CN102201034B - 一种临河村落非点源污染负荷的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种临河村落非点源污染负荷的估算方法，该估算方法主要包括：1)基础资料收集：获取某地小雨、中雨、大到暴雨等三种情况的多年累积平均雨量R₁、R₂、R₃，以及村庄面积A等基本情况；2)野外实地的监测：对有效降雨场次的降雨历时、降雨量和降雨径流的次径流系数、径流历时、产流面积进行监测，收集的水样进行化学需氧量、总氮、总磷的监测；3)非点源污染负荷的模型估算：采用公式计算临河村落非点源污染物化学需氧量、总氮、总磷的年污染负荷。本发明提出的计算方法更具有指导意义，便于开展相关的控制和管理措施。

Description

一种临河村落非点源污染负荷的估算方法

技术领域

本发明属于农业非点源污染负荷量的估算领域，具体涉及到一种确定临河村落非点源污染负荷的方法。

背景技术

近年来，随着人们对环境问题的关注，一类十分普遍而又不为人们所熟悉的环境污染问题逐渐得到各国政府环境保护部门的高度重视，这就是非点源污染，国内有的文献或媒体中又称之为面源污染污染，通常在比较正式的、学术性较强的文献中多称“非点源污染”。

与点源污染相比，非点源污染起源于分散、多样的地区，地理边界和发生位置难以识别和确定，随机性强、成因复杂、潜伏周期长，因而防治十分困难。随着各国政府对点源污染控制的重视，点源污染在包括我国在内的许多国家已经得到较好的控制和治理，而非点源污染，由于涉及范围广、控制难度大，目前已成为影响水体环境质量的重要污染源。

目前，非点源污染主要源头是农业非点源污染和城市地表径流污染两部分，以下将具体介绍在此两方面相关的污染负荷的计算方法：

第一种是农业非点源污染负荷计算方法：

在整个农业非点源污染负荷估算领域，主要有以下四种研究方法：

1)断面实测总负荷减去点源负荷的方法

该方法原理简单，操作方便；

主要问题是点源估算难以准确。

2)水文估算法

该方法将枯水期的基流代表点源负荷，而把超过基流时的流量则视作同时包含有点源和非点源污染的情况，两者相减得到非点源污染负荷；

主要问题是，当基流中污染物含量较高时，将难以区分点源与非点源之间的差别。

3)输出系数法

该方法利用污染物输出系数来估算流域非点源污染输出负荷，直接建立土地利用与受纳水体非点源负荷之间的关系，简单实用；

但也因此割裂了单位源和受纳水体之间的水力联系，对于干旱缺水的北方地区并不适用。

4)模型估算法

目前，我国应用较多的是SWAT模型和AGNPS模型。

SWAT模型是连续的，适用于几千km²的流域，由气候、水文、泥沙、养分、农药等模块组成，用于预测大型流域管理措施对水质、泥沙和化学物质的作用。

AGNPS模型用于暴雨事件，1～200km²流域，由水文模块、侵蚀沉积模块和化学物质模块组成，用于模拟流域管理措施对径流和泥沙产生的影响。

第二种是城市地表径流负荷估算方法：

城市地表径流污染负荷计算方法一般分为以下三类：

1)浓度法：

浓度法是根据地表径流的水质水量同步监测数据计算负荷的方法，即年污染负荷L_Y＝0.01EMC_S×R×C_V，式中EMC_S为多场降雨的次降雨平均浓度的均值，R为多年平均降雨量，C_V为径流系数；

浓度法从概念出发，在计算中未加考虑降雨产流有效场次的影响，直接应用于临河村落的非点源污染负荷估算不够准确，尤其临河坡地多以透水地面为主，雨强的不同会造成径流系数和产流面积较大范围的波动，大大影响了其准确性。

2)统计模型

统计模型则用于估算城市开发区污染物排放量，采用分析大量的实测资料，直接建立污染负荷与有关影响因素相关关系的方法，模型为

式中：L_t为计算时段(t)内径流排放污染负荷；C_F为用于对不产生地表径流的降雨进行校正的因子(产生径流的降雨事件占总降雨事件的比例)；

为径流区内平均径流系数；P为计算时段(t)内降雨量；C为污染物的径流量加权平均浓度；

在我国由于缺乏相关的统计数据，应用统计模型进行相关的污染负荷估算不具有可行性。

三、概念模型

以污染形成的动力学为基础，分别从污染物的累积、冲刷、迁移过程建立数学模型，从而得出污染物的输出。

应用较多的是SWMM模型，后者在城市区域内排水区和排水管网的非点源污染负荷计算方面有着较明显的优势。缺点是其对数据和人员的要求较高，整个模型比较复杂；且鉴于我国村落排水管网铺设上的匮乏，应用此类模型的条件极不满足。

