李 倩，白紹斌，任春坪，張新華

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065；2.四川省水利廳，四川成都610017；3.四川省環(huán)境科學(xué)研究院，四川成都610041)

0 引 言

2016年12月，《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見(jiàn)》對(duì)加強(qiáng)水污染治理提出了更為嚴(yán)格的要求，落實(shí)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，明確河流水污染防治目標(biāo)和任務(wù)刻不容緩。流域水污染防控中，點(diǎn)源污染的治理得到了相關(guān)部門的重視，并取得了一定的治理效果。但是，非點(diǎn)源污染引起的水體污染等問(wèn)題日益突出。

在污染總量控制與分配方面，負(fù)荷歷時(shí)曲線(LDC)由于簡(jiǎn)單實(shí)用，對(duì)資料要求相對(duì)較低，且可清晰地判斷污染物來(lái)源，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染的控制與管理得到了廣泛應(yīng)用[1]。歷時(shí)曲線法是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(USEPA)制訂TMDL計(jì)劃采用的一項(xiàng)成熟的技術(shù)。Searcy[2]1959年首次提出污染物L(fēng)DC，將其應(yīng)用于流域污染源類型識(shí)別、允許負(fù)荷通量及現(xiàn)狀負(fù)荷通量計(jì)算、污染負(fù)荷削減等方面。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外TMDL計(jì)劃中的應(yīng)用日漸增加并不斷完善，Patrick等[3]研究了流量歷時(shí)曲線(FDC)對(duì)植樹造林的水文響應(yīng)；程艷等[4]利用污染物的LDC進(jìn)行水質(zhì)分析，計(jì)算出各流量模式下污染物的削減率；陳奕等[5]利用LDC計(jì)算出不同季節(jié)袁河新余段總氮的現(xiàn)狀負(fù)荷通量和允許負(fù)荷通量，并進(jìn)行削減分配。但是，對(duì)于水文資料缺乏的小流域，如何獲取構(gòu)建LDC所需的流量系列，是實(shí)現(xiàn)TMDL容量總量控制的關(guān)鍵。為此，本文提出了5種通過(guò)獲取流量系列構(gòu)建LDC的方法。

1 LDC建立步驟

LDC是水文學(xué)中常用于頻率分析的一種工具，系指特定參數(shù)系列中大于等于某一給定參數(shù)值的頻率曲線，將參數(shù)系列值由大到小排序，以不小于具體參數(shù)值的其他參數(shù)量占總數(shù)的百分比作為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)參數(shù)值作為縱坐標(biāo)(多采用對(duì)數(shù)坐標(biāo))建立的曲線。當(dāng)參數(shù)為流量系列時(shí)即為FDC，將流量系列乘以特定污染物某一標(biāo)準(zhǔn)濃度得到污染物的負(fù)荷通量，作為新參數(shù)系列建立的歷時(shí)曲線即為該特定污染物的LDC[6]。LDC建立步驟：

(1)繪制流域內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面(站點(diǎn))的FDC。將徑流數(shù)據(jù)(日流量或月流量)從大到小排序，然后計(jì)算每個(gè)流量值對(duì)應(yīng)的頻率，該頻率表示大于等于對(duì)應(yīng)流量的保證率。其中，X軸表示保證率(用百分?jǐn)?shù)表示)，Y軸表示流量(使用對(duì)數(shù)坐標(biāo))。

(2)基于FDC和水質(zhì)目標(biāo)濃度構(gòu)建LDC。確定水體的水質(zhì)目標(biāo)，將該水體的某一污染物水質(zhì)目標(biāo)濃度乘以FDC各縱坐標(biāo)值，重新建立的曲線即為L(zhǎng)DC。當(dāng)水質(zhì)目標(biāo)濃度不隨流量變化而改變時(shí)，F(xiàn)DC與LDC形狀相同；反之，兩者曲線形狀略有差異。

