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| FASE 亮文解读：完善降雨径流污染模拟的物理机制 |
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论文标题：ENHANCING RAINFALL-RUNOFF POLLUTION MODELING BY INCORPORATION OF NEGLECTED PHYSICAL PROCESSES（完善降雨径流污染模拟的物理机制）
期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering
作者：Mingjin CHENG, Xin LIU, Han XIAO, Fang WANG, Minghao PAN, Zengwei YUAN, Hu SHENG
发表时间：15 Dec 2023
DOI：10.15302/J-FASE-2023519
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农业面源污染与绿色发展
Non-Point Source Pollution Control and Agricultural Green Development
专 辑 文 章 介 绍
· 第五篇 ·
▎论文ID
Enhancing rainfall-runoff pollution modeling by incorporation of neglected physical processes
完善降雨径流污染模拟的物理机制
发表年份：2023年
第一作者：程明今
通讯作者：盛虎
：shenghu@nju.edu.cn
作者单位：南京大学环境学院，南京大学（溧水）生态环境研究院
Cite this article :
Mingjin CHENG, Xin LIU, Han XIAO, Fang WANG, Minghao PAN, Zengwei YUAN, Hu SHENG. ENHANCING RAINFALL-RUNOFF POLLUTION MODELING BY INCORPORATION OF NEGLECTED PHYSICAL PROCESSES. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(4): 553–565https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023519
· 文 章 摘 要 ·
精准量化降雨径流污染负荷及其时空分布，是控制降雨径流污染尤其是初期雨水的重要前提。由于考虑了污染积聚和雨水冲刷两个关键物理过程，地表冲刷模型（Wash-off model）在模拟降雨径流污染方面具有一定优势并被广泛使用。然而，这一模型忽略了雨水本身的污染负荷以及降雨量与径流量之间的关系，使模型输出结果具有不确定性。本研究将径流曲线数（SCS-CN）方法与地表冲刷模型相结合，并引入降雨污染负荷，从而提高模型的准确性；同时在洱海流域一个典型的农村生活区验证了改进模型的准确性。结果显示，改进模型的表现优于现有地表冲刷模型和事件平均浓度（EMC）方法。利用改进模型，发现了以地块污染物和降雨污染物主导的两种污染模式，并且提高了污染物浓度时间变化模拟的准确性。在此基础上，本研究发现降雨开始后15 min内产生了12%的径流量，包含80%?95%有化学需氧量、总氮和总磷负荷，但仅含有15%的氨氮总负荷。改进的地表冲刷模型有望为面源污染治理提供更深入的见解。
· 文 章 亮 点 ·
1. 提出了一种结合降雨污染和SCS-CN的改进冲刷模型。
2. 改进模型对化学需氧量、总氮、总磷和氨氮浓度模拟的Nash-Sutcliffe效率指数分别提高了约2%、8%、3%和100%。
3. 发现了以陆地污染物和降雨污染物为主的两种污染模式。
4. 改进的模型表明，降雨开始15 min内12%的径流量包括80%到90%的污染物负荷。
· Graphical abstract ·
· 研 究 内 容 ·
▎引言
降雨径流污染是水质恶化的重要原因之一，准确核算降雨径流污染负荷是开展有效污染控制的前提。虽然一次降雨事件的径流污染负荷可以通过采样监测获得，但地表条件和降雨特征等因素导致污染负荷的时空异质性很强，在较大尺度上量化降雨径流污染负荷仍具有挑战性。因此，构建精细化的降雨径流污染模型对核算具有显著时空异质性的污染负荷至关重要。
地表冲刷模型被广泛应用于降雨径流污染模拟，然而已有模型假设初始负荷是晴天积累的污染物，忽视了降雨本身含有的污染负荷。此外，已有模型假定降雨强度与径流量之间呈线性关系，而没有考虑雨停后仍存在径流的时滞效应。
为此，本文提出了一个改进的地表冲刷模型，通过引入降雨污染负荷并使用SCS-CN建立降雨强度和径流量之间的关系，以提高降雨径流污染模拟精度。本研究在中国云南省洱海流域的一个典型农村居民区古生村建立了实验场地，并通过监测降雨径流污染来验证模型。本文还讨论了改进模型的优势及其对降雨径流污染控制的启示。
