基于BASINS 模型系统的青龙河流域水质模拟

杨 旭

(河北省承德水文勘测研究中心，河北 承德 067000)

1 流域概况

青龙河属于海河流域，是滦河流域的主要支流之一，流域发源于燕山山脉， 范围包括河北省秦皇岛市至辽宁省凌源市。流域下游的桃林口水库是“八五”“九五”期间水利部、河北省的重点建设项目[1]。引滦济津工程成功为天津调水后，为解决滦河中下游地区的用水困难问题，建立了桃林口水库，旨在开发滦河中下游水资源，主要为秦皇岛和唐山供给生活、工业和农业用水。

2 数据及模型介绍

2.1 数据信息

文章列出了 BASINS/HSPF 模型需要的前期基础数据，包括地形数据、土地利用、河网数据和气象水文数据建立BASINS 模型所需的数据库准备完成，见表1所示。除此以外，本章还列出了模型模拟需要的流域实测数据及其来源，为模型运行、校准和验证过程做好了准备工作[2]。

表1 BASINS 数据库

2.2 模型简介及模拟过程

BASINS(Better Assessment Science Integrating Point and Non-point Sources)是由美国环保局(EPA)开发的，以物理过程为基础的、面向流域的多功能综合水质分析系统，它使用了Windows环境和Map Window GIS 作为集成框架，主要用于流域的水文和水质分析，并能够生成流域特征报告[3]。HSPF模型提供的是一个交互式界面，可以创建HSPF输入序列或修改现有HSPF输入序列，基于uci文件，模型还可以从内部运行与修改程序。HSPF模型将空间分布的物理属性与水文响应单元(HRU)相结合，每一个单元与气象输入数据(如降雨、潜在蒸发和温度)以及储存能力因素(如坡面截留和土壤储存)响应，以统一的方式输出。

3 模拟过程及结果

3.1 水温模拟

流域水质模拟的对象为总氮、总磷、氨氮和 BOD，在模拟污染物之前，首先需要完成泥沙和水温的模拟，泥沙和水温不仅可作为污染物，同时也对其它水质成分的迁移变化有显著的影响[4]。水温模块计算输出选择HTRCH:TW。为了校准温度，需要调整的参数包括PSTEMP(ASLT、BSLT、ULTP1、ULTP2)、IWTGAS(AWTF、BWTF)和 RCHERS等，相对河道中的水流来说，表层流的流量很小， 坡面流的温度能够很快与渠道中水流的温度达到动力平衡，不会影响到渠道中水流的温度[46]，因此比较重要的参数主要是 RCHERS 中的 KATRAD、KCOND、KEVAP和CFSAEX。CFSAEX 与太阳辐射有关，KATRAD 是长波辐射系数，KCOND 与温度的传输过程有关，KEVAP 是蒸发系数。水温模拟结果如图2所示，研究流域可以获取的实测水温数据为2010年，对比结果见图3，整体趋势较为接近。

图1 模型运行图

图2 水温模拟结果

图3 2010年研究流域水温模拟与实测对比结果

3.2 泥沙模拟

泥沙是地表冲刷过程中流失的最为常见的污染物质，泥沙不仅可能淤积河道，也可能由于淤积而导致水库库容减小。同时，泥沙在输移过程中还会传输、携带营养物质与有毒物质，因此，泥沙的模拟也是后续污染物模拟的基础。

模型运行之后，在 GenScn 中查看模拟结果，并进行泥沙校准。实测数据包括桃林口流域多年平均侵蚀模数和径流小区侵蚀模数，对比侵蚀模数与所有分割单元上SOSED(坡面流冲刷沉积物与土壤总量)和SOSLD(不透水地面地表径流冲刷量)两项总和以评判模拟效果[5]。

泥沙参数调整的思路以模型运算过程为依据，分透水地面、不透水地面和水体进行。分析研究流域内的土地利用面积，透水地面耕地、树林与草地为主要类型，分别占总土地面积的 45.84%、50.79%和2.99%。研究流域按大暖泉各径流小区实测了泥沙的侵蚀模数，根据径流小区的坡度和植被分布特征，选择编号为4的对应草地类型，XQ6 和 XQ9 分别对应耕地与树林，如表2所示。

