小流域径流面源污染负荷产生过程研究

刘甜甜，韩龙喜,2，孙明园，周梦甜，姜彬彬

（1.河海大学环境学院，江苏 南京 210098;2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098）

0 引言

随着点源污染治理工作的深入开展，我国点源污染已初步得到控制，但流域面源污染比重不断上升，面源污染已成为水污染综合治理的主要对象（例如，太湖流域的面源污染是太湖流域水污染的主要来源[1]）。面源污染物在地表进行积累，并伴随着降雨冲刷和地表输移进入附近水体，造成水体污染。由于其污染物种类和形态非常复杂，且受到众多复杂因素影响，具有随机性、长期性、滞后性、不确定性等特点[2]。

面源污染的研究早在20世纪70年代就已经被开展，国外学者常采用ARM，SWMM，STORM等面源污染物计算模型进行流域面源污染负荷研究[3-4]。由于我国面源污染研究起步较晚，我国学者一般根据需要对国外现有模型进行修正，目前主流的面源污染负荷估算方法为机理模型法和经验模型法[5]。龙天渝等[6]以面源污染负荷输出系数法为基础，引入污染负荷系数，建立了流域非点源氮磷负荷的数学模型，并结合分布式SLURP水文模型，预测了2020年三峡库区流域出口非点源氮磷全年负荷总量；蔡明等[7]以渭河流域水质和水文监测资料为基础，建立研究区域降雨量与非点源污染负荷之间的相关关系，计算流域单次降雨产生的非点源污染负荷总量；周明涛等[8]通过对镇江古运河降雨量、降雨径流污染物量监测数据的分析，建立了降雨量—径流污染方程，并运用灰色理论对未来降雨量进行预测，得出降雨径流面源污染年负荷总量。

至今为止，关于流域降雨径流污染负荷的众多研究，大多只给出了单次降雨所产生面源污染负荷总量，鲜有污染负荷入库时间变化过程研究。基于此现状，本文以西丽水库主要河流控制断面水量、水质的实测值为基础，建立各控制断面面源污染物浓度与累积径流量相关关系，并进一步得到1次典型降雨过程控制断面面源污染负荷单位时间通量随时间的变化过程。

1 典型研究区概况

西丽水库地处珠江三角洲水系的大沙河上游，羊台山南麓，深圳市南山区西丽街道，水域面积约4.6 km2，总库容3412万m3，有3条主要的入库河流，分别为白芒河、麻磡河和大磡河，是深圳市重要的饮用水源库之一。各主要入库河流控制断面集水范围及地理参数分别见图1和表1。

西丽水库流域地处低纬南亚热带地区，年平均气温22.4℃，雨量年内分配不均，汛期4～9月份的降雨量约占年雨量的85%，年内变化大。流域内河流属雨源型，其径流量、流量和洪峰的大小都与降雨量密切相关。据1966～1993年入库水量统计，入库水量年平均1991万m3，丰水年与枯水年之比约为6：1，年入库流量变化基本与降雨量变化相吻合。

图1 西丽水库流域主要入库河流集水单元

表1 各主要河流控制断面地理参数

2 小流域产汇流过程模拟

2.1 产汇流过程模拟方法

采用相关文献[9]推荐的综合单位线法，通过设计暴雨推求主要入库河流入库控制断面设计洪水过程。即由汇水区域不同历时设计暴雨统计参数等值线图得到集水区域中心点的不同历时设计暴雨量；按暴雨量面～点相关关系曲线得到相应汇水区域设计暴雨量；以同频率不同历时的面雨量通过长包短控制，按设计雨型求出设计暴雨的时程分配（即设计降雨过程）；经产流计算得设计净雨过程；通过汇流计算求得设计洪水过程，即主要河流入库流量过程。

2.2 产汇流过程模拟结果

2.2.1 流域降雨过程模拟结果

选用西丽水库流域5年一遇的暴雨量 （24 h降雨217 mm）作为设计降雨雨量，并采用上述方法对降雨过程进行设计计算，设计暴雨过程见图2。

图2 西丽水库设计暴雨过程

2.2.2 流域产汇流过程模拟结果

采用水库设计暴雨过程及产汇流过程模拟方法计算得到西丽水库各主要入库河流（白芒河、麻磡河、大磡河）汇水区域产流单位线及设计流量过程线计算结果分别见图3和图4。

图3 各主要入库河流汇水区域产流时段单位线（q为汇水区域1 mm降雨在控制断面产生的流量）

图4 各主要入库河流汇水区域设计降雨过程及设计流量过程线(Q为汇水区域设计降雨在控制断面产生的流量）

由图3、图4可知，在研究区域5年一遇暴雨情况下，白芒河、麻磡河及大磡河入库控制断面分别在降雨发生2.33～2.5 h之间开始有汇流经过。设计暴雨过程最大雨强发生与各控制断面流量出现峰值之间存在0.83～1 h的时间差值。

