杜拉斯流域及河口浴場(chǎng)水質(zhì)模擬和評(píng)價(jià)

［法國(guó)］M.布雅爾等

1 概述

沿海水體的糞便污染是全球范圍內(nèi)一個(gè)較嚴(yán)重的問(wèn)題，二級(jí)污水處理至今無(wú)法徹底去除污染物。進(jìn)入到沿海水體的暴雨徑流、凈化系統(tǒng)及下水道排放的污水，也被定為重要的污染源。在評(píng)價(jià)和管理天然水系統(tǒng)方面，模型能起重要作用。模擬能提供沿海區(qū)域與條例相符性評(píng)價(jià)的工具，預(yù)測(cè)水質(zhì)降解和應(yīng)對(duì)歐盟規(guī)定的要求及各級(jí)浴場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)(EC/7/2006)。已有幾個(gè)過(guò)程模型模擬流域受納水體中糞便污染物的輸移、殘留及水沙分區(qū)。正在開(kāi)發(fā)通用分布式模型。本研究從最近公布的一些模型中，選擇了SWAT(土壤和水體評(píng)估工具)模型，因?yàn)樵撃Ｐ湍苡行M大腸桿菌通量。

拉米揚(yáng)(La Mignonne)河位于布列塔尼，年均流量1.4 m3/s，是流域內(nèi)的主要河流，最終匯入杜拉斯河口。河源地海拔293 m，下游出口海拔4 m。洪峰流量主要發(fā)生在冬季(10月～次年3月)，日均流量達(dá)10m3/s。拉米揚(yáng)河有5條支流，支流對(duì)干流的流量貢獻(xiàn)很低(小于15%)。近10a年均降水量700mm。杜拉斯流域人口大約6600人，其中幾乎10%生活在杜拉斯鎮(zhèn)或小村莊。人口居住密度平均為58人/km2，但沿海附近達(dá)188人/km2。流域內(nèi)人類活動(dòng)包括上游大量飼養(yǎng)豬和雞的層架式飼養(yǎng)籠的畜牧業(yè)，以及下游少量乳牛牧場(chǎng);大約69%的面積為農(nóng)業(yè)用地，其中44%為耕地，25%為牧場(chǎng);另12%為森林，4.4%為原生植被。

拉米揚(yáng)河匯入杜拉斯河的河口長(zhǎng)約5 km。該區(qū)域受海洋氣流和水流的影響，大潮和小潮平均潮差分別為5.5 m和3.0m。河口人類活動(dòng)包括娛樂(lè)(游泳、劃船、釣魚(yú))和貝類生產(chǎn)(牡蠣殼粉和蚌類)，這些需要良好的微生物水質(zhì)，而河口水質(zhì)取決于拉米揚(yáng)河流的地表水水質(zhì)。過(guò)去調(diào)查顯示，拉米揚(yáng)河的大腸桿菌來(lái)量占到河口大腸桿菌通量的85%。杜拉斯流域的微生物污染來(lái)自城市廢水排放(流域內(nèi)的4個(gè)廢水處理廠)和非點(diǎn)源污染(尤其是施肥)，但缺少有助于確定這兩種污染源相對(duì)貢獻(xiàn)值的準(zhǔn)確信息。不久前，微生物污染已導(dǎo)致浴場(chǎng)關(guān)閉，直接影響了旅游經(jīng)濟(jì)。

本文根據(jù)WWTP污染源和農(nóng)田徑流，預(yù)測(cè)浴場(chǎng)水體大腸桿菌濃度。研究使用2個(gè)關(guān)聯(lián)模型:①SWAT模型(評(píng)價(jià)土壤和水環(huán)境的工具)，用于模擬水流和預(yù)測(cè)徑流中大腸桿菌的農(nóng)業(yè)－水文學(xué)模型;②WARS－2D模型(應(yīng)用于區(qū)域尺度)，預(yù)測(cè)河口水體中大腸桿菌濃度的水動(dòng)力模型。研究?jī)?nèi)容包括:①收集信息和資料建立模型;②確定2個(gè)符合當(dāng)?shù)貤l件的方案(WWTP輸入和流域徑流);③用SWAT和MARS模型模擬這些方案;④評(píng)估與降水事件有關(guān)的浴場(chǎng)關(guān)閉風(fēng)險(xiǎn)。

