基于WEAP模型的西苕溪流域水质安全保障方案.docx
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基于WEAP模型的西苕溪流域水质安全保障方案
基于WEAP模型的西苕溪流域水质安全保障方案
李燕,李恒鹏
(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与环境国家重点实验室,江苏南京210008;2.DepartmentofGeography,UniversityCollegeLondon.LondonWCIE6BT,UnitedKingdom)
摘要:
针对西苕溪流域水质安全问题,基于WEAP建模平台,构建了西苕溪流域水资源评估与规划模型。
在模型验证基础上,分析了西苕溪流域2001—2020年河道水功能目标满足度及水供需关系,识别了流域水资源利用存在的问题,并探讨了水源地和中下游区水质安全保障措施及其改善水质的效用,在此基础上提出了西苕溪流域水质安全保障方案。
研究表明:
TN是影响水源地供水安全的限制性因素,TN、TP是影响河道水功能的重要指标。
通过综合实施废水处理厂节水型设备、退耕还林等水资源管理措施能起到较好地削减TN产出的效果,水源地河道TN浓度降低。
基本上能保证全年实现河道Ⅲ类水功能目标,中下游河道TP、TN浓度亦能达到Ⅲ类水功能要求。
关键词:
水质安全;水供需关系;管理方案;WEAP模型;
西苕溪流域经济发展及人口增长的用水需求,各种污染源(工业、农业和生活排放)导致水质退化,水资源统一管理政策及措施的缺乏,是目前造成水资源危机的关键因素。
水资源统一规划和管理是实现流域社会、经济及生态环境可持续发展的有效举措,是当今国内外研究的前沿和热点之一。
水资源规划曾主要致力于水利工程的建设及基于水利工程的水资源调度方式的探讨来平衡水量配置和水质恶化的问题。
近年来,国际上水资源规划和管理逐渐向多学科方向发展,从自然生态系统和社会经济管理系统相互作用的角度出发,加强水资源管理模块的有效综合,开发了SWAT(SoilWaterAssessmentT001)M1,MULINODSS(Muhisectoral,IntegratedandOperationalDecisionSupportSystem)、WEAP(WaterEvaluationAndPlanning)等适合流域尺度的综合水资源管理模型。
随着太湖流域工业化、城市化进程加快,水污染问题严重。
2002年实施的“引江济太”工程通过调水缓解了流域部分地区的水质恶化问题,但从长远看水环境保护在本质上必须控制流域内排污,剖析流域水与污染物质输移的自然过程和社会经济过程,把生态、生活和生产用水需求及水环境目标纳入到水资源规划和管理决策系统中,才能为流域水资源管理措施的实施及水质改善效果的定量化分析提供依据。
本文以太湖上游的西苕溪流域为研究区,基于WEAP工具构建西苕溪流域水资源评估与规划模型,有效地将流域陆源污染物排放和河流水质变化响应联系起来,模拟污染排放及河流水质变化过程,分析流域河道水功能满足度,探讨流域水质安全的保障措施及其效用,在此基础上提出西苕溪流域水质安全管理方案,对实现西苕溪流域水资源供水安全及生态安全具有重要的现实意义,并为西苕溪流域水资源可持续利用与科学管理提供依据。
1研究区概况
考虑到河流流域自然水文过程特征,为保证研究区的相对独立性以及流域边界与行政边界较好地统一,本文选择以范家村为出口点的西苕溪流域作为研究区(见图1),其流域面积达2075km2,地貌类型包括山地、丘陵和平原,地面高程在2一l578m之间;属于亚热带季风气候,降雨主要以梅雨和台风雨为主,多年平均降水量为l548.9mm,时空分布不均,降雨集中于4—9月,自东北向西南逐渐增加。
流域土地利用类型齐全,主要包括耕地、林地、城镇用地、草地、水体、滩涂和裸地;各类用地面积比例极为悬殊,林地比例最高,占流域面积的66.0%,耕地次之,约占28.5%,再次为城镇用地,约占2.3%。
