基于PCRaster的流域非点源氮磷负荷估算

以太湖流域上游的西笤溪流域为研究区,应用动态环境模拟语言PCRaster构建月水文和氮磷营养物质输出模型,分析流域内氮磷输出的时空分布特征。以输出系数法为基础,将分布式水文模型与非点源负荷模型相结合,应用地理信息技术构建基于栅格的非点源污染模拟模型,根据1988~2007年的水文、水质实测数据对模型进行率定和验证,定量分析西笤溪流域非点源污染负荷量与氮磷输出的空间分布。研究结果显示:基于单元网格的月水文模型在该流域具有较好的应用效果,率定和验证期的Nash系数和线性相关系数R2均超过了0.80。应用模型估算西笤溪流域非点源污染2002~2005年总氮年输出量为1 670~2 035t/a,2002~2007年总磷输出量为102~164t/a。氮磷负荷的空间分布表明以稻麦或水稻/油菜轮作的农田是非点源污染的最主要来源。     

我国农村水环境非点源污染研究进展

农业非点源污染是导致水质污染最主要原因之一。我国农村非点源污染研究之初采用的研究方法主要有两种，一种是应用与水文模型紧密相关的模型来模拟和估算非点源污染负荷；另一种是通用土壤流失法。最近又提出了一种简便易用的流域非点源污染负荷估算方法－平均浓度法。将农业非点源污染负荷与3S技术结合、与水质模型对接用于流域水质管理成为农业非点源污染研究的新生长点。近年来，农村非点源污染研究也开始探索非点源污染负荷与河流水质模型接口问题。     

渭河干流典型断面非点源污染监测与负荷估算

渭河水质在较大程度上受非点源污染的影响,因此,有必要对其负荷和比重进行研究。2009年至2010年,对渭河干流关中段咸阳和临潼断面进行了洪水期和非洪水期水质水量同步监测。根据监测结果及水文站实测流量资料,分别采用改进的水文分割法和平均浓度法对两断面的非点源污染负荷进行了计算,分析了非点源污染的特点。结果表明:渭河干流关中段主要污染物为COD、NH₃-N和TN,两断面洪水期间各指标的平均浓度基本都小于平时的平均浓度;各指标非洪水期浓度变化总体上小于洪水期浓度变化幅度,量级较大的洪水水质变化幅度相对较小;改进的水文分割法和已被检验并被广泛采用的平均浓度法计算结果符合良好。2009年(枯水年,P=68%)渭河咸阳和临潼站各指标非点源污染所占比例基本在20%～30%左右;2009年渭河干流咸阳-临潼河段污染以点源污染为主,构成比例在80%以上。对比2006年(枯水年,P=69%),2009年临潼站COD、NH₃-N和TN年点源负荷分别减少11937t、791t和29t,渭河点源治理取得一定成效;此外,临潼站这两年的污染构成比例基本相同。非点源污染在渭河水污染中占较大比重,其对渭河水质的影响不容忽视。     

多模型方法在非点源污染负荷中的应用展望

对非点源污染进行定量化和有效控制的方法是通过非点源污染负荷模型对各类非点源的形成、迁移转化以及负荷量进行模拟。然而,流域非点源污染模型的不确定性是单一模型模拟污染负荷面临的重大挑战。借鉴多模型方法在降低水文模型不确定性方面的优越性,通过分析水文模型与非点源污染模型的相通性,提出多模型方法在非点源污染负荷中应用的基本思路并分析了多模型方法在非点源污染负荷估算中面临的挑战,总结了多模型方法在非点源污染负荷应用中的重点和难点问题。     

辽河大伙房水库汇水区农业非点源污染入库模拟

利用输出系数法和SWAT模型,对大伙房水库汇水区农业非点源污染(ANSP)进行了入库模拟研究,并用2006—2009年的水文和水质监测数据对模型进行了校准和验证。研究结果表明:汇水区年均输入到水库的泥沙量、总氮和总磷负荷分别为82.65×103 t、1 873.49t和81.97t;月入库泥沙量、总氮和总磷负荷与径流量有着较强的相关性,ANSP的产生和迁移受降水、径流过程影响很大,每年7、8月份的氮、磷和泥沙流失量达到年内最大值,分别占全年流失总量的42.64%、44.42%和67.91%。水库汇水区各流域对水库氮、磷污染的贡献率由大到小依次为:浑河流域(清原段)、苏子河流域、社河流域和水库周边小流域。     

