基于负荷历时曲线法的流域污染负荷特征解析与纳污能力研究——以沙河流域为例

以位于天津的沙河流域为研究对象,以水污染防治攻坚目标作为水质目标(地表水环境质量Ⅲ类),基于沙河桥监测断面2006~2018年水文水质数据,利用负荷历时曲线法(Load Duration Curve)分析不同水文条件下的污染负荷输出特征,分析点源与面源污染对水质的影响,并核算沙河流域总磷、总氮和COD的环境容量与负荷削减量.研究结果表明:沙河桥断面汛期总磷、总氮和COD最大日负荷量均值大于非汛期,有较强的纳污能力;总磷、总氮各月份浓度均超过地表Ⅲ类水标准,COD未超过Ⅲ类水标准.在地表水环境质量Ⅲ类的目标下,沙河桥断面总磷在低流量区未超过水环境容量,在高流量区、中高流量区、中流量区、中低流量区均超过水环境容量,需要削减的负荷分别为0.086、0.011、0.014、0.001t/d;总氮在各流量水平下均超标,高流量区、中高流量区、中流量区、中低流量区、低流量区削减量分别为11.811、4.386、2.327、0.466、0.008t/d;COD在各流量水平下均未超标,无需削减;流量保证率在大于75%区间为中低流量区,水质主要受点源负荷的影响,沙河桥断面在这一流量区间基本满足允许负荷要求,说明沙河流域点源影响较小;流量保证率在小于75%区间为面源污染发生的中高流量区,氮磷现状污染负荷均超过允许污染负荷,需要进行污染负荷削减以满足水质目标,也表明氮磷面源污染对沙河流域水质影响较大.本研究可为基于实测水文水质数据的污染负荷输出特征分析和不同水文条件下流域纳污能力核算提供一定的参考和借鉴.

历时曲线法在TMDL计划中的应用

联系美国的TMDL计划，系统介绍了历时曲线法内容及其在TMDL计划中的具体应用，分析了历时曲线法的优缺点，指出历时曲线法是一种非常有用的水质管理工具，可以代替水质模型应用到水环境管理工作中。也可以与水质模型联用，适用于我国水环境总量控制工作。

基于负荷历时曲线法的长江经济带洈水水库纳污能力研究

本文依据沙溪坪水文站2010—2020年水文与水质数据,应用负荷历时曲线法(LDC)计算洈水水库对TP、NH3-N和CODMn的纳污能力,并分析了纳污能力的变化特征。结果表明,洈水水库纳污能力季节变化明显,纳污量为夏季>秋季>春季>冬季;根据超标率的计算,TP为主要超标污染物,2010—2020年超标年份占比为73%,超标月份占比为91%;NH3-N与CODMn剩余负荷均为正数无须削减;TP没有剩余负荷,需要严格控制,在高流量期、丰水期、平水期、枯水期和低流量期TP的削减量分别为77.93kg/d、22.51kg/d、9.53kg/d、1.59kg/d、1.36kg/d。研究结果可为洈水水库流域水环境治理提供参考。

东南沿海残积土地区降雨诱发型滑坡预报雨强-历时曲线的影响因素分析

东南沿海山地丘陵地区每年雨季期间有大量土质滑坡发生,如何对由降雨诱发的滑坡进行预报一直都是一个热点研究课题,雨强-历时曲线(简称I-D曲线)是目前国内外常用的降雨型滑坡预报的降雨量临界值曲线。针对东南沿海地区的浅层残积土滑坡,根据相关勘察数据及资料,概化得到了该类型边坡的地质剖面及岩土层性质,然后应用Geo-Studio软件分析了边坡初始湿润条件、土体抗剪强度、饱和渗透系数、边坡坡角、残坡积土层厚度及雨型等参数对I-D曲线的影响规律。分析结果表明:残坡积土抗剪强度参数、饱和渗透系数、边坡坡角、雨型等因素对I-D曲线的影响显著,边坡安全系数降至临界值所需降雨历时随抗剪强度参数值降低、表层残积土渗透系数增加或坡角增大而减少;当雨强较小时,初始湿润条件对I-D曲线的影响显著;当雨强大于残坡积土层饱和渗透系数时,入渗量主要由渗透系数控制,边坡安全系数降至临界值所需降雨历时不随雨强增大而变化。该研究结果为I-D曲线在东南沿海残积土地区降雨诱发滑坡预警预报中的应用奠定了基础。

