CN110544192B - 集镇区全年面源污染入河负荷的估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集镇区全年面源污染入河负荷的估算方法，包括雨天农业面源污染入河负荷、雨天城市面源污染入河负荷和晴天灌溉面源污染入河负荷的估算；获取目标区域农业土地利用类型及面积，结合基本信息调查数据，获取目标区域农业土地回归水排放量；根据目标流域水系分布情况，获取主要农业退水排放口，结合监测水质数据，获取晴天农业入河负荷；获取近期全年降雨量数据，获取不同土地利用类型下的截流量以及雨水渗漏量，根据初后期径流污染物浓度，获取雨天农业入河负荷；获取不同城市土地利用类型及面积，获取管网分布情况，根据初后期径流污染物浓度得到雨天城市入河负荷。

Description

集镇区全年面源污染入河负荷的估算方法
技术领域
本发明涉及环境保护及测量技术的交叉领域，具体涉及一种集镇区全年面源污染入河负荷的估算方法。
背景技术
面源污染也称非点源污染或分散源污染，是指溶解的或固体的污染物从非特定的地点，在降水或融雪的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体(包括河流、湖泊、水库和海湾等)并引起有机污染、水体富营养化或有毒有害等其他形式的污染。除此之外，大气干湿沉降、合流制下水道溢流、水土流失均为面源污染。
治理河道之前，为了明确当前情况与治理目标，应首先了解当前的面源污染入河负荷量。面源污染由于其来源广泛、随机性强、潜伏周期长，且受多种因素影响复杂多变，故计算起来十分复杂，集镇区尤其复杂。集镇区，不是指农村也不是城区，是由乡、民族乡人民政府所在地经县级人民政府确认由集市发展而成的作为农村一定区域的经济文化和生活服务中心的非建制镇，介于乡村和城市之间的过渡性居民点，此区域污染物来源更为复杂，同时存在集镇生活点源、农业面源、城市面源、分散式工业源以及污染底泥内源等多项污染源。摸索出一种集镇区面源污染入河负荷的估算方法，对环境治理、科研工作或是工程施工都具有重要的意义。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种集镇区全年面源污染入河负荷的估算方法，解决目前集镇区由于污染源复杂而导致的面源污染入河负荷难以估算的问题。
本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：
一种集镇区全年面源污染入河负荷的估算方法，包括雨天农业面源污染入河负荷LA的估算和雨天城市面源污染入河负荷LB的估算；
通过如下步骤S11～S14估算LA：
S11、根据目标集镇区的农业用地类型及对应的用地面积，以及每种农业用地类型的径流系数，通过加权计算得到目标集镇区的农业用地综合径流系数η；
S12、在不同雨量大小的若干场降雨下对农业面源排放口进行污染物的平行采样，对所采样的每场雨按雨量计测得的降雨量划分雨型；利用采样污染物计算对应场次的降雨径流污染物平均浓度，再分别对不同雨型下的多场降雨的降雨径流污染物平均浓度进行算术平均，得到相应雨型在农业用地的降雨径流污染物平均浓度；
S13、对每种雨型：利用其在农业用地的降雨径流污染物平均浓度乘以相应的农业降雨溢流量，得到该种雨型在农业用地造成的面源污染负荷，其中，农业降雨溢流量根据农业用地降雨总量、农业用地消纳雨量和η计算得出；
S14、将各种雨型在农业用地造成的面源污染负荷相加得到雨天农业面源污染入河负荷LA；
通过如下步骤S21～S24估算LB：
S21、将目标集镇区的城市区域划分为铺设管网的区域和沿河未铺设管网的区域，并获取每一类区域的占地面积及相应的城市径流系数，通过加权计算得到目标集镇区的城市综合径流系数λ；
S22、按照步骤S12的方法，在城市面源排放口采样，得到针对城市区域划分的不同雨型在城市区域的降雨径流污染物平均浓度；