沈阳市境内浑河流域水质评价

以沈阳市境内浑河流域为例,结合2020年9个月典型监测断面的TP、NH₃-N、COD、BOD₅实测数据,应用改进的内梅罗污染指数法评价流域的水质状况,并与传统方法相比较验证改进方法的科学合理性。结果表明：TP对流域水质影响最为显著,改进的内梅罗指数法能够准确反映流域水质实际情况,8个监测断面中处于Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级水质的断面占比为25.0%、12.5%和62.5%。     

SWAT模型在大洋河流域非点源污染模拟中的运用研究

基于SWAT模型,以大洋河流域为研究流域,定量模拟了大洋河流域2000-2010年非点源污染,研究结果表明:SWAT模型适合于大洋河流域的非点源污染模拟,模型在参数率定期和验证模拟总氮和总磷相对误差均小于30%,模拟确定性系数达到0.5以上,满足流域非点源污染模拟精度要求;大洋河流域总氮和总磷峰值主要集中在7-9月份。研究成果对于大洋河流域水环境保护和治理提供参考价值。     

流域非点源磷素输出负荷估算方法研究

目前水质常规监测频率较低,难以客观反映流域非点源污染物浓度随降雨径流过程的变化情况,结果会低估了流域非点源污染物的输出负荷。本文利用流域次降雨过程的连续水质水量同步监测资料,研究分析次降雨过程与流域非点源磷素输出负荷之间的因果关系,并建立次降雨总量与磷素输出负荷的定量相关关系。研究结果表明,流域次降雨总量与非点源磷素输出负荷之间存在较好的相关关系。通过这种定量关系,以流域次降雨总量为输入,可以更为合理地估算出流域非点源磷素输出负荷。     

闸控河网水文-水动力-水质耦合数学模型——I.理论

针对流域级闸控大型河网水环境日常管理的应用需求与实际特点,将资料适应性强的水文学方法与数据要求相对严苛的水动力-水质数值模型相融合,构建了一维与二维嵌套、分块组合的闸控大型河网水文-水动力-水质耦合数学模型DHQM（Hydrology, Hydrodynamics, and Water Quality Model for Impounded Rivers）。模型由河道径流模拟、闸坝调度过程模拟、河道水质模拟、区间入流及入河污染负荷估算和水质预警实时校正等5个模块组成。模型可服务于水环境实时预警和调度,也可为闸坝水文环境效应的量化提供基础工具。     

水文响应单元空间离散化及SWAT模型改进

水文响应单元(Hydrological Response Units,HRU)是SWAT模型模拟的基本单元,传统方法划分的水文响应单元在空间分布上不连续且难以确定其明确的空间位置,不能反映HRU间的相互作用和进行精确空间分析。利用GIS工具对土地利用和土壤类型数据进行概化处理,提出了HRU空间离散化的方法,实现了水文响应单元在空间上的准确定位。在此基础上,针对SWAT模型中同一子流域所有HRU采取相同延迟的弱点进行改进,并选择太湖地区西苕溪流域对改进的SWAT模型进行水文模拟验证。改进后,校正期港口站Nash效率系数E_NS(Nash-Sutcliffe Efficiency)从0.64提高到0.67,验证期E_NS系数从0.70提高到0.76。研究表明:修正后的SWAT模型更能反映流域的水文特征,可以达到非常好的效果,考虑到HRU距离因素的径流延迟更为准确地刻画径流过程。实现HRU空间离散化将为模型改进和更小尺度的空间分析提供数据基础。     

1990-2016年湘江干流水质变化特征及影响因素分析

基于1990-2016年湘江干流主要断面的水质监测数据,采用综合污染指数法、Spearman秩相关检验和主成分分析法对流域水环境质量演变特征进行综合评价,并结合社会经济指标识别流域主要污染源。综合污染指数结果表明湘江水环境变化趋势明显分为两个阶段,1990-1996年间为水质变好阶段,除个别值外污染指数均小于0.2,1997-2016年间水质呈恶化趋势,水质维持在Ⅲ~IV类之间;Spearman秩相关检验结果表明污染物浓度总体呈增加趋势,其中TP、COD_Mn、Cd、Pb和石油类显著上升;主成分分析结果表明流域污染物主要为NH₄⁺-N、TP和Cd,污染源为生活点源和农业面源,从上游到下游污染程度明显增大,其中湘潭断面水质污染最严重,综合得分为0.9006,道县断面相对较轻,综合得分为-0.7014,城镇化因素是影响流域水环境的主要驱动因素。研究结果可为流域水环境保护和水生态修复提供科学依据。     

Development of regional pollution export coefficients based on artificial rainfall experiments and its application in North China

