董 旭，周慧慧

（温州市珊溪水利枢纽管理局，浙江 温州 325000）

珊溪水库支流总氮入库通量计算与研究

董 旭，周慧慧

（温州市珊溪水利枢纽管理局，浙江 温州 325000）

以2005—2013年逐月水质监测数据为基础，分析了珊溪水库及主要支流的总氮浓度变化趋势，选用美国地质调查局的LOADEST模型，计算了各支流历年总氮的入库量，摸清了各支流的总氮贡献率。

珊溪水库；水源地；入库通量

1 问题的提出

珊溪水利枢纽位于浙江省温州市飞云江干流中游河段，由多年调节水库珊溪水库和下游的日调节水库赵山渡水库组成(见图1)。供水区内受益人口500多万人，被称为温州人民的“大水缸”。根据近几年的水质监测数据，库区总氮、总磷浓度较高，下游干流和支流氮、磷等营养指标超标情况较多。因此，为了摸清水库总氮来源，控制水库富营养化，研究计算入库各支流的总氮入库通量刻不容缓。

采用LOADEST模型建立各支流入库断面总氮通量与流量、时间等变量的回归方程，在模型验证的基础上，估算各河流总氮入湖通量。

图1 珊溪水库(赵山渡)水系示意图

2 珊溪水库及入库支流总氮浓度状况

为分析与研究珊溪水库及主要支流的总氮变化趋势，收集了2005 — 2013年逐月水质监测数据。

2.1 珊溪水库和赵山渡水库支流基础资料

珊溪水库支流包含：洪口溪、司前溪、三插溪、苣江溪、峃作口溪、黄坦坑溪；赵山渡水库支流包含：珊溪坑、李井坑、渡渎溪、桂溪、泗溪、九溪、平和溪、玉泉溪。

2.2 珊溪水库和赵山渡水库总氮指标评价

珊溪水库和赵山渡水库总氮逐年变化情况见图2。

图2 珊溪水库和赵山渡水库总氮浓度变化趋势图(平均值±标准差)

珊溪水库库区总氮年均值基本上符合Ⅱ类水质标准，部分月份总氮不符合目标水质要求；赵山渡库区总氮年均值超标，大部分为Ⅲ类，少数月份为Ⅵ类。

2.3 入库主要支流总氮指标评价

参照湖库标准，主要入库支流总氮多年平均所属水质类别见图3。珊溪水库的6条主要入库支流中，司前溪为Ⅱ类水质，莒江溪、洪口溪、三插溪和峃作口溪为Ⅲ类水质，黄坦坑为劣Ⅴ类水质。在赵山渡水库的8条主要入库支流中，李井溪、泗溪和司前溪总氮浓度为Ⅴ类水质；其余5条入库支流为Ⅲ类水质。

图3 主要入库支流总氮评价结果图

3 主要支流总氮入库通量

3.1 计算模型选择

污染物通量指一定时间内通过河流某断面的污染物总量，估算方法主要有流域机理性模型、简单的过程模型和反演模型3大类。流域模型(SWAT[1]、AGNPS[2]和GWLF[3]等)能够模拟流域水文和污染迁移过程，然而结构复杂、数据需求量大、参数众多，校准和验证困难[4-6]。简单的过程模型 (输出系数法[7]、SPARROW模型[8]、质量守衡法[9]等)避开了复杂的污染过程，所需参数少，然而几乎都依赖于各种土地利用的输出系数[10]，在复合污染区域的应用受到限制。水质反演法是近年发展起来的方法[11-15]，基于离散的水质数据和连续的水文数据，通过污染物通量与流量的经验公式来反推污染负荷，具较高的精度和广泛的适用性。

根据珊溪水库的现有资料，选用结构简单、数据需求量相对较小的 LOADEST(Loadestimator)模型进行河流污染物通量估算。LOADEST模型是美国地质调查局建立的流域污染负荷估算模型，利用连续的日流量数据和有限的、离散的水质数据，建立污染物通量回归方程，进而估算河流不同时间尺度下的输移通量，目前已被应用于国内外许多河流的污染负荷估算[16]。

在实际应用中，考虑到实验条件的限制或者历史信息的不确定性，LOADEST模型提供了11种回归方程形式。常用模型形式为：

式中：In代表自然对数，L(t)是水质监测日的总氮通量(g · km-2· d-1)；Q(t)是水质监测日的流量(m3· d-1)；t是分数形式的日期；Qc和tc分别是中心流量和中心日期；β0是常数，β1- β2代表流量和浓度的关系，β3- β4代表时间和浓度的关系，β5- β6代表季节和浓度的关系；e是残差。

3.2 入库支流总氮通量估算结果

以2009 — 2011年的水质数据(逐月监测)和日流量数据为基础，采用LOADEST模型建立总氮通 量与流量、时间等变量的回归方程，计算了主要入库支流的总氮入库通量(见表1)。由表1可见，珊溪水库6条主要入库支流总氮入库通量合计为2 263.39 ± 1 122.16 t/a，70%以上来自黄坦坑，原因在于黄坦坑畜禽养殖污染过于严重。赵山渡水库8条主要入库支流总氮入库通量合计为646.60 ± 204.19 t/a，主要来自泗溪和玉泉溪，二者合计所占比例接近80%。注：表中上标1的数据为入库量小计数。