S23、对每种雨型：利用其在城市区域的降雨径流污染物平均浓度乘以相应的城市降雨溢流量，得到该种雨型在城市区域造成的面源污染负荷；其中，铺设管网的区域的城市降雨溢流量根据城市区域降雨总量、管网收集雨量和λ计算得出，沿河未铺设管网的区域的城市降雨溢流量等于城市区域降雨总量；
S24、将各种雨型在铺设管网的区域和沿河未铺设管网的区域造成的面源污染负荷相加得到雨天城市面源污染入河负荷LB。
本发明的有益效果在于：能够对污染源复杂的集镇区进行有效的面源污染入河负荷估算，为集镇区的环境监测和治理、科研和工程施工等提供重要的污染数据支持。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式对本发明作进一步说明。
本发明对集镇区全年的面源污染入河负荷进行估算，而集镇区的面源污染主要包括雨天农业面源污染、晴天农业灌溉面源污染和雨天城市面源污染这三大部分，因此分别估算这三大部分污染一年内的入河负荷再求和，即可得到集镇区全年的面源污染入河负荷。晴天灌溉主要是指种植水稻的农业地区，不种植水稻的农业地区则可以不进行晴天农业灌溉面源污染入河负荷的估算。下面将分别详细介绍这三大部分面源污染的如何负荷。
雨天农业面源污染入河负荷LA的估算，可分为以下四个步骤S11～S14：
S11、根据目标集镇区的农业用地类型及对应的用地面积，以及每种农业用地类型的径流系数，通过加权计算得到目标集镇区的农业用地综合径流系数η。利用公式(1)计算农业用地综合径流系数η：
Figure BDA0002189062090000031
公式(1)中，z表示目标集镇区有z种农业用地类型，Ai表示第i种农业用地类型的用地面积，ηi表示第i种农业用地类型的农业径流系数。农业用地类型大体上分为蔬菜田、水稻田和其它(其它就是玉米地、小麦地、豌豆田等等)，这三种农业用地类型的ηi分别为：蔬菜田0.5左右，水稻田0.8～0.9，其它0.2左右。
S12、一年中不同雨量大小的若干场降雨下，对农业面源排放口进行持续的监测并每间隔几分钟进行一次污染物的平行采样。农业用地通常会分为典型的面积已知的多块区域，每块区域通常会有一个典型的农业面源排放口，对这些排放口在降雨前期进行平行采样。之后可以利用雨量计测得采样过的每场雨的雨量，根据雨量可以划分每场雨的雨型(大、中、小雨)。对于农业用地，一场雨降下来通常前期的部分雨量会被土地消纳。假设农业用地对一场雨的消纳毫米数为H，则认为降雨量小于H的一场雨不会造成入河负荷，H的取值因不同地区有所不同，其获取方法可以是取当地10cm农业地土样做模拟实验，模拟降雨然后观察土样什么时候开始浸湿下渗，开始下渗时的降雨量即为农田可消纳的降雨量H。通常H＜10mm。因此对于农业用地，雨型划分时，可将降雨量H～10mm划分为小雨、10～25mm划分为中雨、超过25mm划分为大雨。对于采样过的若干场降雨，在得知雨型后，可以分别取相同场数的小雨、中雨、大雨，比如各取两场，对所取的每一场，利用采样的污染物计算该场的降雨径流污染物平均浓度EMC，公式如下：
Figure BDA0002189062090000041
其中，M表示该场雨的污染物总量，单位mg；V表示该场雨的径流总量，单位L；Ct表示t时刻径流中污染物的瞬时浓度，单位mg/L；Qt表示t时刻的瞬时径流流量，单位L/秒；T表示该场雨的总径流时间，单位秒；Ct(j)表示第j个时段径流污染物浓度，单位mg/L；Qj表示第j个时段径流流量，单位L/秒。参数均可通过监测、简单计算获知。
以小雨、中雨、大雨各取两场为例，在计算得到这6场雨的EMC之后，取两场小雨的EMC的算术平均作为农业用地下小雨所带来的降雨径流污染物平均浓度EMCA1；同样的方式获得农业用地下中雨、大雨所带来的降雨径流污染物平均浓度EMCA2、EMCA3。
