GWLF模型的原理、结构及应用

GWLF(Generalized Watershed Loading Function)模型是一个半分布式、半经验式的流域负荷模型。它能够利用GIS及RS提供的空间数据,在中型尺度流域的范围内进行非点源污染负荷估算,模型比较适合于数据量少,参数相对缺乏的地区。重点介绍了GWLF模型的污染物负荷估算的原理,同时将GWLF模型应用于天津市于桥水库流域,利用沙河流域1999年水量、水质数据进行校准,初步估算出于桥水库上游流域的非点源负荷。

QUAL2Kw-GWLF模型联用在新安江干流黄山段的应用研究

在新安江干流黄山段进行通用流域污染负荷模型(GWLF)与一维河道水质模型(QUAL2Kw)模型联用研究,以实现水质模型在面源污染为主导的河段开展应用。将GWLF模型的面源负荷结果作为QUAL2Kw模型的面源输入,结合点源排放数据,进行水质模拟。结果表明:通过与GWLF模型联用,QUAL2Kw模型能够较好地模拟出河道水质状况。干流面源污染对街口断面活性CBOD、总氮、氨氮、硝态氮的占有比例最为显著,分别占到全部负荷的31.78%、45.85%、23.11%、70.86%。上述各污染源对街口断面污染物的占有比例有利于相关水质管理部门开展有针对性的污染减排措施,实现对流域水环境的有效保护。

基于GWLF模型的流域总氮负荷模拟及污染源解析

污染物来源的定量解析,是污染物削减方案制定及控制措施优选的重要依据。选取了GWLF(Generalized Watershed Loading Functions)模型,对其农村生活及畜禽养殖模块进行改进,模拟了柳河上游的月径流及总氮负荷,并基于模型结果分析了各污染源的贡献率及其季节性差异。除个别汛期峰值月份模拟值偏低外,模型对月径流及总氮负荷模拟效果较好。污染源解析结果表明:总氮污染源贡献率季节性差异明显,总体上,非点源污染的贡献率在汛期要高于非汛期;点源污染在非汛期的贡献率远高于汛期,是非汛期的最主要的污染源。为了有效地削减和控制柳河流域氮污染,在负荷削减方案制定及控制措施选取中应充分考虑汛期与非汛期污染源组成的差异。

面向行政区的总氮污染源解析——以新安江流域重点区县GWLF模型应用为例

提出了一种面向行政区总氮污染源解析的流域模型技术方法,基于广义流域负荷模型(GWLF),结合净氮负荷输入系统(NANI),利用地理信息系统(GIS)空间分析技术,衔接子流域分区和行政区管理边界,实现面向人为定义空间区域模拟的流域模型应用,并在中国安徽省黄山市新安江流域针对重点区县开展了案例研究。结果表明:休宁县、屯溪区、歙县对街口国控断面总氮污染物的比例分别为15.5%、41.4%、43.1%;不同区县内对流域出口的总氮污染物所占比例呈现行政区域特征。本研究方法能够实现对新安江流域总氮污染负荷来源的行政区差异性解析,进而针对不同区县污染特征开展有针对性的污染治理措施,为水环境分区化管理提供有效的决策支持信息。

GWLF模型的改进及其在新安江流域的应用研究

通用流域污染负荷方程(generalized watershed loading function,简称GWLF)作为一个简单有效的集总参数流域模型已经受到了国内外研究者的广泛认可。在笔者前期研究成果的基础上,对原始GWLF模型的算法和已有水文框架进行了深入修改,添加了河道模块内泥沙悬浮、沉积过程以及污染物衰减过程,进一步增加了模型在空间属性基础上的通用性。以安徽省新安江屯溪监测站为收口断面的上游流域为研究区域,对改进后的GWLF模型(revised GWLF)进行了应用测试,并在月尺度上针对流量、泥沙量、溶解性氮负荷量和溶解性磷负荷量的模型输出结果与原始GWLF模型进行了比较。3项统计学指标和时间序列图表明,改进版模型能够在不添加额外数据需求的前提下,更好地重现流域内水文、泥沙和水质的循环过程。

