非点源污染河流水环境容量的不确定性分析

　　摘要:基于河流一维水环境容量计算模型和实测水文水质参数的统计分析，应用MonteCarlo模拟方法，分析模型各输入参数的灵敏度以及水环境容量值的概率分布，建立了非点源污染河流水环境容量的分期不确定性分析方法.本方法表达了由于获取的河流系统信息不确定性和非点源污染发生的随机性引起的水环境容量计算结果不确定性，给出了不同水文期在不同可信度下的河流水环境容量，为实现非点源污染的总量控制提供了可靠的基础.应用本方法，对长乐江的总氮水环境容量进行了不确定性分析.结果表明，根据水质控制目标，枯水期、平水期、丰水期中90%可信度的总氮水环境容量分别为487.9、949.8、1392.8kg·d－1，其中稀释容量是各水文期水环境容量的主要组成部分.据此，各水文期流域内的总氮现状入河量需削减1258.3～3591.2kg·d－1，丰水期是削减量最大的时期.不确定性分析方法计算得到的水环境容量是基于非点源污染河流水文水质状况的实际变化，这相对于按某一设计流量来确定水环境容量的常规方法更为科学、合理，拓展了水环境容量的研究思路和方法.

　　关键词:水环境容量;非点源污染;不确定性;MonteCarlo模拟;河流;总氮

　　水环境容量计算是水污染总量控制的基础，在水环境容量计算中，通常首先设定目标水质和一定保证率下的最枯月流量，再用一维或二维的水环境容量模型进行以年为单位的计算.显然，一般情况下，河流实际的水环境容量均大于这一设计条件下的计算值，这无疑增加了控污减排的压力.同时，河流流量、流速、污染物浓度和综合降解系数等信息都存在着一定的不确定性.这些信息的不确定性一方面是由于自然因素的随机变化引起的，如暴雨事件等;另一方面是人为因素的影响引起的，如水文水质参数测定误差等.因此，由这些信息计算得到的水环境容量也具有不确定性.为此，许多学者应用未确知数学理论或盲数理论、概率稀释模型、MonteCarlo模拟等方法进行了针对点源污染河流的水环境容量不确定性计算和分析.美国的每日最大负荷量(TMDL)计划中也考虑了污染物排放量、河流流量等的时间变化，并且包含了安全临界值以体现TMDL计算过程中的不确定性.

　　随着非点源污染问题越来越突出，将总量控制体系纳入到非点源污染的防治中具有重要意义.

　　非点源污染的发生是一个受气候、土壤、生物和人类活动综合影响的随机过程，其时空分布和排放量都很难进行准确的定量，使得非点源污染为主河流的水质变异及其模型模拟结果的不确定性更为显著，这进一步增加了其水环境容量的时间变异性及其计算的不确定性.因此，从分期尺度上开展非点源污染河流水环境容量的不确定性分析研究具有现实必要性.然而，目前尚鲜见关于非点源污染河流水环境容量的不确定性分析的研究报道.

　　本研究针对非点源污染河流系统的不确定性问题，从分期的尺度提出了基于MonteCarlo的非点源污染河流水环境容量的不确定分析方法，以期为实现非点源污染的总量控制提供依据.

　　1、非点源污染河流的水环境容量的不确定性分析方法

　　对于非点源污染为主的河流而言，可以认为污染物沿河段按均匀形式进入河流，则一定设计条件下河流水环境容量计算模型可以表示为:w=kxucsqd－c0q0exp－kx[(86400)]u1－exp－kx86400()u×10－3(1)式中，w为计算河段的水环境容量(kg·d－1)，cs为控制目标条件下段末的污染物浓度(mg·L－1)，c0为设计条件下段首污染物浓度(mg·L－1)，qd为段末设计流量(m3·s－1)，q0为段首设计流量(m3·s－1)，u为设计条件下河段平均流速(m·s－1)，k为设计条件下河流中污染物综合降解系数(d－1)，x为河段长度(m).按照式(1)计算得到的河流水环境容量是与一定设计条件相对应的一个确定数值，而不是河流实际的水环境容量.在实际的河流水环境系统中，由于自然条件和人为因素的影响，河段段首和段末流量、污染物浓度、综合降解系数、流速等参数信息都具有显著的时间变异性和不确定性，因此，河流水环境容量本身就难以准确地用一个确定数值来表示.同时，非点源污染发生的随机性和动态性进一步增加了非点源污染河流的水环境容量计算的不确定性.根据《全国地表水环境容量核定和总量分配工作方案》，要求选择90%保证率或者近10年最枯月平均流量为设计流量.显然，这样的设计条件适用于点源污染为主的河流，而很难适用于非点源污染为主的河流.

