近年来研究表明，除了点源污染外，广泛存在的非点源污染也是导致湖泊、水库和河流等水体污染久治不愈的重要原因，其中又以农业非点源污染贡献率最大^[1-2]。位于云贵高原的滇池，水体富营养化异常严重，已经成为影响和制约昆明区域经济社会发展的重要因素。研究表明，非点源污染控制是“十二五”滇池污染控制的重点之一，滇池每年入湖COD、总氮(TN)及总磷(TP)负荷中农业非点源污染排放比例分别占37 %、27 %、45 %，而农村农业污水的污染又是滇池农业非点源污染控制的重点^[3-5]。由于农业非点源污染的随机性、广泛性等特点^[6-7]，我国对农业非点源污染的控制主要基于“减源-拦截-修复”三级控制理论^[8]。其中，控源截污是湖泊污染防治的有效手段，是湖泊富营养化控制与治理的必要条件之一^[9]。

为达到规划的滇池水质目标，“九五”至“十三五”期间在滇池流域构建了环湖截污治污体系，它与片区截污、河道截污、集镇和村庄截污共同构建了滇池流域从源头控制到末端截污的控源截污主干工程系统框架，对削减入湖污染负荷、改善滇池水体环境发挥了显著作用^[10-12]。由于环湖截污治污体系工程庞大、地域范围广、涉及因素多，考虑到该工程收集能力和水质净化厂的处理能力均有限以及需保证系统的高效经济运行等问题，《滇池保护治理“十四五”规划》^[13]提出进行智能化控制平台建设，对环湖截污治污体系实现自动化控制，以最大限度发挥环湖截污干渠功能并削减污染物入湖总量。智能化控制平台的运行包括农业农村非点源高效截流井控制技术、雨季干渠溢流污染负荷最小化的运行模式等。其中，针对农业农村非点源污染高效截流井，现阶段采用的无控制模式^[14](当识别出有雨水径流产生后，截留此后80 min内的雨水径流)对径流水质的选择性有限，先进入干渠的雨水径流占据干渠内部空间，后抵达的雨水径流即使污染物浓度高也会由于收纳能力的限制不能进入干渠，从而导致干渠收集污染物负荷的能力下降等问题^[14]。

为了尽可能收集到高浓度的污染物，考虑降雨径流携带的TP负荷占入滇池污染物负荷总量的68.7 %，其中来自非点源污染的TP接近入湖污染物负荷总量的70 % ^[14]等现状，结合TP通量与氨氮(NH₃-N)通量、悬浮物通量以及径流量之间具有强正相关性^[15]的研究成果，课题组前期采用SWMM模型研究了在只有控制闸门不同的启闭模式条件下，包括无控制模式与“时间-液位”控制模式(当识别出有雨水径流产生后，截留此后110 min内的雨水径流)、TP浓度阈值控制模式以及TP通量阈值控制模式对农业农村非点源污染物负荷的截留效果，揭示了采用TP浓度阈值控制是截留效果最好的模式^[15]。

为支撑智能化控制平台运行，实现截污治污体系自动化控制，本研究以截污治污体系相对完善的滇池东岸示范区为研究对象，对截流井采用TP浓度阈值控制模式，探讨基于SWMM模型的典型降雨条件下，是否对应存在最终从截流井和干渠溢流排入滇池的总污染负荷最小且能使截污干渠充分发挥截污效能的优选径流量截留率(以下简称优选截留率)，以及重现期与雨峰系数对其的影响；最后，在采用输出系数法估算研究区域非点源污染负荷产量的基础上，计算对应于典型降雨条件下优选截留率的溢流进入水体的农业农村非点源污染负荷大小比率，即入湖系数^[16]。研究成果为科学、准确测算农业农村污染源的污染物进入水体的实际负荷量以及进一步改善滇池水质具有重要意义。

1 对象与方法 1.1 研究区域概况 1.1.1 地理位置及土地利用情况

研究区域位于滇池东岸呈贡区境内彩云北路-彩云中路-兴呈路以南，环湖东路以北，关锁马料河以东，江尾村-龙街村以西；以斗南村为分界点，以北为花卉大棚种植区，以南为蔬菜大棚种植区(图 1a)。整个研究区域面积约为12 km²，其中花卉大棚种植区面积约为3.5 km²，蔬菜大棚种植区约为3.5 km²，村域面积约为3 km²，其他土地面积约为2 km²(图 1b)。该区域年均气温14.7 ℃，降雨多集中于5-10月份，年均降雨789.6 mm。区域污染物的主要来源包括农村居民的生活污水、生活垃圾、蔬菜或花卉大棚产生的农业废弃物、残余农药等。经雨水的冲刷，大量的污染物随地表径流通过农灌沟渠排入河流，最终进入滇池，加速了滇池的富营养化过程。

