董 旭，周慧慧

（溫州市珊溪水利樞紐管理局，浙江 溫州 325000）

珊溪水庫支流總氮入庫通量計算與研究

董 旭，周慧慧

（溫州市珊溪水利樞紐管理局，浙江 溫州 325000）

以2005—2013年逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了珊溪水庫及主要支流的總氮濃度變化趨勢，選用美國地質(zhì)調(diào)查局的LOADEST模型，計算了各支流歷年總氮的入庫量，摸清了各支流的總氮貢獻(xiàn)率。

珊溪水庫；水源地；入庫通量

1 問題的提出

珊溪水利樞紐位于浙江省溫州市飛云江干流中游河段，由多年調(diào)節(jié)水庫珊溪水庫和下游的日調(diào)節(jié)水庫趙山渡水庫組成(見圖1)。供水區(qū)內(nèi)受益人口500多萬人，被稱為溫州人民的“大水缸”。根據(jù)近幾年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，庫區(qū)總氮、總磷濃度較高，下游干流和支流氮、磷等營養(yǎng)指標(biāo)超標(biāo)情況較多。因此，為了摸清水庫總氮來源，控制水庫富營養(yǎng)化，研究計算入庫各支流的總氮入庫通量刻不容緩。

采用LOADEST模型建立各支流入庫斷面總氮通量與流量、時間等變量的回歸方程，在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，估算各河流總氮入湖通量。

圖1 珊溪水庫(趙山渡)水系示意圖

2 珊溪水庫及入庫支流總氮濃度狀況

為分析與研究珊溪水庫及主要支流的總氮變化趨勢，收集了2005 — 2013年逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.1 珊溪水庫和趙山渡水庫支流基礎(chǔ)資料

珊溪水庫支流包含：洪口溪、司前溪、三插溪、苣江溪、峃作口溪、黃坦坑溪；趙山渡水庫支流包含：珊溪坑、李井坑、渡瀆溪、桂溪、泗溪、九溪、平和溪、玉泉溪。

2.2 珊溪水庫和趙山渡水庫總氮指標(biāo)評價

珊溪水庫和趙山渡水庫總氮逐年變化情況見圖2。

圖2 珊溪水庫和趙山渡水庫總氮濃度變化趨勢圖(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

珊溪水庫庫區(qū)總氮年均值基本上符合Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，部分月份總氮不符合目標(biāo)水質(zhì)要求；趙山渡庫區(qū)總氮年均值超標(biāo)，大部分為Ⅲ類，少數(shù)月份為Ⅵ類。

2.3 入庫主要支流總氮指標(biāo)評價

參照湖庫標(biāo)準(zhǔn)，主要入庫支流總氮多年平均所屬水質(zhì)類別見圖3。珊溪水庫的6條主要入庫支流中，司前溪為Ⅱ類水質(zhì)，莒江溪、洪口溪、三插溪和峃作口溪為Ⅲ類水質(zhì)，黃坦坑為劣Ⅴ類水質(zhì)。在趙山渡水庫的8條主要入庫支流中，李井溪、泗溪和司前溪總氮濃度為Ⅴ類水質(zhì)；其余5條入庫支流為Ⅲ類水質(zhì)。

圖3 主要入庫支流總氮評價結(jié)果圖

3 主要支流總氮入庫通量

3.1 計算模型選擇

污染物通量指一定時間內(nèi)通過河流某斷面的污染物總量，估算方法主要有流域機(jī)理性模型、簡單的過程模型和反演模型3大類。流域模型(SWAT[1]、AGNPS[2]和GWLF[3]等)能夠模擬流域水文和污染遷移過程，然而結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)需求量大、參數(shù)眾多，校準(zhǔn)和驗(yàn)證困難[4-6]。簡單的過程模型 (輸出系數(shù)法[7]、SPARROW模型[8]、質(zhì)量守衡法[9]等)避開了復(fù)雜的污染過程，所需參數(shù)少，然而幾乎都依賴于各種土地利用的輸出系數(shù)[10]，在復(fù)合污染區(qū)域的應(yīng)用受到限制。水質(zhì)反演法是近年發(fā)展起來的方法[11-15]，基于離散的水質(zhì)數(shù)據(jù)和連續(xù)的水文數(shù)據(jù)，通過污染物通量與流量的經(jīng)驗(yàn)公式來反推污染負(fù)荷，具較高的精度和廣泛的適用性。

