缺资料流域水污染物总量分配方法研究

张新华，李红霞，肖玉成，陈 奕

（四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065）

1 研究背景

流域水污染防控中，点源污染的防治得到了充分的重视，并取得了一定的治理效果。但是，非点源污染引起的水体污染等问题日益突出，如湖库水体富营养化、水华和水藻爆发都与流域内的非点源污染有密切关系。由于非点源污染物的成分复杂、类型多样、排放分散、量大面广，定量分析较为困难［1-2］。如何综合考虑点源和非点源污染负荷进行总量控制与分配，是国内外研究的热点。

在污染总量控制与分配方面，负荷历时曲线（LDC）由于其简单易用，对资料要求较低，并且可以对点源和非点源污染同时分析，得到广泛应用，尤其在资料缺乏地区。如程艳等［3］以洱海弥苴河流域作为典型研究区域利用LDC进行水质分析，计算出超标负荷的总削减率，丁京涛［4］利用LDC进行了大宁河巫溪段水体总磷估算与分配研究。但LDC方法研究大都应用在整个流域，没有细致计算流域内部单元的污染物分配情况。

赣江袁河流域流量、水质监测资料都较少，进行污染模拟及总量控制与分配较为困难。本文以该流域为例，在进行流域控制单元划分的基础上，利用SWAT模型的模拟获得各控制单元的流量，然后利用LDC方法进行资料缺乏流域的污染总量控制与分配方案研究。本文通过对污染负荷在不同水文条件下、不同控制单元和不同水质目标下的点源和非点源之间的分配的研究，构建袁河流域分区（控制单元）、分期（丰水期、平水期、枯水期）、分类（点源和非点源）和分级（不同水质目标）的容量总量方案。

2 方法简介

2.1 SWAT模型SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型，由美国农业部农业研究中心（US⁃DA-ARS）开发，是在SWRRB模型基础上发展起来的一个大、中尺度的连续的流域环境模拟模型。该模型具有很强的水文物理机制，可以对不同的土壤条件、土地利用类型、气候状况和在人类活动的干扰下做出有效的径流、水质模拟预测［5］，SWAT模型在很多流域得到了成功应用［6-10］。

SWAT模型将研究流域划分为若干个水文响应单元（Hydrologic Response Units，HRU），以HRU为最小的水文模拟单元进行模拟［11］。每一个HRU内的水量平衡是基于降水、蒸散、渗透、地表径流、壤中流、地下水回流和河道运移损失来计算。模型可以模拟流域内部的多种水文循环物理过程：水的运动、泥沙的输移、植物的生长以及营养物质的迁移转化等。模型的整个模拟过程分为两大部分：子流域模块（产流和坡面汇流部分）和汇流演算模块（河道汇流部分）。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质的输入量，后者决定了物质从河网向流域出口的输移运动及负荷的演算汇总过程。

2.2 LDC模型负荷历时曲线法是Searcy在1959年首次提出，近年来在美国污染总量控制中得到广泛应用［12-13］，污染负荷历时曲线法只考虑水体的稀释过程，无需水力学数据（流速、断面形状、坡度、糙率、离散系数等），而只需要水文数据（流量或水位）。对于单一控制断面（有水文水质同步信息的断面）的容量分析，其容量分布特征可以直接从负荷历时曲线考察得出。将流量系列乘以特定污染物浓度标准得到负荷通量作为纵坐标，建立的历时曲线即为该污染物对应流量系列的LDC。其步骤如下。

（1）绘制流域内控制站点的日流量历时曲线。根据流量资料（无或缺资料地区可以采用水文学上的面积比或相似流域法获得），将流量Q从大到小排序就可以得到流量历时曲线。

（2）将流量曲线转变为日负荷历时曲线。确定控制站所在区域的水功能区划及其对应的水质要求，再将各种需要控制的污染物的容许浓度与流量历时曲线各纵坐标相乘得到允许负荷量，将允许负荷量与相应的保证率建立一一对应的关系，绘制允许负荷频率曲线图，即得到负荷历时曲线。