(3)劃分流量歷時(shí)區(qū)域，即水期劃分。一般將整個(gè)FDC劃分為5個(gè)不同的流量歷時(shí)區(qū)域(FDI)，分別為特豐期(0～10%)、豐水期(10%～40%)、平水期(40%～60%)、枯水期(60%～90%)、特枯期(90%～100%)。EPA一般認(rèn)為特豐期和特枯期屬于特殊時(shí)期，數(shù)據(jù)不具有代表性，通常不予考慮。

(4)污染物超標(biāo)情況識(shí)別。將實(shí)測(cè)流量與對(duì)應(yīng)的污染物實(shí)測(cè)濃度相乘，得到污染物的實(shí)際負(fù)荷通量；根據(jù)實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為日負(fù)荷通量在LDC圖上的位置，即可判別該污染物是否超標(biāo)及超標(biāo)程度(位于LDC上方為超標(biāo)，位于下方為不超標(biāo))。

2 缺資料地區(qū)LDC構(gòu)建方法

2.1 徑流系列法

若觀測(cè)站具有較長(zhǎng)時(shí)段的實(shí)測(cè)徑流系列，可直接使用觀測(cè)站的徑流系列構(gòu)建LDC。研究斷面距離觀測(cè)站較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)水文比擬法得到該研究斷面的徑流系列，將該系列分別從大到小排序，根據(jù)上述介紹的方法建立FDC，在FDC的基礎(chǔ)上乘以該水體某一污染物的水質(zhì)目標(biāo)濃度得到該斷面的LDC。

2.2 徑流系列延長(zhǎng)法

觀測(cè)站徑流系列較短或代表性較差時(shí)，需要將徑流系列進(jìn)行延長(zhǎng)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定[7]，可根據(jù)上下游、本流域、相鄰流域或附近水文氣象條件相似區(qū)域內(nèi)資料情況，采用集水面積比例法、水位流量相關(guān)法、降水徑流相關(guān)法、徑流相關(guān)法或其他經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)論證的方法進(jìn)行徑流系列插補(bǔ)延長(zhǎng)。通常，根據(jù)降雨與徑流的相關(guān)關(guān)系將徑流系列進(jìn)行插補(bǔ)展延。

2.3 水文模型模擬生成法

水文模擬中常用分布式水文模型模擬徑流，如SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型具有輸入?yún)?shù)簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高、可進(jìn)行長(zhǎng)期模擬等優(yōu)點(diǎn)。SWAT模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的集成了RS、GIS和DEM技術(shù)的分布式水文模型，具有很強(qiáng)的水文物理機(jī)制，在徑流、水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)中應(yīng)用廣泛[8]。SWAT模型進(jìn)行地表徑流模擬的主要原理是在每個(gè)水文響應(yīng)單元HRU上應(yīng)用SCS徑流曲線法概念模型來(lái)推求凈雨，再進(jìn)行匯流計(jì)算，最后求出出口斷面的流量[9]。

根據(jù)已有的DEM、土地利用、氣象等數(shù)據(jù)構(gòu)建SWAT模型，同時(shí)利用SWAT-CUP對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和率定，使參數(shù)的選定更符合流域?qū)嶋H情況，進(jìn)而模擬其他斷面的長(zhǎng)期徑流系列。

2.4 相似流域法

2.4.1選擇原則

前述3種方法都要求具有一定的實(shí)測(cè)徑流或降雨數(shù)據(jù)，在研究流域沒(méi)有任何資料的情況下無(wú)法實(shí)行。此時(shí)，若研究流域附近有與其水文和下墊面條件等屬性特征相似，且具有較長(zhǎng)徑流系列的參證流域，可以考慮使用相似流域法。相似流域選取的原則[7]：①相比擬流域在地形地貌、植被條件、人類活動(dòng)影響等方面基本相同或相似。②集水面積相差一般不超過(guò)50%。③利用多年降雨量比例修正兩流域降雨差異；由面積比修正流域面積大小對(duì)徑流的影響。