表1 主要入库支流的总氮入库通量表

4 结 语

4.1 主要结论

水库水体的富营养化状态，与流域集水区污染过程息息相关。为了控制珊溪水库水质恶化，对入库河流的总氮入库通量进行总量控制刻不容缓。采用LOADEST模型计算了各支流历年总氮的入库量，摸清了各支流的总氮贡献率，为有关部门针对性加强污染治理提供了技术支持。

4.2 研究展望

单纯估算入库支流污染入库通量，而不能建立污染入库通量与水库水质的动态关系，仍无法为实施污染总量控制提供科学依据。因此，为进一步对珊溪水库污染进行总量控制，就必须首先解决“非点源污染过程—水库水质响应定量”这个关键问题。根据珊溪水源地实际情况，下一步的研究方向是基于已有的研究基础和数据积累，建立珊溪水库流域模型(SWAT等)，并与水库水质模型(WASP等)联用，量化水库污染过程与水库水质之间的动态关系。

[1] Nasr A，Bruen M，Jordan P，et al.A comparison of SWAT, HSPF and SHETRAN/GOPC for modelling phosphorus export from three catchments in Ireland[J].Water Research，2007，41(5)：1065 - 1073.

[2] Mohammed H，Yohannes F，Zeleke G.Validation of agricultural nonv - point source (AGNPS) pollution model in Kori watershed, South Wollo，Ethiopia[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2004，6(2)：97 - 109.

[3] Schneiderman EM，Pierson DC，Lounsbury DG，et al. Modeling the hydrochemistry of the cannons Ville watershed with Generalized Watershed Loading Functions (GWLF)[J].Journal of the American Water Resources Association，2002，38(5)：1323 - 1347.

[4] Yang J，Reichert P，Abbaspour KC，et al.Hydrological modelling of the Chaohe Basin in China：Statistical model formulation and Bayesian inference[J].Journal of Hydrology，2007，340(3/4)：167 - 182.

[5] Grunwald S，Nrton LD.Calibration and validation of a non - point source pollution model[J].Agricultural Water Management，2000，45(1)：17 - 39.

[6]Al - Abed NA，White HR.Calibration of the Hydrological Simulation Program Fortran (HSPF) model using automatic cali bration and geographical information systems[J]. Hydrological Processes，2002(16)：3169 - 3188.

[7] Johnes PJ. Evaluation and management of the impact of land use change on t he nitrogen and phosphorus load delivered to surface waters：The export coefficient modeling approach[J].Journal of Hydrology，1996，183(3/4)：323 - 349.

[8] Schwarz GE，Hoos AB，Alexander RB，et al.The SPARROW Surface Water - Quality Model - Theory，Application，and User Documentation：US Geological Survey Techniques and Methods，Book 6，Section B[M].ONLINE ONLY ：USGS，2006.

[9] Pieterse NM，Bleuten W，Jørgensen SE. Contribution of point sources and diffuse sources to nitrogen and phosphorus loads in lowland river tributaries[J]. Journal of Hydrology，2003，271(1/2/3/4)：213 - 225.

[10] Shrestha S，Kazama F，Newham LTH.A framework for estimating pollutant export coeff i cients from long - term in - stream water quality monitoring data[J].Environmental Modelling and Software，2008，23(2)：182 - 194.

[11] 陈丁江，孙嗣旸，贾颖娜，等.区域点源和非点源磷入河量计算的二元统计模型[J].环境科学，2013，34(1)：87 - 93.

[12] Grizzetti B，Bouraoui F，Marsily G De，et al.A statistical method for source apportionment of riverine nitrogen loads[J].Journal of Hydrology，2005(304)：302 - 315.

[13] Bowes MJ，Smith JT，Jarvie HP，et al.Modelling of phosphorus inputs to rivers from diffuse and point sources[J].Science of Total Environment，2008，395(2/3)：125 - 138.

[14] Bowes MJ，Smith JT，Jarvie HP，et al.Changes in point and diffuse source phosphorus inputs to the River Frome(Dorset,UK) from 1966 to 2006[J].Science of Total Environment，2009，407(6)：1954 - 1966

[15] Huang H，Zhang BF，Lu J.Quantitative identif i cation of riverine nitrogen from point，direct runoff and base fl ow sources[J].Water Science and Technology，2014，70(5)：865 - 870.

[16] 李娜，盛虎，何成杰，等.于统计模型 LOADEST的宝象河污染物通 量估算[J].应用基础与工程科学学报，2012，20(3)：355 - 366.

（责任编辑 姚小槐）

X832

B

1008 - 701X(2017)03 - 0022 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.006

2016-11-12

董 旭(1987 - )，男，助理工程师，大学本科，主要从事水资源保护、利用研究工作。

E - mail：276205244@qq.com