永定河官厅山峡河道内最小生态需水量的历时曲线法

随着永定河下游河道内径流的逐年减少,永定河生态需水研究逐渐成为一个迫切的问题。现针对永定河官厅山峡段河道内生态需水,采用流量历时曲线法分析其流量历时情况,计算得到永定河官厅水库(坝下)站和雁翅站的河道内最小生态需水量为1.06亿m3和1.98亿m3,分别占年径流量的11.3%和26.3%。同时采用Tennant法对计算结果进行比较验证,两种方法得到的结果比较相近。在此基础上,根据研究河段的历史流量历时情况对最小生态需水量进行年内分配计算,将最小生态需水量从年尺度降到月尺度,得到年内各月的最小生态需水量,为永定河流域的水资源优化配置研究提供参考。

负荷历时曲线在流域水质特征分析中的应用

介绍了负荷历时曲线(LDC)的概念和建立方法,以及针对不同水质标准时,LDC应用于水质评价、关键水质条件和主要污染机制判断、现状及允许负荷通量估算等问题的分析。结合国外已有案例,并以洱海弥苴河流域作为典型研究区域,分别探讨了不同水质限制要求下,运用LDC具体分析和解决各类水质问题的方法。结果表明,LDC包含众多水质特征信息,可以在较少数据信息条件下,合理分析各类水环境问题,从而为流域水环境管理提供可靠决策依据。

负荷历时曲线法在东辽河流域最大日负荷量中的应用

根据东辽河王奔水文站2000～2009年的水文、水质数据,构建了主要污染物氨氮和化学需氧量负荷历时曲线,计算了东辽河流域氨氮和化学需氧量的最大日负荷量,分析了各污染物最大日负荷的年内变化特征及各类污染源的贡献。结果表明,在25%、50%、75%和90%的保证率下,负荷历时曲线法计算得到的氨氮最大日负荷分别为368.9、153.8、31.8、0.35kg/d,化学需氧量最大日负荷分别为7 378.6、3 058.6、635.9、6.91kg/d;东辽河在6～9月的丰水期具有较高的纳污能力,1、2月纳污能力最弱;污染物的超标点主要集中于保证率10%～70%之间,削减目标主要为非点源。

随机流量历时曲线及其在生态流量计算中的应用

河流生态流量是生态水文研究的重要部分,其相关理论和计算方法一直是当前国内外学者研究的热点。尝试基于随机流量历时曲线计算河流系统的生态流量,给出了维持河流生态系统健康各等级流量的历时或频率,并进而估算生态需水,为流域水资源的合理配置提供参考。以松花江干流8个断面为例,研究结果表明,在随机流量历时曲线上基于Q97,10估算得到的最小生态需水量与7Q10法所得到的需水量数值接近且相关性好,而基于保证率P=75%的随机流量历时曲线可求得河道的适宜生态需水量。研究区内嫩江流域大赉断面以上河段最小生态需水量、适宜生态需水量分别为4.6亿m3和99.1亿m3,约占总水资源量的2.6%和56.2%;松花江下游佳木斯控制断面以上河道最小生态需水量、适宜生态需水量分别为79.1亿m3和388.9亿m3,约占总水资源量的13.4%和65.7%。

利用区域流量历时曲线模拟东江流域无资料地区的日径流过程

根据流量值与流域空间特征值之间的相关关系来构建区域化流量历时曲线,以流量历时曲线取代常规的流量过程作为流域降雨径流模型参数优化的目标函数,分析该方法的可行性与模拟精度。由东江流域中的11个子流域所组成的研究区域能得到精度良好的区域化流量历时曲线,以TOPMODEL模型作为流域降雨径流模型,用区域化流量历时曲线作为优化目标函数,验证流域星丰和岳城的计算结果表明该方法是可行的,能得到较为满意的模拟精度,可以将该方法应用于广大的无资料地区推求日径流过程。

基于水位历时曲线的城镇化对区域水文过程影响分析——以太湖流域河网水位变化为例

以太湖流域为例,采用水位历时曲线(LDC)的方法,探讨以城镇化为代表的下垫面变化条件下区域河网水位的变化规律。从各年代LDC曲线分析结果来看,20世纪80,90年代是其坡度较高的年代。进一步将研究时间段分为50—70年代和1980—2006年,并选择其中平水年进行分析。结果表明,各站点1980—2006年的LDC曲线坡度均大于50—70年代,且后者的LDC曲线均位于前者上部。同时,2个时段的水位变化量在高水位端更显著,而在低水位端变化量最小。研究区降水量与代表站点水位的趋势分析表明,平均水位的显著上升与降水变化趋势不一致。分析认为,上述结果主要是由于城镇化的影响,即下垫面条件变化造成水位历时曲线坡度增加,水位变化对降水的响应速度加快,且高水位的上升更显著。

基于改进区域化流量历时曲线的无资料地区径流模拟

台湾成功大学游保杉教授等人创造性地采用区域化流量历时曲线率定法,利用所推求的区域化流量历时曲线作为水文模型的拟合目标,率定无资料地区的参数,实现了无资料地区径流模拟。作为该法应用的关键,区域化流量历时曲线精度直接关系到模型率定的精度。研究通过趋势拟合对推求的流量历时曲线在形态上进行校正且利用量级调整对曲线的量级大小进一步进行调整,逐步改进区域化流量历时曲线。以此,提高了区域化流量历时曲线率定法的精度,较好地实现了无资料地区日径流过程模拟。