1.1.2 研究区域排水系统现状

整个研究区域内分布有多条农灌沟渠，如图 2所示，总服务面积为9.45 km²。各农灌沟渠晴天时用作收集农村生活污水以及农用灌溉水，雨天时用于收集沿途产生的径流，其末端设有带闸板沉砂截流井。雨水径流经由农灌沟渠收集，再由截流井部分或全部截留进入环湖截污干渠，后输送至末端的水质净化厂，处理后排入人工湿地，经人工湿地进一步处理后最终排入滇池。由于研究区域内雨水截污干渠末端共有2个排放口(从第二控制室到水质净化厂段命名为排放口1(PFK1)，从第五控制室到水质净化厂段命名为排放口2(PFK2)，如图 3所示)，出水管管径均为1 m。干渠汇水范围内的土地利用类型不同，PFK1段主要为花卉大棚，PFK2段主要为蔬菜大棚。另有研究表明^[17]干渠上最先发生溢流的点主要是地势较低处，故本研究对两段干渠进行独立分析。

1.2 SWMM模型

采用SWMM模型，将农灌沟渠末端的截流井概化为蓄水设施(共20个)；截流井处的闸门概化为孔口，得到研究区域子汇水区概化图(图 4)。模型的基础参数采用课题组前期研究成果^[18]，即典型降雨条件：雨峰系数r=0.42、降雨历时T=2 h、重现期P=1 a时、降雨量H=28.79 mm的芝加哥雨型所生成的暴雨数据。其余参数设计基于截污干渠现状条件：截污干渠尺寸为4.5 m×4.5 m、干渠末端排放口管径D=1 m、末端水质净化厂处理能力为5万m³/d。

经模拟验证，花卉监测点(6^#)和蔬菜监测点(13^#)的流量、SS、NH₃-N和TP的Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.858、0.803、0.712和0.752以及0.812、0.762、0.745和0.719，均在0.7以上，说明SWMM模型可以较好地模拟该研究区域的地表径流变化过程和地表污染物浓度变化过程。因此，可认为针对该研究区域所设定的SWMM模型各项参数均较为合理，可以用于后续的模拟研究。

1.3 TP浓度阈值控制模式

TP浓度阈值控制模式是以TP浓度值为指标，在截流井闸门处对雨水径流进行选择性截留的模式。该模式可有效避免截污干渠收纳大量污染物浓度低的雨水径流却弃流污染物浓度高的径流。由于采用TP浓度阈值控制模式时需要雨水径流的动态实时TP浓度数据，但该指标的测定具有延时性，不能满足控制的需要，而课题组在前期研究中发现TP通量与雨水径流量具有较强的正相关性，根据浓度=通量/径流量的关系，故采用径流量来表征TP浓度的变化。则TP浓度阈值控制模式的具体实现方式为：选取一个TP浓度阈值，列出TP浓度计算方程(浓度=通量/径流量，公式(1))和TP通量与径流量的正相关性方程(公式(2))，二者联立可计算出相应径流量。

$ y=x \times C $

(1)

$ y=k x+b $

(2)

由公式(1)、(2)可得x=b/(C-k)(y为TP通量(g/s), x为径流量(m³/s)，C为污染物浓度大小(mg/L)，k、b取值由对研究区域的实测降雨径流进行的TP通量与径流量线性拟合方程确定)。在截流井处安装流量在线监测仪以及电动闸门，所监测的流量值大小为电动闸门启闭的判定条件：当所监测的流量值大于TP浓度阈值对应的流量值时，将该部分雨水径流截留进入干渠，否则弃流。

1.4 农业农村非点源污染负荷排放量 1.4.1 农村生活污染源的各污染物负荷排放量

采用污染负荷当量法^[19]计算农村生活污染源的各污染物负荷排放量，如公式(3)、公式(4)所示：

$ W_i=365 Q_i \cdot \varphi_i $

(3)

$ E_i=W_i \cdot \omega_i $

(4)

式中，W_i为研究区域内不同污染源的产生量；E_i为研究区域内不同污染源的排放量；365为一年的天数；Q_i为研究区域内不同污染源的数量(人口数量单位为人，化肥施用量及农田固废单位为吨)；φ_i为农村生活与农业生产源的人均污染物产生量；ω_i为污染物的排放系数。

