基于HSPF半分布式水文模型的新立城水库流域水环境模拟及预测研究

发布时间：2020-03-26 19:12

【摘要】：随着社会经济的快速发展，人为活动对水环境的影响程度越来越大，当超过水体自净能力时便会造成水环境恶化。中国目前面临三大水问题，即干旱缺水、洪涝灾害和水环境恶化。水环境恶化最直接、最主要的表现是水资源量的短缺和水质的下降。“水质型缺水”已成为制约我国国民经济持续、快速、健康发展的重要因素。水污染不仅破坏生态环境、造成经济损失，影响社会稳定，而且直接影响人们的身体健康。水环境模拟是开展水环境评价、水质预测和预警，制定水环境规划和水污染控制方案的主要技术手段。本文选择新立城水库流域为研究区域，对流域进行水环境现状分析，应用半分布式水文模型HSPF开展流域水环境综合研究，对流域内非点源污染负荷进行量化分析，利用模型手段研究流域最佳管理措施的空间配置问题，利用污染负荷模拟结果计算新立城水库水环境容量，为流域水环境保护和治理提供决策依据。（1）新立城水库流域水环境现状分析，主要包括湖沼学特征分析、水环境质量评价、富营养化评价及水环境问题归因分析。湖沼学特征分析主要包括水质变量关系特性、水质时空变化特征、水力停留时间以及水温分层结构。利用SPSS统计检验方法对水库水质变量进行区域、季节和年的差异显著性分析：透明度（SD）、水温（T）、叶绿素（Chl-a）、粪大肠菌群（FC）、溶解氧（DO）、pH、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）季节变化差异显著（P㩳0.05）；Chl-a、DO、pH、NH3-N、总氮（TN）、TP、高锰酸盐指数（CODMn）年变化差异显著（P㩳0.05）；除SD外，其余水质指标区域变化无显著差异（P＞0.05）。利用Pearson相关系数分析水质变量间相关性：SD与Chl-a（P㩳0.05）、T、FC和pH成负相关（P㩳0.01），与DO成正相关（P㩳0.01）。T与Chl-a、FC和pH成正相关（P㩳0.01），与DO成负相关（P㩳0.01）。Chl-a与FC成正相关（P㩳0.01），与DO成负相关（P㩳0.01）。FC与pH成正相关（P㩳0.01），与DO成负相关（P㩳0.01）。DO与pH成负相关（P㩳0.05）。NH3-N与TN（P㩳0.05）和TP成正相关（P㩳0.01）。主成分分析结果表明：水库水质按成分可解释为生物因子和营养因子两大主要成分，得分排序显示水库水质枯水期好于丰水期。根据新立城水库水流特性，计算其平均水力停留时间为518d。水库水温数据显示，新立城水库无稳定分层结构，只存在变温层，水温随季节变化，影响范围从表层延伸至水底。基于改进内梅罗综合污染指数法水质评价结果表明：新立城水库水质达到Ⅱ或Ⅲ类，水质较好。沿着水库纵轴方向从上游到坝前，水质趋于变好，表征水库具有自净能力。基于综合营养状态指数法的富营养化评价结果表明：综合营养状态指数丰水期高于枯水期，上游河流区相对高于下游湖泊区，水体大多时期处于中营养水平。影响新立城水库水环境状况的主要因素有：降雨径流；水库流域内经济社会发展迅速，市政配套设施不足；水库流域的土地利用格局；水库流域内多源污染与岸线硬化；底泥释放。（2）基于HSPF模型的新立城水库流域水环境研究。通过构建流域空间和属性数据库，建立新立城水库流域HSPF模型，模拟水文、泥沙、水温、水质过程，并对模型进行校准和验证，采用相对误差Re、相关系数R和纳什效率系数Ens对模拟效果进行评价。水文模拟基于PEST自动率定和手动微调，分别对年径流总量、季节径流总量、月径流总量和日径流量进行校准和验证。年径流总量校准期和验证期相对误差都在±10%以内，分别为-0.41%和-9.31%，模拟效果非常好。季节性径流总量校准期冬季和夏季相对误差为-10.86%~18.89%，验证期冬季和夏季相对误差为-19.36%~-5.90%，模拟效果均达到合理以上。月径流总量校准期相关系数为0.984，纳什系数为0.95，验证期相关系数为0.936，纳什系数为0.87，模拟效果均达到好以上。日径流量校准期相关系数为0.932，纳什系数为0.87，验证期相关系数为0.927，纳什系数为0.86，模拟效果为非常好。泥沙模拟校准期相关系数为0.89，纳什系数为0.73，验证期相关系数为0.982，纳什系数为0.80，模拟效果均为好。水温模拟校准期相关系数为0.983，纳什系数为0.96，验证期相关系数为0.919，纳什系数为0.84，模拟效果为好以上。水质模拟结果表明：NH4-N校准期相关系数为0.961，纳什系数为0.85，验证期相关系数为0.877，纳什系数为0.66，模拟效果分别为好和一般；NO3-N校准期相关系数为0.958，纳什系数为0.78，验证期相关系数为0.927，纳什系数为0.82，模拟效果均为好；TN校准期相关系数为0.892，纳什系数为0.61，验证期相关系数为0.865，纳什系数为0.64，模拟效果均一般；TP校准期相关系数为0.979，纳什系数为0.92，验证期相关系数为0.932，纳什系数为0.79，模拟效果达到好以上。