The Export Coefficient Model (ECM) has been widely used to estimate nonpoint source (NPS) pollution loads due to its ease of application. Accurate pollution export coefficients are crucial for reducing uncertainties in load estimation. By integrating artificial simulated rainfall experiments with field survey data, we have developed a new method that estimates regional pollution export coefficients. Results showed that the export coefficients calculated using this new method accurately express the regional rainfall–runoff characteristics, as the simulation precision of this method had grown by 30% than the results with traditional ECM and export coefficients which surveyed from the literature. Based on the calculated regional pollutant export coefficient, the annual loads of TN and TP in the plains area of the Baiyangdian basin in 2010 were 25,967.13 t and 4349.29 t, respectively. Among different types of sources, rural livestock had the greatest contribution (over 60%), whereas rural domestic waste represented the smallest contribution (approximately 10%). Of the different sources, pigs contributed almost half of all NPS pollution from livestock, rural residential areas were the main land use pollution source, and rural living garbage was the main source of rural domestic waste. Spatially, NPS was mainly distributed in the Zhulong and Juma watersheds. Other watersheds only contributed approximately 5% NPS per watershed. However, the per-area loads of these lower load watersheds were larger or nearly equal to that of the Zhulong watershed. Therefore, the lower load watersheds should be addressed for the control of NPS pollution.     

中国非点源污染负荷计算研究现状与存在问题

非点源污染负荷计算对水污染总量控制具有重要意义,为分析中国非点源污染负荷计算研究的现状与问题,在系统调研相关文献的基础上,将中国常用的非点源污染负荷计算方法总结为三大类:输出系数模型、实证模型和机理模型,阐述了各种模型的特点及其在中国的研究和应用情况;从非点源污染的界定、产污量和排污量的区别、国内和国外非点源污染产生环境的差异以及平原河网地区非点源污染负荷的计算4个方面分析了中国非点源污染负荷计算研究存在的主要问题;认为模型和计算方法适应研究区的环境特征是研究工作取得成功的关键,今后要加强实证研究、理论研究与模型开发的结合,逐步建立适应中国环境特点的非点源污染负荷计算方法体系。     

Simulation of spatial and temporal distribution on dissolved non-point source nitrogen and phosphorus load in Jialing River Watershed,China

Jialing River, which covers a basin area of 160,000 km² and a length of 1,280 km, is the largest tributary of the catchment area in Three Gorges Reservoir Area, China. In recent years, water quality in the reservoir area section of Jialing River has been degraded due to land use and the rural residential area induced by non-point source pollution. Therefore, the semi-distributed land-use runoff process (SLURP) hydrological model has been introduced and used to simulate the integrated hydrological cycle of the Jialing River Watershed (JRW). A coupling watershed model between the SLURP hydrological model and dissolved non-point source pollution model has been proposed in an attempt to evaluate the potential dissolved non-point source pollution load; it enhances the simulation precision of runoff and pollution load which are both based on the same division of land use types in the watershed. The proposed model has been applied in JRW to simulate the temporal and spatial distribution of the dissolved total nitrogen (DTN) and dissolved total phosphorus (DTP) pollution load for the period 1990–2007. It is shown that both the temporal and spatial distribution of DTN and DTP load are positively correlated to annual rainfall height. Land use is the key factor controlling the distribution of DTN and DTP load. The source compositions of DTN and DTP are different, where average DTN pollution load in descending order is land use 67.2%, livestock and poultry breeding 30.5%, and rural settlements 2.2%; and for DTP, livestock and poultry breeding is 50%, land use 48.8%, and rural settlements 1.2%. The contribution rates of DTN and DTP load in each sub-basin indicate the sensitivity of the results to the temporal and spatial distribution of different pollution sources. These data were of great significance for the prediction and estimation of the future changing trends of dissolved non-point source pollution load carried by rainfall runoff in the JRW and for studies of their transport and influence in the Three Gorges Reservoir.     

长江上游沱江流域地表水环境质量时空变化特征

沱江是长江流域上游最重要的支流之一,为了明晰沱江流域水质时空变化特征和防治重点,根据2010—2017年沱江流域36个监测断面水质监测数据,采用单因子评价法和秩相关系数法,从年份、月份、季度和水期4个时间段进行了分析.结果表明:沱江流域水质状况总体上污染较重,但有向好趋势,总磷(TP)为首要污染物,流域断面达标率呈先上升后下降复上升的趋势;水质指标浓度年内变化显著,水质指标浓度丰水期达到最小值,枯水期达到最大值;沱江干流监测断面水质类别好于支流;TP和氨氮(NH₃-N)浓度空间变异性较弱,化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD₅)浓度则存在较强空间变异性.虽然沱江流域水质有变好趋势,但沱江流域面临的污染问题依然严峻,今后要高度重视污染源治理,尤其是TP的防治工作.      