1.4.2 农田固废所排放的污染物负荷量

采用流失系数法^[20]计算农田固废所排放的污染物负荷量，计算公式如(5)、(6)所示。

$ W=Q \cdot \alpha \cdot \beta $

(5)

$ E=W \cdot \gamma \cdot \delta $

(6)

式中，W为农田固废的污染物负荷产生量；E为农田固废的污染物负荷排放量；Q为研究区域内的种植面积，为10500亩(1亩=666.67 m²)；α为每亩种植面积农田固废产生量；β为农田固废的污染物流失系数，取0.6；γ为各污染物占固体废弃物的比例，其中COD占9 %，TN占0.4 %，TP占0.05 %；δ为各污染物排放系数，取0.8。

1.4.3 校核农业农村非点源污染负荷排放量

采用输出系数法对研究区域内的农业农村非点源污染负荷排放量进行校核，计算公式如(7)所示，输出系数取值参考相关研究^[21]及课题组的实地调研报告。

$ L_i=\sum\limits_{j=1}^n E_{i j} A_j $

(7)

式中，i为污染物种类；j为污染源的类型；E_ij为第 j 种污染源的第i种污染物的输出系数；A_j为第 j 种污染源的数量。

1.5 入湖系数

入湖系数的计算如公式(8)、公式(9)所示。

不考虑环湖截污系统的截留作用时：

$ \text { 入湖系数 }=\frac{\text { 污染负荷入湖量 }}{\text { 污染负荷排放量 }} $

(8)

考虑环湖截污系统的截留作用时：

$ \text { 入湖系数 }=\frac{\text { 污染负荷入湖量-污染负荷截留量 }}{\text { 污染负荷排放量 }} $

(9)

2 结果与讨论 2.1 基于TP浓度阈值控制模式的优选截留率

图 5和图 6分别为现状无控制模式、重现期P=1 a时，根据SWMM模型模拟的PFK1和PFK2段截污干渠中COD、SS、NH₃-N、TP浓度随时间变化的过程线。在该条件下，由于干渠末端出水管管径以及水质净化厂处理能力的限制，干渠内的雨水径流不能及时排出，干渠发生溢流。

PFK1处的各污染物浓度先达到最大值后迅速下降，随后又增大，呈锯齿形变化(图 5)；PFK2处各污染物浓度均迅速达到最大值，随后又迅速下降，最后趋于稳定(图 6)。这主要是因为在降雨前期雨量较小，径流中的各污染物浓度较高，并在干渠排放口处迅速达到最大值；随后由于径流量增大，各污染物浓度被稀释而降低。由于到达各农灌沟渠末端截流井的各污染物浓度峰值有先后顺序，因此相应的雨水径流到达干渠排放口也有先后顺序，且某些后到达排放口的含有高浓度污染物的雨水径流会与其他先到达但由于干渠排放口管径以及水质净化厂处理能力的限制而未及时排出的、含有低浓度污染物的径流存在相互混合的可能，使得污染物浓度变化过程线呈锯齿形。

由上可知，采用TP浓度阈值控制模式时，若浓度阈值设定偏低，由于不同截流井处的径流进入干渠时间有先后，可能存在污染物浓度高的雨水径流后进入干渠，但由于干渠排放口管径以及水质净化厂处理能力的限制，后进入干渠的高浓度雨水径流不能到达排放口，直接溢流出干渠，此现象在发生不均匀强降雨时会更明显^[17]；而若浓度阈值设定偏高，会使截留量低于干渠承受能力，相应污染物入湖量增大，截污干渠效能得不到充分发挥。因此，存在一个优选TP浓度阈值，当截留TP浓度大于等于该阈值的径流时，可以使溢流进入滇池的各污染物负荷最小，而此时截留径流量与总径流量的比值即为优选截留率。

2.2 重现期对优选截留率的影响

降雨数据是SWMM模型的重要输入数据，降雨量以及降雨的雨型分布等因素均是影响降雨径流和污染物浓度变化的重要因素。为说明在不同降雨强度下，优选截留率随重现期的变化规律，研究采用芝加哥雨型设计降雨数据，即当雨峰系数r=0.42、降雨历时T=2 h，重现期P=1、2、3、4、5 a时，将降雨数据输入SWMM模型，得出在不同重现期下，PFK1和PFK2段干渠使得溢流进入滇池的污染物负荷量最小的TP浓度阈值，每个浓度阈值各自对应一个相应条件下的优选截留率。

