小流域徑流面源污染負荷產(chǎn)生過程研究

劉甜甜，韓龍喜,2，孫明園，周夢甜，姜彬彬

（1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098）

0 引言

隨著點源污染治理工作的深入開展，我國點源污染已初步得到控制，但流域面源污染比重不斷上升，面源污染已成為水污染綜合治理的主要對象（例如，太湖流域的面源污染是太湖流域水污染的主要來源[1]）。面源污染物在地表進行積累，并伴隨著降雨沖刷和地表輸移進入附近水體，造成水體污染。由于其污染物種類和形態(tài)非常復(fù)雜，且受到眾多復(fù)雜因素影響，具有隨機性、長期性、滯后性、不確定性等特點[2]。

面源污染的研究早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)被開展，國外學(xué)者常采用ARM，SWMM，STORM等面源污染物計算模型進行流域面源污染負荷研究[3-4]。由于我國面源污染研究起步較晚，我國學(xué)者一般根據(jù)需要對國外現(xiàn)有模型進行修正，目前主流的面源污染負荷估算方法為機理模型法和經(jīng)驗?zāi)Ｐ头╗5]。龍?zhí)煊宓萚6]以面源污染負荷輸出系數(shù)法為基礎(chǔ)，引入污染負荷系數(shù)，建立了流域非點源氮磷負荷的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合分布式SLURP水文模型，預(yù)測了2020年三峽庫區(qū)流域出口非點源氮磷全年負荷總量；蔡明等[7]以渭河流域水質(zhì)和水文監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，建立研究區(qū)域降雨量與非點源污染負荷之間的相關(guān)關(guān)系，計算流域單次降雨產(chǎn)生的非點源污染負荷總量；周明濤等[8]通過對鎮(zhèn)江古運河降雨量、降雨徑流污染物量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，建立了降雨量—徑流污染方程，并運用灰色理論對未來降雨量進行預(yù)測，得出降雨徑流面源污染年負荷總量。

至今為止，關(guān)于流域降雨徑流污染負荷的眾多研究，大多只給出了單次降雨所產(chǎn)生面源污染負荷總量，鮮有污染負荷入庫時間變化過程研究。基于此現(xiàn)狀，本文以西麗水庫主要河流控制斷面水量、水質(zhì)的實測值為基礎(chǔ)，建立各控制斷面面源污染物濃度與累積徑流量相關(guān)關(guān)系，并進一步得到1次典型降雨過程控制斷面面源污染負荷單位時間通量隨時間的變化過程。

1 典型研究區(qū)概況

西麗水庫地處珠江三角洲水系的大沙河上游，羊臺山南麓，深圳市南山區(qū)西麗街道，水域面積約4.6 km2，總庫容3412萬m3，有3條主要的入庫河流，分別為白芒河、麻磡河和大磡河，是深圳市重要的飲用水源庫之一。各主要入庫河流控制斷面集水范圍及地理參數(shù)分別見圖1和表1。

西麗水庫流域地處低緯南亞熱帶地區(qū)，年平均氣溫22.4℃，雨量年內(nèi)分配不均，汛期4～9月份的降雨量約占年雨量的85%，年內(nèi)變化大。流域內(nèi)河流屬雨源型，其徑流量、流量和洪峰的大小都與降雨量密切相關(guān)。據(jù)1966～1993年入庫水量統(tǒng)計，入庫水量年平均1991萬m3，豐水年與枯水年之比約為6：1，年入庫流量變化基本與降雨量變化相吻合。

圖1 西麗水庫流域主要入庫河流集水單元

表1 各主要河流控制斷面地理參數(shù)

2 小流域產(chǎn)匯流過程模擬

2.1 產(chǎn)匯流過程模擬方法

采用相關(guān)文獻[9]推薦的綜合單位線法，通過設(shè)計暴雨推求主要入庫河流入庫控制斷面設(shè)計洪水過程。即由匯水區(qū)域不同歷時設(shè)計暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖得到集水區(qū)域中心點的不同歷時設(shè)計暴雨量；按暴雨量面～點相關(guān)關(guān)系曲線得到相應(yīng)匯水區(qū)域設(shè)計暴雨量；以同頻率不同歷時的面雨量通過長包短控制，按設(shè)計雨型求出設(shè)計暴雨的時程分配（即設(shè)計降雨過程）；經(jīng)產(chǎn)流計算得設(shè)計凈雨過程；通過匯流計算求得設(shè)計洪水過程，即主要河流入庫流量過程。