（3）总量控制与分配。将实测（或预测的规划水平年）的水质数据转化为日负荷并点绘制到日负荷历时曲线图上，比较实测负荷量与允许负荷量，即可知不同季节情况下是否超标以及相应的削减量。

3 研究区域及数据

袁河属赣江水系一级支流，发源于江西省萍乡县罗霄山脉武功山七盘岭金顶峰北麓，自西南向东北流经萍乡、宜春、分宜、新余以及樟树部分地区，至樟树镇金凤洲注入赣江（图1）。该河全长279km，河床比降0.585‰，集水面积6 262km2。多年平均降水量为1 602.6mm，多年平均气温为17.3℃，多年平均蒸发量为1 282.9mm。流域内植被良好，土壤大多为红壤。

所收集到的数据包括DEM、土壤类型、土地利用类型、降雨、气象、径流、泥沙、水质等。本文中袁河DEM为30m×30m；土壤类型图为1∶20万；土地利用类型图为1∶100万；降雨数据（1999—2008年）来自袁河流域上16个雨量站（图1），气象数据（1999—2008年）来源于袁河流域上4个气象站（图1）。

径流数据来自袁河上中游的芦溪站和茅洲2个水文站，其中芦溪径流数据从1978—2008年，而茅洲数据为1978—1994年。考虑到数据长度的一致性，本文中模型率定阶段为1999—2008年，因此需要将茅洲数据进行延长。本文通过建立茅洲月平均径流和芦溪月平均径流的线性相关方程（R2=0.91），将茅洲径流延长到2008年。

袁河上的非点源污染来源主要考虑农业化肥、农村生活污水以及禽畜养殖。点源污染中主要考虑城市生活污水和工业污水，袁河沿干支流分布有62个排污口。袁河水质监测结果表明，袁河主要以Ⅲ类水为主，污染较为严重的区域主要在新余工业区。

4 SWAT模拟结果分析

根据研究区自然情况以及研究需要，本文将袁河流域共划分为38个子流域（见图1）。采用试错法对SWAT模型进行参数率定，即通过比较实测与模拟的径流拟合情况来调整相关模型参数。由于袁河数据较少，本文将所获得数据都用来进行参数率定。通过对参数的敏感性分析以及参照其他文献确定需要率定的参数，主要径流参数包括：CN2（SCS曲线数）、ESCO（土壤蒸发补偿系数）、AWC（土壤可供水量）、SLOP（子流域坡度）等。首先利用芦溪和茅洲（延长后的）的径流数据进行径流参数率定，然后输出各控制单元的流量。

本文采用两个评价指标：线性相关系数R2和纳西效率系数NSE，对模拟结果进行分析。R2和NSE的计算公式如下：

式中：Xobs和Xsim分别为实测值和模拟值；分别为实测值和模拟值的算术平均值。

R2和NSE越接近于1表示实测与模拟值拟合越好，模拟精度越高。

图2和图3为芦溪站和茅洲站的径流的模拟结果。其中芦溪径流模拟的R2=0.92，NSE=0.78，茅洲径流模拟的R2=0.89，NSE=0.73（表1）。一般认为，当R2＞0.6和NSE＞0.5时，模型模拟结果可以接受［12］。因此可以看出，SWAT对两站的径流模拟效果较好。此外，芦溪站径流模拟值比实测值略低，茅洲站径流模拟值比实测值略高。但二者的模拟精度都远远超过了月径流模拟的标准。

5 总量分配结果

5.1 控制单元划分为了更有针对性地制定水环境保护方案，本文首先对研究流域进行分区，然后进行容量总量分配。分区原则主要是基于流域水环境生态系统的特征差异，即结合水文过程的集水范围、行政分区、水功能分区以及划分后单元便于管理统计等，体现流域水文特性、集水特性以及水功能保护。本文最终将袁河流域范围划分为4个一级控制单元（芦溪、宜春、新余、樟树），每个一级控制单元下又划分为2～3个二级控制单元，即整个袁河流域共分为10个控制单元，从上游到下游依次为芦溪保护区、芦溪工业区、芦溪保流区、宜春保留区1、宜春工业区、宜春保留区2、新余保留区1、新余工业区、新余保留区2和樟树保留区，见图4。

