J.Lake Sdg湖泊科学)，2021,33(2)：439-448
DOI10.18307/2021.0210
©2021by Journal g Lake Sciences
为例！
庞琰瑾，袁增伟!！
(南京大学环境学院污染控制与资源化研究国家重点实验室#南京210023) 摘要：如何精细量化降雨径流污染负荷是流域尺度实现面源精准治污全过程控制的重要前提•本研究以水污染较为严重的望虞河西岸综合示范区为例，通过开展不同土地利用类型的降雨观测实验，修正SCS-PN模型中的初损率#并基于土地利用类型遥感解译和降雨径流污染物浓度测定#精细刻画降雨径流中总磷！TP)、总氮(TN)、氨氮(NH-N)、化学需氧量！COD)4类主要污染物的时空分布格局.结果表明：研究区绿地和农田、硬质地表的降雨初损率分别为0.3和0.9；径流深、污染负荷与降雨深之间存在显著的正相关性•随着降雨量逐年递减#研究区降雨径流中TP、TN、NH3-N、COD四类污染物的负荷量分别从201 7年的190、1359、445和16041t减少至2019年的118、949、314和11250-；单位面积TN和COD负荷最高的用地类型是农村住宅用地，草地的四种污染物单位面积负荷均最低#林地次之•相关研究结果为望虞河流域水污染控制提供了基础数据#也为定量测算平原河网区面源污染负荷提供了方法参考.
关键词：SCS-PN模型；降雨径流&面源污染；污染负荷；流域治理&用地类型；望虞河&太流流域
Quantification of pollutants in rainfall-runof f in plain areas with dense river networks:A case stady in the Westarn Bank of Wangyu River,Taitu Basin!
Pang Yanjin&Yuan Zengwei!!
www.902007
(State Lab of Pollution Control and Resources Reuse,School of the Environment,Nanjing University,Nanjing210023,P.R. China)
AbsWacf:Quantifying the pOlutant loads in rainfall-oinO O plays a critical ole in non-point water pOlution conOol at the watershed level.In this study,rainOll-runO O experiments were conducted on various land use types in the western bank area of Wangyu River t localize the initial abstraction ratio in tUe SCS-CN model.Then,by incorporating the remote sensing interpretation of land use types and the measurement of pOlutant concentration in the rainfall-runOO,this study explored the te
mporal and spatial patterns of Our kinds of pOlutants,namely total phosphorus(TP),total nitrogen(TN),ammonia nitrogen(NH3-N)and chemical oxygen demand(COD).The results indicate that the recommended initial abstraction ratios Or grassland/OresOfarmland and impeoious surface in the study area are0.3and0.9,respectively.Besides,the rainfall-oinO O depths and pOlutant loads are found t be significantly and posibvely cooelatd with the rainfall depths.Along with the decrease of annual rainfall in this revion,the annual amount of TP,TN,NH3-N and COD loads in rainfaC-runff have reduced from190,1359,445and16041-in2017to118,949, 314and11250-in2019,respectively.Rural resident land,among all Oe land use types,has the highest TN and COD loads per area,while grassland and forest rank the bottom.This study provihes precise information about pOlutants in rainOll-runOO to facilitate Oe development of water pOlution control sWaWvies in Wangyu River watershed and can be used as a memodological reOrence Or future quantification of non-point source pOlution practices in plain areas wiO dense river networks.
Keywords：SCS-CN model;rainfali-runO O；non-point source pOlution&pOlutant load&basin management&land use type&Wan-gyu River；Taihu Basin
*2020-05-12收稿&2020-07-05收修改稿.
国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07204001)和国家自然科学基金项目(41871214,41801212)联合资.