基于GWLF模型的于桥水库流域氮磷负荷估算及来源变化解析

外源氮磷污染物输入是于桥水库富营养化加剧的主要原因之一。为了研究“水十条”实施以来于桥水库流域氮磷污染负荷的变化,采用GWLF模型模拟各个子流域产流量,再乘以子流域出口断面总氮(TN)、总磷(TP)监测浓度,进而估算整个流域氮磷污染负荷,并对2016—2017年氮磷污染的来源和变化情况进行分析。结果显示:2016—2017年于桥水库流域年均TN负荷2574.6 t,TP负荷94.6 t。引滦调水、入境河流、库周产流和大气降水对TN的贡献占比分别为27.9%、46.8%、17.3%和8.0%,对TP贡献占比分别为66.3%、17.3%、13.6%和2.8%。与2016年相比,2017年流域TN负荷增加35.6%,主要是由于引滦调水TN浓度大幅上升(增幅239%)、沙河等流域产流量增加(增幅11.4%)导致;2017年流域TP负荷减少74.0%,主要是由于引滦调水和沙河等河流TP浓度均明显下降(降幅分别为87.8%和71.0%)导致。因此,建议于桥水库流域环境管理部门加强总氮面源污染防控,同时选择大黑汀水库氮磷浓度较低的时期调水,以减少氮磷污染负荷。

基于GWLF模型的新安江上游练江流域面源污染特征解析

应用通用流域污染负荷模型(GWLF),对新安江上游练江流域2005-2012年的水文化学过程进行了模拟,在月尺度上评估了流域把口断面的水量及溶解性总氮污染物通量,并解析了其负荷来源分配。结果表明:GWLF模型能够作为有效的决策支持工具对目标流域开展有效评估,模拟结果纳氏效率系数在0.75以上。从年均水平上看,流域溶解态总氮主要通过地表径流和地下水传输,分别占到全部负荷量的42%和40%,且与流域水文关系密切。水质较差的风险敏感期主要出现在水量较少的时段,且该期间内农村生活源(37%)和点源(9%)贡献相对显著,应予以特别关注。上述流域面源污染特征解析结果能够为实施有针对性的管理措施提供参考。

基于 GWLF 模型的于桥水库入库河流水文模拟及氮磷负荷估算

流域模型技术应用是当前开展面源污染防治的重要工具,而水文过程的准确模拟是进行污染负荷估算的首要环节和关键步骤。为了弄清近年来于桥水库入库河流氮、磷输入负荷,选取GWLF模型对水平口子流域的水文过程进行模拟,首先利用2006—2018年气象、水文资料率定模型水文参数,然后将参数推广到整个流域,对2019—2020年3条主要入库河流流量进行模拟,最后乘以相应河流断面的总氮、总磷浓度估算氮磷输入负荷。结果显示:GWLF模型适用于研究区的水文过程模拟,校准期和验证期的纳氏系数分别为0.89和0.91,平均相对误差分别为12.2%和13.1%;2020年总氮入库负荷为3977.0 t,其中引滦调水贡献占57.0%,3条入库河流共贡献43.0%;总磷入库负荷为48.8 t,其中引滦调水贡献占68.6%,3条入库河流共贡献31.4%。GWLF模型输入数据需求量较少,模型参数较少,模拟效果较好,适用于中小型流域的水资源和水环境管理,具有一定的推广应用前景。

天津市于桥水库饮用水源地保护对策研究

于桥水库作为天津市最重要的饮用水水源地,其库区水体氮、磷浓度接近国家标准阈值,亟需采取保护防治措施缓解水体氮、磷污染负荷压力。本文基于水库型饮用水水源地环境保护技术框架的一般思路,开展了对于桥水库水环境治理技术方案的分析研究。首先,使用GWLF(普适流域负荷函数)模型对水库周边流域污染源负荷进行识别与负荷解析;之后,基于最佳管理实践(BMP)和低影响开发(LID)的理念和方法,同时根据于桥水库的具体实际情况,提出相应的工程治理措施,并采用BATHTUB模型对各工程措施进行环境效益评估计算;最后使用模糊层次分析法(FAHP)对各工程措施进行择优分析,得出最佳治理实施方案。

