杜拉斯流域及河口浴场水质模拟和评价

［法国］M.布雅尔等

1 概述

沿海水体的粪便污染是全球范围内一个较严重的问题，二级污水处理至今无法彻底去除污染物。进入到沿海水体的暴雨径流、净化系统及下水道排放的污水，也被定为重要的污染源。在评价和管理天然水系统方面，模型能起重要作用。模拟能提供沿海区域与条例相符性评价的工具，预测水质降解和应对欧盟规定的要求及各级浴场的标准(EC/7/2006)。已有几个过程模型模拟流域受纳水体中粪便污染物的输移、残留及水沙分区。正在开发通用分布式模型。本研究从最近公布的一些模型中，选择了SWAT(土壤和水体评估工具)模型，因为该模型能有效模拟大肠杆菌通量。

拉米扬(La Mignonne)河位于布列塔尼，年均流量1.4 m3/s，是流域内的主要河流，最终汇入杜拉斯河口。河源地海拔293 m，下游出口海拔4 m。洪峰流量主要发生在冬季(10月～次年3月)，日均流量达10m3/s。拉米扬河有5条支流，支流对干流的流量贡献很低(小于15%)。近10a年均降水量700mm。杜拉斯流域人口大约6600人，其中几乎10%生活在杜拉斯镇或小村庄。人口居住密度平均为58人/km2，但沿海附近达188人/km2。流域内人类活动包括上游大量饲养猪和鸡的层架式饲养笼的畜牧业，以及下游少量乳牛牧场;大约69%的面积为农业用地，其中44%为耕地，25%为牧场;另12%为森林，4.4%为原生植被。

拉米扬河汇入杜拉斯河的河口长约5 km。该区域受海洋气流和水流的影响，大潮和小潮平均潮差分别为5.5 m和3.0m。河口人类活动包括娱乐(游泳、划船、钓鱼)和贝类生产(牡蛎壳粉和蚌类)，这些需要良好的微生物水质，而河口水质取决于拉米扬河流的地表水水质。过去调查显示，拉米扬河的大肠杆菌来量占到河口大肠杆菌通量的85%。杜拉斯流域的微生物污染来自城市废水排放(流域内的4个废水处理厂)和非点源污染(尤其是施肥)，但缺少有助于确定这两种污染源相对贡献值的准确信息。不久前，微生物污染已导致浴场关闭，直接影响了旅游经济。

本文根据WWTP污染源和农田径流，预测浴场水体大肠杆菌浓度。研究使用2个关联模型:①SWAT模型(评价土壤和水环境的工具)，用于模拟水流和预测径流中大肠杆菌的农业－水文学模型;②WARS－2D模型(应用于区域尺度)，预测河口水体中大肠杆菌浓度的水动力模型。研究内容包括:①收集信息和资料建立模型;②确定2个符合当地条件的方案(WWTP输入和流域径流);③用SWAT和MARS模型模拟这些方案;④评估与降水事件有关的浴场关闭风险。

2 材料和方法

2.1 采样和分析

采样布点范围较广(干流、支流和污水处理厂出口处)，采样时段为2007年1月～2008年1月，采样频率为每周1次，大肠杆菌采用微生物盘分析方法。此外系统记录河道流量，用以通量计算。用拉米扬河水位站的大量数据较准和验证河道流量(2000～2007年)。从当地的2个气象站获得日降水资料。

2.2 模 型

对包括SWAT 2005在内的各种模型模拟的近几年水质结果进行评估。SWAT 2005模型是以天为时间步长、以流域为尺度，基于过程的模型，是美国农业部正运用的源开放式模型。SWAT模型再现了水文过程，模拟过程中考虑了水体、农用物生长、蒸发蒸腾、地表径流、下渗、回流、侵蚀、营养物传输、农药喷洒天数及传播、灌溉、地下水、水流输移损失、池塘和水库蓄水量、渠道走线、田间排水、植物生长耗水和其他过程。此外，SWAT模型中微生物单元使用一阶降解方程，来模拟粪便细菌的死亡和繁殖。