根據(jù)珊溪水庫的現(xiàn)有資料，選用結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)需求量相對較小的 LOADEST(Loadestimator)模型進(jìn)行河流污染物通量估算。LOADEST模型是美國地質(zhì)調(diào)查局建立的流域污染負(fù)荷估算模型，利用連續(xù)的日流量數(shù)據(jù)和有限的、離散的水質(zhì)數(shù)據(jù)，建立污染物通量回歸方程，進(jìn)而估算河流不同時間尺度下的輸移通量，目前已被應(yīng)用于國內(nèi)外許多河流的污染負(fù)荷估算[16]。

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到實(shí)驗(yàn)條件的限制或者歷史信息的不確定性，LOADEST模型提供了11種回歸方程形式。常用模型形式為：

式中：In代表自然對數(shù)，L(t)是水質(zhì)監(jiān)測日的總氮通量(g · km-2· d-1)；Q(t)是水質(zhì)監(jiān)測日的流量(m3· d-1)；t是分?jǐn)?shù)形式的日期；Qc和tc分別是中心流量和中心日期；β0是常數(shù)，β1- β2代表流量和濃度的關(guān)系，β3- β4代表時間和濃度的關(guān)系，β5- β6代表季節(jié)和濃度的關(guān)系；e是殘差。

3.2 入庫支流總氮通量估算結(jié)果

以2009 — 2011年的水質(zhì)數(shù)據(jù)(逐月監(jiān)測)和日流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用LOADEST模型建立總氮通 量與流量、時間等變量的回歸方程，計算了主要入庫支流的總氮入庫通量(見表1)。由表1可見，珊溪水庫6條主要入庫支流總氮入庫通量合計為2 263.39 ± 1 122.16 t/a，70%以上來自黃坦坑，原因在于黃坦坑畜禽養(yǎng)殖污染過于嚴(yán)重。趙山渡水庫8條主要入庫支流總氮入庫通量合計為646.60 ± 204.19 t/a，主要來自泗溪和玉泉溪，二者合計所占比例接近80%。注：表中上標(biāo)1的數(shù)據(jù)為入庫量小計數(shù)。

表1 主要入庫支流的總氮入庫通量表

4 結(jié) 語

4.1 主要結(jié)論

水庫水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)，與流域集水區(qū)污染過程息息相關(guān)。為了控制珊溪水庫水質(zhì)惡化，對入庫河流的總氮入庫通量進(jìn)行總量控制刻不容緩。采用LOADEST模型計算了各支流歷年總氮的入庫量，摸清了各支流的總氮貢獻(xiàn)率，為有關(guān)部門針對性加強(qiáng)污染治理提供了技術(shù)支持。

4.2 研究展望

單純估算入庫支流污染入庫通量，而不能建立污染入庫通量與水庫水質(zhì)的動態(tài)關(guān)系，仍無法為實(shí)施污染總量控制提供科學(xué)依據(jù)。因此，為進(jìn)一步對珊溪水庫污染進(jìn)行總量控制，就必須首先解決“非點(diǎn)源污染過程—水庫水質(zhì)響應(yīng)定量”這個關(guān)鍵問題。根據(jù)珊溪水源地實(shí)際情況，下一步的研究方向是基于已有的研究基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)積累，建立珊溪水庫流域模型(SWAT等)，并與水庫水質(zhì)模型(WASP等)聯(lián)用，量化水庫污染過程與水庫水質(zhì)之間的動態(tài)關(guān)系。

[1] Nasr A，Bruen M，Jordan P，et al.A comparison of SWAT, HSPF and SHETRAN/GOPC for modelling phosphorus export from three catchments in Ireland[J].Water Research，2007，41(5)：1065 - 1073.

