基于gwrf模型的柳河上游污染物来源解析

基于gwrf模型的柳河上游污染物来源解析

1水体富营养化水资源的缺乏严重制约了中国社会经济的可持续发展，水环境问题是必须解决的环境问题。其中,由过量氮磷输入引起的水体富营养化是其中的重要问题之一,已造成世界范围内的水质恶化。氮磷是水体富营养化的主要控制性营养元素,非点源是氮磷负荷的重要来源2研究区域和数据准备2.1研究领域的总结柳河流域是滦河流域的典型支流,位于河北承德市兴隆县和承德县,流域面积1138km2.2空间输入及率定及验证数据GWLF模型气象输入数据为日降水量及日平均气温;空间输入数据为流域DEM、土地利用及土壤数据。用于率定及验证模型的数据为李营水文站月径流及营养物浓度数据。文中模型数据资料的来源和基本情况见表1。3在研究领域，gwlf模型的应用3.1营养物负荷计算GWLF模型是由美国康奈尔大学研究人员开发的流域污染负荷模型,可模拟月尺度的河道径流量、泥沙及营养物负荷。河道径流的模拟包括地表径流和地下基流,不同土地利用类型的地表径流通过SCS-CN曲线法计算,地下径流通过水量平衡和线性水库法计算。土壤侵蚀量由USLE方程计算,泥沙输移量由侵蚀量与泥沙输移比相乘得到。GWLF模型中,营养物负荷包括溶解态与颗粒态负荷。溶解态负荷包括地表径流、点源及地下水负荷;农村地区颗粒态负荷由月泥沙量与泥沙中营养物浓度相乘得到,来自城镇地区颗粒态污染负荷通过污染物累积与冲刷方程计算。GWLF模型通过分布式结构模拟来自地表径流、侵蚀及城镇冲刷的非点源负荷,通过集总参数及线性水库来进行地下水的模拟。在中国,农村生活及畜禽养殖污染是非点源污染的两个重要污染源。GWLF模型对两种污染源进行了间接的模拟,但算法的构建是基于美国地区的特征。本文对模型的农村生活及畜禽养殖污染模块进行改进,采用输出系数法计算两种污染源负荷。首先,应用统计数据中农村人口及畜禽养殖数据结合输出系数和入河系数计算年负荷,计算公式如下:式中:A研究区内的农村人口及畜禽养殖数量来自承德市统计年鉴,输入系数和入河系数的选取参考了相关文献[9-10]。然后,将计算出的农村生活及畜禽养殖年均负荷根据每月的地表径流及降雨量分配到各个月份中,具体算法参考了May等的研究式中:E3.2模型验证期采用李营水文站实测月径流及总氮负荷数据进行GWLF模型的参数率定与验证。模型率定期为2004-2007年,验证期为2008-2011年,2003年作为模型的预热期以减少初始值设置对模拟值影响。选取均方根误差(RMSE)为目标函数,选取平均相对误差(RE)、纳什系数(NSE)、线性判定系数R式中:y4结果与分析4.1河流直径和总氮负荷的模拟结果月径流深及总氮负荷模拟值与实测值的对比见图1,模拟效果统计见表3。河道径流模拟结果:率定期的RE为-6.7%,R4.2污染源贡献率分析对基于GWLF模型得到的模拟期(2004-2011)总氮年平均负荷进行污染源解析,结果见图3。由图3可知,农村地区径流为最主要污染源,占总负荷的45.6%,其他污染源依次为点源、地下水、农村生活及城镇,贡献率分别为26.9%、22.3%、3.6%和1.6%。从年均负荷的污染解析结果看,非点源污染是柳河流域总氮主要污染源,占总负荷的73.1%,农村径流为主要的非点源污染,在污染控制与削减中应优先考虑。此外,地下水贡献率也达到了22.3%,这可能是因为地下基流是流域内稳定的径流来源,尤其是在降水量很少的非汛期,王东等为分析污染源组成的季节性变化,统计了汛期和非汛期的总氮各污染源比例,结果见图3。由图可知,点源为非汛期的最主要污染源,占非汛期总负荷的58.1%;农村径流为汛期最主要污染源,占汛期总负荷的61.3%。总体上,非点源污染的贡献率,如农村径流、农村生活及城镇,在汛期要高于非汛期,而点源污染在非汛期的贡献率远高于汛期。流域降水年内非配不均,产生非点源污染的降雨径流事件主要集中在汛期,造成汛期的非点源污染比例很高;非汛期降水少,河道径流主要是由地下径流补充,此时期点源污染为最主要污染源,同时地下水负荷在非汛期的贡献率要高于汛期。总氮的污染源贡献率体现出明显季节性差异,污染负荷削减和优先控制措施选取应考虑汛期与非汛期的差异。例如,非汛期应该优先控制点源污染,汛期应该优先控制非点源污染,尤其是农村径流的贡献。在制定负荷削减方案时,应汛期与非汛期分别进行,考虑氮污染源的季节性差异。5污染源解析结果污染源的定量解析,识别各个污染源的贡献程度,是污染物削减的重要依据,也是切实有效地控制河流污染的重要手段。本文选取了GWLF模型,对其农村生活与畜禽养殖模块进行了改进,模拟了柳河流域的月尺度河道径流与总氮负荷。基于模型模拟结果对流域总氮负荷进行了污染源解析,并分析其季节性差异。总体上,模型对月径流与总氮负荷模拟效果较好,但某些汛期峰值月份模拟值偏低。年均负荷的污染解析结果表明:非点源污染是柳河流域总氮主要污染源,占总负荷的73.1%,农村径流为主要的非点源污染,在污染控制与负荷削减中应优先考虑。污染源组成表现出明显的季节性差异,总体上,非点