鄭少輝

(唐山市生態(tài)環(huán)境局玉田縣分局，河北 唐山 063000)

引 言

徑流主要由降雨及冰雪融水組成，并在重力的影響下，匯聚形成地表水或是地下水[1]。水流中含有多種固體物質(zhì)[2]，在化學溶解物質(zhì)的作用下，演變形成含有離子物質(zhì)的固體徑流，較為復(fù)雜。面源污染主要由泥沙顆粒、農(nóng)藥中的營養(yǎng)物質(zhì)構(gòu)成[3]，在徑流作用下，匯聚流入到水體當中，從而引起水體污染。從面源污染性質(zhì)來看，該種污染具有極大的隨機性、潛伏性，污染指數(shù)難以量化[4]，監(jiān)測指標存在模糊性。為此，以北方干河流域徑流面源污染作為研究對象，分析其污染特性并構(gòu)建污染負荷模型。

國外在研究面源污染起步較早，自上個世紀六十年代起，研究人員通過實地勘察，整理了面源污染的特征、形成機理以及相關(guān)的影響因子[5]，以固定區(qū)域內(nèi)的污染系數(shù)為固定影響因子，建立了污染負荷的數(shù)值關(guān)系式。國內(nèi)研究起步較晚，農(nóng)業(yè)污染加劇，研究人員采用水文數(shù)學模型[6]，確定了土壤當中存在的物質(zhì)流失，并建立了污染途徑模擬分析了周期性的污染負荷。文獻[7]構(gòu)建了污染負荷模型監(jiān)測外部降雨，并建立降雨對污染物產(chǎn)生的沖刷消解量，構(gòu)建降雨徑流污染負荷的估算數(shù)值關(guān)系，最終分析得到污染負荷結(jié)果。文獻[8]構(gòu)建了污染負荷分析模型，采用改進M-K趨勢檢驗法，確定了徑流污染的影響元素，確定污染顯著參數(shù)，并形成數(shù)值化的污染負荷數(shù)值關(guān)系。經(jīng)過階段性的應(yīng)用分析可知，現(xiàn)有的污染負荷分析模型得到的污染數(shù)值存在誤差，由此可知，構(gòu)建污染負荷分析模型具有發(fā)展意義。

綜合以往研究方法，進行北方干河流域徑流面源污染特性及污染負荷建模分析。

1 北方干河流域徑流面源污染特性及污染負荷建模分析

1.1 數(shù)值分析北方干河流域徑流影響因子

不同組成段的北方干河流域徑流有著不同的土壤、植被以及地形信息，所以在數(shù)值分析徑流影響因子時，以水文循環(huán)作為徑流驅(qū)動力[9]，模擬設(shè)定土壤內(nèi)部的水量平衡，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(1)

其中，SW表示土壤內(nèi)部的水量數(shù)值，Rd表示徑流區(qū)域的降水量，Qs表示淺地表水與降水產(chǎn)生的水量置換，Ea表示地表水以及降水產(chǎn)生的降水量。隨著徑流環(huán)境內(nèi)地表水蒸發(fā)量的不斷增加，淺地表層內(nèi)的水量蒸發(fā)[10]，深地層內(nèi)的水量在重力的作用下產(chǎn)生下滲，此時，下滲作用下，產(chǎn)生了固定的經(jīng)驗參數(shù)，且數(shù)值關(guān)系可表示為：

(2)

其中，J表示下滲作用的經(jīng)驗參數(shù)，C表示地表的徑流量，H表示坡面參數(shù)，其余參數(shù)不變。在該經(jīng)驗參數(shù)的影響下，徑流內(nèi)水分產(chǎn)生外部延伸[11]，坡面匯流徑流水至干河流域當中，此時，匯聚至干河流域的徑流水量就可表示為：

(3)