式中，Ct为t时刻细菌浓度(cfu/100mL);C0为初始细菌浓度(cfu/100mL);K20为20℃下一阶每天死亡率;t为 暴露时间，d;θ为温度调整因子;T为温度，℃。

运用SWAT模型应输入的参数包括地形(使用数字式高程模型)、土壤特征(土壤剖面)、土地利用资料(土地利用分为耕地、草地、森林、建设用地和水面)。本研究中WWTP输入的大肠杆菌浓度为常数(4.9log10cfu/100mL)，根据当地农场提供的化肥量、规章和施肥活动，估计径流中粪便污染物浓度。对2个方案进行了模拟。

(1)方案1。无关联施肥(2007年3月5日、5月5日和6月27日)。

(2)方案2。5个月的施肥(2～7月)。

方案2中，施肥量按30t/hm2计，施肥面积按整个流域面积2456 hm的29%计，施肥时间根据当地与降水条件相关的条例确定(当降水量超过5 mm/d时，禁止施肥)。模拟时段内共进行了71 d施肥。

将SWAT模型计算所得的流域主出口处大肠杆菌通量，引进水动力模型MARS－2D，进一步计算河口各测点处大肠杆菌的浓度，尤其是测点2靠近海滨浴场。MARS－2D模型由Ifremer建立和调试，是一个垂直平均的水动力模型。现运用该模型模拟各种污染物的扩散和稀释，尤其是沿海区域的粪便污染物。本研究模拟2个方向，扩散系数取值1 m2/s，并综合了一个细菌子模型。结果表明，河流和海洋水体中的大肠杆菌死亡是0.35(在20℃)。

2.3 统计分析

所有统计分析中，大肠杆菌浓度按log10进行转换。对参数进行检验，对比各等级降水量的大肠杆菌浓度。

方差分析计算概率，各实测均值间的差异可能仅仅是由于偶然性引起。

3 结果和讨论

表1列出了水位站实测的和SWAT模拟的河道流量特征。

表1 河道流量校准和验证

用2000～2003年的流量资料完成模型校准，发现校准参数是可接受的，确定的相关系数令人满意(r2=0.84)，文献中 Nash－Suttcliffe效率 Ens为0.79。后用2004～2006年资料进行流量验证，结果较好(r2=0.84，Ens=0.82)。图1(a)说明2004～2006年河道流量模拟和实测值间的相互关系。此外，由图1(b)可见，SWAT模型再现了2006年2～4月实测河道流量，模拟与实测的曲线相似。

SWAT模型模拟了方案1:4个WWTP排放和施肥活动。图2说明了WWTP排放和无关联施肥对河道大肠杆菌通量的影响。

图1 2004～2006年河道流量模拟值和实测值的相互关系(a)及2006年2～4月河道流量模拟和实测过程(b)

图2 WWTP排放和施肥对河流水质的影响(方案1)

WWTP排放造成河流中大肠杆菌通量仅相当于6.3 log10cfu/d，几乎不受降水的影响(见图2)。然而，3月5日进行了施肥，当天降水量 30.8 mm，当天和前天降水量总和为52.2 mm，当天和前两天的降水量总和为64.4 mm。紧接着就测到河流中大肠杆菌通量增长了一个数量级。河流中污染物反应非常迅速(滞后时间不到1 d)，但水质恢复至少1周。当在旱季之后进行田间施肥(2007年5月5日)，河道里的大肠杆菌通量保持稳定。在5月10日之后，开始降水，河道内再次测到污染物大肠杆菌，但浓度较低。由于肥料和土壤中大肠杆菌具有持续性，在持续降水之下导致污染物出现峰值。最后一次施肥是6月27日，那时日均降水量小于10mm，对河道污染几乎没有影响。

运用SWAT模型模拟2～7月允许施肥期间的定期施肥活动(方案2)，模拟结果符合大肠杆菌径流。图3说明流域内测点1(水位站)、流域主出口测点2及河口测点3的大肠杆菌浓度变化。

