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文檔簡介

非點源污染負荷的輸出系數(shù)法計算及源解析研究

非點源污染(nis)是指溶解非點的污染物,通過水流和徑向流進入未指定區(qū)域的污染,并通過徑向流過程流入受體水域。美國60%的水環(huán)境污染源于NSP;丹麥270條河流94%的氮負荷、52%的磷負荷是由NSP引起的;荷蘭農(nóng)業(yè)NSP造成的總氮、總磷分別占水環(huán)境污染總量的60%和45%;2000年中國有10個水資源一級區(qū)的總磷和總氮入河量中NSP貢獻率分別為68%和65%,大量研究表明氮、磷等污染負荷主要是由NSP造成的。國外的NSP污染模型有SWAT、HSPF、AnnAGNPS等,這些分布式模型雖然模擬精度較高,但對數(shù)據(jù)的要求也很高,需要大量詳細的水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和流域內(nèi)氣象、地形、土壤等數(shù)據(jù),估算成本較高。在國內(nèi)常用的估算流域NSP污染負荷的方法有輸出系數(shù)法、徑流分割法、平均濃度法、降雨量差值法等,其中輸出系數(shù)法避開了NSP污染發(fā)生和發(fā)展的復(fù)雜過程,且所需參數(shù)少,操作簡便易行,又具有一定的精度,適合水文水質(zhì)資料缺乏的地區(qū)以及大尺度流域,因此得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用輸出系數(shù)法的關(guān)鍵是如何合理確定輸出系數(shù),這仍然是需要進一步探討的問題。本文基于渭河支流灃河流域的水文水質(zhì)實測資料計算得到NSP污染負荷量,合理確定輸出系數(shù),進而應(yīng)用輸出系數(shù)法分析灃河流域的非點源污染負荷及其來源與構(gòu)成,以期為灃河流域的水污染控制提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1流域地質(zhì)背景及監(jiān)測斷面灃河屬黃河流域渭河水系,是渭河的一級支流。灃河發(fā)源于西安市長安區(qū)秦嶺北側(cè),流經(jīng)西安市長安區(qū)、戶縣、咸陽市秦都區(qū)等十余個鄉(xiāng)鎮(zhèn),于咸陽北部漁王村入渭河,流域地處東經(jīng)108°35′~109°09′,北緯33°50′~34°20′,南依秦嶺山地,北連渭河平原(圖1)。東西寬約49.2km,南北長約59.5km,有各級支流21條,流域總面積1386km2。灃河多年平均年徑流量為2.381億m3,實測最大年徑流量為5.38億m3,實測最小年徑流量為0.868億m3,年際變化大且年內(nèi)分配也極不均勻。流域地勢總體上為東南高、西北低,南邊是呈東西走向的秦嶺山脈,北麓與廣大平原呈斷層接觸。本文研究范圍是整個灃河流域,水質(zhì)監(jiān)測斷面分別為太平峪、高冠峪、祥峪、灃峪斷面;灃峪口-入渭前的水質(zhì)監(jiān)測斷面有5個,分別是灃河口、秦渡鎮(zhèn)、嚴家渠、三里橋、潏河入灃斷面,監(jiān)測斷面如圖2所示,其中秦渡鎮(zhèn)斷面水文站具有長系列流量資料。1.2輸出系數(shù)法與濃度法比較本文基于灃河秦渡鎮(zhèn)斷面的實測水文水質(zhì)資料,應(yīng)用平均濃度法計算NSP污染負荷量,通過與輸出系數(shù)法的計算結(jié)果對比,進行誤差分析,合理確定輸出系數(shù),進而應(yīng)用輸出系數(shù)法分析灃河流域的非點源污染負荷及其來源構(gòu)成。1.2.1類土地污染物輸出量g20世紀70年代初期,美國、加拿大在研究土地利用-營養(yǎng)負荷-湖泊富營養(yǎng)化關(guān)系的過程中,提出并應(yīng)用了輸出系數(shù)法。這種方法為人們研究非點源污染提供了一種新的途徑。一般表達式為:式中:L為各類土地某種污染物的總輸出量,kg·a-1;Ei為第i種土地利用類型的該種污染物輸出系數(shù),kg·hm-2·a-1;Ai為第i類土地利用類型面積或第i種牲畜數(shù)量、人口數(shù)量。在蔡明等的研究中,對輸出系數(shù)法進行了改進,增加了降雨影響和流域損失的考慮,鑒于目前已有的降雨資料有限,本研究不考慮降雨的影響,只考慮在產(chǎn)匯流過程中的流域輸移損失。