[2] Mohammed H，Yohannes F，Zeleke G.Validation of agricultural nonv - point source (AGNPS) pollution model in Kori watershed, South Wollo，Ethiopia[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2004，6(2)：97 - 109.

[3] Schneiderman EM，Pierson DC，Lounsbury DG，et al. Modeling the hydrochemistry of the cannons Ville watershed with Generalized Watershed Loading Functions (GWLF)[J].Journal of the American Water Resources Association，2002，38(5)：1323 - 1347.

[4] Yang J，Reichert P，Abbaspour KC，et al.Hydrological modelling of the Chaohe Basin in China：Statistical model formulation and Bayesian inference[J].Journal of Hydrology，2007，340(3/4)：167 - 182.

[5] Grunwald S，Nrton LD.Calibration and validation of a non - point source pollution model[J].Agricultural Water Management，2000，45(1)：17 - 39.

[6]Al - Abed NA，White HR.Calibration of the Hydrological Simulation Program Fortran (HSPF) model using automatic cali bration and geographical information systems[J]. Hydrological Processes，2002(16)：3169 - 3188.

[7] Johnes PJ. Evaluation and management of the impact of land use change on t he nitrogen and phosphorus load delivered to surface waters：The export coefficient modeling approach[J].Journal of Hydrology，1996，183(3/4)：323 - 349.

[8] Schwarz GE，Hoos AB，Alexander RB，et al.The SPARROW Surface Water - Quality Model - Theory，Application，and User Documentation：US Geological Survey Techniques and Methods，Book 6，Section B[M].ONLINE ONLY ：USGS，2006.

[9] Pieterse NM，Bleuten W，J?rgensen SE. Contribution of point sources and diffuse sources to nitrogen and phosphorus loads in lowland river tributaries[J]. Journal of Hydrology，2003，271(1/2/3/4)：213 - 225.

[10] Shrestha S，Kazama F，Newham LTH.A framework for estimating pollutant export coeff i cients from long - term in - stream water quality monitoring data[J].Environmental Modelling and Software，2008，23(2)：182 - 194.

[11] 陳丁江，孫嗣旸，賈穎娜，等.區(qū)域點(diǎn)源和非點(diǎn)源磷入河量計算的二元統(tǒng)計模型[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34(1)：87 - 93.

[12] Grizzetti B，Bouraoui F，Marsily G De，et al.A statistical method for source apportionment of riverine nitrogen loads[J].Journal of Hydrology，2005(304)：302 - 315.

[13] Bowes MJ，Smith JT，Jarvie HP，et al.Modelling of phosphorus inputs to rivers from diffuse and point sources[J].Science of Total Environment，2008，395(2/3)：125 - 138.

[14] Bowes MJ，Smith JT，Jarvie HP，et al.Changes in point and diffuse source phosphorus inputs to the River Frome(Dorset,UK) from 1966 to 2006[J].Science of Total Environment，2009，407(6)：1954 - 1966

[15] Huang H，Zhang BF，Lu J.Quantitative identif i cation of riverine nitrogen from point，direct runoff and base fl ow sources[J].Water Science and Technology，2014，70(5)：865 - 870.

[16] 李娜，盛虎，何成杰，等.于統(tǒng)計模型 LOADEST的寶象河污染物通 量估算[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2012，20(3)：355 - 366.

（責(zé)任編輯 姚小槐）

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1008 - 701X(2017)03 - 0022 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.006

2016-11-12

董 旭(1987 - )，男，助理工程師，大學(xué)本科，主要從事水資源保護(hù)、利用研究工作。

E - mail：276205244@qq.com