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

非点源污染（iup）的形成过程受到许多因素的影响，如区域地理、气候、土壤结构、土地利用类型、植被覆盖和降水过程。具有随机性强、分布范围广、形成机械性复杂等特点。国内外现有NSP负荷预测模型中,考虑污染物迁移机理的模型由于对资料要求条件高,参数众多,率定困难,很难推广。经验模型对资料要求低,特别适合我国对NSP监测资料少、研究基础薄弱的国情,但由于缺乏机理基础,往往精度较低。输出系数法模型利用相对容易得到的土地利用状况等资料估算流域污染物输出量,大大省略了对NSP复杂的过程研究,很大程度上降低了对侵蚀、污染物迁移转化试验和资料的依赖性,降低了建模费用,为大流域NSP负荷的估算提供了一种具有一定精度的应用方法。以往的输出系数法不考虑输出系数的年际变化,本文拟考虑降雨等水文因素的影响,以及污染物在输移过程中的损失等因素,对现有的输出系数模型进行改进,并以渭河流域的资料进行实例分析。1土壤条件的输出系数法模型20世纪70年代初期,美国、加拿大在研究土地利用-营养负荷-湖泊富营养化关系的过程中,提出并应用了输出系数法,或称为单位面积负荷法,这就是初期的输出系数模型。这种方法为人们研究非点源污染提供了一种新的途径。针对初期输出系数模型的不足,许多学者对其进行了改进与发展,极大地促进了输出系数法的研究与应用。其中,Johnes等的研究具有代表性,建立了更为完备的输出系数法模型。在该模型中,他们对种植作物不同的耕地采用了不同的输出系数;对不同种类牲畜根据其数量和分布采用了不同的输出系数;对人口的输出系数则主要根据生活污水的排放和处理状况来选定。在总氮输入方面还考虑了植物的固氮、氮的空气沉降等因素,很大程度上丰富了输出系数法模型的内容,提高了模型对土地利用状况发生改变的灵敏性。模型方程如下:L=∑i=1nEi[Ai(Ii)]+p(1)L=∑i=1nEi[Ai(Ιi)]+p(1)式中:L为营养物流失量;Ei为第i种营养源输出系数;Ai为第i类土地利用类型面积或第i种牲畜数量、人口数量;Ii为第i种营养源营养物输入量;P为降雨输入的营养物量。Ei是流域内不同土地利用类型的营养物输出率。对于牲畜而言,它表示牲畜排泄物直接进入受纳水体的比例,中间应考虑人类收集和储存粪肥过程中氨的挥发;对于人类而言,它反映了当地人群对含磷去污剂的使用状况、饮食营养状况和生活污水处理状况,用下式计算:Eh=Dca×H×365×M×B×Rs×C(2)Eh=Dca×Η×365×Μ×B×Rs×C(2)式中:Eh为人口的N、P年输出(kg/年);Dca为每人营养物日输出量(kg/d);H为流域内人口数量;M为污染处理过程中机械去除营养物系数;B为污水处理过程中生物去除营养物系数;Rs为营养物滞留系数;C为除磷系数。降雨产生的营养物输入量P可表示为P=caQ(3)Ρ=caQ(3)式中:c为雨水中营养物浓度(g/m3);a为年降雨量(m3);Q为径流系数。2流域污染物输移过程改进方法上述模型虽然对土地利用类型和营养物来源的分类较全面,但未考虑产生非点源污染的水文因素的年际变化对模型输出系数的影响,以及流域中污染物在输移过程中的损失,下面分别探讨改进方法。2.1模型预测负荷的影响输出系数模型对水文因素的影响考虑不足,主要体现在:(1)输出系数采用多年平均值,即同一土地利用类型的输出系数不同年份采用同一数值,未考虑降雨对输出系数的影响;(2)对与非点源污染产生有直接关系的降雨、产汇流过程等考虑不足,仅对雨水自身携带的污染物有所考虑。可见要使输出系数模型更加准确地预测不同年分的流域NSP负荷,就必须将年度水文、产汇流等过程对NSP的影响在模型中体现出来。从NSP的成因来看,年NSP负荷与年降雨量之间存在一定关系Mi=f(Pi)(4)Μi=f(Ρi)(4)式中:Mi为第i年流域NSP负荷量;Pi为第i年流域年降雨量。Johnes模型是在不考虑土地利用状况发生年度变化的条件下,预测流域多年平均降雨条件下的非点源污染负荷M¯¯¯¯=f(P¯¯¯)(5)Μ¯=f(Ρ¯)(5)式中:M¯¯¯¯Μ¯为流域多年平均NSP负荷量;P¯¯¯Ρ¯为流域多年平均降雨量。