发布日期：2024-11-05 21:50 点击次数：174
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编者按：武汉大学中国发展计策与磋议规划院副院长张万顺教诲，水利水电学院彭虹教诲，资源与环境科学学院章玲副教诲，博士规划生张潇、夏函，硕士规划生张紫倩、李琳撰写的论文《粤港澳大湾区典型城市河湖水质变化法则规划——以金山湖流域为例》于《水资源保护》2021年3月16日集聚首发。
粤港澳大湾区典型城市河湖水质变化法则规划
——以金山湖流域为例
摘 要：针对粤港澳大湾区城市河湖水质变化法则复杂、机制不细目等问题，诞生了金山湖流域耦合“陆面单位-河网-湖泊”等不同圭臬的“空-地-水”一体化模子，模拟磋议了2017年水文、征象条款下水质磋议COD、TP的变化法则，流量、COD和TP率定考证的相对差错均在15%以内，标明“空-地-水”一体化模子随机细巧形容流域水质变化历程。流域内水质超标严重，枯水期相对丰水期水质较差，典型枯水月12月湖区每日劣Ⅴ类面积占比均大于96.66%；年内中小雨共出现31次，全流域易在中小雨后的1~3天水质下落；大雨共出现8次，流域水质取得改善。从地皮诈欺方法圭臬分析，水质磋议浓度与耕地、农村住户点面积呈显贵正相关，与林大地积呈显贵负相关，标明东谈主类步履强的区域水质相对较差。
要害词：粤港澳大湾区；城市河湖；“空-地-水”一体化模子；水质变化法则；地皮诈欺方法；金山湖
粤港澳大湾区是我国城镇化水平最高的城市群区域[1]，东谈主口集聚高、河湖水系进展、当然地貌复杂，跟着东谈主水关系松弛增强，水资源空乏、水体黑臭、生态做事功能下落等城市河湖水环境问题日益严峻[2-5]。受社会经济历程与当然历程交叉影响，城市河湖水质变化法则愈发复杂，存在水质变化机制不细方针超干与题，成为制约粤港澳大湾区高质地发展的瓶颈和短板[6-7]。精确揭示城市河湖特有的水文情势和强东谈主类步履相互影响下的水质变化法则，触及河湖水系交织、陆面降雨径流、地皮诈欺方法和水库协调等多历程[8-10]，亟需对征象、水文、水质等多要素全历程进行全面细巧的量化规划。此类规划对补助新期间水环境详细不休极具代表性和科学价值。
频年来国表里学者针对细巧量化水环境变化法则开展了多半规划，主要集聚在当然条款下大圭臬流域降雨径流、水量、水质等历程的定量模拟[11-12]。城市河湖存在水文、生态、社会异质性特征复杂多变等特色，为细巧形容城市河湖水质变化历程，需要统筹陆面单位大圭臬、河网中圭臬、进犯水域小圭臬水环境历程机制各别的模子体系[13-14]。基于耦合征象数值模子、陆地模子和水能源-水质-水生态模子的“空-地-水”一体化模子松弛成为全面揭示水质变化法则的进犯用具[15-17]，可冲破流域陆面空间上不同圭臬单位耦合的瓶颈，达成流域当然历程与社会经济历程的耦合与响应关系的定量模拟[18-19]，随机弥补传统流域水环境模子圭臬单一、唯当然历程的不及。
金山湖流域是位于粤港澳大湾区的典型城市流域，河湖水系交错，社会经济发展空间分异显著，水质不达标、水体黑臭等水环境问题较为严重。本文以金山湖流域为例，诞生了耦合“陆面单位-河网-湖泊”等不同圭臬的“空-地-水”一体化模子，模拟了强东谈主类步履、水文、征象历程等多重身分影响下流域内混浊负荷以及水质变化历程，揭示了水质变化机制以及地皮诈欺方法对水质的影响。
1 规划区域概况
金山湖流域位于广东省惠州市城区南部，东江流域中卑鄙，西枝江左岸。金山湖流域水系由金山湖与四条主要入湖河涌组成，入湖河涌分别为金江山、莲塘布、河桥水和冷水坑，流域集雨面积约63.7 km2，水系如图1所示。此区域上游为农业区域、中游为城乡衔尾部、卑鄙为城市地区，点源排放密集，农业面源、城镇面源混浊严重，东谈主类步履影响显贵。2019年入湖四河涌合座为劣Ⅴ类水体，水质情状均属于“轻度黑臭”；湖区水质合座呈Ⅴ类，金江山入湖口至河桥水入湖口湖段水质属于“轻度黑臭”，全湖段均呈现出不同进程的富养分化风光。