研究表明:流域出口斷面處的NSP污染負荷量與流域產(chǎn)出的NSP污染負荷量之比λ就是流域的損失系數(shù),則考慮流域損失的輸出系數(shù)模型為:式中:λ為流域損失系數(shù);RL為流域損失量;q為流域年徑流模數(shù);a,b為參數(shù),由非線性回歸法確定。1.2.2降雨徑流污染監(jiān)測平均濃度法是李懷恩于2000年提出的一種簡便易用的估算流域NSP負荷的方法,它的主要思想是:根據(jù)各次降雨徑流過程的水量、水質(zhì)同步監(jiān)測資料,先計算每次暴雨洪水的各種污染物非點源污染的平均濃度,再以各次暴雨產(chǎn)生的徑流量為權(quán)重,求出加權(quán)平均濃度近似作為地表徑流的平均濃度,與地表徑流之積為NSP污染負荷量。2結(jié)果與討論2.1非點源污染負荷的來源構(gòu)成應(yīng)用輸出系數(shù)模型的關(guān)鍵是確定合理的輸出系數(shù),常用的方法有查閱文獻法、野外監(jiān)測法和數(shù)學(xué)統(tǒng)計法。由于缺乏長系列的監(jiān)測資料且實驗條件不充分,本文采用文獻法來初步確定灃河流域污染負荷的輸出系數(shù)值,考慮流域輸移損失后修正系數(shù)值,使輸出系數(shù)法的計算結(jié)果更適合流域的實際情況,利用公式(2)估算的結(jié)果來分析非點源污染負荷的來源構(gòu)成。從灃河流域?qū)嶋H出發(fā),把營養(yǎng)源分為土地利用、牲畜及農(nóng)業(yè)人口3大類。為了提高分析精度,將土地利用進一步分為:耕地、草地、林地、城鎮(zhèn)用地和未利用地5種類型,牲畜又分為大牲畜、豬、羊3種類型。2.1.1未利用地自然地的tn輸出系數(shù)參考文獻[11-12]的研究結(jié)果可知:灃河的耕地情況與文獻中相似,故確定耕地TN的平均系數(shù)為32.88kg·hm-2·a-1。由于研究流域內(nèi)草地以天然草地為主,基本不施用化肥,故草地TN系數(shù)采用1.578kg·hm-2·a-1。王德連的研究中林地與研究區(qū)域林地結(jié)構(gòu)相似,故確定林地TN系數(shù)為3.27kg·hm-2·a-1。鑒于城鎮(zhèn)用地的復(fù)雜易變性,對其輸出系數(shù)取值的研究還很不完善,參考文獻[15-17]的研究結(jié)果取均值得城鎮(zhèn)用地TN輸出系數(shù)為11kg·hm-2·a-1。未利用地(自然地)的TN輸出系數(shù)可以通過研究流域的土壤含氮量和土壤侵蝕模數(shù)計算而得:式中:S為土壤侵蝕模數(shù),t·km-2;C為土壤中總氮含量,g·kg-1。由文獻可知:陜西的土壤平均含氮量為0.89g·kg-1·a-1,關(guān)中地區(qū)多年平均侵蝕模數(shù)為962t·km-2,則研究區(qū)的未利用地平均輸出系數(shù)取值為8.56kg·hm-2·a-1。由Johnes研究結(jié)果知:大牲畜、豬、羊的排泄物中氮含量分別為61.10、4.51、2.28kg·頭-1·a-1,氮的輸出比例分別為16.71%、16.43%和17.68%,計算得牲畜排泄物輸出系數(shù)分別為10.21、0.74、0.40kg·頭-1·a-1。根據(jù)蔡明等的研究,人的排泄物中氮的輸出系數(shù)為2.14kg·人-1·a-1。綜上所述,水源區(qū)不同土地利用類型、牲畜、農(nóng)業(yè)人口的TN輸出系數(shù)取值如表1所示。2.1.2秦渡鎮(zhèn)以上斷面nh4+-n、tn非點源負荷的比重由于文獻法中沒有適合研究區(qū)域的NH4+-N負荷輸出系數(shù),故根據(jù)本課題組的分析結(jié)果,取水文分割和平均濃度兩種方法的算術(shù)平均值得:秦渡鎮(zhèn)以上斷面NH4+-N和TN非點源負荷的比值為0.1548,近似采用此值應(yīng)用于TN的輸出系數(shù),得到NH4+-N的輸出系數(shù)見表1。2.1.3土地類型及總磷輸出系數(shù)的確定在輸出系數(shù)中受地域影響最大的是土地利用,而灃河流域土地類型主要為耕地、林地及城鎮(zhèn)用地,且耕地的主要作物為小麥和玉米,種植結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,根據(jù)參考文獻[22-25]確定總磷的輸出系數(shù)如表1。