根據(jù)上述原則選取合適的相似流域，以相似流域水文站的徑流系列為基準(zhǔn)，利用水文比擬法得到所求站點(diǎn)或斷面的徑流。

2.4.2水文比擬中的問(wèn)題及改進(jìn)

若僅通過(guò)多年平均降雨量對(duì)水文比擬法進(jìn)行修正，由于研究流域和相似流域降雨時(shí)空分布不均勻和水情期不同步，會(huì)出現(xiàn)實(shí)測(cè)徑流系列和相似流域法分別構(gòu)建的LDC在不同歷時(shí)區(qū)域(水期)的分布不一致的情況。徑流系列法與相似流域法比較見(jiàn)圖1。從圖1可知，在0～20%的歷時(shí)區(qū)域間，徑流系列法得到的負(fù)荷值大于相似流域法得到的負(fù)荷值；在20%～100%的歷時(shí)區(qū)域間，結(jié)果則相反。

圖1 徑流系列法與相似流域法比較

為此，對(duì)水文比擬法進(jìn)行改進(jìn)，分別統(tǒng)計(jì)不同歷時(shí)區(qū)域的降雨量，根據(jù)各歷時(shí)區(qū)域降雨量差異分別修正。建議分別統(tǒng)計(jì)研究流域及相似流域內(nèi)保證率為0～10%(特豐期)、10%～40%(豐水期)、40%～60%(平水期)、60%～90%(豐水期)、90%～100%(特枯期)的多年逐日(月)降雨量。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的水文比擬法計(jì)算公式為

Q研=Q參×(F研/F參)×(P研/P參)×(α研/α參)

式中，Q研、Q參分別為研究流域水文站點(diǎn)、相似流域參證站逐日(逐月)流量；F研、F參分別為研究流域水文站點(diǎn)、相似流域參證站集水面積；P研、P參分別為研究流域、相似流域?qū)?yīng)保證率的多年逐日(月)降雨量的平均值；α研、α參分別為研究流域、相似流域多年平均徑流系數(shù)。

2.5 徑流深法

針對(duì)研究流域完全沒(méi)有徑流觀測(cè)資料，且沒(méi)有與其下墊面、水文條件相似的流域，提出一種基于多年平均徑流深R、變差系數(shù)Cv、偏態(tài)系數(shù)Cs構(gòu)建LDC的徑流深法。該方法的分析步驟為：①查詢當(dāng)?shù)氐摹端氖謨?cè)》及相關(guān)文獻(xiàn)資料，得到R、Cv、Cs這3個(gè)參數(shù)值。②根據(jù)Cv、Cs得到不同保證率P對(duì)應(yīng)的離均系數(shù)φp。③計(jì)算不同保證率P對(duì)應(yīng)的年徑流深及年均流量。④建立年均流量皮爾遜Ⅲ型頻率曲線，從曲線上查取其他保證率P對(duì)應(yīng)的年均流量。⑤將不同保證率對(duì)應(yīng)的年均流量進(jìn)行年內(nèi)分配，基于分配后得到的月均徑流構(gòu)建LDC。

徑流深法所需要的參數(shù)少且容易獲取，操作步驟簡(jiǎn)單。針對(duì)我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)觀測(cè)資料極其稀缺以及從業(yè)人員專業(yè)水平欠缺等實(shí)際情況，該方法的適用性更強(qiáng)。但該方法只能建立以月為單位的LDC，對(duì)于我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)未達(dá)逐日監(jiān)測(cè)，即以月監(jiān)測(cè)的現(xiàn)實(shí)情況是適用的。