目前在太湖、滇池、三峡等流域已开展农村生活污染的调查，但也仅限于由调查结果进行潜在污染负荷的估算，在临河村落这样较小的尺度上，尚无系统的计算公式用于非点源污染负荷的核算。无法实现在村落尺度上的非点源污染负荷的核算，这限制了当前的研究。

针对现有的问题，本发明根据临河村落的临河坡地多以透水地面为主的特性，按照雨强的不同，对降雨产流情况进行分类，综合考虑了径流系数、产流面积的变化，同时考虑了降雨产流有效场次的影响，对现有方法进行改进，最终提出了本发明的数学模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对临河村落临河坡地多以透水地面为主，不同雨强下径流系数与实际产流面积会有较大的变化的估算临河村落非点源污染负荷的方法。

本发明提供了一种临河村落非点源污染负荷的估算方法，包括以下步骤：

1)基础资料收集：从当地气象部门或相关文献中获取该地小雨、中雨、大到暴雨的多年累积平均雨量R1、R2、R3，以及村庄面积A等基本情况；

2)野外实地的监测：通过野外现场考察，掌握临河坡地基本的降雨产流状况，选定2～3个产流小区的出口作为监测点，对有效降雨场次进行降雨径流的监测，统计全年的有效降雨场次，得到C_Fi；同时，在选定的监测点监测降雨历时、降雨量、次径流系数、径流历时、产流面积；

收集的水样应依照预先制定的保存方案和监测分析方案，完成化学需氧量、总氮和总磷的监测分析，然后利用EMC的计算公式得出次降雨径流的平均浓度EMC(COD)、EMC(TN)和EMC(TP)；通过对3种降雨情况下，多次的次降雨径流污染物浓度求算术平均值，从而可得EMC_Si(COD)、EMC_Si(TN)、EMC_Si(TP)；

其中EMC的计算公式为 $\mathrm{EMC}=\frac{M}{V}=\frac{\mathrm{\Σ}{C}_t{Q}_t\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Σ}{Q}_t\mathrm{\Δt}},$

式中：M表示COD、TN、TP的量，单位为g；V表示总径流量，单位为m³；C_t为t时刻COD、TN、TP的浓度，单位为mg/L；Q_t为t时刻径流流量，单位为m³/min；所述Δt为采样时间间隔，单位为min；

3)非点源污染负荷的模型估算，根据下面的公式进行估算，即可得到临河村落非点源污染物化学需氧量COD、总氮TN、总磷TP的年污染负荷，

$L_Y=0.01\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{EM}{C}_{\mathrm{Si}}\×C_{\mathrm{Vi}}\×R_i\×C_{\mathrm{Fi}}\×\frac{A_i}{A}$

