LOADEST污染物負(fù)荷估算模型在寒區(qū)的適用性研究

蔡云標(biāo)

(新疆哈密水文勘測(cè)局，新疆 哈密 839000)

0 引言

非點(diǎn)源污染的發(fā)生具有隨機(jī)性,排放的途徑及污染物具有不確定性，且其污染負(fù)荷的時(shí)空變化幅度大，是目前影響水體的重要污染源[1]。因此了解非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生過程對(duì)于水質(zhì)和污染物的定量預(yù)報(bào)是至關(guān)重要的。在中國(guó)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種有害氣體的排放及化肥的大量施用，隨著降水的擴(kuò)散必然會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)、水資源和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[2]。非點(diǎn)源污染具有非線性擴(kuò)散特點(diǎn)，水污染亦具有此種污染擴(kuò)散模式，因而其難以量化、監(jiān)測(cè)、防控，逐漸發(fā)展成為水污染首要因素。鑒于發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)革命起步較早，非點(diǎn)源水污染問題由來已遠(yuǎn)，歐美等國(guó)在該方面的研究較為深入，并取得豐富成果。而中國(guó)對(duì)水資源和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量方面的研究和管理相對(duì)比較落后[3]。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)非點(diǎn)源污染已開展了許多研究，馬放等[4]以伊吾河流域作為典型研究區(qū)，采用基于物理過程寫的SWAT模型，并通過情景模擬技術(shù)分別模擬了退耕還林、等高種植、化肥減量與植被過濾帶等非點(diǎn)源污染控制措施及其綜合效果。以非點(diǎn)源污染關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別為基礎(chǔ)，對(duì)流域進(jìn)行分區(qū)管控是實(shí)現(xiàn)非點(diǎn)源污染控制的有效途徑。耿潤(rùn)哲等[5]將GIS技術(shù)、SWAT模型、非參數(shù)檢驗(yàn)和因子分析技術(shù)相結(jié)合，以農(nóng)耕養(yǎng)殖程度較高的貴州紅楓湖上游羊昌河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過對(duì)流域近5年非點(diǎn)源污染負(fù)荷特征進(jìn)行模擬，研究了影響非點(diǎn)源污染流失的關(guān)鍵因素，并在此基礎(chǔ)進(jìn)行污染控制區(qū)劃。李鑄衡等[6]以渾河-太子河流域作為典型研究區(qū)，采用CLUE-S模型和SWAT模型研究了3個(gè)土地利用預(yù)案下非點(diǎn)源污染對(duì)土地利用和景觀格局變化的響應(yīng)。黃志偉等[7]以東江流域作為典型研究區(qū)，并選取不同土地利用類型小區(qū)進(jìn)行野外徑流場(chǎng)試驗(yàn)，研究了自然降雨過程中不同地類常規(guī)污染物與典型重金屬的非點(diǎn)源污染排放特征。漢強(qiáng)等[8]以丹江口庫(kù)區(qū)五龍池小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用輸出系數(shù)模型和地理信息技術(shù)，對(duì)該小流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染進(jìn)行了模擬，并分析了其非點(diǎn)源污染的空間分布特征及主要污染源，以上學(xué)者分別在不同流域?qū)ξ廴疚锏南嚓P(guān)情況進(jìn)行了探討，但針對(duì)寒冷地區(qū)河流污染物的研究很少。目前，國(guó)內(nèi)河流的水文監(jiān)測(cè)多為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè)頻率不高，多為1～4次/月，基于這種有限而離散的數(shù)據(jù)以及連續(xù)的日流量數(shù)據(jù)，進(jìn)行河流污染物負(fù)荷估算成為相關(guān)研究面臨的難題之一。鑒于此，本文采用國(guó)外較常采用的LOADEST模型對(duì)污染物進(jìn)行插值與模擬，研究其在寒區(qū)污染物負(fù)荷估算中的適用性。

1 研究區(qū)概況

伊吾河地處我國(guó)新疆哈密市，發(fā)源于喀爾里克冰川，目前冰川以0.265億m3/a的速度溶化。區(qū)域?qū)儆诤疁貛Т箨懶愿珊禋夂?，水源以由地表水（主要靠天山降雨、降雪）和地下水（天山冰川融化）兩部分補(bǔ)給為主，冬季寒冷干燥，春季多風(fēng)且冷暖多變，夏季高溫少雨，晝夜溫差大，平均日較差為14.8℃，極端最高氣溫43℃，極端最低氣溫-32℃，無霜期平均182天。

2 數(shù)據(jù)來源

通過對(duì)伊吾河四個(gè)匯水口2015年～2016年的總氮、磷瞬時(shí)污染物濃度的監(jiān)測(cè)，并采用LOADEST模型插值后計(jì)算得出月污染物濃度負(fù)荷。匯水口的編號(hào)記為：M1、M2、M3、M4。

3 基于LOADEST模型的染物負(fù)荷回歸方程

LOADEST模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，依圖可知其包含輸入輸出兩大模塊，各模塊均由控制文件、源文件、校準(zhǔn)文件、估算文件組成。