图1 金山湖流域
Fig.1 Jinshan Lake Basin
2 “空-地-水”一体化模子构建
基于课题组前期规划效果[16,19-20]，详细推敲陆面降雨径流、河网及湖泊水能源演进与混浊物输移，构建“空-地-水”一体化模子，包含一维河网与二维湖泊水能源水质模子以及面源模子。以流域面源模子的模拟终端算作水能源水质模子的旁侧入流条款，达成降雨径流面源模子与水能源水质模子的耦算磋议；通过在一维河网和二维湖泊的集中断面处建立过渡单位，凭据过渡单位上两种模子模拟的水位、流量、浓度十分的条款，达成一、二维模子的耦合。
2.1 面源模子
本文选用的流域面源模子为SWMM模子，包含水文与水质模块。选拔地表汇流神志、Horton下渗模子进行地表径流模拟，指数函数方程进行混浊物积蓄冲刷模拟[19-20]。
领受30m精度的DEM栅格，将金山湖流域陆面共折柳为153个子汇水区，如图1所示。通过DEM数据、地皮诈欺数据细目各子汇水区的面积、不透水面积占比、流域宽度、平均坡度等细目性参数；领受惠阳国度谈象站每日降雨、挥发、气温、相对湿度等数据诞生征象数据库。
2.2 一维河网与二维湖泊水能源水质模子
领受圣维南边程组形容水能源学历程，并充分推敲水体混浊物的对流、扩散、降解作用，诞生一维河网与二维湖泊水能源水质模子[16]。
汇集整理流域内水文地形尊府，构建金江山、莲塘布河、河桥水、冷水坑河4条河涌的一维模子地形断面，共计75个；构建金山湖湖区的二维模子正交结构网格，共计46624个，网格精度为20 m×20 m，地形断面与网格建立分别如图2(a)和图2(b)所示。
(a) 一维河网结构 (b) 二维湖区网格
图2 金山湖流域地形建立
Fig.2 Topographic setting of Jinshan Lake Basin
2.3 模子参数率定与考证
凭据金山湖流域水质近况，中式主要混浊因子COD、TP算作模拟磋议。诈欺金山湖2018年12月和2017年8月的GF-2号遥感影像水质反演终端作念模子率定，遥感反演终端如图3所示。流域内糙率取值规模为0.025~0.055，COD降解统共为0.01~0.4 d-1，TP降解统共为0.02~0.5 d-1。
以2019年1月水量考证断面(见图1)实测汇水水量进行流域面源模子考证，以四条河涌10个断面、湖区5个点位(见图1)的水质监测终端进行一维河网与二维湖泊水能源水质模子考证。模子考证终端如图4所示，模子模拟值与实测值吻合较好，面源模子水量的相对差错均在5%以内，水能源水质模子COD和TP的相对差错均在15%以内，标明“空-地-水”一体化模子随机温柔金山湖流域面源及水质模拟的要求。
图3 遥感反演终端
Fig.3 Remote sensing inversion results
(a) 水量
(b) COD (c) TP
图4 模子考证终端
Fig.4 Model validation results
3 水质变化法则分析
3.1 水质时空变化法则
由于降雨是形成非点源混浊的主要运行身分，丰水期非点源混浊尤为显贵[21]，因此选拔典型丰水年2017年算作规划时段。基于“空-地-水”一体化模子，模拟磋议了2017年水文、征象条款下水质磋议COD、TP的变化历程。中式四条河涌上游、中游和卑鄙典型断面开展水质变化分析，各河涌所选断面独特水质浓度每日变化如图5所示，断面位置如图2(a)所示。湖泊典型丰水月6月与典型枯水月12月的水质磋议不同浓度规模每日面积占比如图6所示。金山湖流域水质合座较差，以地表水Ⅳ为法度，各河涌COD年达标率均在16.71%以下，TP均在2.47%以下；湖泊TP超标严重，COD合座较好。