S13、对每种雨型：利用其在农业用地的降雨径流污染物平均浓度乘以相应的农业降雨溢流量，得到该种雨型在农业用地造成的面源污染负荷，其中，农业降雨溢流量根据农业用地降雨总量、农业用地消纳雨量和η计算得出。具体而言，小雨对农业用地造成的溢流量可以表示为
Figure BDA0002189062090000042
从而小雨这种雨型对农业用地造成的面源污染负荷可以用
Figure BDA0002189062090000043
计算得出。中雨、大雨的依此类推。
S14、基于步骤S13，进而，雨天农业面源污染入河负荷LA为：
Figure BDA0002189062090000051
其中，lb、lc、ld分别表示小、中、大雨的全年降雨总量，单位mm，b、c、d分别表示全年小、中、大雨的场数，
Figure BDA0002189062090000052
即分别表示中、大雨下的农业降雨溢流量。
雨天城市面源污染入河负荷LB的估算，可分为以下四个步骤S21～S24：
S21、根据目标集镇区的城市用地类型及对应的用地面积，以及每种城市用地类型的城市径流系数，通过加权计算得到目标集镇区的城市综合径流系数λ。利用下述公式计算λ：
Figure BDA0002189062090000053
其中，h表示目标集镇区的城市区域分为了h种城市用地类型；Bm表示第m种城市用地类型的面积，λm表示第m种城市用地类型的城市径流系数。城市用地类型一般分为路面、屋面、绿化三大类，对应的λm分别是：路面、屋面均为0.9左右，绿化0.2左右。
S22、按照步骤S12农业用地方式，计算城市区域的不同雨型的降雨径流污染物平均浓度。污染物的持续监测和污染物采样相应地是在城市面源排放口进行。城市区域下的雨型划分稍有不同，主要是因为城市管网对雨水的收集能力不同于农业用地对降雨的消纳能力。具体而言，对于城市区域，假设管网对雨水的收集能力用J(单位mm)表示，则降雨时对管网溢流口进行监测，任意一排口初次发生溢流时的降雨量即为J，通常J为2～4mm。这样一来，依照步骤S12中的划分原理，针对城市区域的雨型划分则为：J～10mm为小雨、10～25mm为中雨、大于25mm为大雨。同样地，就可以计算得到城市区域小、中、大三种雨型的降雨径流污染物平均浓度EMCB1、EMCB2、EMCB3。
S23、对每种雨型：利用其在城市区域的降雨径流污染物平均浓度乘以相应的城市降雨溢流量，得到该种雨型在城市区域造成的面源污染负荷；其中，铺设管网的区域的城市降雨溢流量根据城市区域降雨总量、管网收集雨量和λ计算得出，沿河未铺设管网的区域的城市降雨溢流量等于城市区域降雨总量。具体而言，对于有铺设管网的城市区域，小雨的降雨溢流量表示为(lb'-b'*J)*D1*λ；而未铺设管网的城市区域，小雨的降雨溢流量可表示为lb'*D1*λ，同理可得中雨下铺设和未铺设管网的区域的溢流量分别为(lc'-c'*J)*D1*λ、lc'*D1*λ，大雨下铺设和未铺设管网的区域的溢流量分别为(ld'-d'*J)*D1*λ、ld'*D1*λ。具体参数解释见下述步骤。
S24、将各种雨型在铺设管网的区域和沿河未铺设管网的区域造成的面源污染负荷相加得到雨天城市面源污染入河负荷LB，单位kg/年，如下：
Figure BDA0002189062090000061
其中，lb'、lc'、ld'分别表示小、中、大雨的全年降雨总量(单位mm)，b'、c'、d'分别表示城市区域全年小、中、大雨的场数；D1、D2分别表示城市区域有铺设管网和未铺设管网的区域的面积。
水稻田晴天农业灌溉面源污染入河负荷LC的估算：首先，获悉当地水稻种植习性，并获悉每公顷水稻田灌溉所需用水量以及回归水量；然后，通过检测获悉取水河道取水处断面平均水浓度以及水稻田回归水污染物浓度，从而计算提升水负荷以及回归水负荷，并进行两者比较：若回归水负荷大于提升水负荷，则取回归水负荷与提升水负荷的差值作为LC；否则，LC＝0。
具体而言，通过如下公式计算：