Integrated assessment of nonpoint source pollution of a drinking water reservoir in a typical acid rain region

Nonpoint source pollution generated by agricultural production and city construction has been studied for decades, but very few researches have been conducted on the regional assessment of nonpoint source pollution in the acid rain regions, particularly relating to the control of pollutant in the drinking water source areas. In this study, an integrated framework was applied to estimate nitrogen and phosphorous load in a typical acid rain influenced reservoir, China. The method comprised three separate steps: (1) a watershed model—soil and water assessment tools—was used to estimate nitrogen and phosphorous load from the upper stream watershed; (2) collection of acid rain samples, together with a GIS-based calculation to estimate the atmospheric deposition flux; (3) introduction of a simple export coefficient method. The case study indicated atmospheric deposition accounted for 56.75 % of total nitrogen load during the year, with the highest level of deposition load taking place during the wet season. Maximum phosphorous (93.37 %) was linked to the upstream runoff, originating from the upper watershed. Further analysis by watershed model and export coefficient method indicated forest exported most total nitrogen (27.72 %) and total phosphorous (58.78 %) in the upstream watershed. Results indicated that in the region influenced by acid rain, the nitrogen management should encompass the management of land use practices and the control of acid rain in catchments feeding into drinking water storage areas. It could be inferred that NOX emissions might cause both globe warming and eutrophication in the drinking water sources. This paper could provide a basis for water quality management in such regions.     

黄河干流潼关断面非点源污染负荷估算

基于平均浓度法原理,根据黄河中游降雨径流特点,将年内过程分为汛期和非汛期两个阶段,同时将高含沙水流中的污染负荷分为水体中的溶解态污染负荷、泥沙吸附态负荷两部分,提出了多沙河流非点源污染负荷估算模型;根据黄河干流潼关断面1950-2006年实测水沙资料,结合水体、泥沙污染物浓度测定试验,分别计算了潼关断面2006年以及丰水年(P=25%)、平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)3种不同代表年型下的非点源污染负荷.结果表明:黄河干流潼关断面年污染负荷以汛期为主,汛期污染负荷以非点源为主;非点源污染负荷中,硝酸盐氮、氨氮以溶解态为主,总磷以吸附态为主;潼关断面非点源污染负荷占全年负荷比例:丰水年时,硝酸盐氮占63.09%,氨氮占61.32%,总氮占87.17%、总磷占89.83%;枯水年时,硝酸盐氮占26.92%,氨氮占24.62%,总氮占67.60%、总磷占71.73%.2006年,硝酸盐氮、氨氮、总氮和总磷非点源污染负荷占全年比例依次为:17%、14%、15%和41%.     

土壤含水层处理系统对再生水入渗过程中"三氮"去除的柱试验模拟

土壤含水层处理系统(soil aquifer treatment,SAT)是一种重要的人工回灌地下水方式。以再生水为回灌水源时,水中含有的“三氮”可能会对回灌区地下水造成污染风险。研究各种因素对在SAT中去除再生水中“三氮”的影响具有重要意义。本研究中,通过高200 cm、内径50 cm土柱试验,研究了SAT系统中粒径、干湿比(落干期与淹水期的比值)、在系统表层增加生物炭及渗透流速对实际再生水“三氮”去除效果的影响。结果表明,在干湿比1∶1条件下,实际河道细砂和中细砂柱底部出水中NH₄-N平均去除率分别为73%和66%,去除机理主要为吸附和硝化作用,NO₂-N基本被去除。系统中硝化作用导致NO₃-N浓度升高,出水中NO₃-N浓度平均增长了3.0%4.1%。在深度115 cm以上, 中细砂柱内比细砂柱内的硝化作用更强,这导致了更高的NH₄-N去除率和更低的NO₃-N去除率。延长落干期后(干湿比3∶1),系统具有了更强的复氧能力,促进了硝化作用,使得NH₄-N的平均去除率提高了20%,而NO₃-N的降低了3%4%,增加了NO₃-N污染风险。在中细砂层添加5%重量生物炭后,吸附性能增强,使其对NH₄-N平均去除率增加了20%32%,但对NO₃-N影响不明显。渗透流速与NH₄-N的去除和NO₃-N的增加均呈负相关。综合分析可得出,影响SAT系统去除“三氮”的最主要因素是干湿比和渗透流速,在回补水源中NH₄-N浓度较高时,可考虑在SAT系统表层添加生物炭以增强其去除效果。