2.2 產(chǎn)匯流過程模擬結(jié)果

2.2.1 流域降雨過程模擬結(jié)果

選用西麗水庫流域5年一遇的暴雨量 （24 h降雨217 mm）作為設(shè)計降雨雨量，并采用上述方法對降雨過程進行設(shè)計計算，設(shè)計暴雨過程見圖2。

圖2 西麗水庫設(shè)計暴雨過程

2.2.2 流域產(chǎn)匯流過程模擬結(jié)果

采用水庫設(shè)計暴雨過程及產(chǎn)匯流過程模擬方法計算得到西麗水庫各主要入庫河流（白芒河、麻磡河、大磡河）匯水區(qū)域產(chǎn)流單位線及設(shè)計流量過程線計算結(jié)果分別見圖3和圖4。

圖3 各主要入庫河流匯水區(qū)域產(chǎn)流時段單位線（q為匯水區(qū)域1 mm降雨在控制斷面產(chǎn)生的流量）

圖4 各主要入庫河流匯水區(qū)域設(shè)計降雨過程及設(shè)計流量過程線(Q為匯水區(qū)域設(shè)計降雨在控制斷面產(chǎn)生的流量）

由圖3、圖4可知，在研究區(qū)域5年一遇暴雨情況下，白芒河、麻磡河及大磡河入庫控制斷面分別在降雨發(fā)生2.33～2.5 h之間開始有匯流經(jīng)過。設(shè)計暴雨過程最大雨強發(fā)生與各控制斷面流量出現(xiàn)峰值之間存在0.83～1 h的時間差值。

3 面源污染負荷產(chǎn)生過程模擬分析

3.1 流域面源負荷數(shù)學(xué)模型的建立

何流[10]認(rèn)為降雨徑流隨累積徑流量的增長，污染物濃度逐漸下降直至穩(wěn)定。基于研究區(qū)域降雨量為188 mm的一場降雨在入庫斷面產(chǎn)生的水量、水質(zhì)實測數(shù)據(jù)，分別采用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)擬合分析，結(jié)果表明指數(shù)函數(shù)能較好擬合研究區(qū)域面源污染物濃度與累積徑流量相關(guān)關(guān)系，其中白芒河、麻磡河入庫斷面實測COD，NH3-N濃度與累積徑流量響應(yīng)關(guān)系數(shù)學(xué)函數(shù)表達式分別為：

式中：y為控制斷面實測污染物質(zhì)量濃度，mg/L；x為控制斷面實測累積徑流量，m3。

流域控制斷面污染負荷通量是研究區(qū)域點源污染負荷與面源污染負荷之和。依據(jù)《南山區(qū)飲用水源保護區(qū)污染源調(diào)查總結(jié)報告》可知，研究流域范圍內(nèi)的工業(yè)企業(yè)和三小場所共計1 408家，其中工業(yè)企業(yè)共785家，三小場所共623家。785家工業(yè)企業(yè)中，其中白芒村有企業(yè)288家；大磡村企業(yè)400家；麻磡村有企業(yè)97家。623家三小場所中白芒村、麻磡村和大磡村分別為159，103，361家。研究范圍內(nèi)白芒河的企業(yè)排污管網(wǎng)接入比例最大，其次為大磡村，麻磡村接入比例最小。由于面源污染物的產(chǎn)生受降雨過程影響，其通量隨時間變化過程與降雨過程密切相關(guān)。對于研究區(qū)域，分別在降雨期（2008年4月19日）、非降雨期（2008年2月20日）對控制斷面流量、污染物濃度時間變化過程進行了現(xiàn)場取樣檢測。根據(jù)降雨期實測流量、污染物濃度時間變化過程，推算得到實測累積徑流量、累積污染物入庫通量時間變化過程，再扣除入庫基流及其入庫污染負荷累積通量的影響，求得降雨期間扣除控制斷面基流及其攜帶的污染負荷后的累積降雨徑流量、累積面源污染物負荷時間變化過程，經(jīng)數(shù)學(xué)擬合可得入庫面源污染物濃度與累積徑流量動態(tài)響應(yīng)關(guān)系曲線（見圖5、圖6）及響應(yīng)關(guān)系式。其中，白芒河、麻磡河入庫斷面面源COD，NH3-N濃度與累積徑流量響應(yīng)關(guān)系數(shù)學(xué)函數(shù)表達式分別為：

