非点源污染产出估算方法研究

非点源污染产出估算方法研究

李丹，郝振纯，薛联青

河海大学水资源环境学院，江苏南京（210098）

摘要：根据非点源难以在其源头处监测的特点，对非点源污染的产出估算方法进行了初步探讨，提出在已有监测资料的基础上，利用成熟的数学模拟技术反演非点源污染负荷，从而分析得到非点源在流域的分布概况，其结果既可作为非点源污染模型应用的基础资料，同时也能指导非点源污染控制。论文以实例论证了该方法的可行性。

关键词：非点源污染，产出估算，反演

1. 引言

随着城市污水处理率的提高，点源污染控制技术已经比较成熟。然而在水体污染中占比重较大的非点源污染却仍是一大难题。至今国内外尚无成熟和标准化的控制和监测技术1。非点源污染发生的随机性、排放的间歇性以及污染负荷的时空变化大等特点决定了其监测、控制和处理都相当困难而复杂2。

国外对非点源污染的研究真正起步于60年代。首先在美、英、日等一些发达国家率先开展，随后在世界各地逐渐受到重视。40多年来，西方国家在这方面的研究工作从概念、研究方法到新技术应用，管理手段逐步发展，已经相对完善。相比而言，我国对非点源污染的研究起步就晚得多。北京城市径流污染及20世纪80年代初全国湖泊、水库富营养化调查和河流水质规划的研究标志着我国开始了真正意义上的非点源污染研究。此后，我国的非点源污染研究开始变得活跃。刘枫3于1988年对流域非点源污染量化识别进行了初步研究，并成功应用于于桥水库流域；李怀恩等4-5以非点源污染物的迁移转化机理为基础，从宏观角度和较大尺度上直接研究野外实际流域的非点源污染发生过程与特点，建立了次暴雨非点源污染负荷数学模型，并在相关流域做了验证；朱萱等6（1985）通过研究农田暴雨径流污染特征及污染物输出规律提出了采用统计技术的区域径流－污染负荷模型。

到目前为止，虽然在非点源污染定量化研究方面已经做了大量工作并有了一定进展，但是真正能在实践中推广应用的成果并不多见。大部分是引进并改造国外已有的非点源污染模型7-10，然后这些模型对资料的要求太高，且需要率定大量的参数，根据我国目前的现状，非点源污染试验与监测条件都达不到国外的先进水平，几乎没有系统的长系列非点源污染监测资料，从而限制了这些模型的应用并造成研究上的困难及计算结果的不精确、不可靠。鉴于此，本文尝试利用已有的水质监测资料和成熟的水质数学模型来反演非点源污染负荷，通过分析确定非点源污染在流域的分布概况，以此作为非点源污染模型运行的基础资料。这不仅对模型的实际应用具有指导作用，同时也有利于区域面源污染的控制和管理，对少资料或无资料区域非点源污染模拟和预测具有重要意义。

2. 思路与方法

2.1思路

传统上按污染的发生类型将水环境污染源分为点源（point source）和非点源（non-point source）。点源通常具有固定的排放位置，集中排放，如工业废水、污水处理厂的出水以及生活废水等。非点源则是向环境中排放不连续且不能由一般的污水处理方法获得水质改善的

污染源。也可简单定义为晴天积累、雨天排放的不固定排放源11。

以往的定量研究都是直接利用非点源污染模型预测进入水体的非点源污染负荷过程，然后再选用合适的水质模型来评价其影响。这种方法需要具有连续多年的流量和浓度同步监测资料，然而在我国，由于受试验和监测条件的限制，完整的野外小区实验资料很少，仅在一些流域的出口断面处测有水量水质同步资料，因而严重制约了模型的应用，并影响了模型的模拟预测精度。针对这种情况，我们设想在已有监测资料的基础上，利用点源反演面源。

首先选取成熟的水质数学模型模拟点源污染在流域的分布，然后通过剔除点源污染负荷来反求非点源污染负荷，分析确定非点源污染在流域的分布概况，从而估算非点源污染对流域的环境污染贡献率。