2 材料和方法

2.1 采樣和分析

采樣布點(diǎn)范圍較廣(干流、支流和污水處理廠出口處)，采樣時(shí)段為2007年1月～2008年1月，采樣頻率為每周1次，大腸桿菌采用微生物盤分析方法。此外系統(tǒng)記錄河道流量，用以通量計(jì)算。用拉米揚(yáng)河水位站的大量數(shù)據(jù)較準(zhǔn)和驗(yàn)證河道流量(2000～2007年)。從當(dāng)?shù)氐?個(gè)氣象站獲得日降水資料。

2.2 模 型

對(duì)包括SWAT 2005在內(nèi)的各種模型模擬的近幾年水質(zhì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。SWAT 2005模型是以天為時(shí)間步長(zhǎng)、以流域?yàn)槌叨龋谶^(guò)程的模型，是美國(guó)農(nóng)業(yè)部正運(yùn)用的源開(kāi)放式模型。SWAT模型再現(xiàn)了水文過(guò)程，模擬過(guò)程中考慮了水體、農(nóng)用物生長(zhǎng)、蒸發(fā)蒸騰、地表徑流、下滲、回流、侵蝕、營(yíng)養(yǎng)物傳輸、農(nóng)藥噴灑天數(shù)及傳播、灌溉、地下水、水流輸移損失、池塘和水庫(kù)蓄水量、渠道走線、田間排水、植物生長(zhǎng)耗水和其他過(guò)程。此外，SWAT模型中微生物單元使用一階降解方程，來(lái)模擬糞便細(xì)菌的死亡和繁殖。

式中，Ct為t時(shí)刻細(xì)菌濃度(cfu/100mL);C0為初始細(xì)菌濃度(cfu/100mL);K20為20℃下一階每天死亡率;t為 暴露時(shí)間，d;θ為溫度調(diào)整因子;T為溫度，℃。

運(yùn)用SWAT模型應(yīng)輸入的參數(shù)包括地形(使用數(shù)字式高程模型)、土壤特征(土壤剖面)、土地利用資料(土地利用分為耕地、草地、森林、建設(shè)用地和水面)。本研究中WWTP輸入的大腸桿菌濃度為常數(shù)(4.9log10cfu/100mL)，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)場(chǎng)提供的化肥量、規(guī)章和施肥活動(dòng)，估計(jì)徑流中糞便污染物濃度。對(duì)2個(gè)方案進(jìn)行了模擬。

(1)方案1。無(wú)關(guān)聯(lián)施肥(2007年3月5日、5月5日和6月27日)。

(2)方案2。5個(gè)月的施肥(2～7月)。

方案2中，施肥量按30t/hm2計(jì)，施肥面積按整個(gè)流域面積2456 hm的29%計(jì)，施肥時(shí)間根據(jù)當(dāng)?shù)嘏c降水條件相關(guān)的條例確定(當(dāng)降水量超過(guò)5 mm/d時(shí)，禁止施肥)。模擬時(shí)段內(nèi)共進(jìn)行了71 d施肥。

將SWAT模型計(jì)算所得的流域主出口處大腸桿菌通量，引進(jìn)水動(dòng)力模型MARS－2D，進(jìn)一步計(jì)算河口各測(cè)點(diǎn)處大腸桿菌的濃度，尤其是測(cè)點(diǎn)2靠近海濱浴場(chǎng)。MARS－2D模型由Ifremer建立和調(diào)試，是一個(gè)垂直平均的水動(dòng)力模型?，F(xiàn)運(yùn)用該模型模擬各種污染物的擴(kuò)散和稀釋，尤其是沿海區(qū)域的糞便污染物。本研究模擬2個(gè)方向，擴(kuò)散系數(shù)取值1 m2/s，并綜合了一個(gè)細(xì)菌子模型。結(jié)果表明，河流和海洋水體中的大腸桿菌死亡是0.35(在20℃)。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

所有統(tǒng)計(jì)分析中，大腸桿菌濃度按log10進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)比各等級(jí)降水量的大腸桿菌濃度。