草地主要分布在流域上游海拔较高的山顶,为自然草甸,面积极小,约占全流域的3·0%左右。
2研究方法
2.1WEAP系统
WEAP是由斯德哥尔摩环境机构(StockholmEnvironmentalInstitute)开发的综合决策支持系统,能够以政策导向开展水系统的综合模拟与分析。
该系统将供给与需求之间、水量和水质之间、经济发展与环境制约之间综合在一个全面的框架之下,其独特之处体现在把用户端——用水规律、设备效率、回用、价格和分配与供给端——地表水、地下水、水库和调水,放在同等的地位来考虑,全面评估各种水资源开发和管理选择,并考虑水资源系统多元和互相竞争的利用方式。
目前,WEAP系统已被世界各国有关部门广泛用于流域未来水资源供需平衡评估和气候、决策驱动的水资源管理情景分析等。
WEAP作为开放式的河流流域建模工具,其应用通常包括以下几个步骤:
①研究定义:
包括设置时间跨度、空间界限、系统组成和问题结构;②现状基准:
代表水系统现状的基本定义,提供系统的实际用水需求、污染负荷、资源和供给的当时情况,构成所有预案分析的基础;③关键假设:
代表政策、成本和影响需求、污染、供给和水文因素;④定制预案:
预案是关于特定社会经济环境和特定政策、技术条件下未来的系统可能如何随时间演进的自我统一的描述;⑤预案评估:
就水资源的充足程度、成本和效益、与环境目标的兼容性及对关键变量后不确定性的敏感程度对各预案进行评估。
2.2西苕溪流域水资源评估与规划模型的构建
在WEAP建模环境下,通过概化西苕溪流域的水系结构、供需水以及不同来源污染物排放过程,分别建立流域水量供需模块,产污、排污及其在河流中滞留和损失等过程整合的水质模块,模型结构的流程见图2。
选择2000年为现状基准年,模拟期为2001~2020年,每年12个时间步长,以日历月为基础并从1月份开始。
根据流域2000年以来人口增长速度,在模拟期设置流域人口自然增长率为0.265%。
根据西苕溪流域水功能及水质规划目标,将两苕溪流域划分为水源地保护区和中下游流域区。
作为水源地保护区,其河流水质目标为I一Ⅱ类水标准,主要是满足区域本身及中下游流域区的生活饮用水;中下游流域区水环境功能定义为多功能区,主要是作为工业、农业用水区以及用水保留区,其河流水质目标以Ⅱ、Ⅲ类水为主。
在构建模型时,把整个流域分为水源地和中下游这2个区域分别加以考虑。
水资源系统主要由天然河流(西苕溪干流及6条一级支流)、城镇水用户、农村水用户、农业灌溉用水端、工业生产用水端、取水口、回水口、水处理基础设施等组成。
通过对流域城镇人口、农村人口、农田灌溉面积及工业总产值进行空间集总和概化,用“点”对象分别代表城镇、农村、农业灌溉及工业生产需水、排污用户。
水资源系统节点代表分水或耗水,连接线代表从一端向另一端运动的方向。
根据西苕溪流域的自然特征、水资源的供需特点及污水排放状况,城镇、农村生活用水主要取自于水源地保护区;农业灌溉用水和工业生产用水遵循“就地取水”的原则,直接从附近河网取水。
流向上,取水、回水点的分布顺序:
水源地城镇、农村取水点,水源地农业、工业取水点,城镇、农村回水点,水源地农业、工业回水点,中下游城镇、农村取水点,中下游农业、工业取水点,中下游城镇、农村回水点,中下游农业、工业回水点。
其中,中下游城镇、农村取水点上游的节点均在水源地保护区内的河流上,其余的位于中下游流域区的河流上(见图3)。
1)流域水量供需模块采用西苕溪流域1989—2000年的月平均气温、降水状况作为多年平均气候条件情景,用西苕溪千流及其主要支流的多年月平均河JII径流量来表征流域多年月平均来水状况。
根据已有研
究成果⋯1,多年月平均河川径流量采用1989~2000年月平均时间序列流量的模拟结果,经扣除流域河道内生态环境需水流量后得到可供给流域生产、生活的月流量。
