流域非点源污染负荷估算方法

流域非点源污染负荷估算方法

非点源污染是湖泊和水库富营养化的重要原因之一。河流水质也直接受非点源污染的直接影响。因此，在计算水质预测和污染控制预算时，不仅要计算污染的排放负荷，还要计算非点源污染的负荷。否则，该计划将与经验分离，执行效果差等严重后果。由于非点源污染监测困难、成本高、监测不足，中国几乎没有系统的非点源污染监测数据。例如，在一些风暴和地表流量流量流量流量监测中，只有几个系统的非点源污染监测数据。因此，根据有限的数据，对非点源污染的负荷进行估计，尤其是多年平均和不同频率的年平均负荷，是水质预测和水质规划的重要基础。在这方面，目前还没有一种实用的估算方法。因此，本文从非点源污染的机理出发，提出了一种简单易用的非点源污染估算方法——平均浓度法。1概念和方法1.1地表径流过程与地下枯季污染程度的计算水质预测和流域非点源污染控制规划需要的是不同条件下的年负荷量,流域出口断面(或其它控制断面)的年总负荷量(WT)可表示为:WΤ=∫tet0C(t)Q(t)dt(1)式中,C(t)为年内浓度变化过程;Q(t)为年径流过程;t0和te分别为年初和年末时刻.从水文学我们知道,年径流过程可以划分为地表径流过程和地下(枯季)径流过程,而非点源污染主要是由地表径流引起的.因此,年总负荷量还可表示为:WΤ=∫tet0[CS(t)QS(t)+CB(t)QB(t)]dt(2)式中,QS(t)、QB(t)分别为地表和地下径流过程;CS(t)、CB(t)分别为地表和地下径流浓度.如果具有流量和浓度的同步监测资料,而且连续监测了很多年,则多年平均或不同频率代表年的年负荷量就可以由式(1)计算出来.但我国在大多数情况下,只测有几场径流过程的水质水量同步资料,这时,可对式(2)进行简化,以求得年负荷量.可以设想,如果我们能够得到地表径流和地下径流的平均浓度,就可以由式(2)算出非点源污染年负荷量和枯季径流的年负荷量,二者之和即为年总负荷量.即:WΤ=CSΜ∫tet0QS(t)dt+CBΜ∫tet0QB(t)dt=CSΜWS+CBΜWB(3)式中,CSM、CBM分别为地表径流和地下径流平均浓度;WS、WB分别为年地表和地下径流总量.1.2方法1.2.1年径流过程划分年径流量确定以后,为了分割地下径流和枯季径流,还需要确定年径流量的年内分配(即分配到各月),可采用典型年同倍比缩放法确定.由于非点源污染负荷主要是由汛期地表径流所携带的,因此,应将年径流过程划分为汛期地表径流量(暴雨径流)和枯季径流量(含汛期基流)这两部分.划分方法可采用水文学中的斜线分割法或统计法.1.2.2实测流量和同基流浓度一次暴雨径流过程非点源污染平均浓度的计算公式为:ˉC=WL/WA(4)式中,WL为该次暴雨携带的负荷量(g):WL=n∑i=1(QΤiCi-QBiCBi)Δti(5)WA为该次暴雨产生的径流量(m3):WA=n∑i=1(QΤi-QBi)Δti(6)QTi为ti时刻的实测流量,m3/s;Ci为ti时刻的实测污染物浓度,mg/L;QBi为ti时刻的枯季流量,m3/s(即非本次暴雨形成的流量);CBi为ti时刻的基流浓度(枯季浓度),mg/L;i=1,2,…,n,为该次暴雨径流过程中流量与水质浓度的同步监测次数;Δti为QTi和Ci的代表时间(s):Δti=(ti+1-ti-1)/2(7)则多次(如m次)暴雨非点源污染物的加权平均浓度为:C=m∑j=1ˉCjWAj/m∑j=1WAj(8)假定年地表径流的平均浓度近似等于上述多场暴雨的加权平均浓度,则非点源污染年负荷量(Wn)为:Wn=WsCSΜ(9)加上枯季径流携带的负荷量,可得到年总负荷量:WΤ=Wn+WBCBΜ(10)对于具有悬移质泥沙实测资料的流域,还可根据实测的多年平均输沙量或分析得到的不同频率年输沙量计算出修正系数,对计算的年总负荷量进行修正,以便得到更符合实际的结果.2使用示例1.1非点源污染年增荷黑河是西安市黑河引水工程的主要水源.