3 案例分析

3.1 研究流域概況

為分析論證不同LDC構(gòu)建方法在TMDL應(yīng)用中是否能滿足污染物控制要求。本文選取具有一定水文觀測(cè)資料，但徑流系列不太理想的思蒙河流域?yàn)檠芯繉?duì)象。思蒙河屬岷江水系一級(jí)支流，源于丹棱、眉山與蒲江縣交界的長(zhǎng)丘山脈，流經(jīng)丹棱縣、眉山縣、青神縣，在青神縣瑞峰鎮(zhèn)熊塘村注入岷江。匯口高程約381.1 m，河長(zhǎng)82.8 km，河床平均比降22%，流域面積738.86 km2，共涉及3個(gè)縣17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)97個(gè)行政村。思蒙河流域及所在行政區(qū)域見(jiàn)圖2。本流域有伏龍水文站，該站觀測(cè)系列較短，僅有1962年～1966年的水位、流量、降雨觀測(cè)資料；雨量站共計(jì)3個(gè)，分別為丹棱站、伏龍站和青神站，有1979年～2010年的逐日降雨觀測(cè)資料；氣象站有樂(lè)山站，該站觀測(cè)資料包括1979年～2010年的逐日最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫、日均相對(duì)濕度、日均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等。

圖2 思蒙河流域位置

思蒙河流域水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。2015年～2016年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該流域水質(zhì)現(xiàn)狀較差，主要超標(biāo)污染物為高錳酸鉀指數(shù)、總氮、總磷，是四川省重點(diǎn)治理的32條小流域之一。為實(shí)現(xiàn)水污染控制目標(biāo)，思蒙河流域被劃分為3段，其中水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面(考核斷面)有東丹交界斷面、東青交界斷面、思蒙河河口斷面。為探討資料缺乏(無(wú)資料)流域污染LDC構(gòu)建方法，本文以思蒙河河口斷面總氮LDC構(gòu)建為例。

3.2 LDC構(gòu)建

(1)基于徑流系列法。根據(jù)伏龍站1962年～1966年實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，由水文比擬法得到思蒙河河口斷面的逐日(月)徑流系列，利用前述方法分別構(gòu)建該斷面總氮的LDC。針對(duì)某些站點(diǎn)僅有月均徑流系列的情況，因此分別基于日均徑流和月均徑流系列構(gòu)建LDC。

(2)基于徑流系列延長(zhǎng)法。根據(jù)伏龍水文站已有的實(shí)測(cè)徑流系列和降雨系列的相關(guān)關(guān)系，對(duì)1979年～2011年徑流系列進(jìn)行插補(bǔ)展延，構(gòu)建了基于1979年～2011年徑流系列的LDC。

(3)基于水文模型模擬生成法。建立SWAT模型所需要的數(shù)據(jù)包括30 m×30 m分辨率的DEM、1∶10萬(wàn)的土地利用類型圖、1∶100萬(wàn)的土壤類型圖、降雨數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等。SWAT模型將思蒙河流域劃分為25個(gè)子流域，443個(gè)水文響應(yīng)單元。徑流模擬以伏龍站1962年～1964年為率定期，1965年～1966年為驗(yàn)證期，相關(guān)系數(shù)R2分別0.78和0.93，納西系數(shù)NS分別為0.89和0.93，模擬效果較好。利用構(gòu)建好的模型和已率定的參數(shù)模擬了1979年～2011年的逐日(月)流量，并分別構(gòu)建LDC。

(4)基于相似流域法。根據(jù)相似流域選取原則，選取大邑(三)站為相似流域的參考站，該站具有1978年～1989年的實(shí)測(cè)徑流系列。大邑(三)站為岷江支流斜江上的水文站，斜江流域與思蒙河流域距離較近，下墊面、水文條件、土地利用等流域?qū)傩韵嗨?，其中多年平均年徑流深?76.8 mm(伏龍站為582 mm)；多年平均年徑流系數(shù)為0.59(伏龍站為0.5)；年徑流深變差系數(shù)CV=0.32(伏龍站為0.34)；集水面積為296 km2(伏龍站為271 km2)；根據(jù)上述條件認(rèn)為，斜江流域大邑(三)站比較滿足選取原則。思蒙河流域與斜江流域相對(duì)位置見(jiàn)圖3。由于大邑(三)站和伏龍站降雨量在不同水期分配差異較大，僅通過(guò)年均降雨量修正得到的負(fù)荷歷時(shí)曲線在枯水期和特枯期誤差較大。因此，利用改進(jìn)后的水文比擬法計(jì)算伏龍站1978年～1989年的徑流系列，分別基于日均徑流和月均徑流系列構(gòu)建LDC。