水需求端主要考虑生活用水、工业用水和农业灌溉用水。
由于城镇、农村水基础设施和生活水平的差异,生活用水不同,因此城镇、农村生活需水子模块分别进行模拟。
其中,城镇生活需水量按照人均生活用水需求计算,农村生活需水按照单位住户需水计算,细分为厕所、洗涤和淋浴用水等。
农业灌溉需水、工业生产需水量估算采用定额法,分别根据单位公顷灌溉需水量、万元产值需水量计算得到。
同时,由于生活用水、农业灌溉用水的季节性差异,在模块建立过程中考虑生活用水、农业灌溉用水的月变化特征。
(2)流域产污、排污模块流域在向城镇、农村、工业、农业等用水部门提供生活、生产用水的同时,也接纳了用水部门排放的污染物,本研究主要选取TN、TP、CODer来模拟流域水环境状况。
西苕溪流域污染物主要以点、面源形式排放,点源污染物包括生活污染物和工业污染物,面源污染物主要来自于耕地、林地、城镇用地等主要土地利用类型的面源污染产出及水体中大气污染物沉降。
根据WEAP系统建模思想,在考虑从源一汇一系列过程的污染物滞留和损失的基础上,通过各项点、面源污染物量的计算把污染物量归到水系统中的排污用户上,建立流域陆源污染物排放与河流水环境响应模块。
水源地保护区人类活动影响较小的林地污染物年产出量和水库中大气污染物年沉降量作为流域污染物的背景值。
生活污染物输入量包括城镇用地面源污染物年产出,以及在城镇、农村人均年产污量及初始水污染物本底值计算的基础上扣除掉土壤滞留和损失所剩下的部分。
工业污染物排放量通过工业年回水量及其污染物浓度负荷计算所得;农业面源污染物年排放量采用耕地年径流量与径流污染物浓度获得。
以上林地、城镇用地和耕地径流的污染物浓度数据根据西苕溪流域已有研究得到的。
污染物在河道中的降解计算采用一维衰减水质模型计算法,TN、TP、CODcr日衰减率采用太湖流域已有研究成果,分别为0.05、0.15、0.10。
2.3模型率定和验证
为了保证西苕溪流域水资源评估与规划模型模拟结果的有效性,对模型的水量与水质模拟结果进行率定和验证。
水量率定和验证采用西苕溪流域范家村水文站1989~2000年的实测序列,详细分析请参考文献。
率定和验证结果显示:
西苕溪流域月径流量模拟值与实测值拟合良好,率定期月径流量确定性系数为0.76,年径流平均误差仅为8%;验证期的确定性系数为0.74,年径流平均误差为13%。
通过对模型水质参数的率定,确定TN、TP、CODcr通过土壤滞留和损失的折算系数分别为0.412、0.033、0.725。
选择西苕溪水源地保护区出口和范家村出口为验证区,这两个出口的TN、TP、CODcr水质指标基本上反映了流域不同水功能区的水质状况。
比较水质指标的实测数据和模拟数据,各监测点TN、TP、CODcr的平均误差分别为12.1%、11.3%、25.5%,最大误差分别为22.0%、15.1%、36.6%,证实模型可以较好地进行西苕溪流域的水环境模拟。
3结果与讨论
3.1水功能目标满足度
基于西苕溪流域水资源评估与规划模型,对西苕溪流域源头(未受人类活动影响)、水源地(受到水源地保护区人类活动影响)、中下游流域区主干河道的CODcr、TN、TP水质变化进行模拟,得到流域主河流2001—2020年多年月平均的水功能目标满足程度,模拟结果见图4。
流域源头CODcr、TP浓度均在I类水标准内,而TN浓度在0.5~1mg/L之间,属于Ⅲ类水标准。
水源地保护区CODcr、TP浓度分别在I类、Ⅱ类水标准内;TN浓度除个别月份(7—9月)为l—1.5mg/L,属Ⅳ类水标准外,其它月份均低于1mg/L,属于Ⅲ类水标准。
中下游流域区CODcr浓度12月份为Ⅲ类水标准,其它月份均在I一Ⅱ类水标准内;对于TP浓度,3月、6月低于0.1mg/L,满足Ⅱ类水标准,1~2月、4~5月及7~8月在0.2mg/L以下,满足Ⅲ类水标准,其它月份均超过0.2mg/L,属Ⅳ类水标准;对于TN浓度,除3月、6月处于Ⅳ类水标准内,7月、8月为V类水标准外,其它月份均超过V类水标准。