圖1 LOADEST統(tǒng)計(jì)模型基本組成

研究區(qū)污染物濃度的監(jiān)測(cè)值為每月檢測(cè)1～2次的瞬時(shí)污染物濃度。要得到月污染物濃度，必須先建立瞬時(shí)污染物濃度、日流量和月污染物濃度的回歸方程?；貧w方程的建立不僅可以得到已有污染物濃度的研究周期，也可以預(yù)測(cè)濃度，得到缺失測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間周期。本文采用LOADEST水質(zhì)模型進(jìn)行污染物濃度的回歸方程的建立，LOADEST水質(zhì)模型進(jìn)行污染物負(fù)荷估算原理如下[9]：

以日流量與水質(zhì)數(shù)據(jù)作為輸入變量建立LOADEST模型，通過建立回歸模型對(duì)污染物負(fù)荷進(jìn)行有效估算，其估算公式一般形式如下:

式中，a0、aj為方程系數(shù)；Xj為自變量；NV為自變量個(gè)數(shù)。

鑒于污染物的擴(kuò)散形式不同以及污染物負(fù)荷對(duì)河流動(dòng)力的自適應(yīng)能力存在差異，LOADEST模型中為用戶提供了多達(dá)11種的回歸模型，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)離散數(shù)據(jù)與斷面流量經(jīng)Tobit回歸處理，應(yīng)用AIS和SPCC準(zhǔn)則予以優(yōu)化，得出95%置信區(qū)間的評(píng)價(jià)負(fù)荷估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差。該過程中核心工作為模型優(yōu)化，AIS和SPCC優(yōu)化函式如下：

表1 月污染物負(fù)荷通量回歸方程

4 針對(duì)TN和TP污染物污染物負(fù)荷回歸方程的檢驗(yàn)

基于最大負(fù)荷統(tǒng)計(jì)模型的污染物負(fù)荷估計(jì)給出了不同的TN和TP污染物性質(zhì)的回歸方程。所建立的污染物負(fù)荷回歸方程組進(jìn)行了最大負(fù)荷統(tǒng)計(jì)模型的檢驗(yàn)。測(cè)試參數(shù)包括回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2、統(tǒng)計(jì)意義的顯著水平P值、殘余PPCC值和殘余序相關(guān)系數(shù)SCR值。得到的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 污染物負(fù)荷回歸方程檢驗(yàn)結(jié)果

決定系數(shù)R2的大小表征了回歸模型的擬合程度，其值介于0～1之間，愈接近于1，則說明回歸模型擬合程度高，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的殘差愈小。LOADEST模型中，一般人為R2＞0.8，表明該污染符合估算模型具有良好的可靠性，模型置信度達(dá)到顯著水平(P＜0.05)；而R2＞0.9，則表示該估算模型擬合度達(dá)到極顯著水平 (P＜0.01)，能夠較好地反映水污染負(fù)荷。殘差PPCC的大小為其分布特性的度量，PPSS＞0.9則說明殘差服從正態(tài)分布，亦反映該估算效果具有科學(xué)性。如表2所示，4個(gè)匯水口處污染物負(fù)荷回歸方程決定系數(shù)在80.98%～89.66%之間，表明該模型擬合效果較好，能夠準(zhǔn)確反映污染物擴(kuò)散模式，并且其漸進(jìn)統(tǒng)計(jì)性雙尾檢測(cè)均小于0.05的水平，具有統(tǒng)計(jì)意義。殘差除了第三斷面的TP負(fù)荷回歸方程＜0.9，其余均大于0.9的水平，綜合而言該預(yù)測(cè)模型的殘差服從整體分布特征。SCR為殘差序列相關(guān)性的表征，該結(jié)果顯示，各序列相關(guān)系數(shù)SCR值在-0.0159和0.0147之間，尚不具備統(tǒng)計(jì)顯著性，表明其不存在序列相關(guān)性。由于污染物的化學(xué)性質(zhì)及其對(duì)水環(huán)境的適應(yīng)性存在差異，LOADEST統(tǒng)計(jì)模型能夠基于變量之間的非線性關(guān)系進(jìn)行擬合與模型優(yōu)化，進(jìn)而對(duì)區(qū)域污染負(fù)荷進(jìn)行估算，該研究顯示LOADEST模型優(yōu)選出的各污染物負(fù)荷回歸方程擬合度較高，結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

污染物在河流這個(gè)生態(tài)通徑上呈非點(diǎn)源擴(kuò)散，是水污染的重要因素之一，應(yīng)用LOADEST水質(zhì)模型估算污染物輸移負(fù)荷為水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供信息基礎(chǔ)。以伊吾河流域匯水?dāng)嗝?015年～2016年離散水質(zhì)數(shù)據(jù)與日流量連續(xù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用LOADEST模型建立TN、TP等污染物負(fù)荷回歸方程，并依據(jù)AIC和SPCC準(zhǔn)則對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化、檢驗(yàn)，模擬伊吾河流域污染物通量，研究結(jié)果顯示回歸方程具有良好的精度與有效性，能科學(xué)反映區(qū)域污染物負(fù)荷水平,有一定的應(yīng)用價(jià)值。