总体上，HSPF模型模拟效果良好，满足模拟精度要求。（3）新立城水库流域非点源污染负荷分析与情景模拟。依据已校准和验证的HSPF模型，对新立城水库流域2010~2013年入库非点源污染负荷进行估算，分析非点源污染负荷时空变化特征，探讨土地利用变化对非点源负荷的影响，通过情景模拟研究最佳管理措施的应用与空间配置。在不考虑点源污染负荷的条件下，流域内入库泥沙负荷年平均为26225t，TN负荷年平均为200t，TP负荷年平均为24.39t。非点源负荷与降水时间变化一致，峰值一般出现在丰水期（6~9月），其中泥沙负荷占全年负荷的71%~95%，TN负荷占全年的49%~55%，TP负荷占全年的75%~94%。水系最上游子流域非点源污染负荷最大，是流域非点源污染治理的重点。非点源污染负荷与人类活动密切相关，对非点源污染贡献最大的土地利用类型是农业用地和城镇建设用地。利用BMP模块模拟缓冲带、人工湿地、草沟和生物滞留设施4种最佳管理措施（BMPs）对非点源污染负荷的影响。结果表明：缓冲带对非点源负荷的综合削减效果最好，人工湿地次之，草沟和生物滞留设施对泥沙颗粒的拦截效果较好。HSPF模型以子流域单元作为BMP管理单元，上下游单元可根据土地利用类型特点选择相同或不同的BMP，通过设定BMP应用面积比例来模拟BMP的空间优化配置。（4）新立城水库水环境容量计算。基于HSPF模型以2013年为现状年，预测2020年不同降水频率（丰水年P=20%、平水年P=50%、枯水年P=75%）下TN和TP污染负荷及相应水环境容量。现状年TN和TP入库负荷分别为227.30t和28.74t，相应水环境容量分别为2526.45t和525.33t。2020年20%频率下TN和TP入库负荷分别为268.57t和37.36t，相应水环境容量分别为2210.09t和441.17t。2020年50%频率下TN和TP入库负荷分别为244.65t和21.95t，相应水环境容量分别为2175.89t和459.33t。2020年75%频率下TN和TP入库负荷分别为218.74t和9.29t，相应水环境容量分别为2177.96t和451.81t。现状年与预测水平年的水环境容量呈动态变化，各年污染指标的水环境容量大于同期入库污染负荷。稀释容量小于自净容量，表明自净作用在水库水体净化过程中占优势地位。年内汛期水环境容量大于枯水期。不同污染物综合降解系数取值会影响自净容量大小。新立城水库水环境容量与降水频率、水量过程、污染负荷及污染物综合降解系数等因素有关。提高水环境容量的措施包括生态保护措施、环境管制措施和生态修复措施，可采取多种措施组合方式提高库区水环境容量。综上所述，，本文以新立城水库流域为研究对象，应用半分布式水文模型HSPF开展流域水环境综合研究，首次系统模拟了新立城水库流域内水文、泥沙、水温、水质过程，经模型校准和验证，模拟效果良好。首次应用HSPF软件包BMP模块用于模拟新立城水库流域最佳管理措施研究，通过情景模拟探讨了BMP空间优化配置。首次将HSPF污染负荷模拟结果用于新立城水库水环境容量计算。本研究为HSPF模型在我国流域模拟与管理研究方面的推广应用提供实例借鉴。
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新立城水库

图 3.5 新立城水库流域 DEM 图Fig. 3.5 The DEM of Xinlicheng Reservoir Watershed流域水系过 DEM 数据可以提取新立城水库流域地表形态信息，包括流域、坡度、坡面面积、水系网、河道长度和坡度以及河网密度等。信息提取之前，需要对 DEM 进行预处理，DEM 预处理是为了将和小平地改造成斜坡，即 DEM 数据反映的地形特征由斜坡构成填洼。填洼的目的是使水流能够根据地表漫流模型流出流域边界信息提取的后续步骤能够正确进行。根据单向流法中 D8 方法得集水面积矩阵可以生成需要的水系，在水系产生的基础上可以将流域划分。上述步骤可利用 ArcGIS 工具箱中水文分析工具完成 3.6。新立城水库流域水系图见图 3.7。

新立城水库,流域水系,洼地,河网

DEM流向分析检查洼地有无洼地？填洼无洼地的DEM有无计算流量河网分级栅格河网矢量化河流连接水流长度捕捉倾泻点分水岭图 3.6 DEM 流域水文信息提取流程ig. 3.6 Extraction process of DEM watershed hydrological informat
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X143

【参考文献】