综合式(4)和式(5),得降雨影响系数αα=Mi/M¯¯¯¯(6)α=Μi/Μ¯(6)则考虑降雨影响的输出系数模型为L=α∑i=1nEi[Ai(Ii)]+p(7)L=α∑i=1nEi[Ai(Ιi)]+p(7)2.2流域出口断面nsp-2-年径流模数q一般来说,流域上产生的NSP污染物数量要大于到达流域出口断面污染负荷量,这是因为污染物是伴随着暴雨径流的产生与汇集过程向流域出口断面迁移的,在这个过程中会出现土壤和植被的截留、向地下水的渗透、各种生化反应、泥沙吸附、河流降解等,使得污染物不可能全部到达流域出口断面,即存在流域损失。特别是大流域,由于其产汇流时间长,流域地形、地貌、植被等情况复杂,土地利用类型多样等原因,其流域损失更为显著。文献研究表明,流域出口断面上NSP负荷量与流域污染物产生量之比λ与流域年径流模数q之间存在良好的相关关系:λ=1/(1+RL)=1/(1+aqb)(8)λ=1/(1+RL)=1/(1+aqb)(8)式中:λ为流域损失系数;RL为标准化流域损失量;q为流域年径流模数;a,b为参数,由非线性回归法确定。在式(7)的基础上,因此引入流域损失系数,即可得到考虑流域损失的输出系数模型L=λ{α∑i=1nEi[Ai(Ii)]+p}(9)L=λ{α∑i=1nEi[Ai(Ιi)]+p}(9)3使用示例3.1流域地表环境及水质监测数据分析渭河为黄河的最大支流,发源于甘肃省渭源县,全长818km,流域面积6.25×104km2,多年平均径流量59.3×108m3。渭河在陕西省境内流长502km,流域面积3.38×104km2,沿程依次分布着宝鸡、咸阳、西安、渭南等大中城市和总面积约100×104hm2的九大灌区,人类活动影响显著。渭河流域陕西段的点源和非点源污染均不容忽视。渭河流域陕西段设有13个常年水质监测断面,监控河长495km,有多年水质常规监测资料。本文以临潼水质监测站和监潼水文站作为流域控制断面,以1991～1999年水质和水文监测资料为依据,分别运用上述模型估算流域NSP负荷。总氮是渭河的主要非点源污染物之一,下面均以总氮为例进行分析。3.2约翰逊输出系数模型模型13.2.1营养源输出系数模型1应用的关键是确定输出系数的种类及其取值。根据流域资料分析,可将流域的营养源分为种植用地、城镇用地、自然地、牲畜和人五大类,其输出系数分别用EA、EU、EN、EL和EP表示。其中牲畜又分为大牲畜、猪、羊、家禽四类。(1)化肥损失途径化学氮肥或有机肥施入农田后,其氮素去向有:被作物吸收、残留于土壤及通过各种途径损失。氮肥的施用量I1可从历年陕西统计年鉴查得(表1)。根据文献,在旱作-土壤系统中,麦田上氮肥的损失率在20%～40%,平均为30%;玉米生产中氮肥的损失在26%～52%,平均在40%左右。研究流域内农作物主要以小麦、玉米等粮食作物为主,其种植面积占总种植面积的80%以上,流域氮素损失率取35%。氮肥损失又包括氨的挥发、硝化与反硝化、淋洗及地表径流等。河南封丘潮土-夏玉米系统中氮素损失途径研究中,穴施6cm深的施肥方式下,氨挥发、硝化与反硝化分别占施肥量的12%和18%。黄土高原上没有明显的氮素淋洗损失,因此地表径流引起的氮素损失占施肥量的5%。种植输出系数EA在数值上应与氮素的地表径流损失量相当。综合上述分析,参照种植条件类似地区的实验结论,关中地区平均种植输出系数EA为13.18kg/hm2·年(表1)。(2)系数取值的研究鉴于城镇用地的复杂性、易变性,对其输出系数取值的研究还很不完善。参考文献的研究结果并结合研究流域的具体情况,对研究流域的EU取值为11kg/hm2·年。(3)土壤侵蚀模数s自然地输出系数可以通过研究流域的土壤含氮量和土壤侵蚀模数计算而得EN=10−2SC(10)EΝ=10-2SC(10)式中:EN为自然地输出系数(kg/hm2·年);S为土壤侵蚀模数(t/km2);C为土壤中总氮含量(g/kg)。由文献知陕西省的耕地和非耕地平均含氮量为0.89g/kg·年。