其中，Ql表示計算得到的徑流水量數(shù)值，sg表示地表徑流停滯時產(chǎn)生的水量積累，to表示河道匯流的時間，tc表示發(fā)生匯流的節(jié)點時間。整理上述數(shù)值化處理的各項徑流處理的影響因子，輸出徑流面源污染特性。

1.2 輸出面源污染特性

在實際輸出面源污染特性時，利用計算得到的徑流影響因子作為處理對象，確定面源污染的擴散速度，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(4)

其中，v表示面源污染的擴散速度，qc表示含污染物質(zhì)的流量，Ac表示河道過水斷面面積，nc表示干河流域的水力半徑。結(jié)合面源污染的擴散程度，針對不同的污染源[12]，輸出污染的位置，標定多種流域，標記與計算污染輸出管控時產(chǎn)生的污染濃度，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(5)

其中，G表示輸出管控的污染濃度數(shù)值，ci表示污染產(chǎn)生的沉淀，vi表示沉淀的合成速度，M表示標定的流域標記點數(shù)量。此時，代表面源污染特性的信息熵數(shù)值就可表示為：

(6)

其中，Ej表示計算得到的信息熵數(shù)值，rj表示規(guī)范化處理的標記參數(shù)，n表示屬性歸一參數(shù)。根據(jù)已知污染源的信息熵數(shù)值，對應(yīng)標定不同面污染物表現(xiàn)出的顯著區(qū)域[13]，為了消除雨水沖刷對污染濃度的數(shù)值變化，模擬地下水為徑流產(chǎn)生的衰減補給，并構(gòu)建形成北方干河流域徑流面源污染負荷分析模型。

1.3 構(gòu)建北方干河流域徑流面源污染負荷分析模型

對應(yīng)上述輸出的面源污染特性，徑流環(huán)境內(nèi)存在潛在的水量蒸發(fā)，蒸發(fā)部分的水量導致淺層水量減少[14]，污染物的濃度增加，為了控制潛在蒸發(fā)水量對分析結(jié)果的影響，采用SCS徑流曲線模擬地表流量數(shù)值，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(7)

其中，F(xiàn)表示雨水后損量，S表示污染物的最大滯留量，P表示外部降雨量，Ia表示雨水初損量。根據(jù)實際形成的水量平衡，模擬衰減過程產(chǎn)生的補給，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(8)

其中，wr表示設(shè)定的模擬補給，tg表示地下水產(chǎn)生的補給滯后時間，ws表示污染滲透量。在多種平衡狀態(tài)下，最終模擬得到的污染衰減數(shù)值變化如圖1所示。

圖1 污染衰減數(shù)值變化Fig.1 Variation of pollution attenuation value

由圖1所示的衰減數(shù)值變化可知，當?shù)叵滤a(chǎn)生的補給滯后增加后，衰減數(shù)值產(chǎn)生的驟升，可知最大衰減數(shù)值為0.4，以上述最大數(shù)值的衰減數(shù)值作為固定參數(shù)，在上述數(shù)值關(guān)系(8)中引入該固定參數(shù)，并處理為污染負荷數(shù)值模型。

綜合上述處理過程，最終完成對北方干河流域徑流面源污染特性及污染負荷建模分析過程的研究。

2 實例測試

2.1 采集徑流污染數(shù)據(jù)

隨機選定北方一處干河流域區(qū)域作為數(shù)值采集對象，并在干流區(qū)域內(nèi)標定采集點，標定的流域采集點如圖2所示。

在圖2所示的干河流域采集點范圍內(nèi)，選定污染物積累飽和函數(shù)，調(diào)用函數(shù)關(guān)系中的指數(shù)函數(shù)作為徑流沖刷的數(shù)值參數(shù)，考慮到污染物隨著河流沖刷所減少的污染物濃度，計算得到干河流域產(chǎn)生的污染物稀釋流量，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(9)

