況和級別。
　　 在實驗環(huán)節(jié),本研究選取廣州市流溪河流域為研究區(qū)域,流域中的流溪河水庫是廣州市的重要水源地,流域內(nèi)分布著大量的森林、草場、農(nóng)田等非點(diǎn)污染源,非點(diǎn)源污染占有很大的比重。以往關(guān)于該

8、流域水污染問題的研究,或者缺乏對非點(diǎn)源污染的考量,或者考慮了卻沒有進(jìn)行機(jī)理性的模擬和計算,所以本研究具有一定的現(xiàn)實意義。最后,本研究在驗證了流溪河模型原理及其率定的水文參數(shù)在GNSPM模型中對降雨徑流計算的合理性的基礎(chǔ)上,對流域的非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生、土壤侵蝕、污染物遷移以及泥沙和污染物的入河入庫量等狀況進(jìn)行了預(yù)測,雖然由于難以獲得實測的非點(diǎn)源污染相關(guān)的資料而使得在結(jié)果驗證上存在很大困難,但卻可以比較性地得出坡面單元間非點(diǎn)源污染物負(fù)荷程度的

9、差異,尋找存在較重非點(diǎn)源污染物負(fù)荷危險的單元,以支持相關(guān)的水質(zhì)決策。
　　 本研究也是筆者的博士學(xué)位論文(GIS-based decision-making process for water qualitymanagement using water quality index)的繼續(xù)和深入,該論文在對河流水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上,提出了一個新的水質(zhì)指標(biāo)分類方法--QWQLI。然而,該論文側(cè)重于水質(zhì)指標(biāo)分類和基于GIS的決策分

10、析,對點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染物的入河量評估中使用的是每日最大負(fù)荷量(TMDL)法,該方法對點(diǎn)污染源比較有效,而對非點(diǎn)污染源就只能根據(jù)多年的實測值給出經(jīng)驗的污染物輸出能力(Export Coefficient)。顯然地,這是一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ?結(jié)構(gòu)簡單,沒有考慮到降雨徑流的影響,求得的結(jié)果往往與真實情況有所偏差,而且不具備普適性,對于不同的研究區(qū)域需要重新建立模型。
　　 綜上所述,本研究以非點(diǎn)源污染評估的必要性和現(xiàn)有的非點(diǎn)源污染模型在空間表