2.1.4畜禽養(yǎng)殖cod的產(chǎn)污系數(shù)由于研究流域處于我國西北地區(qū),根據(jù)文獻中西北地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖COD的產(chǎn)污系數(shù),以及劉永鋒和楊維等的研究,綜合得出COD污染負荷的系數(shù)值如表1。2.2考慮流域損失的輸出系數(shù)法計算結(jié)果依據(jù)灃河秦渡鎮(zhèn)水文站斷面2001—2009年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),應(yīng)用平均濃度法計算該斷面NH4+-N、TP和COD的非點源污染負荷量如表2所示。灃河流域內(nèi)土地利用面積、牲畜及人口狀況如表3所示,其中牲畜和人口狀況的數(shù)據(jù)來源于2001—2010年的陜西省西安市統(tǒng)計年鑒;土地利用數(shù)據(jù)大多來源于西安市統(tǒng)計年鑒,部分由灃河土地利用圖通過GIS的空間統(tǒng)計功能得到。由表1中各類營養(yǎng)源的輸出系數(shù)值和表3中灃河流域的土地利用、牲畜和農(nóng)業(yè)人口數(shù)據(jù),應(yīng)用公式(1)計算得NH4+-N、TP和COD的非點源污染負荷量,與表2中的NSP污染負荷進行對比如表4,其中r表示相對誤差率。由于表4中的輸出系數(shù)法采用的是公式(1),并沒有考慮降雨和流域輸移損失的影響,其計算結(jié)果均大于平均濃度法計算結(jié)果,具體分析如下:根據(jù)表中NH4+-N、TP和COD這3種污染物的結(jié)果對比可以看出:(1)NH4+-N污染負荷在2004年誤差偏大為40.32%,其余年份的誤差在30%左右,這是由于輸出系數(shù)法(公式1)的結(jié)果實際上是流域產(chǎn)污負荷,而不是到達流域出口斷面的NSP污染負荷,即沒有考慮流域輸移損失等因素的影響,另外土地利用等營養(yǎng)源數(shù)據(jù)來自年鑒也存在一定的誤差,故輸出系數(shù)法的計算結(jié)果較平均濃度法的計算結(jié)果偏大;(2)TP污染負荷的相對誤差基本在40%左右,除上述原因外,還由于磷沒有氮的化學(xué)性質(zhì)活潑,水溶性差,往往易于凝聚而被吸附在顆粒表面,流失以顆粒態(tài)為主;(3)COD污染負荷的相對誤差較大,在45%左右,原因基本類似。根據(jù)表1中選定的輸出系數(shù)值,計算得到灃河流域2001—2009年產(chǎn)生的NH4+-N、TP和COD負荷量如表4所示。由于流域面積較大,非點源污染物從產(chǎn)生到流域出口斷面存在較大的輸移損失,參考Behrend的流域損失公式,可以得到NH4+-N的損失系數(shù)與年徑流模數(shù)之間的關(guān)系為:TP的損失系數(shù)與年徑流模數(shù)之間的關(guān)系為:COD的損失系數(shù)與年徑流模數(shù)之間的關(guān)系為:應(yīng)用公式(5)、(6)、(7)分別求出NH4+-N、TP和COD各年的流域損失系數(shù)λ如表5所示。由表5的NH4+-N、TP和COD流域損失系數(shù)λ,應(yīng)用公式(2)進行計算,與表2中平均濃度法結(jié)果的對比見表6。據(jù)對比結(jié)果可知,相對誤差基本不超過±15%,在可接受范圍內(nèi)。通過考慮流域損失的輸出系數(shù)法計算結(jié)果與平均濃度法計算結(jié)果對比,可得出如下結(jié)論:(1)NH4+-N負荷在2001、2002、2006—2009年的相對誤差較小,在8%以內(nèi),2003年和2005年的相對誤差在10%左右,只有2004年的誤差偏大(但也在14%以內(nèi)),表明在考慮了流域的輸移損失后,輸出系數(shù)法的計算結(jié)果與平均濃度法計算結(jié)果吻合度較高。(2)TP負荷在2001、2004、2006、2009年這4年中的相對誤差較大,但均在15%以內(nèi),其余年份的誤差在8%左右,吻合度較高。(3)COD的NSP負荷量在2004年和2006年的相對誤差較大,但也在15%左右,其余年份的相對誤差均在8%以內(nèi),吻合度較高。