▎方法
引入SCS-CN方法和降雨污染物浓度后，本研究通过理论推导获得了改进的地表冲刷模型方程：
其中，Ci (t) 表示时刻t 径流中污染物i 的浓度，Ci,0为初始污染物i 浓度，ki是表征污染物i被径流冲走难度的一个参数，可能与土地类型、坡度、土壤类型和植被等因素相关；i0是降雨强度，ia是降雨初损值；t0为开始产流到收集第一个样品的时间间隔。
为了观察降雨径流过程并监测径流污染物浓度，通过修建排水通道、覆盖防水膜和土地平整，将一块私人庭院菜地改建为封闭的实验田 (图1)，使得径流只从特定的出水口流出。本研究在一次降雨事件的前1个小时取10个样品，其中前30 min间隔5 min，后30 min间隔10 min；并检测样品的化学需氧量、总氮、氨氮、总磷4项水质指标。本文使用纳什效率指数（Nash-Sutcliffe efficiency coefficient, NSE）作为目标函数将模拟值与观测值拟合，从而确定模型的各项参数。
图1 实验场地及建设过程。 (审图号: GS 京 (2023) 2266 号)
▎结果
（1）改进模型对径流污染物浓度变化的拟合效果
模型拟合结果如图2所示。其中红点为观测数据，蓝线和橙线分别表示改进模型和原模型拟合结果。改进模型对化学需氧量 (COD)、氨氮 (NH4+-N)、总氮 (TN)、总磷 (TP) 的模拟结果NSE相比于原模型分别提高了2.1%、100%、7.9%和3.1%。拟合度的提高主要在于引入了降雨污染浓度。在原模型中，径流污染物浓度随着降雨时间的推移趋向于0，而改进模型则趋向于降雨污染物浓度的定值。因此，改进模型对雨水中浓度较高的NH4+-N模拟效果提升显著。
图2 用观测水质数据拟合模型。
（2）两种降雨径流污染模式特征
进一步分析累积降雨径流污染负荷及其来源 (图3)，可以发现对不同污染物来说，地块污染负荷累积曲线均呈现“S型”，而降雨污染负荷累积曲线均为线性递增函数。COD、TN、TP的累积污染负荷曲线与地块污染负荷曲线高度相似，表明其径流污染主要来源于地块本身的积累，而降雨污染影响极小；NH4+-N的累积污染负荷曲线与降雨污染负荷保持一致，说明其径流污染主要来自降水。这意味着两类污染模式需要不同的污染控制措施。
图3 累积降雨径流污染负荷 (F1、F2分别表示污染来源于地块和雨水)。
（3）精细化模拟了降雨时间、径流量和污染负荷间的关系
分析改进模型和EMC方法模拟的的污染物浓度时间变化趋势，发现改进模型模拟出的污染物浓度衰减速度更快，这意味着更多的污染负荷在更短的时间内被冲刷出来。研究发现在降雨后最初的15 min形成的12%的径流量分别包含了约80%、95%和90%的COD、TN、TP污染负荷 (图4)。这表明降雨的前15 min是面源污染控制的“黄金时间”，对占比较小的初期雨水径流进行拦截、收集或净化等措施能够高效地削减面源污染负荷，减少入河污染。但这一措施对NH4+-N污染负荷削减并没有明显的作用。
图4 模拟径流量和污染负荷随降雨时间的变化。
▎讨论
原有地表冲刷模型虽然被广泛应用和改进，但仍然忽视了降雨污染的作用。此外，已有研究主要关注水体区域直接降水输入的污染，忽视了雨水通过径流进入水体的途径。本研究引入降雨污染，将地表冲刷模型中的两个物理过程（积累和冲刷）扩展为三个，完善了物理过程机制，既可以提高模型准确性，又可以揭示污染物的不同来源特征。这种改进对降雨污染主导的污染物种类和区域具有显著影响。本研究还耦合了SCS-CN方法，根据降雨量和下垫面估算径流量，刻画出了径流污染的延迟效应，使研究者能够进一步考虑降雨特征的影响。此外，与降雨径流污染负荷测算常用的EMC方法相比，改进模型为研究人员提供了与污染积累过程的数据接口，可以通过养分平衡分析等方法计算地块可供冲刷的潜在负荷。参数k综合了土地类型、坡度、土壤类型和植被等因素，表示污染物被径流冲走的难度。这些参数为使用高时空分辨率信息来描述降雨径流污染的时空异质性提供了可能，也为减少地块污染积累、径流拦截净化、初期雨水管控提供了模型工具支撑。
· 结 论 ·
为了提高降雨径流污染模拟准确性，本研究通过引入降雨污染和耦合SCS-CN方法来改进地表冲刷模型，并用洱海流域古生村一个典型的农村居民点验证了模型。研究结果表明，改进模型的模拟结果与实测数据拟合度更高，并识别出陆地污染和降雨污染主导的两类不同污染模式。与EMC方法相比，改进模型提高了径流中污染物浓度时间变化模拟的准确性，发现12%的总径流量中COD、TN和TP的负荷占总负荷的80%?95%，而NH4+-N的负荷仅占总负荷15%，为初期雨水污染管控提供了科学依据。基于对污染负荷更精准的刻画，改进模型能够为面源污染管控提供更深入的见解。
编辑 | 唐静月 李云舟
审稿 | 许建香
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