3 面源污染负荷产生过程模拟分析

3.1 流域面源负荷数学模型的建立

何流[10]认为降雨径流随累积径流量的增长，污染物浓度逐渐下降直至稳定。基于研究区域降雨量为188 mm的一场降雨在入库断面产生的水量、水质实测数据，分别采用幂函数、指数函数拟合分析，结果表明指数函数能较好拟合研究区域面源污染物浓度与累积径流量相关关系，其中白芒河、麻磡河入库断面实测COD，NH3-N浓度与累积径流量响应关系数学函数表达式分别为：

式中：y为控制断面实测污染物质量浓度，mg/L；x为控制断面实测累积径流量，m3。

流域控制断面污染负荷通量是研究区域点源污染负荷与面源污染负荷之和。依据《南山区饮用水源保护区污染源调查总结报告》可知，研究流域范围内的工业企业和三小场所共计1 408家，其中工业企业共785家，三小场所共623家。785家工业企业中，其中白芒村有企业288家；大磡村企业400家；麻磡村有企业97家。623家三小场所中白芒村、麻磡村和大磡村分别为159，103，361家。研究范围内白芒河的企业排污管网接入比例最大，其次为大磡村，麻磡村接入比例最小。由于面源污染物的产生受降雨过程影响，其通量随时间变化过程与降雨过程密切相关。对于研究区域，分别在降雨期（2008年4月19日）、非降雨期（2008年2月20日）对控制断面流量、污染物浓度时间变化过程进行了现场取样检测。根据降雨期实测流量、污染物浓度时间变化过程，推算得到实测累积径流量、累积污染物入库通量时间变化过程，再扣除入库基流及其入库污染负荷累积通量的影响，求得降雨期间扣除控制断面基流及其携带的污染负荷后的累积降雨径流量、累积面源污染物负荷时间变化过程，经数学拟合可得入库面源污染物浓度与累积径流量动态响应关系曲线（见图5、图6）及响应关系式。其中，白芒河、麻磡河入库断面面源COD，NH3-N浓度与累积径流量响应关系数学函数表达式分别为：

式中：y为控制断面面源污染物质量浓度，mg/L；x为控制断面地表径流累积径流量，m3。

图5 白芒河入库面源污染物浓度随累积径流量变化曲线

图6 麻磡河入库面源污染物浓度随累积径流量变化曲线

3.2 流域入库面源污染物浓度时间过程分析

根据白芒河、麻磡河入库面源污染物浓度与设计累积径流量的对应关系（公式5～8）及白芒河、麻磡河设计流量时间变化过程（图4），得到不同时刻的累积径流量及其对应的入库面源污染物浓度，再由累积径流量的时间变化过程，最终得到入库面源污染物浓度的时间变化过程，其中白芒河、麻磡河面源COD浓度的时间变化过程见图7。

图7 白芒河、麻磡河入库面源COD浓度时间过程

由于降雨过程中单位时间内累积径流量的增加量不同、河流控制断面流经相同累积径流量时入库面源污染物浓度的变化量不同，各主要河流入库面源COD浓度随降雨历时的增加以不同速率降低，直至最后趋于稳定。其中白芒河流域初始COD质量浓度为941 mg/L，在降雨发生9.83 h时开始逐渐趋于稳定，稳定质量浓度约为98 mg/L；麻磡河流域初始COD质量浓度为555 mg/L，在降雨发生6.50 h时开始逐渐趋于稳定，稳定质量浓度约为12 mg/L。

3.3 流域入库面源污染物通量时间变化过程分析

由研究区域主要河流控制断面污染物浓度时间变化过程及设计流量时间变化过程可得入库污染物通量时间变化过程，其中白芒河、麻磡河控制断面面源COD入库通量时间变化过程分别见图8。

图8 白芒河、麻磡河面源COD入库通量时间过程

由图8可知，白芒河及麻磡河控制断面面源COD入库通量随降雨历时的增加呈现波动的现象。这种现象是由控制断面污染物浓度与断面设计径流量相同时刻的变化率不同造成的。如白芒河降雨发生2.50～4.83 h时段，控制断面污染物浓度下降速度较平缓，断面流量又不断增加，故面源入库通量不断增大。降雨发生4.83～7.00 h时段，随着控制断面污染物浓度的快速下降，断面设计流量增加幅度较小，因此控制断面面源COD入库通量随之降低。

4 结论

（1）基于西丽水库主要河流控制断面水量、水质同步观测时间序列资料得到的研究区域入库面源污染物通量时间变化过程，考虑了面源污染物随地表径流疏移至控制断面的损失，提高了模拟计算的精度。

（2）由于降雨产流产污与降雨过程之间存在时间滞后效应，各主要河流汇水区域面源污染负荷在降雨发生一段时间后开始进入水库。地表径流汇至控制断面初始时刻入库面源污染物浓度达到峰值，并在随后较短时间内以较慢的速率下降，之后随着径流量的增加，面源污染物浓度下降速度较快。

（3）通过对流域降雨产流产污过程研究发现，降雨初期径流中面源污染负荷所占比重较大。例如在研究区域5年一遇暴雨情况下，降雨前10 h产生的地表径流所含白芒河入库COD负荷占整个降雨过程白芒河面源入库COD总负荷的70.98%；降雨前10 h产生的地表径流所含麻磡河入库COD负荷占整个降雨过程麻磡河面源入库COD总负荷的68.81%。