图3 2007年6月5～30日测点模拟值及实测值的变化

大肠杆菌浓度随降水量而变化，由于化肥中细菌活动，在大雨期间(超过10mm/d)水体中污染物浓度增加。测点2和测点1的浓度峰值处于同一数量级，最大浓度出现在2007年6月24日，分别达到4.11 log10cfu/100mL 和 4.16 log10cfu/100mL，当天降水量达45.4 mm。与降水事件相对应、其滞后时间不超过模型时间步长1 d的河流大肠杆菌浓度，在评估滞后时间上不允许有任何的更高精度。在雨量小于10mm/d的干燥天气，测点2的大肠杆菌浓度高于测点1的浓度，这是由于测点2所在水体汇进了另一个子流域的水量，该子流域有2个WWTP排放口。此外，测点1的实测大肠杆菌浓度，同SWAT模型模拟的污染水平相符性较好。由于采样是每周进行一次，因此无法得到河流污染物的逐日变化。模拟期间未采集到污染峰值，但在1 a研究期内的2007年8月14日，实测最大浓度为4.78 log10cfu/100mL，相应降水量为 24.8 mm(d0)和19.44 mm(d－1)，该值与模拟值一致。最近，检验了模型再现杜拉斯流域水体中1 a内大肠杆菌浓度的潜力，使用频率分析曲线成功实现了河流污染物的SWAT模型校准和验证。

(1)由于污染物稀释和衰减，在雨量不大时，测点2和测点3的大肠杆菌浓度差值大约为1 log10cfu/100mL，差异较小。在雨量多时，河口淡水量起的作用大于咸水量，差异相对较大。此外，对于每次大量降水，河口测点3实测的最大大肠杆菌浓度出现的时间在降水之后，降水事件和河口响应之间有1 d的滞后。河流的日通量值被引用到MARS模型中，以研究河口水体中污染物的扩散。

河口模拟结果显示，河流下游大肠杆菌浓度显著下降。在高潮时刻，除其上游之外，河口水质达标，因为高潮时潮流推动高质量的水体进入河流，此时河口水质比低潮时低一个数量级。然而由于大肠杆菌通量的连续输入，低潮时来自流域的粪便污染物进入河口，并再次污染河口。说明潮汐和降水对河口大肠杆菌浓度变化具有非常重要的作用。

图4说明模拟期间2007年2～7月及2000～2006年相同月份各等级日降水频率。

图4 日降水频率

模拟期间降水量大于10mm/d的频率为15.5%，但是2007年降水量相对较大。事实上，这样的水平在2000～2006年仅出现了9.5%。2000～2006年实测到晴天占32.7%，而 2007年仅为22.7%。

本文目标是评价当地施肥期间的降水对河流污染物的影响(方案2)。本研究中，污染水平超过极限与降水事件有关。

根据浴场大肠杆菌水质标准(500cfu/100mL)，本研究也计算了超标概率。T检验显示，大于10mm/d的降水量对河流的大肠杆菌浓度有显著的影响。河口测点3，5 mm/d降水量影响显著，这种影响随着距流域排放口距离的增加而减轻。测点3计算了超标率，计算结果见表2。

表2 测点3各等级雨量下超标率汇总

对照浴场水质标准，大肠杆菌浓度超过500cfu/100mL的频率为 7.1%，相应降水量为 0～5 mm/d，而降水量在5～10mm/d或晴天，与其没有显著差异;对于降水量大于10mm/d，大肠杆菌浓度超过250cfu/100mL和500cfu/100mL的频率分别为17.9%和21.4%。频率与降水事件有关，分析结果见表2。

测点3模拟结果不达标的有13 d，其中5 d降水大于10mm，由于降水导致土壤过滤了污染物，另5 d降水量在0.1～5 mm/d范围内。

以上研究结果表明，2个关联模型能再现一个流域与河口系统的大肠杆菌通量，再现降水对水质的影响，同时也发现了随降水和农业活动而变化的大肠杆菌日通量对河口水体的作用。