关中地区多年平均侵蚀模数为962t/km2。上述各地市自然地平均输出系数取值为8.56kg/hm2·年。(4)畜禽、畜禽有氮污染的来源文献的研究结果表明:大牲畜、猪、羊、家禽等排泄物中氮的含量分别为61.10kg/ca·年、4.51kg/ca·年、2.28kg/ca·年、0.275kg/ca·年。文献对Slapton流域的研究结果表明,上述畜、禽排泄物中氮的输出比例分别为16.71%、16.43%、17.68%和14.89%。上述畜、禽排泄物输出系数分别为10.21kg/ca·年、0.74kg/ca·年、0.40kg/ca·年、0.04kg/ca·年。(5)排气量系数ep根据文献的研究,人的排泄物氮的输出系数为2.14kg/ca·年。这五类输出系数取值见表2。3.2.2总氮负荷来源由表2的输出系数值与流域相关资料(表3),应用模型1可以得到渭河临潼断面1991～1999年的总氮负荷量,结果见表4。由表4知,流域NSP总氮负荷主要来自种植用地、人和自然用地。9年间由于作为营养源的种植用地面积、人口数量、自然地面积综合起来看没有发生明显的变化,因而各年NSP总氮负荷变化也不明显,这正说明模型1对多年平均的情况有一个比较客观和稳定的估计。3.3基于降水影响的输出系数模型模型23.3.1总氮负荷t从NSP形成过程来看,流域NSP负荷与降雨的多少密不可分,它们之间存在着良好的相关关系:L=7.4021P1.2046‚R2=0.9974(11)L=7.4021Ρ1.2046‚R2=0.9974(11)式中:L为渭河临潼断面的NSP总氮负荷(t);P为流域年降雨量(mm)。由式(11)及流域1991～1999年降雨量,得临潼断面的NSP总氮负荷见表5。3.3.2总氮负荷量流域多年平均降雨量P=594mm,由式(11)得流域出口NSP总氮负荷量为16242.70t。由式(6),可得1991～1999年的降雨影响系数α(表5)。3.3.3年际变化不应用模型2,流域1991～1999年NSP总氮负荷的预测结果见表5。由表5可见,模型1的预测结果年际变化不大。在考虑了降雨影响因子α后,各年NSP负荷相差较大,这也更符合流域NSP形成的一般规律,应该说考虑降雨影响的模型2能更客观地反映流域非点源污染的年际变化。3.4流域损失输出系数模型模型33.4.1年径流模型q与rlRL=1/λ−1=aqb(12)RL=1/λ-1=aqb(12)对流域1991～1999年径流模型q与RL作相关分析:RL=7.8662q−1.5143‚R2=0.6156(12)RL=7.8662q-1.5143‚R2=0.6156(12)则:λ=1/(1+7.8662q−1.5143)(14)λ=1/(1+7.8662q-1.5143)(14)3.4.2模型应用应用模型3,流域损失系数λ按式(14)计算,流域1991～1999年NSP氮负荷预测结果见表6。3.53模型预测结果分析3个模型对流域NSP氮负荷的预测与实测见表7,由表7可知,虽然是针对同一流域、同一污染物,不同的模型预测结果却不相同,其原因分析如下:(1)模型1和模型2预测结果较接近,模型2由于考虑了年降雨的影响,使得各年非点源污染负荷随着降雨量的多少而波动,这一点是显而易见的。因此模型2比模型1更趋合理。(2)模型1对多年平均情况有一个比较客观和稳定的估计,而对不同年份的NSP负荷预测和模拟则显得灵敏性较差;模型2对具体年份预测效果较好。(3)模型1、2预测值比实测值大是由于它们均未考虑污染物从产生到流域出口迁移过程中的截留、降解等损失。(4)模型3同时考虑了降雨影响和迁移损失,预测值与实测值的变化趋势基本一致,数值较接近。模型3预测值较实测值小,其原因可能是在实测值中包含了一部分点源排放的污染物,这也进一步说明了模型3用于预测非点源污染的合理性。(5)模型1、2预测值较模型3和实测值大,可以理解为前者预测的是流域产生的NSP负荷总量,模型3反映的是流域向下游输出的NSP负荷量,而实测值是由断面定期水质监测数据与水文资料经计算获得,反映的是流域向下游输送的污染物总量(包括点源和非点源的量)。(6)由于研究问题的角度