不同重现期下，PFK1和PFK2段污染物负荷截留比例以及径流量截留比例(即优选截留率)随重现期的变化规律如图 7所示。随重现期的增大，SS、COD、NH₃-N、TP负荷截留比例及优选截留率均随重现期增大而减小，进一步说明上述指标间具有强相关性^[15]。重现期为1、2、3、4、5 a时所对应的优选截留率分别为84.03 %、53.78 %、44.95 %、39.24 % 和36.00 %。主要原因是：随着重现期的增大，整个研究区域内径流总量在增大，而截污干渠的收纳能力有限，其所截留的雨水径流量变化不明显，从而使得干渠系统的污染物负荷截留率及优选截留率下降，并呈趋于稳定的趋势。

由SWMM模型获得的不同重现期下，使溢流进入环湖湿地或滇池的污染物负荷最小时对应的PFK1和PFK2段TP浓度阈值设定值如图 8所示。由图 8可知，随重现期的增大，TP浓度阈值设定值整体呈下降趋势。以图 9截流井1处的径流量随重现期变化过程线说明原因：随着重现期的增大，径流量峰值增大，且到达径流量峰值的时间提前，但由于不同重现期下所截留的径流量变化不大，截留径流量为径流量对时间的积分，故不同重现期下为截留相同的径流量，重现期越小时所设定的径流量阈值应越小，再结合TP通量与径流量的正相关性方程及TP浓度计算公式(浓度=通量/径流量)可知，TP浓度与径流量呈反比，因此干渠的TP浓度阈值设定值随重现期的增大而减小。

相较无控制模式，TP浓度阈值控制模式下不同重现期时，所截留的径流量、污染物负荷以及污染物浓度的增减情况如图 10所示。

由图 10可知，与无控制模式相比，随重现期的增大，采用TP浓度阈值控制模式所截留的雨水径流量减少幅度以及所截留的污染物负荷量和污染物浓度增大的幅度均增大。结果表明TP浓度阈值控制模式在截留较少径流量的同时可截留更多的污染物负荷，在提高进入干渠末端水质净化厂污染物浓度的同时减小进水浓度波动范围，降低对水质净化厂处理工艺的水质水量冲击。同时，降雨量越大，即重现期越大，该种控制模式的优势越明显。

2.3 雨峰系数对优选径流量截留率的影响

采用芝加哥雨型设计降雨数据，即当重现期P=1 a，降雨历时T=2 h，雨峰系数分别为r=0.2、0.3、0.4和0.5时，将降雨数据输入SWMM模型模拟，得出不同雨峰系数下，进入滇池流域的农业农村污染物负荷最小的TP浓度阈值设定值及相应优选截留率。

不同雨峰系数下的TP浓度阈值设定值、污染物负荷截留比例及优选截留率、截流井1处的径流量随时间变化过程线分别如图 11~图 13所示。

由图 11和图 12可知，污染物负荷截留率及优选截留率随雨峰系数的增大变化不大，雨峰系数为0.2、0.3、0.4、0.5时所对应的优选截留率分别为53.37 %、53.50 %、53.14 % 和53.10 %，但优选截留率所对应的TP浓度阈值设定值随雨峰系数的增大而增大。以图 13截流井1处径流量随雨峰系数变化过程线说明原因：随着雨峰系数的增大，径流量峰值变化不大，但到达径流量峰值的时间推后，由于不同雨峰系数下所截留的径流量变化不大，截留径流量为径流量对时间的积分，故不同雨峰系数下为截留相同的径流量，雨峰系数越小时所设定的径流量阈值应越大，再结合TP通量与径流量的正相关性方程与TP浓度计算公式(浓度=通量/径流量)可知，TP浓度与径流量呈反比，因此干渠的TP浓度阈值设定值随雨峰系数的增大而增大。

2.4 农业农村非点源污染负荷排放量 2.4.1 农村生活源

经过实地调查，研究区域内共有41170人，不同污染源各污染物的人均污染物产、排量数据如表 1所示^[22]，其中农村生活污水的排污系数为0.80、农村生活垃圾的排污系数为0.25、农村居民粪便的排污系数为0.18。因此，根据农村人口数量以及各污染物的人均污染物产排量数据，并结合公式(3)和公式(4)，农村生活污染源的各污染物负荷年均排放量结果如表 2所示。