式中：

所述i＝1、2、3，分别表示小雨、中雨、大到暴雨三种情况；

所述EMC_Si表示在i降雨情况下，多次降雨的次降雨径流浓度EMC的平均值；

所述C_Vi表示在i降雨情况下，多场降雨的次径流系数平均值，即多场降雨中径流深度与降雨深度的比值的平均值；

所述R_i表示在i种降雨多年平均累积降雨量；

所述C_Fi表示在i降雨情况下，产生径流的降雨事件占总降雨事件的比例；

所述A_i表示在i降雨情况下，平均产流面积；

所述A为村庄面积。

本发明所述的方法中：

所述小雨：一般指日(24小时)内降水量小于10mm的降雨；

所述中雨：一般指日(24小时)内降水量在10-24.9mm的降雨；

所述大雨：一般指日(24小时)内降水量为25-49.9mm的降雨；

所述暴雨：一般指日(24小时)内降水量为50mm或以上的强降雨；

所述有效降雨场次：能产生地表径流的降雨场次。

所述降雨径流是指由降雨所形成的径流；

所述降雨历时(duration of rainfall)是指在一次降雨过程中，从开始到结束所持续的时间为降雨历时，一般以min，h或d计；

所述降雨量是指从天空降落到地面上的雨水，未经蒸发、渗透、流失而在水面上积聚的水层深度，称为降雨量，以毫米为单位；

所述次径流系数：在一次降雨过程中，产生的径流深与降雨深的比值，取值范围为0～1；

所述径流历时：在一次降雨过程中，从开始产生径流到径流消失所持续的时间为径流历时，以min，h或d计。

所述产流面积：在一次降水中产生地表径流的面积；

所述EMC_Si(COD)、EMC_Si(TN)、EMC_Si(TP)均为次降雨径流的平均浓度，EMC_Si的含义是指污染物多次的次降雨径流浓度的平均值，COD、TN、TP各是污染物的一种，分别计算各自的EMC_Si值即为EMC_Si(COD)、EMC_Si(TN)、EMC_Si(TP)。

预先制定的保存方案和监测分析方案：在开展野外试验之前，为保证收集到的降雨径流的水样的COD、TN、TP监测分析的准确性，需预先制定出水样的保存和监测分析方案，可参照《水和废水监测分析方法》的第四版。

本发明提出的用于临河村落非点源污染负荷的估算方法，具有以下优点：

1)针对目前国内在该领域的研究尚停留在潜在污染负荷估算的层次，通过本发明的实施，可以直接实现对临河村落非点源污染负荷的计算，其结果更具有指导意义，便于开展相关的控制和管理措施。

2)本发明按照小雨、中雨、大到暴雨三种雨强类型对降雨产流的情况进行划分，在三种情况下分别进行非点源污染负荷的核算，使计算结果更合理、可靠。

3)本发明考虑了透水地面径流系数与产流面积的波动性，同时考虑了降雨产流有效场次的影响，对污染负荷计算相关的影响因素考虑系统、全面。

4)本发明考虑了坡地产流面积、坡地面积与村庄面积的区别，在计算中引用坡地实际产流面积与村庄面积的比(Ai/A)来修正村落的年污染负荷，使计算结果更严谨、科学。

附图说明

图1：临河村落非点源污染负荷估算方法的流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

下面以某流域的某个临河村庄为实例。鉴于统计模型缺乏相关的统计数据，此仅采用浓度法与本发明的方法进行对比来说明，流程参考图1。

1、基础资料收集：从当地气象部门或相关文献中获取该地小雨、中雨、大到暴雨的多年累积平均雨量R1、R2、R3，以及村庄面积A等基本情况；

某村多年平均降雨量为666.9mm，其中小雨、中雨、大到暴雨分别为306.3mm、237.2mm、123.4mm；村庄面积A为60315m²。

2、野外实地的监测：

通过野外现场考察，根据坡地情况和产流状况，选择2～3个产流小区的出口作为监测点，对有效降雨场次，进行降雨径流的监测，同时统计全年的有效降雨场次，得出C_Fi；

在降雨产流后的前30min，每隔5min进行水样的收集和流量的监测，在降雨产流后的30～60min每隔10min进行水样的收集和流量的监测；在降雨产流后的60～120min每隔20min进行水样的收集和流量的监测；在降雨产流后的120min后依具体情况而定；

记录降雨历时、降雨量、次径流系数、径流历时、产流面积；收集的水样应依照预先制定的保存方案和监测分析方案，完成化学需氧量、总氮、总磷的监测分析，根据下述公式计算，得出次降雨径流的平均浓度EMC(COD)、EMC(TN)、EMC(TP)；通过对3种降雨情况下，多次的次降雨径流污染物浓度求算术平均值，从而可得EMC_Si(COD)、EMC_Si(TN)、EMC_Si(TP)；

其中EMC的计算公式为 $\mathrm{EMC}=\frac{M}{V}=\frac{\mathrm{\Σ}{C}_t{Q}_t\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Σ}{Q}_t\mathrm{\Δt}},$

所述M表示COD、TN、TP的量，单位为g；所述V表示总径流量，单位为m³；所述C_t为t时刻COD、TN、TP的浓度，单位为mg/L；所述Q_t为t时刻径流流量，单位为m³/min；所述Δt为采样时间间隔，单位为min；

该村的上述监测指标见表1：

表1：监测指标

3、非点源污染负荷的模型估算，根据下面的公式进行估算，结果见表2：

$L_Y=0.01\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{EM}{C}_{\mathrm{Si}}\×C_{\mathrm{Vi}}\×R_i\×C_{\mathrm{Fi}}\×\frac{A_i}{A}$