表2 径流小区对应土地类型

首先调整透水地面的有关参数，设置城市和水体的泥沙输出量为 0，分别假设透水地面均为耕地、树林和草地，在土地编辑器中调整各土地类型面积，见图4。统一设置透水地面的所有参数，与对应径流小区2012年的泥沙侵蚀模数对比。

图4 HSPF 模型中土地编辑窗口

校准过程中发现，对青龙河流域而言，KGER和JGER两个参数对三种土地类型的泥沙输出结果影响较为明显，树林的泥沙模拟结果还受参数KRER和MON-COVER 表影响。与三个径流小区的拟合误差较小后，接着进行不透水地面与水体的参数调整，使整体泥沙输出量与多年平均侵蚀模数对比，得到较为满意的模拟结果。泥沙校准结果如表3所示，总误差为-1.176%，模拟效果较理想。

表3 泥沙校准结果评价

图5反映了1957-2013年间每年的泥沙输出量，从中看出，泥沙输出的年际变化悬殊。产沙量最高的类型为 P101、P105、P107 和 P112，均为土地利用中的耕地类型，说明即耕地对水体中泥沙含量贡献最大。由于泥沙实际监测数据的不足，此处只能做到较为粗糙的模拟，但从总量与分类的模拟结果来看，泥沙的参数校准有一定的可靠性。如果在更多实测数据的条件下，可以进行 SLDS(不透水地面地表沉积物储量)和 DETS(可剥离的潜在沉积物储量)图形的描绘，来比较泥沙冲刷的细节部分，提高模拟精度。

图5 1957年—2013年研究流域年均泥沙输出量

3.3 污染物模拟

1)污染物模拟

研究流域水质模拟包括点源污染与非点源源污染两部分，模拟的水质成分包括BOD、总氮、氨氮和总磷，见图6。点源污染主要考虑青龙满族自治县满源水处理有限公司的污染负荷数据，污染物数据来自2012年-2014年《污水处理厂国控企业主要污染物监督性监测结果》。青龙县满源污水处理厂于2010年6月28日正式投入使用，因此点源污染数据从该日起开始输入。在HSPF模型界面输入点源污染，如图7 所示，需要设定污染源排放的位置、污染物类型及日负荷量等。根据地理位置，设置点源在编号为15的河段(即南河)，输入4种污染物类型，分别为总氮、总磷、氨氮和BOD。由于COD在沿途过程中的衰减主要是 BOD 物质的衰减，同时根据桃林口水库多年的水质监测数据，BOD 是 COD 的主要组成，故此处可应用 BOD替代COD。

图6 选择目标输出水质成分

图7 在 HSPF 模型中输入点源污染

青龙河流域内面污染源以残留农药、化肥为主，农药平均为9.6kg/hm2，化肥平均为544.5kg/hm2。生活污染包括生活污水排放、生活垃圾露天堆置等，根据研究流域人口数量，参考国家环保局确定的污染源调查参数，选择“污染人均产物系数法”进行估算[51]，其中BOD参照CODcr，取值为16.4g/head·d,总氮负荷量为5.0 g/head·d，总磷取0.44 g/head·d，氨氮取4.0g/head·d，调查研究流域的人口数量，估计四种污染物的非点源污染负荷量。

参数在污染物的模拟中至关重要，参数值的选取主要考虑两方面：首先根据参数说明和经验值输入初始参数，而后根据模拟结果与实测的对比进行调整。这些参数决定了污染物模拟的方法、水体或泥沙中输移量以及初始储量等相关信息。在 HSPF 模型中，PQUAL 和 IQUAL 实现水质组分的输入有两种方法，分别为一阶消解速率法和潜在因素法[52]。由于磷吸附在泥沙中，且其迁移转化过程与泥沙有密切关系，因此本研究选择潜在因素法，其它污染物均采用一阶消解速率法.