　　这是由于非点源污染的发生往往取决于流域的水文运动过程，降雨径流和排水是非点源污染产生的原动力和载体，使得丰水期非点源污染河流水体中污染物浓度或通量往往高于枯水期的.如果按式(1)和以上的设计条件计算得到的水环境容量进行总量控制，忽视了水环境容量和非点源污染本身具有的时间变异性，将大大增加丰水期非点源污染物排放量的削减压力，不利于总量控制方案的实施.

　　因而，非点源污染河流的水环境容量计算又必须建立在分期的尺度上.综上所述，非点源污染河流的水环境容量应在分期的尺度上进行不确定性分析.

　　根据式(1)，可以得到非点源污染河流的实时水环境容量计算模型:wr=krxurcsqd，r－c0，rq0，rexp－krx86400u[()]r1－exp－krx86400u()r×10－3(2)式中，wr为计算河段的实时水环境容量(kg·d－1)，c0，r为段首污染物实时浓度(mg·L－1)，qd，r为段末实时流量(m3·s－1)，q0，r为段首实时流量(m3·s－1)，ur为河段实时平均流速(m·s－1)，kr为河流中污染物实时综合降解系数(d－1);其它符号同式(1).根据式(2)，可以采用盲数理论、蒙特卡罗方法、贝叶斯法等对非点源污染河流的水环境容量进行不确定性求解.蒙特卡罗方法(MonteCarloMethod)已经广泛应用于水环境模拟模型的不确定性分析、参数估算等研究中.针对本研究问题，可以通过以下步骤应用MonteCarlo方法进行不确定性求解:由于非点源污染的发生具有显著的时间变异性，且主要取决于流域的水文运动过程，首先，根据研究河流的水文气象资料进行水文期划分，然后在分期的尺度上分析式(2)中的段首和段末流量、段首污染物浓度、综合降解系数等输入参数实测值的概率分布，根据统计检验结果(即p值大小)选择各参数最适宜的概率分布形式;其次，利用随机参数发生器方法，产生具有与这些参数相同概率分布的数值，并赋值给各个参数，按各参数的概率分布随机抽样，输入到式(2)中，计算出水环境容量.每一次计算就对应于实际上可能发生的一个情况.如此反复进行n次，就可以模拟得到实际中可能发生的n种情况;最后，根据n次计算结果，经统计分析后，得出不同水文期中河流水环境容量的概率分布，从而实现对水环境容量的不确定性分析.

　　2、实例研究

　　以长乐江为研究对象，其流域内的主要土地利用方式为农地(水田、旱地、茶园、苗圃、林地、竹园)和农村人居地，工业排污企业相对较少，农业非点源是河流中污染物的主要来源.2004年长乐江流域TN的入河量为1266.4t·a－1，其中化肥施用是河流TN的主要来源(70.5%).

　　2.1数据来源和分析

　　2004-01～2007-12对长乐江上的3个监测点进行了以月为单位的采样和分析.水样中总氮(TN)含量采用碱性过硫酸钾氧化、紫外分光光度法测定(GB11893-89).不同月份中河流TN的综合降解系数(K)采用室内模拟测定和野外条件校正相结合的方法进行率定.每月的河流水文和气象资料分别由浙江省水文局和当地气象站提供.研究河段水质控制目标根据《浙江省水功能区、水环境功能区划分方案》(2005)确定，即TN≤2.0mg·L－1.

　　水环境容量计算模型输入参数的概率分布检验采用SPSS12.0软件.采用@Risk软件中的MonteCarlo方法进行水环境容量的不确定性分析和水环境容量模型输入参数的灵敏度分析.

　　2.2TN水环境容量模型输入参数的概率分布

　　长乐江每月的段末流量(y)与降雨量(x)呈显著的线性正相关(y=0.1207x+1.2309，r2=0.7535??，n=48)，这表明长乐江属于雨水补给型河流.同时，由于降雨径流是非点源污染发生的重要载体［14，15］，因此，根据多年月平均降雨量的年内分布情况，将全年分为3个水文期:枯水期(主要出现在10、11和12月)、平水期(主要出现在1、2、3、4、7、8月)、丰水期(主要出现在5、6、9月).采用SPSS16.0软件中的单样本K-S法对式(2)中不同水文期的各输入参数实测值进行概率分布的统计分析.可以看出，不同水文期中河段平均流速、段首输入浓度和流量、段末流量以及综合降解系数均符合正态分布(p>0.05).不同水文期中长乐江上游输入的TN浓度(c0，r)平均值(μ)均超过了2.0mg·L－1，这进一步增加了长乐江流域控制TN污染的压力;且丰水期>平水期>枯水期，这体现了非点源污染的作用，表明从分期尺度进行水环境容量计算的必要性.

　　2.3TN水环境容量模型输入参数的灵敏度