**通信作者；E-mail：**************.
440J.Lakc SC"湖泊科学)，2021,33(2)
伴随我国城镇化和工业化的快速推进，不透水地面和大气污染物沉降量快速增加，这不仅加剧了城市内涝［1］，而且造成降雨径流污染负荷激增.有学者指出，在城市化程度较高的地区，若不重视面源污染控制尤其是降雨径流污染，即使点源污染得到全面控制，受纳水体的水质仍无法得到明显改善+ 2洪I在“河长制”先行的区域，污染治理全面推行精准化，逐渐实现从粗放治理向精准治污转变I而精细量化降雨径流污染负荷是流域尺度实现面源精准治污全过程控制的重要前提I
传统的降雨径流污染负荷测算往往采用输出系数法，输出系数指单位时间单位面积负荷量，常采用多年平均值，这种方法虽然简便，但未能充分考虑污染负荷产生的时空异质性［4"5］I随着对降雨径流污染研究的精度要求不断提高，各水文模型被广泛应用于降雨径流污染研究中3」，如SWMM、SWAT、AnnAGNPS等模型.但这些模型涉及参数过多、资料不易获取且计算过程复杂卩⑷I
SCS-CN（soil conservation service-curve number）是被广泛应用于降雨径流污染研究的经验水文模
型之［11-13］I该方法基于土壤的前期湿度条件！AMC）%土壤类型和土地利用类型特征综合确定了CN取值（变化在0~100之间），并通过经验公式进一步推算出土壤的最大可能入渗量！S）I最后，基于降雨量（P）、初损值（I o）和最大可能入渗量!S）之间的数学关系，即可计算得到降雨径流深（Q）I一般情况下，根据降雨事件前5天的累积降雨量＞5，将AMC划分为3种等级，即干旱条件（AMC I）CN1、一般条件（AMC（）CN2和湿润条件（AMC&）CN3.该模型具有计算过程简单、所需参数少、操作简便、资料易于获取等特点，适用于资料缺乏且下垫面复杂的地区［14］I
然而，早期的SCStN方法没有明确区分前期湿度条件且AMC分级方式会造成初损值突变I针对这些问题，学者们相继提出了AMC的定量化修正方法，如Mishra等对前期土壤湿度做了定量化修正，构建了Mi-shm-Singh!MS）模型［15］;Geetha等将AMC修正方法与前期湿度含量（AMA）修正方法进行了对比［16］i4等利用修正后的MS模型测算了沈阳市2015年不同用地类型的降雨径流深［17］.另外，SCStN方法将初损值（Io）与最大可能入渗量!S）的比值定义为初损率（％），通常取标准值02，但该取值未考虑其与研究区地理和气候因素的相关性［18］，因此，邓景成等+19如分别对我国黄土区和三峡地区的降雨径流初损率做了本地化率定.总体来看，前期基于SCS-CN模型的降雨径流研究多是为了预测城市雨洪，只关注了地表径流量，并未关注径流造成的水污染物迁移传输，但这些改进和修正模型为提高地表径流量的计算精度提供了有力支持［21］，也为精准测算降雨径流污染负荷提供了方法保障a
望虞河西岸综合示范区位于太湖流域，是正在经历快速城市化的地区，又是“引江济太”工程的清水廊道流经区.该地区水污染较为严重，其水环境治理对于保障太湖水质具有重要意义.因此，本研究通过在研究区内开展不同土地利用类型的降雨观测实验，修正SCS-CN模型中的初损率，并基于土地利用类型遥感解译和降雨径流污染物浓度测定，精细刻画望虞河西岸河网区的降雨径流污染负荷时空分布格局a研究结果为流域面源污染负荷测算和水污染防治方案制定提供了更为详细具体的决策支撑a
1数据与方法
2研究区概况
音译汉研究区（图1）隶属于江苏省无锡市，属亚热带季风气候，降水丰沛，年降水量在1100mm左右［22］a研究区占地面积486km2，位于望虞河西岸南部，以新吴区和锡山区为主，另有约8%面积属于梁溪区.新吴区是高新产业和现代工业区，锡山区是工农业共同发展的城村复合区，梁溪区为现代商住区a
12污染负荷测算
1.2.1降雨径流深测算降雨径流深采用SCS-CN模型进行计算+23」，模型假设降雨实际入渗量与其潜在最大入渗量之比等于降雨径流深与潜在最大径流深之比.其模拟方程为：
Q=＞＞（%/%）S（%'S，否则Q=0）（1）
式中,Q为降雨径流深（mm）;P为降雨量（mm）；S为最大可能入渗量（mm）；%为初损率，是初损值I与S 的比值，无量纲.在硬质地表上，由于水分蒸发很快，土壤的前期湿度条件这一因素对径流产生的影响不明显，因此降雨径流深通过公式（1）计算a然而，对于绿地和农田这两种下垫面类型，本研究采用对前期土壤湿
—以太湖流域望虞河西岸为例441庞琰瑾等：平原河网区降雨径流污染负荷测算—
图1研究区内主要水系及行政区划
Fig.1Main rives systems and administrative division of Ue study area
度做了定量化修正的MisheDbgh（MS）模型+15：，引入M参数，降雨径流深通过公式（3）计算.
M-0.5：—(1+%)S+槡(1-入))S2+4>•S]
(P+C)(P-C+M)宜万
P-Io+M+S
式中,>为降雨事件前5d的累积降雨量，用来表征前期土壤湿度.
1.2.2研究区产生的降雨径流，可由“径流深”、“污染物浓度”与“土地利用类型面积”这3空间化图层数据在AeGIS软中用栅格加获得，即：
式中，W为降雨径流第j类污染物总负荷;Q，为第，种土地利用类型的降雨径流深，采用本地化修正后的SCS-PN模型；@为第，种土地利用类型上第丿弓的，采用间隔采样的数获得降雨事EMC；S i为第i种土地利用类型面积，通过感获得；n为流域内土地利用类型数.
