申其明，鄭火炬

（1：長(zhǎng)江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，湖北武漢 430015；2：中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410007）

近年來(lái)，隨著點(diǎn)源污染逐步得到控制，非點(diǎn)源污染在水體污染中開(kāi)始占據(jù)較大的比重[1]。在國(guó)外，Holden J等[2]認(rèn)為在英國(guó)河流水體中有超過(guò)60%的硝酸鹽和超過(guò)75%污染水體的沉積物來(lái)自非點(diǎn)源污染。在美國(guó)，非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為環(huán)境污染的主要因素之一，60%的水資源污染源于非點(diǎn)源污染[3]。在我國(guó)，據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》顯示，我國(guó)非點(diǎn)源污染已是污染源之首。在太湖流域，非點(diǎn)源污染對(duì)氮和總磷的貢獻(xiàn)率分別為83%和84%[4]。

針對(duì)非點(diǎn)源污染危害嚴(yán)重、監(jiān)測(cè)難度大等問(wèn)題[5]，很多學(xué)者在計(jì)算非點(diǎn)源污染負(fù)荷時(shí)對(duì)其進(jìn)行了概化和估算。對(duì)于非點(diǎn)源污染，可以確定的是其距離河道距離越遠(yuǎn)則對(duì)河道水質(zhì)的影響越小，這種關(guān)系往往通過(guò)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)或率定輸出系數(shù)進(jìn)行估算[7]。目前非點(diǎn)源污染的概化估算主要有排污系數(shù)法[6]、輸出系數(shù)法[7]和模型法[8]等。以上各方法在非點(diǎn)源污染計(jì)算方面已得到廣泛應(yīng)用，然而在實(shí)際過(guò)程中，非點(diǎn)源污染在徑流過(guò)程中污染物的衰減對(duì)于其入河量具有較大的影響，其初期污染物濃度顯著高于后期[9]。而以上方法未能對(duì)該過(guò)程進(jìn)行量化分析。

本文重點(diǎn)考慮在徑流過(guò)程中污染物的衰減對(duì)于其入河量的影響，探究該過(guò)程中非點(diǎn)源污染入河系數(shù)和污染源與河道距離之間的關(guān)系。通過(guò)將該方法應(yīng)用于杭嘉湖地區(qū)的水質(zhì)模擬，來(lái)分析該地區(qū)各污染源對(duì)其內(nèi)部河網(wǎng)水質(zhì)的影響。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)收集

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于浙江省杭嘉湖區(qū)北部，地理坐標(biāo)為120°34′E—120°86′E，30°74′N(xiāo)—31°01′N(xiāo)，面積約984km2，境內(nèi)地勢(shì)低洼，高程在2.5—4.5m之間，平均高程3m左右，邊緣地勢(shì)相對(duì)較高，高程在4.0—4.5m之間，中部與東北部地勢(shì)低洼，高程僅2.5—3.5m，中部地勢(shì)最低。研究區(qū)域?qū)儆谄皆泳W(wǎng)地區(qū)，內(nèi)部大小河流超過(guò)4 000條，河網(wǎng)平均密度為12.7km/km2，河流上水工建筑物數(shù)量較多，且受人類(lèi)活動(dòng)影響較大。大部分河流流向難以確定，研究區(qū)域水系及水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域氮、磷污染所占比重較大，污染類(lèi)型以面源污染為主，污染物來(lái)源主要包括農(nóng)業(yè)化肥、畜禽養(yǎng)殖、工業(yè)廢水等[10]。研究區(qū)域河流水質(zhì)以Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)水為主。研究區(qū)域水質(zhì)在每年5月至9月時(shí)段內(nèi)變化幅度較大，在此時(shí)段內(nèi)研究區(qū)域降雨量較大，約700mm，占全年降雨的60.8%。在降雨時(shí)段內(nèi)，污染物伴隨降雨直接匯入研究區(qū)域的河道當(dāng)中，對(duì)水體水質(zhì)影響較大。

1.2 數(shù)據(jù)收集

本次研究收集了2015年研究區(qū)域7個(gè)水文站點(diǎn)的逐日流量數(shù)據(jù)及3個(gè)水位站點(diǎn)的逐日水位數(shù)據(jù)用于水動(dòng)力模型的模擬計(jì)算，11個(gè)水質(zhì)站點(diǎn)的逐月水質(zhì)數(shù)據(jù)用于水質(zhì)模型的模擬計(jì)算，此外還收集了研究區(qū)域517條河道的共計(jì)4 275個(gè)河道斷面地形資料用于建立模型。