表2：两种计算方法的污染负荷表

方法类型	COD负荷(kg/hm2·a)	TN负荷(kg/hm2·a)	TP负荷(kg/hm2·a)
				浓度法	35.6	63.1	1.04
本发明方法	2.05	3.65	0.058

从表2中可以看出：本发明的计算方法的结果与浓度法的相比小了1个数量级，与北美专家对我国非点源污染负荷占总负荷的百分比偏高的结论相一致，如果套用用于城市地表径流污染负荷计算的浓度法显然将夸大非点源污染负荷的贡献，与实际情况不符。

结论：本发明是在城市非点源污染模型的基础上，做出的改进，突破了浓度法忽视临河村落不同雨强情况下产流面积随之变化这一对计算结果产生较大影响的情况的不足，和统计模型需大量的统计数据的缺点。本发明针对目前国内在该领域仅停留在潜在污染负荷估算的不足，按照小雨、中雨、大到暴雨三种雨强类型对降雨产流的情况进行划分，在三种情况下分别进行非点源污染负荷的核算；考虑了透水地面径流系数与产流面积的波动性，考虑了降雨产流有效场次的影响，考虑了产流面积、坡地面积与村庄面积的区别，在计算中引用实际产流面积与村庄面积的比(Ai/A)来修正村落的年污染负荷。在与用于城市地表径流污染负荷估算的浓度法应用在实例上的比较中可以看出，本发明的计算结果明显减小，准确性和科学性上大大加强。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种临河村落非点源污染负荷的估算方法，包括以下步骤：

1）基础资料收集：从当地气象部门或相关文献中获取该地小雨、中雨、大到暴雨三种情况的多年累积平均雨量R₁、R₂、R₃，以及村庄面积A的基本情况；

2）野外实地的监测：通过野外现场考察，掌握临河坡地基本的降雨产流状况，然后选定2～3个产流小区的出口作为监测点，对降雨进行降雨径流的监测，然后统计全年的有效降雨场次，得到C_Fi；同时，在选定的监测点监测降雨历时、降雨量、次径流系数、径流历时、产流面积，所述有效降雨场次是指能产生地表径流的降雨场次；

收集的水样应依照预先制定的保存方案和监测分析方案，完成化学需氧量COD、总氮TN、总磷TP的监测分析，然后利用EMC的计算公式得出次降雨径流的平均浓度EMC(COD)、EMC(TN)、EMC(TP)；通过对3种降雨情况下，多次的次降雨径流污染物浓度求算术平均值，从而可得EMC_Si(COD)、EMC_Si(TN)、EMC_Si(TP),；

其中EMC的计算公式为

所述M表示COD、TN、TP的量，单位为g；所述V表示总径流量，单位为m³；所述C_t为t时刻COD、TN、TP的浓度，单位为mg/L；所述Q_t为t时刻径流流量，单位为m³/min；所述△t为采样时间间隔，单位为min；所述i＝1、2、3，分别表示小雨、中雨、大到暴雨三种情况；所述次降雨径流是指一次降雨形成的径流；

3）非点源污染负荷的模型估算：根据下面的公式进行估算，在EMC_Si中分别带入化学需氧量、总氮、总磷的多次降雨的次降雨径流浓度平均值EMC_Si(COD)、EMC_Si(TN)、EMC_Si(TP)，以分别获得临河村落非点源污染物化学需氧量、总氮、总磷的年污染负荷，

$L_Y=0.01\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{EMC}}_{\mathrm{Si}}\×C_{\mathrm{Vi}}\×R_i\×C_{\mathrm{Fi}}\×\frac{A_i}{A})$

式中：

所述i=1、2、3，分别表示小雨、中雨、大到暴雨三种情况；

所述EMC_Si表示在i降雨情况下，多次降雨的次降雨径流浓度EMC的平均值；

所述C_Vi表示在i降雨情况下，多场降雨的次径流系数平均值，即多场降雨中径流深度与降雨深度的比值的平均值；

所述R_i表示在i种降雨多年平均累积降雨量；

所述C_Fi表示在i降雨情况下，产生径流的降雨事件占总降雨事件的比例；

所述A_i表示在i降雨情况下，平均产流面积；

所述A为村庄面积。

2.根据权利要求1所述的估算方法，其特征在于，预先制定的保存方案和监测分析方案：在开展野外试验之前，为保证收集到的降雨径流的水样的COD、TN、TP监测分析的准确性，需预先制定出水样的保存和监测分析方案，参照《水和废水监测分析方法》的第四版。

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