其中，Ex表示采集得到的污染物稀釋流量，

圖2 標定的干河流域采集點Fig.2 Calibrated collection points of Ganhe River Basin

S表示干河流域中的水質(zhì)標準參數(shù)，Cb表示河流的背景濃度，Qr表示流域出水口的流量參數(shù)。對應(yīng)上述數(shù)值關(guān)系，計算得到徑流面污染物產(chǎn)生的自凈容量，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(10)

其中，Em表示自凈容量，er表示單位干流面積所產(chǎn)生的自凈系數(shù)，其余參數(shù)含義不變。

綜合上述得到的污染物的稀釋流量、自凈容量的數(shù)值關(guān)系，對應(yīng)不同的數(shù)值比例得到不同污染物類別，整理上述參數(shù)數(shù)值關(guān)系，最終采集得到的污染物積累模擬參數(shù)如下表所示。

表 采集得到的選定徑流面污染模擬參數(shù)Tab. The pollution simulation parameters of selected runoff surface

在上表的污染物與污染數(shù)值關(guān)系內(nèi)，根據(jù)標定的采集點，利用計算得到的模擬量，采用上位機輸入并模擬，在執(zhí)行窗口內(nèi)設(shè)置污染負荷，在徑流面范圍內(nèi)，根據(jù)污染物在空間范圍的變化，輸入徑流面內(nèi)的污染點數(shù)值。

2.2 面源污染輸入

根據(jù)上述采集得到的污染數(shù)據(jù)，可知在構(gòu)建污染負荷模型時，應(yīng)確定污染點數(shù)值與模型參數(shù)之間的敏感性，對應(yīng)構(gòu)建敏感性數(shù)值關(guān)系，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(11)

其中，P表示計算得到的敏感性參數(shù)，Qi表示污染源實測系數(shù)，Qs表示面源邊界實測系數(shù)，R表示流量計算參數(shù)。對應(yīng)整理上述計算得到的敏感度參數(shù)，利用SWAT-CUP自動率定污染點的各項污染影響參數(shù)，構(gòu)建形成一個污染校正過程，校正處理過程如圖3所示。

圖3 污染影響校正Fig.3 Pollution impact correction

在圖3所示的污染影響校正下，采用手動調(diào)整的方式調(diào)整污染點內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(12)

其中，dj表示調(diào)整后的水質(zhì)參數(shù)，Cj表示一致性參數(shù)，N表示污染水源內(nèi)的水質(zhì)元素值，其余參數(shù)含義不變。整理上述輸入的污染點，采用徑流分割流域區(qū)域點，分割處理過程可表示為：

(13)

其中，bi表示徑流面函數(shù)，α表示分割參數(shù)，yi、yi-1表示不同分割周期的污染水質(zhì)參數(shù)。

將上述計算得到的數(shù)值作為污染負荷模型的固定參數(shù)，應(yīng)用基于定量分析的負荷建模方法(文獻[7]方法)、基于污染負荷核算的負荷建模方法(文獻[8]方法)以及所設(shè)計的負荷建模方法進行測試，選定相同的性能參數(shù)作為對比指標，驗證三種污染負荷模型的性能。

2.3 模型分析結(jié)果

整理上述采集得到的徑流面污染數(shù)據(jù)，并輸入污染點，對應(yīng)輸入的污染點，定義模型處理污染負荷時因降水所帶來的污染誤差，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(14)

其中，W表示污染誤差，λ表示污染累積量參數(shù)，C表示原始處理水質(zhì)濃度，r1、r2分別表示不同深度徑流曲線數(shù)值。將上述處理得到的污染誤差作為參與影響數(shù)值的自變量，對應(yīng)該參數(shù)數(shù)值，定義三種污染負荷建模過程累積處理形成的污染排放率，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(15)

其中，SS表示計算得到的污染累積排放率，Ci表示不同水質(zhì)濃度參數(shù)，Vi表示不同計算點干河流域的深度。對應(yīng)上述的數(shù)值關(guān)系，整理三種污染負荷模型計算得到的累積污染排放率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種污染負荷模型得到的累積污染排放率Fig.4 Cumulative pollution emission rate obtained by three pollution load models