方差分析計(jì)算概率，各實(shí)測(cè)均值間的差異可能僅僅是由于偶然性引起。

3 結(jié)果和討論

表1列出了水位站實(shí)測(cè)的和SWAT模擬的河道流量特征。

表1 河道流量校準(zhǔn)和驗(yàn)證

用2000～2003年的流量資料完成模型校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)參數(shù)是可接受的，確定的相關(guān)系數(shù)令人滿意(r2=0.84)，文獻(xiàn)中 Nash－Suttcliffe效率 Ens為0.79。后用2004～2006年資料進(jìn)行流量驗(yàn)證，結(jié)果較好(r2=0.84，Ens=0.82)。圖1(a)說(shuō)明2004～2006年河道流量模擬和實(shí)測(cè)值間的相互關(guān)系。此外，由圖1(b)可見(jiàn)，SWAT模型再現(xiàn)了2006年2～4月實(shí)測(cè)河道流量，模擬與實(shí)測(cè)的曲線相似。

SWAT模型模擬了方案1:4個(gè)WWTP排放和施肥活動(dòng)。圖2說(shuō)明了WWTP排放和無(wú)關(guān)聯(lián)施肥對(duì)河道大腸桿菌通量的影響。

圖1 2004～2006年河道流量模擬值和實(shí)測(cè)值的相互關(guān)系(a)及2006年2～4月河道流量模擬和實(shí)測(cè)過(guò)程(b)

圖2 WWTP排放和施肥對(duì)河流水質(zhì)的影響(方案1)

WWTP排放造成河流中大腸桿菌通量?jī)H相當(dāng)于6.3 log10cfu/d，幾乎不受降水的影響(見(jiàn)圖2)。然而，3月5日進(jìn)行了施肥，當(dāng)天降水量 30.8 mm，當(dāng)天和前天降水量總和為52.2 mm，當(dāng)天和前兩天的降水量總和為64.4 mm。緊接著就測(cè)到河流中大腸桿菌通量增長(zhǎng)了一個(gè)數(shù)量級(jí)。河流中污染物反應(yīng)非常迅速(滯后時(shí)間不到1 d)，但水質(zhì)恢復(fù)至少1周。當(dāng)在旱季之后進(jìn)行田間施肥(2007年5月5日)，河道里的大腸桿菌通量保持穩(wěn)定。在5月10日之后，開(kāi)始降水，河道內(nèi)再次測(cè)到污染物大腸桿菌，但濃度較低。由于肥料和土壤中大腸桿菌具有持續(xù)性，在持續(xù)降水之下導(dǎo)致污染物出現(xiàn)峰值。最后一次施肥是6月27日，那時(shí)日均降水量小于10mm，對(duì)河道污染幾乎沒(méi)有影響。

運(yùn)用SWAT模型模擬2～7月允許施肥期間的定期施肥活動(dòng)(方案2)，模擬結(jié)果符合大腸桿菌徑流。圖3說(shuō)明流域內(nèi)測(cè)點(diǎn)1(水位站)、流域主出口測(cè)點(diǎn)2及河口測(cè)點(diǎn)3的大腸桿菌濃度變化。

圖3 2007年6月5～30日測(cè)點(diǎn)模擬值及實(shí)測(cè)值的變化

大腸桿菌濃度隨降水量而變化，由于化肥中細(xì)菌活動(dòng)，在大雨期間(超過(guò)10mm/d)水體中污染物濃度增加。測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)1的濃度峰值處于同一數(shù)量級(jí)，最大濃度出現(xiàn)在2007年6月24日，分別達(dá)到4.11 log10cfu/100mL 和 4.16 log10cfu/100mL，當(dāng)天降水量達(dá)45.4 mm。與降水事件相對(duì)應(yīng)、其滯后時(shí)間不超過(guò)模型時(shí)間步長(zhǎng)1 d的河流大腸桿菌濃度，在評(píng)估滯后時(shí)間上不允許有任何的更高精度。在雨量小于10mm/d的干燥天氣，測(cè)點(diǎn)2的大腸桿菌濃度高于測(cè)點(diǎn)1的濃度，這是由于測(cè)點(diǎn)2所在水體匯進(jìn)了另一個(gè)子流域的水量，該子流域有2個(gè)WWTP排放口。此外，測(cè)點(diǎn)1的實(shí)測(cè)大腸桿菌濃度，同SWAT模型模擬的污染水平相符性較好。由于采樣是每周進(jìn)行一次，因此無(wú)法得到河流污染物的逐日變化。模擬期間未采集到污染峰值，但在1 a研究期內(nèi)的2007年8月14日，實(shí)測(cè)最大濃度為4.78 log10cfu/100mL，相應(yīng)降水量為 24.8 mm(d0)和19.44 mm(d－1)，該值與模擬值一致。最近，檢驗(yàn)了模型再現(xiàn)杜拉斯流域水體中1 a內(nèi)大腸桿菌濃度的潛力，使用頻率分析曲線成功實(shí)現(xiàn)了河流污染物的SWAT模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證。