5.2 LDC总量分配结果根据水功能区划可知各控制单元的水质目标，其中，保护区水质目标为Ⅱ类，保留区水质目标为Ⅲ类，工业区水质目标为Ⅳ类。通过比较污染负荷现状值和水质目标值即判断污染物的超标情况。

流域内控制单元内均设有水质监测站，相应站点的流量由SWAT模型模拟获得，由此可建立其相应的负荷历时曲线。LDC计算结果如图5所示（由于受篇幅限制只列出所有控制单元的氨氮及超标控制单元的总氮图）。

从各控制单元的负荷历时曲线上可以看出，明显超标的有新余工业区和新余保留区2的总氮以及新余工业区的氨氮。为了判断最关键水质条件，采用上述代表值分别估算不同流量与实测水质样本的日负荷通量系列第90百分位数的浓度值相乘，与标准水质对比得到削减率。

此外，LDC法可反映污染时的水文条件，其中，特丰条件：0～10%（历时范围）；丰水条件：10%～40%；平水条件：40%～60%；枯水条件：60%～90%；特枯条件：90%～100%。从图中查看负荷超标发生的季节，即可判断污染类型：若发生在丰水期，则表示主要为非点源污染；若水质超标发生在枯水期，则表示主要为点源污染；若发生在平水期，则为点源与非点源的综合。

由已计算出的LDC图，按照上述算法算得各控制区各项指标削减率并分析其污染类型，见表1。从图5和表1可以看出，新余工业区内枯水期氨氮负荷超标率约为76%，丰水期超标率约为47%。由于枯水期基本是点源污染，丰水期以非点源为主，同时包括点源污染。因此说明新余工业区氨氮超标以点源为主；同样，新余保留区枯水期总氮超标约68%，丰水期超标约53%，较新余工业区的非点源污染比重有所上升，但仍以点源为主。

在进行削减分配计算中，视枯水期污染超标全部为点源污染造成，丰水期污染为点源污染与非点源污染的综合，即丰水期污染超标总量扣除枯水期污染超标量即为非点源污染分配量。同时应考虑到，工业区位于保留区上游，当工业区点源削减后，保留区点源削减量应当扣除工业区已经削减的数值，若扣除后削减值小于等于零，则点源污染经由上游削减后，下游可不用再削减；若扣除后大于零，则点源污染还需削减。此外，同一个控制分区内，如有不同污染负荷削减，取其中最大值作为此控制分区的最终削减值，具体计算结果见表2。

从表2可以看出，对于新余工业区，丰水期和枯水期氨氮超标，其中点源削减75.66%，非点源削减0%；同时丰水期和枯水期TN超标，其中点源削减45.63%，非点源削减6.75%；取上述氨氮和TN削减比例的最大值，则新余工业区最终点源削减75.66%，非点源削减量为6.75%。对于新余保留区2，除去上游新余工业区的削减量后，新余保留区2的TN还应削减：点源削减35.22%，非点源削减19.46%。总体来看，袁河新余区点源超标严重，非点源略有超标。

表1 LDC结果分析

表2 点源和非点源分配结果

以上分析表明，袁河流域污染物超标河段主要在新余工业区及其下游的新余保留区，超标污染物主要是点源污染，因此袁河流域应严格控制流域内点源的排放，同时对非点源污染进行一定的防治。

6 结论

本文利用分布式SWAT模型和污染负荷历时曲线法，构建了资料缺乏的赣江袁河流域非点源污染模拟与总量控制与分配方案，实现了对赣江袁河流域的主要污染物的模拟以及基于“分区、分期、分类、分级”思想的水污染物总量分配。研究结果表明该方法在无资料流域应用的可行性和适用性。本文所用技术和方法对其它资料缺乏流域的非点源污染模拟及总量分配也具有一定的借鉴意义和参考价值。

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