流量历时曲线转移法在河流生态环境需水量计算中的应用

对于生态资料缺乏的河流可用水文学法计算其生态环境需水量,然而有关水文学法的研究主要集中在河流生态环境需水量总量的计算上,对河流生态环境需水量的分配计算不够深入且计算中都没有考虑河流的环境管理级别。为了解决这一问题,采用流量历时曲线转移法(FDCSM)对辽河干流铁岭站处不同环境管理级别下的生态环境需水量进行年内分配计算,并用Tennant法对FDCSM法的计算结果进行评价。结果表明:应用FDCSM法计算得到辽河干流铁岭站处六个不同环境管理级别(A、B、C、D、E、F)下河流的逐月生态环境流量,合计得到生态环境需水量,需水量由大到小分别为17.08×108m3·a-1、10.54×108m3·a-1、6.87×108m3·a-1(适宜)、4.50×108m3·a-1(最小)、2.89×108m3·a-1、1.83×108m3·a-1。Tennant法评价结果表明:FDCSM法与Tennant法对铁岭站河流生态环境需水量计算结果一致,证明该法可用于北方季节性河流的生态环境需水量计算。

基于负荷历时曲线法的东苕溪纳污能力研究

根据东苕溪流域2011—2014年水文数据,以氨氮为控制指标,利用负荷历时曲线法计算流域内4个站点对应控制断面的氨氮纳污能力,解析流域内纳污能力的时空变化规律,并结合实测水质数据探究区域水体的实际受纳污染负荷,得到剩余纳污量。结果表明,流域纳污能力年度变化较大,高纳污能力主要集中在6—9月与3月,其中夏季最大,冬季最小,丰水期流域水体纳污能力分别是平水期的1.7倍、枯水期的2.4倍。从空间分布上看,下游区域纳污能力相对大于上游区域,特别是在枯水区,下游纳污能力是上游的4.8倍。根据污染排放现状计算剩余纳污量,结果显示:除洛舍闸站点外,其他站点剩余纳污量均表现为高流量区>丰水区>中流量区>枯水区>低流量区;洛舍闸站点受非点源污染排放影响,高流量区、丰水区反而表现出低的剩余纳污量。综上所述,利用负荷历时曲线能有效开展水体纳污能力计算与分析,可为流域水污染容量总量控制提供依据。

基于负荷历时曲线法的永定河流域河北段磷纳污能力研究

以永定河流域2002—2016年水文数据为依据,利用负荷历时曲线(LDC)法计算永定河流域河北段老鸦庄、左卫、石匣里、响水堡和八号桥5个断面的总磷(TP)纳污能力,并分析纳污能力的时空变化;结合2010—2016年水质监测数据,计算各断面水体TP现状负荷,分析其主要污染源类型与污染负荷应削减量。结果表明:永定河流域河北段水体TP纳污能力时空差异较大,下游纳污能力大于上游;5个断面不同月份、季节的TP允许负荷波动较大,强纳污能力主要集中在7月、10—11月,而1—2月纳污能力较弱;永定河流域河北段主要受非点源污染排放的影响,除老鸦庄断面在丰水区和中流量区TP负荷无需削减外,其他4个断面在丰水区、中流量区和枯水区均需进行不同程度的削减。永定河流域河北段水体TP现状负荷已超过允许负荷,需要制定不同时间尺度的总量控制目标与方案。

负荷历时曲线法在清潩河流域水质目标管理中的应用

负荷历时曲线法是集水质变化和污染负荷于一体的独特方法,对流域水质管理对策的提出有重要作用。结合清潩河流域2012-2015年的水文、水质数据,以水污染防治攻坚目标和清洁河流2级标准目标作为设计水质目标,绘制COD和氨氮的负荷历时曲线,建立水体流量-水质-污染负荷的响应关系。结果表明:高村桥和陶城闸断面最大日负荷量季节性差异显著。在水污染防治攻坚水质目标下,高村桥断面COD严重超标,高、中流量区削减量分别为5.47、0.45t/d,低流量区无需削减,氨氮基本不超标,不需要削减;陶城闸断面COD和氨氮基本不超标,无需削减。在清洁河流2级标准水质目标下,高村桥断面COD全部超标,高、中、低流量区削减量分别为17.85、5.10、1.60 t/d,氨氮严重超标,削减量为0.52、0.27、0.07 t/d;陶城闸断面COD严重超标,削减量分别为2.21、0.81、0.32 t/d,氨氮基本不超标,高流量区削减量为0.25 t/d,中、低流量区不需要削减。该研究可为流域不同水文条件下水质达标管理提供一定的参考和借鉴。