LC＝max{(R*S*CP*k/1000-G*S*CR*k/1000),0} (6)
其中，R表示灌溉后由水稻田回归到河道的水量，通过对水稻田排水口进行一季灌溉持续监测所获得，单位m3/hm2；S代表水稻田面积，单位hm2；CP表示水稻田回归水的平均浓度，单位mg/l；G表示电灌站一季灌溉所提升的河道水量，单位m3/hm2；CR表示灌溉取水河道的平均水浓度，单位mg/l；k表示当地水稻生长习性，取值1、2或3代表一年一季、两季或三季。
CP＝(CP1+CP2+…+CPy)/y，y表示水稻田排水口数量，CP1,CP2,…CPy分别为每个排水口监测获得的灌溉回归水平均浓度；
CR＝(CR1+CR2+…+CRx)/x，x表示灌溉取水断面的数量，CR1,CR2,...CRx分别为每个取水点的河水浓度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种集镇区全年面源污染入河负荷的估算方法，其特征在于，包括雨天农业面源污染入河负荷LA的估算和雨天城市面源污染入河负荷LB的估算；
通过如下步骤S11～S14估算LA：
S11、根据目标集镇区的农业用地类型及对应的用地面积，以及每种农业用地类型的径流系数，通过加权计算得到目标集镇区的农业用地综合径流系数η；
S12、在不同雨量大小的若干场降雨下对农业面源排放口进行污染物的平行采样，对所采样的每场雨按雨量计测得的降雨量划分雨型；利用采样污染物计算对应场次的降雨径流污染物平均浓度，再分别对不同雨型下的多场降雨的降雨径流污染物平均浓度进行算术平均，得到相应雨型在农业用地的降雨径流污染物平均浓度；
S13、对每种雨型：利用其在农业用地的降雨径流污染物平均浓度乘以相应的农业降雨溢流量，得到该种雨型在农业用地造成的面源污染负荷，其中，农业降雨溢流量根据农业用地降雨总量、农业用地消纳雨量和η计算得出；
S14、将各种雨型在农业用地造成的面源污染负荷相加得到雨天农业面源污染入河负荷LA；通过公式(4)计算LA，单位kg/年：
Figure FDA0003334837820000011
其中，EMCA1、EMCA2、EMCA3分别为农业用地下划分的小雨、中雨、大雨三种雨型在农业用地的降雨径流污染物平均浓度，lb、lc、ld分别表示小、中、大雨的全年降雨总量，b、c、d分别表示全年小、中、大雨的场数，H表示农业用地对一场降雨的完全消纳量，单位mm；z表示目标集镇区有z种农业用地类型，Ai表示第i种农业用地类型的用地面积，
Figure FDA0003334837820000012
Figure FDA0003334837820000013
分别表示小、中、大雨下的农业降雨溢流量；
通过如下步骤S21～S24估算LB：
S21、根据目标集镇区的城市用地类型及对应的用地面积，以及每种城市用地类型的城市径流系数，通过加权计算得到目标集镇区的城市综合径流系数λ；
S22、按照步骤S12的方法，在城市面源排放口采样，得到针对城市区域划分的不同雨型在城市区域的降雨径流污染物平均浓度；
S23、对每种雨型：利用其在城市区域的降雨径流污染物平均浓度乘以相应的城市降雨溢流量，得到该种雨型在城市区域造成的面源污染负荷；其中，铺设管网的区域的城市降雨溢流量根据城市区域降雨总量、管网收集雨量和λ计算得出，沿河未铺设管网的区域的城市降雨溢流量等于城市区域降雨总量；
S24、将各种雨型在铺设管网的区域和沿河未铺设管网的区域造成的面源污染负荷相加得到雨天城市面源污染入河负荷LB；通过公式(5)计算LB，单位kg/年：
Figure FDA0003334837820000021
