流域非点源污染负荷估算模型的研究

流域非点源污染负荷估算模型的研究

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流域非点源污染负荷估算模型的研究-工程论文 流域非点源污染负荷估算模型的研究 杜娟① DU Juan；赵湘璧① ZHAO Xiang-bi；李怀恩② LI Huai-en （①榆林学院建筑工程系，榆林 719000；②西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，西安 710048） （①Department of Architectural Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China； ②Key Lab of Northwest Water Resource and Environment Ecology of MOE，Xi′an University of Technology，Xi′an 710048，China） 摘要：非点源污染是目前影响水环境质量的主要污染源之一，本文对国内外水环境非点源污染负荷的估算方法进行了总结和分析，介绍了污染分割法、输出系数法、平均浓度法等经验统计方法和ANSWERS、BASINS、SWAT等分布式模型估算方法的特点。在此基础上，提出了如何选用合适的非点源污染负荷估算方法。 Abstract： Non-point source pollution was a major source that influenced water quality. Based on the comprehensive literature review at home and abroad， a review of recent research advancement in non-point source pollution loads estimation methods was presented. The estimation methods could group into two types of experiential statistical method and model estimation method. The principles and applications of experiential statistical methods， such as Pollution Division， export coefficient model， mean concentration method， were

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introduced， and the characteristics and applications of major estimation models， such as Areal Non-point Source Watershed Environment Response Simulation（ANSWERS）， Better Assessment Science Integrating Point and Non-point Sources（BASINS） and Soil and Water Assessment Tools（SWAT） were summarized and analyzed. Finally， the method of estimating the load of non-point source pollution was put forward. 关键词 ： 非点源污染；负荷估算；模型；研究 Key words： non-point pollution；load estimation；model；research 中图分类号：X820.3；F301 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）25-0247-02 基金项目：榆林学院高层次人才启动基金项目14GK31。 作者简介：杜娟（通讯作者）（1987-），女，陕西榆林人，硕士研究生，研究方向为非点源污染与水资源保护。 0 引言 水环境污染可分为点源污染（PSP）和非点源污染（NSP），点源污染易于识别和治理，且随着PSP控制能力的提高，NSP的严重性逐渐显现出来。研究表明：即使PSP得到全面控制，水环境也得不到根本改善，水质达标率仅达42%~65%[1]。 我国属农业大国，随着人口的持续增加以及人类不合理活动的增多，更加剧了水体NSP，导致可用水资源量愈加减少。因此，加强对NSP的研究对解决人类面临的水危机具有重要意义。

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1 非点源污染负荷估算模型 目前针对流域NSP的估算、模拟有多种模型和方法。总体来说有两种途径：①通过分析水文、水质数据，用径流分割法来估算流域NSP的输出量；②分析污染源与控制断面之间的响应关系建立NSP模拟模型，进而估算NSP负荷。 常用的NSP模型分为两大类：集总式模型和分布式模型。 有代表性的集总式模型有：降雨量差值法[2]、相关关系法[3]、平均浓度法[4]、污染分割法[5]、水质水量法[6]、输出系数法[7]等。 降雨量差值法[2]认为：NSP的产生受降雨量和降雨径流过程的影响，其负荷与降雨量的大小密切相关。任意两场洪水（或任意两年）产生的污染负荷（包括点源和非点源）之差应为这两场（或这两年）降雨量之差引起的NSP负荷，即： LA-LB=f（RA）-f（RB）=f（RA-RB）=LnA-LnB（1） 在暴雨径流过程中，N、P等颗粒态污染物的迁移与泥沙输移有密切关系，可以建立NSP负荷-泥沙相关关系[3]。 平均浓度法[4]根据各次降雨径流过程的水量、水质同步监测资料，计算各污染物NSP的平均浓度，以各次暴雨的径流量为权重，求加权平均浓度作为地表径流的平均浓度，与地表径流之积为NSP负荷量。 污染分割法[5]以流域出口断面的径流、水质及径流在年内的分配为基础，进行流域的PSP和NSP负荷的分割，属水文学方法，机理明确，资料易得。 水质水量法[6]根据典型流域各次暴雨水质水量同步监测资料，忽略地表径流迁移过程，利用统计分析方法，建立水质水量之间的相关关系。 输出系数法的一般表达式[7]如下： 避开了NSP发生和发展的复杂过程，且所需参数少，操作简便易行，又具有一定的精度，适合水文水质资料缺乏的地区

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以及大尺度流域，因此得到了广泛的应用。 集总式水文模型（包括经验类模型）主要是通过回归分析的手段建立污染源和监测断面之间的关系，得出污染源合理的相关输出系数，估算整个流域的污染物输出量。 这类模型的精度较低，优点是对数据的需求也比较低，能够简便计算出流域出口或区域单元总污染负荷，表现出较强的实用性和一定的准确性，但由于难以描述污染物迁移的路径与机理，使模型应用受限，且所取经验系数受限于区域，阻碍了系数的通用性和模型的可转移性。因此，这类模型的关键在于如何合理地确定相关经验系数。 在近年NSP负荷的研究中，蔡明[8]对输出系数法进行了改进，利用长年的资料加入了降雨因子和流域损失对于经验系数的影响。 杜娟[9]利用连续多年的实测资料以及两种方法估算结果的比对中，考虑到输移损失的影响，对于已建模型进行修正系数的重新确定，使其更符合流域实际情况。 分布式模型常见的有ANSWERS[10]、 BASINS[11]、 SWAT[12]、GLEAMS[13]、AnnAGNPS等。主要是对流域产汇流过程、水土流失过程和污染物迁移转化过程进行机理层次上的模拟，估算污染源的强度和输出负荷量。NSP模型一般是由四个子模型系统构成的，分别是：降雨径流模型、侵蚀和泥沙输移模型、污染物转化模型、受纳水体水质模型。 分布式模型虽然有较好的耦合作用，模拟精度较高，也可在后期加入LID以及BMPs措施进行具体的流域模拟，但模型前期所需数据庞大（如长期的气象、地

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形、地表资料，及实测的长期水文、水质监测数据），且建模时要求拟合程度高（需进行反复多次的率定、验证），才有模拟流域（区域）的可行性，估算成本较高，但估算结果的实际意义较大。故而在应用分布式模型模拟流域状况时，关键是采用长期的动态跟踪以获得上述的各类参数。 2 结论 综上所述，在对流域（区域）NSP负荷估算时，可同时采用集总式水文模型（包括经验类模型）和分布式模型，互相检验，既可修正经验类模型的相关系数，又有利于模型率定和验证时参数的调整。但无论选取哪一种模型对于NSP负荷进行估算，都必须有实测的水质水量资料作为依据进行检验和校正，以得到更为精确的NSP负荷。 参考文献： [1]宫莹，阮晓红，胡晓东.我国城市地表水环境非点源污染的研究进展[J].中国给水排水，2003（19）. [2]蔡明，李怀恩，庄咏涛.估算流域非点源污染负荷的降雨量差值法[Ｊ].西北农林科技大学学报：自然科学版，2005，33（4）. [3]李怀恩，蔡明.非点源营养负荷-泥沙关系的建立及其应用[Ｊ].地理科学，2003，23（4）. [4]李怀恩.估算非点源污染负荷的平均浓度法及其应用[J].环境科学学报，2000，20（4）：397-400. [5]施为光，凌文州.用实测资料计算流域非点源污染负荷[Ｊ].长江流域资源与环境，1996，5（3）. [6]李国斌，王焰新，程胜高.基于暴雨径流过程监测的非点源污染负荷定量研