黑河金盆水库控制流域面积1481km2,总库容2亿m3,主要功能是给西安市供水,最大日供水能力为76万m3.黑河流域绝大部分地处秦岭北麓高中山区,山高坡陡、岩石裸露、土层脊薄,而且库周及河流两岸的耕地多为坡度大于25°的坡耕地,易于发生水土侵蚀与污染物流失等非点源污染.此外,流域内人烟稀少、基本无工业和乡镇企业分布.黑河水库的水质威胁主要来自降雨径流引起的非点源污染.1995—1996年,“黑河引水工程水源保护研究”课题在坝址控制断面(黑峪口水文站)进行了非点源污染监测,共测了6次降雨的水质水量同步过程.黑峪口水文站于1938年设立,具有长系列流量和悬移质泥沙观测资料.下面以此为基础,应用前面提出的方法估算黑河流域多年平均及不同频率代表年的非点源污染年负荷量.2.2年径流及其分割对黑峪口水文站的长系列年径流实测资料进行频率计算,分别取频率为25%、50%和75%对应的年径流量作为丰、平、枯水年(即代表年)的径流量.不同代表年的年径流量及其分割结果见表1.2.3非点源污染与点源污染总平均浓度黑河流域非点源污染现场监测是在1995—1996年进行的,由于恰逢枯水年,监测的6场洪水都不大,监测日期及洪峰流量见表2.算出各次暴雨的径流量和非点源污染负荷量后,由式(4)可得出各自的平均浓度,再以各次暴雨的径流量为权重,由式(8)求得各种污染物多次暴雨洪水的非点源污染加权平均浓度.此外,由定期(特别是枯季)水质监测资料可算出各种污染物的(算术)平均浓度,用来近似代表点源污染(枯季径流)的平均浓度.黑河流域非点源污染与点源污染(8次定期水质监测)的平均浓度结果见表3.由于黑河金盆水库前期施工的影响,造成SS的平均浓度偏大.对此,可按实测多年平均输沙量(28.4万t)进行施工影响修正,反推的修正系数为0.581,即修正后的SS平均浓度为720.75mg/L.3.4非点源污染负荷比例由表3的平均浓度和表1的水量,按照式(9)和(10)可求出黑河不同代表年各种污染物的非点源年负荷量和总负荷量,同时可算出非点源污染负荷的比例,SS、TP、TN的结果见表4.由表4可见:第一,TP、TN负荷量由枯水年(75%)、平水年(50%)到丰水年(25%)依次明显增大,主要是由非点源污染负荷量的增大引起的;第二,TP的非点源污染负荷比例高于TN,SS的比例最高;第三,SS几乎全部由暴雨径流产生,TP的非点源污染负荷量占总负荷量的比例在83%以上,TN在73%以上,这表明黑河的营养负荷绝大部分来自降雨径流引起的非点源污染.平均浓度法的预测结果与其它方法的分析结果很接近1,多年平均和平水年的结果比较合理,枯水年的结果有可能偏大,丰水年的结果有可能偏小.4非点源污染负荷本文提出的平均浓度法,是根据有限的监测资料估算流域非点源污染年负荷量的简便而有效的方法,除了用来预测多年平均及不同频率代表年的非点源污染负荷量外,还可用于预测某些特殊年份(如实际特丰年)或次洪水的非点源污染负荷量.除前面介绍的黑河流域应用实例外,该方法还在西安市黑河引水工程的田峪、沣峪、和石砭峪流域,以及陕西省丹江和汉江流域的非点源污染负荷研究中得到了应用,结果令人满意.本文是西安市“黑河引水工程水源保护研究”课题专题三的部分成果,感谢有关部门和课题组的大力支持.当有长系列实测径流资料时,可直接统计出多年平均径流量,不