研究還收集了2015年研究區(qū)域的污染源統(tǒng)計(jì)資料及33個(gè)污水處理廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)用于污染物產(chǎn)生量計(jì)算。根據(jù)2016年吳江市環(huán)保局與秀洲區(qū)環(huán)保局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究區(qū)域內(nèi)部城市人口約47.48萬(wàn)人，農(nóng)村人口約27.72萬(wàn)人，生豬存欄68.44萬(wàn)頭，肉羊存欄7.65萬(wàn)只，雞養(yǎng)殖86.16萬(wàn)羽，水產(chǎn)養(yǎng)殖面積18.55萬(wàn)畝，農(nóng)作物面積67.05萬(wàn)畝，2015年研究區(qū)域氮肥施用量為17 184噸，磷肥使用量為3 584噸。

2 研究方法

2.1 水動(dòng)力模型

根據(jù)研究區(qū)域的地形及水系情況，為建立水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，將研究區(qū)域分為65個(gè)集水區(qū)，其中包括52個(gè)圩區(qū)集水區(qū)和13個(gè)湖泊集水區(qū)，將其河道概化為199條圩外河道和318條圩內(nèi)河道，概化主要水工建筑物215個(gè)。

由于研究區(qū)域水工建筑物數(shù)量較多，而MIKE 11模型水工建筑物模塊相較于其它模型而言較為完善，因此本文通過(guò)MIKE 11的HD模型和NAM模型構(gòu)建了研究區(qū)域的水動(dòng)力模型[11]，HD模型計(jì)算采用圣維南方程組：

式中：A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；t為時(shí)間坐標(biāo)，s；Q為流量，m3/s；x為距離坐標(biāo)，m；q為旁側(cè)入流流量，m3/s；g為重力加速度，m/s2；n為曼寧糙率系數(shù)。方程組采用Abbott六點(diǎn)隱式有限差分格式求解。

模型假定條件為：流速沿整個(gè)過(guò)水?dāng)嗝婢鶆蚍植?，不考慮水流垂直方向的交換和垂直加速度，河床比降較小。研究區(qū)域河網(wǎng)水動(dòng)力條件滿足以上假定，因此可以使用MIKE 11水動(dòng)力模型對(duì)研究區(qū)域水動(dòng)力條件進(jìn)行模擬。

2.2 水質(zhì)模型

2.2.1 基本方程

水質(zhì)模型通過(guò)MIKE 11 AD模塊建立，AD模塊用于模擬在水動(dòng)力條件下污染物的遷移擴(kuò)散與衰減過(guò)程，其基本方程為：

式中：C為模擬污染物的濃度，mg/L；v為河流斷面的平均流速，m/s；Ex為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；k為模擬污染物的一級(jí)衰減系數(shù)，s-1；x為斷面空間坐標(biāo)，m；t為時(shí)間坐標(biāo)，s。

AD模塊基本假設(shè)為：污染物在斷面上均勻分布，點(diǎn)源污染入河時(shí)立即均勻混合；污染物濃度的衰減過(guò)程遵循線性規(guī)律；在一定距離處，污染物濃度隨時(shí)間變化率為擴(kuò)散通量的負(fù)值。

2.2.2 污染負(fù)荷入河量計(jì)算方法

研究區(qū)域的污染包括點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染，點(diǎn)源污染包括研究區(qū)域內(nèi)各入河排污口。由于研究區(qū)域內(nèi)部河網(wǎng)密度較大，點(diǎn)污染源與河道之間的距離往往較小，因此本文取點(diǎn)源污染的入河系數(shù)為1.0。本文共統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)域內(nèi)污水處理廠33個(gè)，其污水排放位置按照實(shí)際排放去向進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于未知排向的排污口，本文將其設(shè)置到距離最近的河道中。

非點(diǎn)源污染伴隨降雨徑流過(guò)程最終匯入研究區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)當(dāng)中，與點(diǎn)源污染不同的是，非點(diǎn)源污染入河系數(shù)往往與污染源與河道距離和污染物淋失比有關(guān)，而本文研究的重點(diǎn)在于非點(diǎn)源污染在降雨徑流作用下的衰減過(guò)程，應(yīng)著重考慮如何根據(jù)污染源距離河道的距離來(lái)對(duì)污染物的濃度衰減過(guò)程進(jìn)行概化。

由于概化的重點(diǎn)是面源污染產(chǎn)生的污染物在匯入河道前的衰減過(guò)程，考慮到研究區(qū)域?qū)儆谄皆泳W(wǎng)地區(qū)，集水區(qū)伴隨降雨產(chǎn)生的徑流流量相對(duì)于主干河道流量較小，且在匯流過(guò)程中流速較慢，因此在不考慮污染物的擴(kuò)散作用下，式（2）可以改寫(xiě)為：

假設(shè)污染源形狀為長(zhǎng)為A，寬為B的矩形D，取污染源中某一小塊極小區(qū)域D1，其距離河道的距離為y，其單位時(shí)間的產(chǎn)水量為w，矩形遠(yuǎn)端距離河道的距離為d2，近端距離河道的距離為d1，如圖2所示。