根據(jù)表6及對比分析結(jié)果可知:考慮流域損失后的輸出系數(shù)法的計算結(jié)果是合理的;本文給出的各類營養(yǎng)源的輸出系數(shù)值與流域損失系數(shù)值適合研究區(qū)域。所以,可以應(yīng)用考慮流域輸移損失的輸出系數(shù)法負荷計算結(jié)果來分析研究區(qū)域內(nèi)污染物的來源,從而對灃河流域非點源污染的控制提出合理建議,采取相應(yīng)的措施。2.3農(nóng)業(yè)人口和耕地生活污染由表1中流域的各類輸出系數(shù)值與表3中灃河流域土地利用、牲畜和農(nóng)業(yè)人口數(shù)據(jù),應(yīng)用公式(2)計算流域TN非點源負荷如表7所示,NH4+-N非點源負荷如表8所示,TP非點源負荷如表9所示,COD非點源負荷如表10所示。為了直觀地說明TN負荷的各類來源占NSP總負荷的比重,繪制各種來源的柱狀圖、餅圖如圖3、圖4。NH4+-N負荷的各項來源占NSP總負荷比重的柱狀圖和餅圖如圖5、圖6。由表7和圖3、圖4可知,2000—2009年間,灃河流域非點源TN負荷總體上呈現(xiàn)下降趨勢。由表8和圖5、圖6可知,流域非點源NH4+-N負荷產(chǎn)出趨勢與TN一致,這9年期間NH4+-N非點源污染負荷量總體呈下降趨勢,說明在此期間的各種控制措施都已奏效,并取得良好的效果。但是農(nóng)業(yè)人口和耕地生活污染對非點源TN、NH4+-N的貢獻率較大,其中農(nóng)業(yè)人口和耕地對TN負荷的年均貢獻分別為40.73%、37.87%,所占比例最大(蔡明,李懷恩研究也認為農(nóng)業(yè)人口和耕地所貢獻的負荷量占的比例最大),應(yīng)作為非點源污染控制的關(guān)鍵要素。農(nóng)業(yè)人口所產(chǎn)生的TN和NH4+-N負荷呈逐年上升趨勢,主要是由于農(nóng)業(yè)人口的數(shù)量在不斷上升,所以同時還要加大對農(nóng)業(yè)人口污染的控制力度。根據(jù)灃河流域1986—2001年16年的化肥施用量調(diào)查資料顯示:化肥施用量約3.5萬t·a-1,其中能被利用的氮、磷只是一少部分:施入土壤中的氮素只有30%~40%能被作物利用,約20%被作物的根、莖及土壤微生物固定在土壤中,而40%~50%隨水體流失或分解進入空氣中,大部分氮、磷污染物隨著耕地的水土流失進入河川。因此,流域農(nóng)田化肥污染應(yīng)作為非點源重點控制的對象。繪制TP負荷的各類非點源比重柱狀圖和餅圖如圖7、圖8。由表9和圖7、圖8可知:2000—2009年期間,灃河流域非點源TP負荷量基本呈下降趨勢,這是由于對TP貢獻較大的耕地、農(nóng)業(yè)人口和牲畜的數(shù)量逐年下降,故總量呈現(xiàn)下降。其中,農(nóng)業(yè)人口和耕地所占年均比例最大,分別為61.19%、15.56%,且結(jié)果顯示農(nóng)業(yè)人口所產(chǎn)生的TP負荷量呈逐年上升趨勢。這主要是由于農(nóng)業(yè)人口的數(shù)量不斷上升,故應(yīng)加大對農(nóng)業(yè)人口產(chǎn)污的控制力度。根據(jù)各類COD負荷的來源占NSP負荷比重,繪制柱狀圖和餅圖如圖9、圖10。由表10和圖9、圖10可知:2000—2006年期間,流域非點源COD負荷量總體呈現(xiàn)上升趨勢,這是由于對COD負荷的貢獻中所占比例較大的是大牲畜、豬和羊,而牲畜的數(shù)量除2000—2001年略微下降以外,2001—2006年都是呈現(xiàn)上升趨勢,且貢獻率最大的大牲畜數(shù)量上升幅度最快,故總體呈現(xiàn)上升。2006—2009年間,整體呈下降趨勢,是由于牲畜的數(shù)量下降導(dǎo)致所產(chǎn)生的COD負荷量下降,雖然其中農(nóng)業(yè)人口的數(shù)量一直在上升,且農(nóng)業(yè)人口對COD負荷的貢獻也是不容忽略的。但從總體來看,農(nóng)業(yè)人口上升的幅度不能與牲畜數(shù)量下降的幅度相抵消,故總體下降。所以單從COD負荷產(chǎn)出分析還需控制牲畜的產(chǎn)污排放,而灃河流域范圍內(nèi)牲畜養(yǎng)殖是一項收入,不能直接削減數(shù)量

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