圖3 思蒙河流域與相似流域(斜江流域)相對(duì)位置

(5)基于徑流深法。查詢《四川省水文手冊(cè)》，伏龍站R=528 mm、Cv=0.34、Cs=2Cv；計(jì)算不同保證率P對(duì)應(yīng)的離均系數(shù)φp、年徑流深及年均流量；建立年均流量的皮爾遜Ⅲ型頻率曲線；基于年內(nèi)分配后的月均徑流構(gòu)建LDC。

3.3 結(jié)果分析

為分析比較不同方法構(gòu)建的LDC及其適用性，將5種方法基于日均徑流系列和月均徑流系列構(gòu)建的LDC分別繪制到一張圖上(見(jiàn)圖4)。從圖4可以看出每種方法分別在20%、40%、50%、60%、80%對(duì)應(yīng)的最大日負(fù)荷總量。因徑流系列法資料相對(duì)比較完整、精度較高，故以此為基準(zhǔn)，將本文提出的其他4種方法的計(jì)算結(jié)果與徑流系列法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分別驗(yàn)證各方法的計(jì)算精度。結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 各方法構(gòu)建的LDC比較

表1 各方法不同頻率下對(duì)應(yīng)最大日負(fù)荷總量與徑流系列法誤差

從表1可知，除相似流域法外，其他方法在頻率為40%、50%、60%時(shí)，誤差基本控制在10%左右；頻率為20%和80%時(shí)，誤差控制在10%～20%，原因是在豐水期和枯水期流量幅度變化較大。相似流域法誤差最大，該方法在改進(jìn)前誤差介于33.8%～95.2%，改進(jìn)后誤差大幅度降低，控制在0.8%～47.1%，效果非常明顯，但受掌握的資料有限，精度還不夠理想，因本文的重點(diǎn)在于方法探討，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)加強(qiáng)相似流域的選取論證。此外，基于月均徑流和日均徑流建立的LDC在豐水期、平水期、枯水期相差不大，在特豐期和特枯期相差較大，原因是在特豐期和特枯期徑流極端情況較多，月均徑流會(huì)將日均徑流的極端值削平。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了5種建立LDC的方法，除相似流域法外，其他方法計(jì)算結(jié)果均比較接近。徑流系列法適用于實(shí)測(cè)資料系列較長(zhǎng)的流域；徑流系列延長(zhǎng)法適用于有部分徑流數(shù)據(jù)、降雨資料較長(zhǎng)、且降雨與徑流相關(guān)性較好的流域；水文模型模擬生成法適用于降雨和氣象數(shù)據(jù)充足的流域；相似流域法和徑流深法適用于無(wú)任何資料的流域，前者適用于較易找到屬性相似流域的情況，后者適用于多年平均年徑流深、變差系數(shù)、徑流年內(nèi)分配系數(shù)可獲取的流域，一般每個(gè)省都有水文手冊(cè)，可在當(dāng)?shù)氐氖∷氖謨?cè)中查到。本文所用方法對(duì)其他缺資料小流域LDC的建立也具有一定的借鑒意義，可根據(jù)具體研究流域的實(shí)際情況選擇合適的方法。

由于掌握的資料限制，5種方法中相似流域法的精確性改進(jìn)后有所提高，但仍相對(duì)較差，建議在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中合理選擇相似流域。對(duì)其他方法也需在進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用中予以完善。