根据以上分析,流域源头、水源地保护区水质指标除CODcr、TP指标可达到水功能目标之外,TN指标均达不到水功能要求。
中下游流域区CODcr能达到河道水功能要求;TP指标除1—8月能满足河道水功能要求外,9—12月处于Ⅳ类标准,达不到水功能目标;TN指标所有月份均达不到水功能要求。
因此,TN是流域源头和水源地保护区水质控制性指标,需要对水源地保护区的TN进行削减和控制;对中下游流域区来说,TN、TP是该区水质的控制性指标,特别是要对TN污染物进行大量削减,才有可能达到水功能要求。
3.2水资源供需关系
运用WEAP的水量分析模块,在不考虑水需求方对人流水质要求,而仅考虑人口增长、农业灌溉技术改进的前提下,2001—2020年西苕溪流域水源地、中下游流域区各水需求方每年每月的满足度均达到100%。
该结果较好地说明若不受水质约束,西苕溪流域的潜在可供给水资源量能完全满足流域各类生产和生活对水资源量的需求,流域不存在单纯水量短缺的问题。
进一步结合流域用水对水质条件的要求,考虑到河道水功能受TN超标的影响,2001—2020年水源地保护区无法提供Ⅱ类水。
在此基础上,人为降低城镇、农村生活用水需求人流水质的要求,把TN指标设定为Ⅲ类水质标准,分析在TNⅢ类水质约束下中下游城镇和农村生活用水的供需平衡状况。
模拟得到,在TNⅢ类水质约束下水源地保护区可供给城镇、农村生活用水的能力有限,其中,1~7月、11月、12月水源地供水能力较大,能满足人们的生活需求;8一10月水源地TN水质已超Ⅲ类,不能满足人们生活用水的Ⅲ类水质要求。
2001—2020年间中下游流域城镇生活需水8~10月平均短缺量分别达到83.47万m3、72.58万m5、72.58万in3,农村生活需水8~10月平均短缺量分别达到131.15万m3、114.05万m3、114.05万m3。
根据国标《农田灌溉水质标准》及他人研究成果,确定西苕溪流域农业用水对水质的要求,经模拟得到2001—2020年流域水资源现状在质和量上均可满足农业用水的需求。
根据国家标准《城市污水再生利用工业用水水质》对工业用水水质标准的规定,2001—2020年流域现状水质水量亦能满足要求。
3.3问题剖析
流域自然本底值是指没有人类干扰和污染的水体条件的代表浓度,因此近似地把水源地保护区上游受人类活动影响不大的林地生态系统的面源污染产出和大气沉降量作为流域水源TN本底值。
根据2000年水源地林地TN面源产出量、氮大气沉降量和林地径流量,计算得到水源地TN固有本底值高达2.65mg/L,远远超过了地表Ⅱ类水质标准。
这是由于西苕溪流域水源地林地主要分布在海拔高、坡度陡的上游地区,土壤侵蚀能力较大,携带的污染物质较多;同时,河道坡降较大,流域水流速度快,污染物的滞留降解能力较低。
城镇、农村生活污染物排放及农业面源污染产出也是水源地重要的污染源。
根据国家法规规定水源地必须限制人类活动强度,但在现实中仍有一定比例的人口分布和相当份额的农业开发。
水源地人口自然增长率稳定,但人口数量仍持续稳定地增加,人们生活污染物排放量相应地逐年增长。
根据2000年水源地保护区污染源TN产出结构(见图5),林地TN面源污染产出份额最大,其次是农业面源污染、农村生活污染和城镇生活污染。
较大的TN本底值及人类活动的影响使得水源地出口的TN浓度超过了河道地表饮用水功能要求。
在饮用水供需关系上,8~10月的高温天气导致流域生活用水需求量远大于其它月份,虽然该时段雨水较多,但暴雨增多造成的面源污染物及高温造成的生活污染物排放量增长幅度更大;而在枯水期,流域降水少且强度小,大部分TN滞留在土壤中,随地表径流流入河中的TN量较小,同时流域生活用水量不大。
根据水源地2004年实测水质数据,水源地5个均匀分布的水质监测点8~10月TN浓度比l1~12月TN浓度要大,进一步证实了在水质条件约束下,丰水期水源地供给饮用水能力不足,而枯水期水源地能满足流域生活_用水的需求。