圖2 非點(diǎn)源污染徑流過(guò)程

區(qū)域D1產(chǎn)流匯入河網(wǎng)的時(shí)間為：

區(qū)域D1產(chǎn)生的污染物匯入河道的量為：

對(duì)區(qū)域D進(jìn)行積分算出該污染源匯入河道污染的總量為：

整理得：

考慮到研究區(qū)域面污染源（集水區(qū)）與河道相連，即d1較小，上式可改寫(xiě)為：

由該區(qū)域匯入河道污染物總量除以該段時(shí)間內(nèi)得徑流量即為該面污染源徑流過(guò)程中匯入河道的污染物濃度：

只考慮衰減過(guò)程下，非點(diǎn)源污染入河系數(shù)為：

考慮淋失率的情況下，非點(diǎn)源污染入河系數(shù)可以改寫(xiě)為：

以上各式中：k為污染物在降雨徑流過(guò)程中的衰減系數(shù)，s-1；A為面污染源垂直河道邊的長(zhǎng)度，m；c為污染物的初始濃度，mg/L；v為徑流平均流速，m/s；β為污染物的淋失率。

由式（11）可知，在確定污染物衰減系數(shù)和淋失率的情況下，研究區(qū)域非點(diǎn)源污染的入河系數(shù)只與A/v有關(guān)，以氨氮衰減系數(shù)取0.025h-1，總磷衰減系數(shù)取0.02h-1為例，淋失率在0.1—1區(qū)間等分為0.1、0.4、0.7和1時(shí)入河系數(shù)與A/v關(guān)系如圖3所示。其中污染物的初始濃度由該研究區(qū)域面源污染產(chǎn)生的污染物總量與降雨量確定，A的取值通過(guò)ArcGis距離計(jì)算功能來(lái)確定，徑流平均流速參考相關(guān)學(xué)者的研究成果[12]，取值范圍為0.03—0.128m/s，淋失率與衰減系數(shù)可在模型中反復(fù)調(diào)試以達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

圖3 衰減系數(shù)與A/v的關(guān)系圖

3 結(jié)果與討論

3.1 水動(dòng)力模型率定與驗(yàn)證

根據(jù)一些學(xué)者的研究成果[13]，太湖流域水動(dòng)力模型中吳江市與秀洲區(qū)主干河道曼寧糙率系數(shù)率定范圍為0.018—0.024。由于王江涇站、雙塔站和圣塘橋站分布在研究區(qū)域中部（圖1（b））河網(wǎng)交匯處，其水動(dòng)力、水質(zhì)所受影響因素較多，在一定程度上更能體現(xiàn)模型的精度，因此采用王江涇站點(diǎn)2015年5—9月的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，采用王江涇站、雙塔站、圣塘橋站的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，主干河道糙率的率定過(guò)程如圖4所示。

圖4 王江涇站點(diǎn)糙率率定圖（2015年5-9月）

由率定結(jié)果可知，當(dāng)主干河道糙率取0.02時(shí)，模型的納什效率系數(shù)（Nash-Efficiency coefficient,NSE）為0.935 4，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值最為接近。NAM模塊對(duì)各集水區(qū)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一率定，率定結(jié)果見(jiàn)表1。基于各參數(shù)的率定結(jié)果，取研究區(qū)域內(nèi)王江涇站、雙塔站和圣塘橋站作為水動(dòng)力模型中流量驗(yàn)證站點(diǎn)，驗(yàn)證時(shí)段為2015年5—9月，驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示，驗(yàn)證站點(diǎn)流量模擬結(jié)果的平均納什效率系數(shù)為0.941 3，水動(dòng)力模型的模擬精度較為良好，為水質(zhì)模擬提供了支撐。

表1 NAM模型參數(shù)率定結(jié)果

圖5 研究區(qū)域水動(dòng)力模型驗(yàn)證結(jié)果

3.2 水質(zhì)模型模擬結(jié)果對(duì)比

3.2.3 水質(zhì)模擬

考慮污染物在河道中一維對(duì)流擴(kuò)散和衰減過(guò)程時(shí)，最重要的兩個(gè)參數(shù)是污染物的擴(kuò)散系數(shù)和衰減系數(shù)，在考慮非點(diǎn)源污染對(duì)模型水質(zhì)的影響時(shí)，淋失比對(duì)模擬結(jié)果影響較大。研究參考國(guó)內(nèi)各流域擴(kuò)散系數(shù)、衰減系數(shù)與淋失率的取值[15，16]，在合理區(qū)間內(nèi)對(duì)這三個(gè)參數(shù)取值進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。考慮到擴(kuò)散系數(shù)與污染物所處河道有關(guān)，因此本研究將研究區(qū)域內(nèi)河道分為主干河道（太浦河、頔塘、京杭運(yùn)河）與其余河道。本文選取的污染物為氨氮與總磷，其擴(kuò)散系數(shù)、衰減系數(shù)與淋失率取值如表2所示。