(1)由于污染物稀釋和衰減，在雨量不大時(shí)，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3的大腸桿菌濃度差值大約為1 log10cfu/100mL，差異較小。在雨量多時(shí)，河口淡水量起的作用大于咸水量，差異相對(duì)較大。此外，對(duì)于每次大量降水，河口測(cè)點(diǎn)3實(shí)測(cè)的最大大腸桿菌濃度出現(xiàn)的時(shí)間在降水之后，降水事件和河口響應(yīng)之間有1 d的滯后。河流的日通量值被引用到MARS模型中，以研究河口水體中污染物的擴(kuò)散。

河口模擬結(jié)果顯示，河流下游大腸桿菌濃度顯著下降。在高潮時(shí)刻，除其上游之外，河口水質(zhì)達(dá)標(biāo)，因?yàn)楦叱睍r(shí)潮流推動(dòng)高質(zhì)量的水體進(jìn)入河流，此時(shí)河口水質(zhì)比低潮時(shí)低一個(gè)數(shù)量級(jí)。然而由于大腸桿菌通量的連續(xù)輸入，低潮時(shí)來(lái)自流域的糞便污染物進(jìn)入河口，并再次污染河口。說(shuō)明潮汐和降水對(duì)河口大腸桿菌濃度變化具有非常重要的作用。

圖4說(shuō)明模擬期間2007年2～7月及2000～2006年相同月份各等級(jí)日降水頻率。

圖4 日降水頻率

模擬期間降水量大于10mm/d的頻率為15.5%，但是2007年降水量相對(duì)較大。事實(shí)上，這樣的水平在2000～2006年僅出現(xiàn)了9.5%。2000～2006年實(shí)測(cè)到晴天占32.7%，而 2007年僅為22.7%。

本文目標(biāo)是評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)厥┓势陂g的降水對(duì)河流污染物的影響(方案2)。本研究中，污染水平超過(guò)極限與降水事件有關(guān)。

根據(jù)浴場(chǎng)大腸桿菌水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(500cfu/100mL)，本研究也計(jì)算了超標(biāo)概率。T檢驗(yàn)顯示，大于10mm/d的降水量對(duì)河流的大腸桿菌濃度有顯著的影響。河口測(cè)點(diǎn)3，5 mm/d降水量影響顯著，這種影響隨著距流域排放口距離的增加而減輕。測(cè)點(diǎn)3計(jì)算了超標(biāo)率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 測(cè)點(diǎn)3各等級(jí)雨量下超標(biāo)率匯總

對(duì)照浴場(chǎng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，大腸桿菌濃度超過(guò)500cfu/100mL的頻率為 7.1%，相應(yīng)降水量為 0～5 mm/d，而降水量在5～10mm/d或晴天，與其沒(méi)有顯著差異;對(duì)于降水量大于10mm/d，大腸桿菌濃度超過(guò)250cfu/100mL和500cfu/100mL的頻率分別為17.9%和21.4%。頻率與降水事件有關(guān)，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

測(cè)點(diǎn)3模擬結(jié)果不達(dá)標(biāo)的有13 d，其中5 d降水大于10mm，由于降水導(dǎo)致土壤過(guò)濾了污染物，另5 d降水量在0.1～5 mm/d范圍內(nèi)。

以上研究結(jié)果表明，2個(gè)關(guān)聯(lián)模型能再現(xiàn)一個(gè)流域與河口系統(tǒng)的大腸桿菌通量，再現(xiàn)降水對(duì)水質(zhì)的影響，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了隨降水和農(nóng)業(yè)活動(dòng)而變化的大腸桿菌日通量對(duì)河口水體的作用。