式中：y為控制斷面面源污染物質(zhì)量濃度，mg/L；x為控制斷面地表徑流累積徑流量，m3。

圖5 白芒河入庫面源污染物濃度隨累積徑流量變化曲線

圖6 麻磡河入庫面源污染物濃度隨累積徑流量變化曲線

3.2 流域入庫面源污染物濃度時間過程分析

根據(jù)白芒河、麻磡河入庫面源污染物濃度與設(shè)計累積徑流量的對應(yīng)關(guān)系（公式5～8）及白芒河、麻磡河設(shè)計流量時間變化過程（圖4），得到不同時刻的累積徑流量及其對應(yīng)的入庫面源污染物濃度，再由累積徑流量的時間變化過程，最終得到入庫面源污染物濃度的時間變化過程，其中白芒河、麻磡河面源COD濃度的時間變化過程見圖7。

圖7 白芒河、麻磡河入庫面源COD濃度時間過程

由于降雨過程中單位時間內(nèi)累積徑流量的增加量不同、河流控制斷面流經(jīng)相同累積徑流量時入庫面源污染物濃度的變化量不同，各主要河流入庫面源COD濃度隨降雨歷時的增加以不同速率降低，直至最后趨于穩(wěn)定。其中白芒河流域初始COD質(zhì)量濃度為941 mg/L，在降雨發(fā)生9.83 h時開始逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定質(zhì)量濃度約為98 mg/L；麻磡河流域初始COD質(zhì)量濃度為555 mg/L，在降雨發(fā)生6.50 h時開始逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定質(zhì)量濃度約為12 mg/L。

3.3 流域入庫面源污染物通量時間變化過程分析

由研究區(qū)域主要河流控制斷面污染物濃度時間變化過程及設(shè)計流量時間變化過程可得入庫污染物通量時間變化過程，其中白芒河、麻磡河控制斷面面源COD入庫通量時間變化過程分別見圖8。

圖8 白芒河、麻磡河面源COD入庫通量時間過程

由圖8可知，白芒河及麻磡河控制斷面面源COD入庫通量隨降雨歷時的增加呈現(xiàn)波動的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由控制斷面污染物濃度與斷面設(shè)計徑流量相同時刻的變化率不同造成的。如白芒河降雨發(fā)生2.50～4.83 h時段，控制斷面污染物濃度下降速度較平緩，斷面流量又不斷增加，故面源入庫通量不斷增大。降雨發(fā)生4.83～7.00 h時段，隨著控制斷面污染物濃度的快速下降，斷面設(shè)計流量增加幅度較小，因此控制斷面面源COD入庫通量隨之降低。

4 結(jié)論

（1）基于西麗水庫主要河流控制斷面水量、水質(zhì)同步觀測時間序列資料得到的研究區(qū)域入庫面源污染物通量時間變化過程，考慮了面源污染物隨地表徑流疏移至控制斷面的損失，提高了模擬計算的精度。

（2）由于降雨產(chǎn)流產(chǎn)污與降雨過程之間存在時間滯后效應(yīng)，各主要河流匯水區(qū)域面源污染負荷在降雨發(fā)生一段時間后開始進入水庫。地表徑流匯至控制斷面初始時刻入庫面源污染物濃度達到峰值，并在隨后較短時間內(nèi)以較慢的速率下降，之后隨著徑流量的增加，面源污染物濃度下降速度較快。

（3）通過對流域降雨產(chǎn)流產(chǎn)污過程研究發(fā)現(xiàn)，降雨初期徑流中面源污染負荷所占比重較大。例如在研究區(qū)域5年一遇暴雨情況下，降雨前10 h產(chǎn)生的地表徑流所含白芒河入庫COD負荷占整個降雨過程白芒河面源入庫COD總負荷的70.98%；降雨前10 h產(chǎn)生的地表徑流所含麻磡河入庫COD負荷占整個降雨過程麻磡河面源入庫COD總負荷的68.81%。