表2 研究區(qū)域內(nèi)氨氮與總磷擴(kuò)散系數(shù)與衰減系數(shù)取值

為了驗(yàn)證本文提出的污染負(fù)荷入河量計(jì)算方法的實(shí)用性，與傳統(tǒng)的污染物入河量計(jì)算方法的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。在污染物擴(kuò)散系數(shù)、衰減系數(shù)以及非點(diǎn)源污染淋失率取上表值時(shí)，兩種方法的模擬結(jié)果如圖6所示。采用改進(jìn)的方法的水質(zhì)模擬精度相較于傳統(tǒng)的方法有所提高，其中王江涇站氨氮模擬誤差降低了2.13%，總磷模擬誤差降低了3.83%。這說(shuō)明式（11）可以作為計(jì)算污染物入河量的表達(dá)式，定量地描述了污染物入河系數(shù)和污染源與河道距離之間的關(guān)系，提高了水質(zhì)模型的模擬精度。

圖6 改進(jìn)方法與傳統(tǒng)方法下氨氮與總磷模擬結(jié)果對(duì)比圖

3.3 方法應(yīng)用

以杭嘉湖部分地區(qū)為例，根據(jù)污染物的來(lái)源將污染物分為5類(lèi)，方案設(shè)置如表6所示。由于王江涇站處于研究區(qū)域河網(wǎng)密集交匯處，因此在改進(jìn)的入河系數(shù)表達(dá)式基礎(chǔ)上，通過(guò)王江涇站的水質(zhì)模擬結(jié)果來(lái)代表研究區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)，并探究點(diǎn)源污染、生活污水、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)種植對(duì)研究區(qū)域河網(wǎng)水質(zhì)的影響程度。

表6 模擬方案設(shè)置

由模擬結(jié)果可知（圖7），伴隨降雨徑流的非點(diǎn)源污染對(duì)模型水質(zhì)的影響程度高于點(diǎn)源污染對(duì)模型水質(zhì)的影響程度。其中在面源污染中施用農(nóng)業(yè)種植對(duì)研究區(qū)域內(nèi)水質(zhì)影響較大，在無(wú)農(nóng)業(yè)化肥施用的情況下，王江涇站點(diǎn)氨氮、總磷平均濃度分別降低了45.27%和24.16%；在無(wú)點(diǎn)源污染排放的情況下，王江涇站點(diǎn)氨氮與總磷平均濃度分別降低了21.08%和14.43%，氨氮達(dá)到了Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，總磷達(dá)到Ⅱ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)；在無(wú)生活污水污染時(shí)，王江涇站點(diǎn)氨氮與總磷平均濃度分別下降了12.52%和7.14%；在無(wú)畜禽養(yǎng)殖污染時(shí)，王江涇站點(diǎn)氨氮與總磷平均濃度分布降低了17.26%和11.31%；在無(wú)水產(chǎn)養(yǎng)殖污染時(shí)，王江涇站點(diǎn)氨氮與總磷平均濃度分別降低了3.42%和3.24%。根據(jù)水質(zhì)模型的模擬結(jié)果，各污染源對(duì)研究區(qū)域河流水質(zhì)的影響程度為：農(nóng)業(yè)化肥＞點(diǎn)源污染＞畜禽養(yǎng)殖＞生活廢水＞水產(chǎn)養(yǎng)殖。

圖7 各方案下氨氮與總磷模擬濃度

4 結(jié)論

（1）在水質(zhì)模型中，當(dāng)氨氮衰減系數(shù)取0.025h-1，總磷衰減系數(shù)取0.02h-1，污染物的擴(kuò)散系數(shù)取值在8—12m2/s之間時(shí)，氨氮的模擬誤差為16.66%，總磷的模擬誤差為8.25%，水質(zhì)模型模擬精度較高。

（2）水質(zhì)模擬的結(jié)果表明本文在對(duì)非點(diǎn)源污染概化時(shí)提出的公式在研究區(qū)域具有一定的適用性，公式表明：在研究區(qū)域內(nèi)，只考慮降雨徑流過(guò)程中污染物衰減時(shí)，污染物的入河系數(shù)和污染源與河道之間的距離存在一定的非線性關(guān)系。

（3）研究區(qū)域各污染源對(duì)研究區(qū)域河流水質(zhì)的影響程度為：農(nóng)業(yè)種植＞點(diǎn)源污染＞畜禽養(yǎng)殖＞生活廢水＞水產(chǎn)養(yǎng)殖?！?/p>