其中，EMCB1、EMCB2、EMCB3分别为城市区域下划分的小雨、中雨、大雨三种雨型在城市区域的降雨径流污染物平均浓度，lb'、lc'、ld'分别表示小、中、大雨的全年降雨总量，J表示管网对一场降雨的雨水收集量，b'、c'、d'分别表示全年小、中、大雨的场数，D1、D2分别表示城市区域有铺设管网和未铺设管网的区域的面积，(lb'-b'*J)*D1*λ、(lc'-c'*J)*D1*λ、(ld'-d'*J)*D1*λ分别表示小、中、大雨下铺设管网区域的城市降雨溢流量，lb'*D2*λ、lc'*D2*λ、ld'*D2*λ分别表示小、中、大雨下未铺设管网区域的城市降雨溢流量。
2.如权利要求1所述的估算方法，其特征在于，步骤S11中利用公式(1)计算农业用地综合径流系数η：
Figure FDA0003334837820000031
公式(1)中，ηi表示第i种农业用地类型的农业径流系数；
步骤S21中利用公式(2)计算城市综合径流系数λ：
Figure FDA0003334837820000032
公式(2)中，Bm表示第m种城市用地类型的面积，λm表示第m种城市用地类型的城市径流系数；h表示目标集镇区有h种城市用地类型。
3.如权利要求1所述的估算方法，其特征在于，步骤S12中针对农业用地的雨型划分为降雨量在H～10mm的小雨、降雨量在10～25mm的中雨、降雨量大于25mm的大雨；
步骤S22中，针对城市区域的雨型划分为降雨量在J～10mm的小雨、降雨量在10～25mm的中雨、降雨量大于25mm的大雨。
4.如权利要求3所述的估算方法，其特征在于，步骤S12和S22中某场雨的降雨径流污染物平均浓度EMC通过公式(3)计算：
Figure FDA0003334837820000033
其中，M表示该场雨的污染物总量，mg；V表示某场雨的径流总量，单位L；Ct表示t时刻径流中污染物的瞬时浓度，mg/L；Qt表示t时刻的瞬时径流流量，L/秒；T表示该场雨的总径流时间，单位秒；Ct(j)表示第j个时段径流污染物浓度，mg/L；Qj表示第j个时段径流流量，L/秒；n表示将降雨过程划分为时间段的数量。
5.如权利要求1所述的估算方法，其特征在于，还包括目标集镇区的水稻田晴天农业灌溉面源污染入河负荷LC的估算：
首先，获悉当地水稻种植习性，并获悉每公顷水稻田灌溉所需用水量以及回归水量；
然后，通过检测获悉取水河道取水处断面平均水浓度以及水稻田回归水污染物浓度，从而计算提升水负荷以及回归水负荷，并进行两者比较：若回归水负荷大于提升水负荷，则取回归水负荷与提升水负荷的差值作为LC；否则，LC＝0。
6.如权利要求5所述的估算方法，其特征在于，通过公式(6)计算LC，单位kg/年：
LC＝max{(R*S*CP*k/1000-G*S*CR*k/1000),0} (6)
其中，R表示灌溉后由水稻田回归到河道的水量，通过对水稻田排水口进行一季灌溉持续监测所获得，单位m3/hm2；S代表水稻田面积，单位hm2；CP表示水稻田回归水的平均浓度，单位mg/l；G表示电灌站一季灌溉所提升的河道水量，单位m3/hm2；CR表示灌溉取水河道的平均水浓度，单位mg/l；k表示当地水稻生长习性，取值2或3代表一年两季或三季；
CP＝(CP1+CP2+...+CPy)/y，y表示水稻田排水口数量，CP1,CP2,...CPy分别为每个排水口监测获得的灌溉回归水平均浓度；
CR＝(CR1+CR2+...+CRx)/x，x表示灌溉取水断面的数量，CR1,CR2,...CRx分别为每个取水点的河水浓度。
7.如权利要求3所述的估算方法，其特征在于，步骤S12具体包括：
全年中随机选若干场降雨，每场降雨下对农业面源排放口进行污染物的平行采样；对所述若干场降雨利用雨量计测得降雨量，划分好雨型之后，分别选取两场小雨、两场中雨、两场大雨，利用公式(3)分别计算选取的六场雨的降雨径流污染物平均浓度，再分别对两场小雨、两场中雨、两场大雨的降雨径流污染物平均浓度进行算术平均，分别得到小雨、中雨、大雨三种雨型在农业用地的降雨径流污染物平均浓度EMCA1、EMCA2、EMCA3。
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