从时辰变化趋势看，流域水质呈枯水期相对丰水期较差的法则，湖泊在典型丰水月劣Ⅴ类面积占比均在86.14%以上；在典型枯水月劣Ⅴ类面积占比均在96.66%以上，在春夏令降雨丰沛时期，河谈与湖泊的流量、流速合座较大，对混浊物的稀释作用较强。
水质波动与降雨量密切相关，枯水期水质无显著波动，丰水期水质随降雨波动显著。年内日降雨量为15~60mm的中小雨时期共出现31次，全流域的COD易在中小雨后的1~3天浓度升高，TP浓度有所镌汰；降雨量普及60mm的大雨时期共出现8次，全流域的COD和TP在大雨时期浓度均有所镌汰。水质波动特征标明日降雨量小于15mm的降雨对陆面的冲刷作用不显著，带来的降雨径流混浊影响较小，降雨期水质浓度较为踏实；中小雨时期产生的陆面降雨径流混浊进程最高，对水体的COD浓度影响显贵；大雨冲刷作用产生更高的面源混浊负荷，但由于此时降雨径流量较大，面源负荷对水质浓度的影响进程有所镌汰。
图5 四条河涌典型断面水质浓度变化
Fig.5 Variation of water quality concentration in typical sections of four rivers
(a) 金山湖COD (b) 金山湖TP
图6 金山湖典型水期COD、TP不同浓度规模每日面积占比
Fig.6 Daily area proportion of different concentration ranges of COD and TP in typical water period of Jinshan Lake
各河涌水质浓度具有显著的空间分异特征，金江山、莲塘布的中上拍浮质浓度较卑鄙高，河桥水、冷水坑的中卑鄙水质浓度较上游高。金山湖丰水期与枯水期水质浓度分散如图7所示，湖泊的南部出现超标混浊带的浓度较高、规模较广，西北部次之，东部水质相对较好。
金山湖流域水质浓度较高的区域与点源排放密集区域一致，各区域点源负荷如图8所示，金江山、莲塘布的上游区域，河桥水、冷水坑的中卑鄙区域，以及湖泊的南部与西北部区域相对场所支流其他位置点源负荷最高，标明点源是影响水质空间分散特征的主要原因。此外湖区南部是河桥水、冷水坑、莲塘布等支流集聚入汇区域，河涌入汇佩戴多半混浊负荷至湖泊，对湖泊水质形成不利影响。
图7 金山湖典型水期COD、TP浓度分散
Fig.7 Concentration distribution of COD and TP in typical water period of Jinshan Lake
图8 金山湖流域各区域点源负荷
Fig.8 Regional point source load in Jinshan Lake Basin
3.2 地皮诈欺方法对水质的影响
金山湖流域陆面合座以城镇用地为主，占全流域陆面面积的37.38%，其次为林地、耕地和农村住户点，占比分别为25.29%、24.27%和9.12%，瘠土与草地占比仅分别为3.21%、0.75%。城镇用田主要分散在各支流的中卑鄙；林田主要分散在各支流的中上游；耕田主要分散在河桥水中游、冷水坑上游，以及莲塘布中上游；农村住户点主要分散在河桥水中游、冷水坑中卑鄙以及莲塘布中上游。