基于熵理论流量历时曲线的生态流量变化分析--以1961-2012年黄河流域径流为例

对黄河流域流量和生态流量进行研究,可为黄河流域的水资源科学管理和可持续发展提供科学依据和理论基础。基于黄河流域10个主要水文站的流量观测数据(1961~2012年),利用基于经验的流量历时曲线和基于熵理论的流量历时曲线对径流变化进行了系统分析,进一步估算了生态流量的变化。结果表明:①52 a间黄河流域年径流呈下降趋势。②与基于经验的流量历时曲线相比,基于熵理论的流量历时曲线具有灵活性和一定的统计基础,能够较好地呈现该流域的流量历时及频率变化,进而估算生态流量。③20世纪90年代之后,黄河流域各水文站点生态流量呈现总体减少的趋势,该趋势会在一定程度导致各水文站地区生态环境的恶化,影响流域的生态功能。

基于负荷历时曲线估算新疆河流泥沙通量的方法

目前,准确估算河流泥沙通量是实施河流泥沙总量控制的前提。以新疆北疆河流1980年的含沙量资料为基础,基于负荷历时曲线方法计算泥沙通量,分析泥沙通量的年际变化及其影响因素,探讨基于负荷历时曲线通量估算的不确定性、适用性。得出基于负荷历时曲线的通量估算方法能较准确估算新疆河流泥沙通量,可为新疆河流泥沙通量的研究提供新思路,为泥沙防治工作提供理论依据,具有一定的学术意义和应用价值。

金沙江下游梯级水库运行后水文情势变化分析—基于流量历时曲线的生态流量指标

为评价金沙江梯级水库联合调度对下游的影响,以屏山水文站1951~2011年的实测逐日流量序列为基础,通过梯级水库联合调度运行模拟得到模拟调度逐日流量数据,采用基于流量历时曲线的生态流量指标法(eco-flow metrics)对比调度前后水文情势变化特征,分析金沙江梯级水库联合调度在长系列、丰平枯典型年以及自然四季中对生态水文过程的影响。同时对比通过变动范围法(Range of Variability Approach, RVA)分析水文情势得到的结果,讨论生态流量指标法的适用性。结果表明,金沙江梯级水库运行会对水库下游水文情势的产生较为显著的影响,主要体现在低流量以及枯水期的变化之上;生态流量指标和RVA在水文情势分析结果上具有一定的相似性,两者结合一起可以更好地分析水文情势的变化。

缺资料小流域污染负荷历时曲线建立方法探讨

制定污染物负荷历时曲线(LDC)是实现水域纳污能力的动态管理和落实逐日最大污染负荷通量(TMDL)控制的关键。但对小流域来说,实测径流数据的缺乏使流量历时曲线(FDC)的建立变得非常困难。针对我国中小流域水文观测站点稀少,观测资料缺乏程度不同,提出了径流系列法、径流系列延长法、水文模型模拟生成法、相似流域法、径流深法等5种构建LDC的方法,并改进了相似流域法在应用过程中可能遇到的问题。为验证5种方法的适用性,以资料缺乏的岷江支流思蒙河流域为例,分别探讨了5种方法的可行性和计算结果的合理性。结果表明,5种方法基本可行,计算结果能满足中小流域污染物的动态管理和实施TMDL控制的需求。

无资料地区不同时间尺度下流量历时曲线推演及其规律分析

为发展流域水文相似与分类理论,提高无资料地区的水文预测水平,以渭河流域支流8个代表性水文站为研究对象,利用建模FDC参数比较(M-FDC-P)方法进行日径流序列模拟,通过均方根误差(RMSE)、纳什效率系数(NSE)确定最佳模型和模型的最优参数,分析不同时间尺度下经验流量历时曲线(FDC)的模型参数之间的相关关系。主要研究结果如下:①不同时间尺度下经验FDC随着时间尺度变大而趋于平坦,且当时间尺度在1 d到30 d时,经验FDC非常相似,当时间尺度大于90 d时,经验FDC会出现明显的差异;②基于RMSE和NSE量化值,当时间尺度在1 d到30 d时,Gamma分布拟合效果最好,其次是对数正态分布,最差的是指数分布,因此本文选择Gamma分布作为日径流模拟的最优概率分布;③Gamma分布的三个参数在1~30 d不同时间尺度上具有明显的相关性,且随着时间尺度的增大,相关性逐渐变差,其中参数c的相关性最好,参数a和b的相关性较弱。结果表明,采用特定概率分布进行大时间尺度FDC建模时,可以通过流量分布的内在联系得到日径流过程,用于估计无资料地区的日径流过程。研究成果可为无实测数据区域的水利工程规划提供参考,特别是渭河流域。