13数据收集与处理
1.3.1型解译土地利用类型划分参考《土地利用现状分类》国家标准（GB/T21010—2019），研究区的土地利用类型分为不透水地表、透水地表两大类，具体包含9种，即商服用地、工矿仓储用地、城用地、农村用地、道路、林地、农田、草地、未利用地•选取2017的Lands-8卫星影像图和GeoEye-1高辨率商业遥感影像图作为遥感数据源，用ENVI5.2软感•到的土地利用类型图人工目整，最到5mx5m高分辨率的土地利用类型图（图2）•结果显示，农田在地利用类型中占比最大，其是林地，城镇居民用地、工矿用地、商服用地和道质地表约占总面积的40%.C政区，区40%的面积为城用地，而山区50%以上的面积为农田和林地，新吴区农田、林地、工矿用地分别占该区总面积的20%左右•考虑到透水和不透水两大下垫面类型在产流原理和产流上有较大差异，同时植被类型和人类活动（）也影响产流特，因此，本研究在研究产流时将土地利用类型划分为绿地（包括草地和林地）、田、硬质地面（包括商服用地、工矿用地、城用地、农村用地、道和未利用地）3类；在研究产时，10种不同的土地利用类型（道为城市道路和农村道路，两者在遥感时区分，时按城镇和农村的加权处理）•
1.3.2日降雨量本研究研究区内10个降雨观测站的日降雨量数据，涵盖了2017年1月1日至2019年12月31日，并用边形插值的空间插值（图3）•
442J.Lake Sd.湖泊科学),2021,33(2)各用地类型
及其面积占比
—农田21%
■林地20%
■工矿仓储用地14%
■草地9%
■道路8%
■水域7%
■农村居民用地2%
■未利用地1%
2km
■商服用地1%
图22017年研究区土地利用类型
Fig.2Land use type of the study area in2017
八.黄巷灵
无锡站
•安镇街道站
\/\
&街道站、/
\只
江溪街道站
说出你的故事2011
eW道口/…丿
•降雨站•」潭湖站
•天然降雨观测点位
模拟降雨实验点位新安街這站鸿山街道站1\/
11降雨站的泰森多边形\T•
研究区行政边界
03km
图3降雨径流实验空间点位分布及降雨站的泰森多边形分布
Fig.3SpaCat distribution of monitoring points conducting rainfall runOO experiments&
Tyson polyyon distribution of rainfall observation stations
l.3.3初损率修正为实现初损率入的本地化修正，本研究于2018年7月22日至2019年11月30日分别开展
了3然观测实验和9拟实验，测定3种下垫面类型的降雨初损值•其中，模拟实验采用NLJY-10型便人拟系统，模拟大、中、小3种强度的(小产流)，径流场长2.5 m、宽2m、高3m，其自带雨量感置，输每20s的强度实验点位的空间图3所示•不同下垫面类型的损值见表1•通过与手册值，同时到研究区全中雨为主，因此采用模拟实验中下的初损值的参数本地化修正•在础上，本研究对3类下垫面的初损率从0做长为0.05的代，并将初损率和实测的初损值代入SCS-CN模型，应的径流深•由径流深除以降雨量径流系数，并与《室外排水规范》(GB50014—2006)给
庞琰瑾等：平原河网区降雨径e i 染负荷测算——以太湖流域望虞河西岸为例443出的参考径流系数、文献中的径流系数+
25如进行对比，从而推定可靠性较高的初损率取值a 表1不同下垫面类型的降雨初损值
Tab.* Inibal abstraction values ot dWferent underlying suCaces
下垫面
类型拟 获取的损值/mm 然 获取的损值/mm 手册值/mm 中雨大
中大地1726/1722*16.69
1.30 4.05/3.0014.33/13.50农田18.8116.17
硒蛋白
— 2.10 6.28质
3.59—0.35/040/020/040/140/029/0.30/0.30/045/0.10/227/3.82地表 1.15/029/028/022/0430.15/2.30!不同AMC 分级条件下，对绿地开展模拟降雨实验测定的初损值相差不大，若采用AMC 分级方式会造成初损值突变而 带
144污染物浓度测定 在降雨径流观测实验中，同时采集径流样品测定其中的污染物浓度.具体步骤是：
地利用类型的观测点，自产流起前半小时每间隔5 min 采集一次样品，后半小时每15 min 采集一次 样品.采样完 ，将 采样点 到的8~9瓶样 24 h 内 至实验室 .COD 、总磷！ TP )、总氮(TN )、 (NHC ) 4种 的
超级兔子2008
别采用最新国标 ，即重 (HJ 828 —2017)、V 酸钱分光光 (GB/T 11893—1989)、 过硫 紫 光光
(HJ 535 —2009)和纳氏试剂分光光 (HJ 535 2009).各土地利用类型上的EMC 取值与
值+25洪5，的 图4所示.o 梁溪®锡山新吴.文献值
图4四种污染物EMC 与文献值对比
Fig.4 Comparison of EMC of four poCutants and literature values
2结果与讨论22地表径流深
研究表明，研究区域绿地和农田的初损率值为02，硬质地表的初损率值为0.9a 这一参数修正结果对于
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