根據(jù)圖4可知，在三種污染負荷模型處理下，針對相同干河流域深度數(shù)值，計算模型可累積排放的污染數(shù)值，基于定量分析的負荷建模方法計算得到的累積污染排放數(shù)值最小，在徑流深度為60cm時，排放率數(shù)值為82%，可分析得到大部分污染累積排放；基于污染負荷核算的負荷建模方法在徑流深度為60cm時，實際可分析得到的排放率數(shù)值在96%左右，可分析得到的累積污染較多，負荷分析效果較佳；在相同徑流深度下，應(yīng)用所設(shè)計的污染負荷模型得到的污染排放率數(shù)值為100%，可分析大徑流深度內(nèi)產(chǎn)生的累積污染，污染負荷分析結(jié)果最準確。

在上述累積污染排放率數(shù)值的影響下，可知干河流域匯聚了多個支流產(chǎn)生的污染，在匯聚到同一范圍內(nèi)，水質(zhì)內(nèi)部的元素物質(zhì)產(chǎn)生化學反應(yīng)，從而產(chǎn)生污染消減作用，對于選定對比的污染負荷模型，定義三種污染負荷模型得到的削減強度，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(16)

其中，R表示計算得到的削減強度，Pr表示初始面源污染參數(shù)，Af表示污染負荷模型內(nèi)的污染元素函數(shù)，PrB表示污染點的布設(shè)參數(shù)，其余參數(shù)含義不變。對應(yīng)上圖中標定的污染點，整理三種污染負荷分析模型，得到的污染削減強度結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種污染負荷模型污染削減強度Fig.5 Pollution reduction intensity of three pollution load models

對應(yīng)上述構(gòu)建的削減強度數(shù)值關(guān)系可知，在三種污染負荷模型得到的污染削減強度數(shù)值，定義當該種污染削減強度數(shù)值越趨近于1時，則表明該種污染負荷模型確定得到的干河流域中元素之間產(chǎn)生的污染削減越準確，整理元素削減強度數(shù)值，取各個干河流域采集點的強度均值作為最終的驗證指標，根據(jù)圖5所示的削減強度結(jié)果可知，基于污染負荷核算的負荷建模方法的平均削減強度數(shù)值在0.3左右，實際分析確定得到的污染削減強度最小，實際分析得到的污染負荷數(shù)值誤差較大；基于定量分析的負荷建模方法得到的削減強度數(shù)值為0.5，實際分析確定的污染削減強度較大，分析得到的污染負荷數(shù)值誤差較?。欢O(shè)計的污染負荷模型得到的削減強度數(shù)值為0.7，符合實際河流污染態(tài)勢。

3 結(jié) 語

北方干河流域的徑流分支有著不同的外部溫度環(huán)境，考慮到實際降雨量與蒸發(fā)量，分析北方干河流域徑流影響因子，如坡面、下滲作用、徑流水量等，確定面源污染的擴散速度，獲取其信息熵，采用SCS徑流曲線模擬地表流量，分析徑流環(huán)境內(nèi)存在的潛在水量蒸發(fā)，控制潛在蒸發(fā)水量對分析結(jié)果的影響，模擬分析結(jié)果符合面源污染的實際情況，使其在相同徑流深度下，污染排放率為100%，且實際分析得到的污染負荷數(shù)值誤差較小，削減強度數(shù)值為0.7，可準確獲取流域徑流面源污染特性及污染負荷數(shù)值，為該領(lǐng)域的相關(guān)研究提供理論參考。

但是該方法尚未分析上游與下游間的顯著差異,其時間、空間差異性較大，在未來的研究中，將以此為約束與目標，進一步完善北方干河流域徑流面源污染分析結(jié)果。