中下游流域城市化、工业化进程快,工业发展规模大、农业高度发达,城市不透水层面积剧增,点、面源TN污染物产出量极大,其中工业TN排放量占中下游流域区总TN排放量的53%。
虽然该区已采取污水处理措施,但污水处理范围有限,处理力度也远远满足不了流域水功能要求,排入河道的污染物量对河道水质污染的贡献率最大,水质问题依然非常严峻。
3.4流域水质安全保障措施的效用
减少西苕溪流域污染物的入河通量是目前改善流域水质、满足生活用水对水质要求的有效手段和途径。
以提高流域水质安全程度为目标,制定不同的流域水资源管理措施,包括水源地建立城镇生活污水处理厂(TN处理能力为55%)、家庭使用节水型设备(节水型马桶、洗衣机节水率分别为66.7%、49.4%),退耕还林(15%比例),河流沿岸建立缓冲带措施(通过沉淀、过滤、吸附、降解等作用TN的去除率可达到60%左右,以及在中下游区域加大废水处理厂除污力度和农田施肥控制措施。
通过一系列管理措施的情景模拟,结果表明水源地在分别实施废水处理厂、使用节水型设备及退耕还林措施下,对削减水源地TN量起到一定的作用,但不能提高生活用水的供给能力,仍满足不了人们生活对水质的要求;而建立河流沿岸缓冲带措施的实施,可一定程度上提高水源地Ⅲ类水质的供水能力,8~9月的生活需水得到完全满足。
中下游通过实施建立废水处理厂,河流9一12月TP浓度大幅度下降,符合了水功能目标要求;TN浓度虽大幅度降低,但只有3月、6月满足河道的水功能目标,只单纯通过建立废水处理厂,TN指标仍达不到水功能要求,必须采取其它措施进行削减。
表l是2001—2020年水源地分别实施各项管理措施后多年月平均Ⅲ类水质生活需水满足度、TN削减状况,以及中下游TN、TP水功能目标的改善程度。
综合以上管理措施,遵循先易后难、可行性的原则,西苕溪流域水质安全综合控制方案具体实施如下:
水源地建立废水处理厂(城镇污水TN去除率55%),80%的农村住户使用节水型用水设备,2001~2020年间退耕还林措施分阶段执行,2001—2007年从15%开始每年以0.1%的速度增长到15.6%,2008~2020年从21.4%开始每年以0.1%的速度增长到22.7%,以及建立河流沿岸缓冲带(TN去除率为37%一40%);中下游建立废水处理厂,城镇污水、工业废水TN去除率为55%,工业TP去除率为23%,并实施农业氮肥输入量控制措施使TN减少量占农业TN总输出量的28.8%。
经模拟,该综合控制方案实施效果较好,在TNⅢ类水质标准下,通过前3个措施能完全削减掉水源地TN超标部分,其中退耕还林削减能力最大,其次为废水处理厂,节水型用水设施的削减能力最小。
在污染物总量控制之下,通过建立人工湿地缓冲带削减面源TN产出,能使水源地保护区河道TN浓度降低,全年基本上控制在Ⅲ类水功能目标(见图6);中下游在实施废水处理厂和农业施肥控制措施下,其河道TP、TN浓度亦能达到Ⅲ类水功能目标。
4结论
本研究基于WEAP系统建立了西苕溪流域水资源规划和评估模型,经率定和验证表明该模型能很好地模拟流域水量和水质状况。
在不考虑流域需水方对入流水质要求的前提下,2001—2020年西苕溪流域不存在单纯水量短缺的问题。
但水质问题非常严峻,全流域河流TN浓度远远超出了各段河道的水功能要求,TN是影响水源地作为流域生活饮用水来源的限制因素。
在水资源管理综合措施实施下,水源地河道TN浓度降低,基本上能实现河道Ⅲ类水功能目标。
由于流域TN本底输出已超过了Ⅱ类水质标准,因此将水源地河流水功能目标定为CODcr、TPⅡ类,TN控制在Ⅲ类以内比较合理。
对中下游区来说,除了TN外,TP也是影响河道水功能的重要因素。
通过建立废水处理厂和农业面源污染控制措施,中下游河道CODcr、TP、TN指标亦能达到Ⅲ类水功能目标。
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