2)污染物模拟校准

用于校准水质模拟的数据为桃林口水库2012年监测水质数据，由于监测数据一年只有 7 组，因此校准的目标主要为一年中水质变化的趋势。将点源与非点源污染数据输入模型后，初步模拟结果与实测之间的偏差通过调整每月变化的参数来减小。对BOD、氮和氨氮，参数包括水质成分在地表径流、壤中流和地下水中的每月分配，磷吸附在泥沙中，因此影响磷的参数主要在泥沙吸附、壤中流和地下水中的每月分配。

图8-图11为2012年流域内四种污染负荷模拟值与实测值的比较。从对比情况来看，模型基本能够模拟出四种水质成分的变化趋势，拟合程度较好，模拟数据的平均值与实测数据也较为接近。其中BOD模拟值偏大，由于资料的局限性，计算BOD非点源污染时选用的是国家环保局确定的太湖流域污染源调查参数，与研究流域实际情况有一定出入，就平均值而言，模拟值全年平均为2.72，实测数据平均值为2.33，认为误差在可接受范围之内。

图8 桃林口水库总氮模拟值与实测值比较

图9 桃林口水库氨氮模拟值与实测值比较

图10 桃林口水库总磷模拟值与实测值比较

图11 桃林口水库 BOD 模拟值与实测值比较

3)结果分析

污染物模拟的结果没有采用水文模型中的Nash效率系数与集对分析等方法，这是因为实测水质成分的数据一年只有7组，缺少连续时间序列，采用以上两种方法分析没有效果。但就总体效果而言，污染物模拟整体趋势与实测数据吻合，流域出口输出污染物总量见表4。在校准全年变化趋势的情况下，污染物模拟存在一定误差。由于在物理、化学和生物的综合作用下，污染物在多种环境介质之间实际迁移转化过程比较复杂，模拟时仅考虑了部分主要的过程，且模型本身对污染物的迁移作了近似假设。其次，对模型参数的调整局限于研究者的认知，与流域实际情况可能有所差异，许多参数的随机性给模型的结果带来了不确定性；最后，模拟结果的误差还来自于前期泥沙和水温模拟过程中的不确定性和误差累积。

根据表4，在4种水质成分中，总磷输出量最小，为污染最轻的成分，总氮在该流域是主要的污染成分，BOD次之。氨氮数值较小，由此可知流域污染物中氮主要以硝态氮以及其它形式存在。在流域污染负荷输出总量中，非点源污染占比例均在97%以上，说明在青龙河流域，非点源污染起主要控制作用，因此，该流域的限制纳污应以非点源污染为削减对象。

表4 研究流域污染输出总量

受经济社会状况、土地类型等因素影响，水体中的污染负荷量在不同子流域的分布有较大的差异。总氮和BOD在子流域15、20和22上的产量明显大于其它子流域， 氨氮的产量在子流域14和15较大，流域20和22的氨氮分布最少，说明在这两个流域上的氮主要以硝态氮的形式存在，总磷的数值整体较小，其在子流域15的突出变化说明满源污水处理厂排出的点源污染对该流域的总磷污染起主要控制作用。

图13 4种水质成分在流域的空间分布

4 结 论

以青龙河流域的水文模型为基础，建立了水质模型，按水温、泥沙和污染物的顺序分别进行了模拟与校准。水温模拟结果与 2010 年实测水温数据进行对比，泥沙的校准数据为 2012 年流域侵蚀模数和大暖泉径流小区的侵蚀模数。根据径流小区的数据，首先对流域内透水地面的泥沙参数进行了率定，然后校准不透水地面和水体的参数，与总侵蚀模数比较。泥沙总量拟合效果好，耕地类型对泥沙负荷的贡献量最大。污染物的输出目标是总氮、氨氮、总磷和 BOD，对四种水质成分进行点源和非点源污染模拟，输出结果与桃林口水库入库水质监测数据比较，总体趋势吻合程度较好。