从地皮诈欺方法圭臬分析，不同水质断面受区间入汇成功影响[22]，因此本文将每个断面的子流域规模界说为断面区间规模内妥贴产汇流机制的统统子流域。分别对四条河涌中式典型干流断面开展子流域地皮诈欺方法分析，四条河涌所选断面以及不同断排场流域地皮诈欺类型占比如图9所示，各断面位置如图2(a)所示。各支流从上游至卑鄙，金江山5个断排场流域城镇用地、农村住户点面积占比松弛增大，林地、耕大地积占比松弛减小，草地、荒大地积占比低于2%；河桥水4个断排场流域城镇用大地积占比松弛增大，农村住户点、耕大地积占比先增大后减小，林地占比松弛减小，草地、瘠土占比低于1%；冷水坑4个断排场流域城镇用大地积占比先增大后减小，林地、耕大地积占比松弛减小，农村住户点面积占比松弛增大，草地、荒大地积占比低于4%；莲塘布7个断排场流域城镇用大地积占比松弛增大，耕大地积占比先增大后减小，林大地积占比松弛减小，农村住户点面积先增大后减小，草地、荒大地积占比低于5%。
图9 不同断排场流域地皮诈欺类型
Fig.9 Land use types in sub-basins of different section
将不同水质断面COD、TP浓度的年均值、典型丰水月6月均值和典型枯水月12月均值与对应子流域地皮诈欺类型结构进行Pearson相关性分析，终端如表1所示。COD浓度与耕地、草地呈显贵正相关，与林地呈显贵负相关；TP与耕地、农村住户点均呈显贵正相关，其余步皮诈欺类型与水质浓度的相关性不显贵。
耕地与水质磋议均呈正相关，耕地区域农业耕种步履泛泛，化肥流失、农业面源混浊严重，导致水体中的混浊加剧，丰水月COD和TP浓度与耕地相关性高于枯水月和年均值，标明降雨会加剧农业面源混浊；且COD的相关性较TP更高，标明农业面源混浊对COD的影响进程更大。林地与水质磋议均呈负相关，林地区域东谈主类步履较弱，植被隐私度高，水土保执才气强，植被对混浊物的截流以及净化作用不错灵验减少混浊物。农村住户点与水质磋议均呈正相关，农村住户点承载了较多农村住户生计、畜禽衍生计动，供水环境带来多半农村生计混浊。城镇用地与水质磋议相关性不显贵，城镇带来的混浊以工业废水和市政浑水滴源为主，而流域内点源在支流各区域分散不均。流域内草地与瘠土由于面积占比极小，与水质磋议相关性的不细目性较大。
表1 水质磋议与地皮诈欺类型面积比例的相预见数
Table1 Correlation coefficient between water quality index and area proportion of land use type
注：*和**分别示意通过了实在度95%和99%的显贵性检会。
4 论断
本文针对粤港澳大湾区城市河湖水质变化法则复杂、机制不细目等问题，详细推敲了陆面降雨径流、河网及湖泊水能源演进与混浊物输移，诞生了耦合“陆面单位-河网-湖泊”等不同圭臬的“空-地-水”一体化模子，用于城市河湖水质变化法则规划。
以广东惠州金山湖流域为例，模拟磋议了2017年水文、征象条款下流域内水质磋议COD、TP的变化法则，流量、COD和TP率定考证的相对差错均在15%以内。流域合座水质超标风光严重，在时辰上呈枯水期相对丰水期较差的法则，典型枯水月12月湖区每日劣Ⅴ类面积占比均大于96.66%；在空间上呈点源排放密集区域水质相对较差的特征。流域水质与降雨密切相关，全流域年内中小雨时期共出现31次，易在中小雨后的1~3天水质下落；大雨时期共出现8次，流域水质取得改善。从地皮诈欺方法圭臬分析，水质磋议浓度与耕地、农村住户点面积呈显贵正相关，与林大地积呈显贵负相关，标明东谈主类步履强的区域水质相对较差。
本规划诞生的耦合“陆面单位-河网-湖泊”等不同圭臬的“空-地-水”一体化模子随机达成对强东谈主类步履影响下的城市河湖水质变化历程的细巧化模拟，灵验反应流域水质变化机制，为股东流域水环境细巧化不休提供有劲的时期补助，助力形成“东谈主水和谐”的新期间生态娴雅方法。
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