流域非点源污染负荷估算模型的研究.doc

流域非点源污染负荷估算模型的研究 杜娟DUJuan；赵湘璧ZHAOXiang-bi；李怀恩LIHuai-en （榆林学院建筑工程系，榆林719000；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） （DepartmentofArchitecturalEngineering，YulinUniversity，Yulin719000，China； KeyLabofNorthwestWaterResourceandEnvironmentEcologyofMOE，XianUniversityofTechnology，Xian710048，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-pointsourcepollutionwasamajorsourcethatinfluencedwaterquality.Basedontheprehensiveliteraturereviewathomeandabroad，areviewofrecentresearchadvancementinnon-pointsourcepollutionloadsestimationmethodswaspresented.Theestimationmethodscouldgroupintotwotypesofexperientialstatisticalmethodandmodelestimationmethod.Theprinciplesandapplicationsofexperientialstatisticalmethods，suchasPollutionDivision，exportcoefficientmodel，meanconcentrationmethod，wereintroduced，andthecharacteristicsandapplicationsofmajorestimationmodels，suchasArealNon-pointSourceWatershedEnvironmentResponseSimulation（ANSWERS），BetterAssessmentScienceIntegratingPointandNon-pointSources（BASINS）andSoilandWaterAssessmentTools（SWAT）weresummarizedandanalyzed.Finally，themethodofestimatingtheloadofnon-pointsourcepollutionwasputforward. 关键词：非点源污染；负荷估算；模型；研究 Keywords：non-pointpollution；loadestimation；model；research ：X820.3；F301：A：1006-4311（xx）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。 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：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；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ANSWERS10、BASINS11、SWAT12、GLEAMS13、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，xx（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.西北农林科技大学学报：自然科学版，xx，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.地理科学，xx，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.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究.环境保护，xx（5）. 7THORNTONJA.AssessmentandControlofNon-pointSourcePollutionofAquaticEcosystems：aPracticalApproachM.PearlRiver，NewYork：TheParthenonPublishingGroup，1999：296-299. 8蔡明，李怀恩，庄咏涛，王清华.改进的输出系数法在流域非点源污染负荷估算中的应用J.水利学报，xx（7）：40-45. 9杜娟，李怀恩，李家科.基于实测资料的输出系数分析与陕西沣河流域非点源负荷探讨J.农业环境科学学报，xx，5. 10BouraouiF，DillahaTA.ANSWERS-2000：RunoffandsedimenttransportmodelJournalofEnvironmentalEngineering，1996，122：493-502. 11WHITTEMORERC.TheBAS