未来气候变化影响下的流域面源污染负荷特征响应评估

针对流域面源污染负荷在未来气候变化影响下的变化特征,以我国新安江上游率水流域为例,使用通用流域污染负荷模型(GWLF),对其2000-2013年的水量及总氮、总磷面源污染负荷通量进行了模拟,并解析了其负荷来源分配。在此基础上,基于政府间气候变化专业委员会(IPCC)的气候变化评估报告结果,利用GWLF模型分析了到21世纪20年代、50年代、80年代在A1FI(最高排放)和B1(最低排放)情景下,率水流域的水文及总氮、总磷面源污染负荷特征变化。结果表明:未来气候变化对流域水文及面源污染负荷特征均有一定影响。年水资源量先减少后增加,地表径流量和蒸发量逐渐上升而地下水量逐渐下降。到2080s,A1FI情景比B1情景有更多的水资源量。年总氮通量先增加后减少,在2050s最高,而年总磷通量则逐渐增加,且两种污染物均在A1FI排放情景下有更高的污染负荷量,表明人类温室气体的排放会潜在地增加流域水体面源污染负荷。

区域营养盐管理模型在沙河流域的应用

应用基于经典广义流域负荷函数(GWLF)模式开发的区域营养盐管理模型,以天津市饮用水水源地于桥水库上游沙河流域为研究对象开展模拟实践研究。本研究基于我国可获得数据量的一般水平,实现了对沙河流域氮污染物环境行为过程的评估,包括对产流量和溶解态氮通量在月尺度上的模拟,以及对溶解态氮污染物的来源进行源解析,模拟精度可靠,结果能够满足管理需求,可作为该模型在我国的进一步推广应用的例证与参考。

沙河流域非点源溶解态氮负荷模拟及源解析

利用通用流域负荷模型(GWLF)对沙河流域2006—2012年的溶解态氮(DN)负荷进行了定量分析和来源解析,并基于模型分析了各污染源的季节性差异。模型在沙河流域适用性良好,月径流和DN负荷在校准期和验证期的ENS和R2都大于0.6,模型具备可靠的模拟能力。模拟结果表明,沙河流域DN年均负荷以非点源污染为主,占总污染负荷的82.7%。在所有土地利用类型中,耕地的DN负荷贡献率最大(64.5%),表明人类影响下的农业生产活动是流域非点源污染最主要的来源。同时,沙河流域DN负荷污染源组成表现出明显的季节性差异,丰水期地表径流是最主要的污染源(47.0%),而枯水期农村生活污染源(45.0%)和点源(23.1%)贡献相对显著。因此,在制定负荷削减方案时,应考虑氮污染源的季节性。

柳河流域特征污染物负荷模拟及污染源解析

基于通用流域负荷模型(GWLF模型),选取柳河流域为研究对象,利用2006-2014年的水文水质数据进行水文化学过程的模拟,评估流域节点断面的月径流量及特征污染物负荷通量,根据模型结果分析了特征污染物的污染来源及贡献率。结果表明,从年际变化上看,COD、氨氮和总氮的总负荷通量近年来有所下降,总磷的总负荷通量呈逐年上升趋势。从年均水平上看,COD、氨氮的点源污染与非点源污染贡献率相差不大,均接近50%;总氮的非点源污染贡献率远远高于点源污染,贡献率高达79.6%;总磷的污染来源主要为点源污染,贡献率高达74.9%。根据特征污染物的污染源解析结果,提出有针对性的削减和控制污染的措施,为流域水污染管控提供依据。

引滦入津上下游横向生态补偿政策实施效果评价与分析

本文为评价《引滦入津上下游横向生态补偿的协议》实施效果,采用对比分析法对于桥水库流域生态补偿效果进行评价。结果显示,2016—2020年,于桥水库及其上游来水水质改善明显,2020年沙河、黎河及于桥水库水污染指数(WPI)较2016年分别下降58.3%、54.0%和32.6%,2020年沙河、黎河单位水量携带总磷负荷量较2016年分别减少57.4%和87.9%,有机污染负荷量均有不同程度的减少,但总氮负荷量分别增加4.3%和4.5%。引滦入津上下游横向生态补偿政策实施后,流域水质得到明显改善,但上游区域应进一步加强流域氮污染防治力度,并选择上游水质较好的月份调水,以减少氮污染输入。