如果将流域各控制段的总污染负荷量（W T ）表示为：

T p n W W W =+p Q =p pe e Q =) （1）

式中：和 分别为点源和非点源污染负荷（t/a ）。

p W np W 其中有W C ，W C ，式中为流域控制段的平均流量（m T e e e Q 3/s ）；和分别污染物平均浓度以及点源污染物平均浓度（mg/L ）。

e C pe C 则由（1）式可得到控制区域非点源污染负荷量为：

(np e pe e W C C Q =− （2）

式中各项符号意义同前。

2.2方法

2.2.1 点源污染负荷的确定

降雨径流的冲刷是产生非点源污染的原动力，降雨径流又是非点源污染物的载体。如果没有地表径流的产生，非点源污染物就很难进入受纳水体。因此可以认为非点源污染主要是由汛期地表径流引起的，而枯水季节的污染主要来自点源，此时非点源污染所占比重很小，可以忽略不计。污染物排入水体后，在自净作用下其浓度会降低。为计算简便，可用一维对流扩散方程表示： C u

x

∂=−∂KC （3） 式中：C —污染物平均浓度

（mg/L ）；u —平均流速（m/s ）；K —污染物综合自净系数（1/d ）；x —距离（km ）。 上式的解为：()0exp x C t C K

u ⎛

⎞=−⎜⎝⎠⎟，其中为初始背景浓度。 0C 利用上述一维模型模拟得到水体中点源污染物浓度变化过程，结合流量过程即可算出各控制段点源污染负荷：

（4）

,,p i p i i W C Q =式中：—第段点源污染负荷（t/a ）；—第i 段点源污染物平均浓度（mg/L ）；—

第i 段平均流量（m ,p i W i ,p i C i Q 3/s ）

。

2.2.2 非点源污染负荷的估算

汛期的水体污染是点源与非点源污染综合作用的结果，根据此时已有的水质监测资料，由计算得到流域各控制段的总污染负荷，通过扣除前面计算得到的点源污染负荷，由（2）式即可求出各相应控制段的非点源污染负荷量。

T e W C Q =e 3. 实例应用

3.1流域概况

子牙河流域东临渤海，西靠云中山，包括河北南部和山西东部地区。子牙河系主要由滹沱河（685km ）、釜阳河（410km ）、釜阳新河（132km ）、子牙河（177km ）和子牙新河（143km ）等组成，面积46868km 2。滏阳河是子牙河两大支流之一，发源于河北省邯郸市峰峰矿区和村附近，流经磁县、邯郸、永年、曲周、鸡泽后出境入邢台，在磁县境内建有大Ⅱ型东武仕水库。1956-1989年平均降水量为558.8mm ，其中汛期6-9月的降水量占74％～76％，降水年内分配很不均匀。该流域易在7、8月发生大到暴雨，带来突发性水体污染事件，这与非点源污染密切相关。点源污染则主要来自于沿河生活污水和工业废水的排放。

为了研究上的方便，同时也受资料限制，本文做如下假设：首先，只研究流域干流的污染物混合输移过程，支流均作为点源输入，采用一维稳态水质模型模拟点源的沿程变化。其次，选取具有代表性且监测资料系列相对完整的氨氮作为模拟因子。

根据已有的水质监测资料，在研究河段上分别选取四个控制断面张庄桥、联纺桥、苏里桥和莲花口。其中支流作为点源排入。考虑到点源排污主要集中在邯郸县内的张庄桥－苏里段，而苏里－莲花口段则无点源排污，可以利用计算结果进行点源与非点源污染影响分析

3.2设计时段流量及点源污染负荷确定

据1956-1989年共34年流量资料，经水文统计计算得到50％、75％和95％保证率下的年径流量分别19370万m 3、9285万m 3、2057万m 3。利用（3）式对枯水年各河段的点源污染变化过程进行模拟，率定得到氨氮综合自净系数K 为2.02。然后用验证过的模型预测2003年丰水年各控制断面点源污染物浓度变化过程，并由（4）式计算得到各河段点源污染负荷，结果见表1。

表1 控制断面丰水期点源污染物浓度及污染负荷量

Table 1 Point source concentration and pollution load of each section

排污断面 点源污染物浓度(mg/L) 流量（m 3/s ）

污染负荷（t/a ） 1 5.05 8.73

1605.31 2 4.32 10.08

1435.92 3 1.57

10.54 521.85

3.3非点源污染负荷计算

根据2003年各断面水质监测资料，计算出各河段总污染负荷，结合以上点源污染负荷值由（2）式计算得到非点源污染负荷量，具体结果见表2，各段污染负荷比较示意如图1所示。