2.4.2 农业生产源

根据实地调查结果，研究区域内的氮肥施用折纯量为614 t/a，磷肥施用折纯量164 t/a，根据文献所得的化肥流失系数可知^[22]，氮肥的流失系数为0.1，磷肥的流失系数为0.05。因此，由于化肥流失所排放的农业非点源污染物TN排放量为61.4 t/a，TP排放量为8.2 t/a。采用流失系数法计算农田固废所排放的污染物负荷量，得到农业生产源的COD排放量为453.6 t/a，TN排放量为20.2 t/a，TP排放量为2.5 t/a(表 4)。故将农村生活源和农业生产源所排放的污染物负荷量相加可获得研究区域内农业农村非点源污染各污染物负荷的排放总量分别为：COD排放量895.40 t/a；TN排放量131.32 t/a；TP排放量26.97 t/a(表 4)。

2.4.3 校核农业农村非点源污染负荷排放量

采用输出系数法计算所得的研究区域内农业农村非点源污染负荷排放量结果如表 3所示。对比采用输出系数法与污染物当量法估算TN和TP负荷的结果，误差分别为3.71 % 和34.15 %，故模拟估算的结果可满足一般的精度要求^[23]。根据以上分析，研究区域内各污染物负荷排放量的来源以及排放量如表 4所示。

2.5 典型降雨年的农业农村非点源污染负荷入湖系数

采用污染物当量法所计算的农业农村非点源污染负荷排放量为研究区域的多年平均值，为说明滇池流域不同典型降雨年的入湖系数，本研究采用昆明市气象局1995-2009年的实测年降雨量数据^[15]输入SWMM模型进行长时间连续模拟。

1995-2009年的实测年降雨量数据表明，昆明区域15年的平均降雨量为766.2 mm，选择降雨量最小、适中和最多的2003、1995和2001年作为典型降雨年，将每年的小时降雨数据输入SWMM模型中进行连续模拟，获得农灌沟渠末端截流井处的径流量以及各污染物浓度随时间变化的数据，使用重现期P=1 a时的优选截留率所对应的TP浓度阈值设定值，PFK1段TP=1.36 mg/L，PFK2段TP=1.44 mg/L，对截流井处闸门的启闭进行控制，获得干渠末端排放口所排放的径流量以及各污染物负荷量，将SWMM模型模拟所得的污染负荷总量扣除从干渠末端排放口排出的污染负荷量(即截留量)，获得排入滇池的农业农村非点源负荷量(即入湖量)，模拟所得的结果如表 5所示。

由表 4、表 5以及公式(8)、公式(9)可知，当不考虑环湖截污系统的截留作用时，滇池的农业农村非点源污染入湖系数，枯水年份(2003年)COD为0.31，TN、TP分别为0.35、0.25；平水年份(1995年)COD、TN、TP分别为0.45、0.73、0.38；丰水年份(2001年)COD、TN、TP分别为0.58、0.84、0.50。根据任玮等^[21]研究数据可知，2008年滇池支流宝象河流域TN和TP的入湖系数分别为0.63和0.61；根据杨晶媛^[24]以及邢可霞等^[25]的研究可知，1989年滇池流域TN、TP的入湖系数分别为0.60、0.55。因此以上数据与本研究所计算的入湖系数具有一致性，说明本研究的入湖系数具有一定的参考价值。

当考虑环滇池截污系统的截留作用时，滇池的农业农村非点源污染入湖系数，枯水年份(2003年)COD为0.09，TN、TP分别为0.10、0.07；平水年份(1995年)COD、TN、TP分别为0.14、0.22、0.12；丰水年份(2001年)COD、TN、TP分别为0.23、0.31、0.19。由以上数据可知，当考虑优选截留率下的截留作用后，入湖系数快速下降，表明该措施能够有效降低滇池流域的农业农村非点源污染负荷入湖量。

由于研究区域水质净化厂的设计进水浓度分别为：COD 100~150 mg/L；TN 25~35 mg/L；TP 2~4 mg/L^[26]，根据表 5可知，当没有环滇池截污系统时，雨水径流的污染物平均浓度低于水质净化厂的设计浓度，而基于优选截留率所对应的TP浓度阈值控制模式，所截留的TP平均浓度可达到设计进水浓度范围；所截留的COD平均浓度接近设计进水浓度100 mg/L。枯水年、平水年以及丰水年所截留的污染物平均浓度提升幅度分别为：COD 52.47 % ~76.29 %；TN 55.08 % ~82.86 %；TP 56.14 % ~79.00 %，且当年总降雨量越大时，所提升的幅度越大。因此，采用TP浓度阈值控制模式，可有效提升截污干渠末端水质净化厂的进水浓度，增强处理工艺的运行稳定性，降低处理费用，同时削减溢流进入滇池的污染物总量。

3 结论

1) 当干渠发生溢流时，在TP浓度阈值控制模式下，存在一个优选TP浓度阈值，对应的截留径流量与总径流量比值即为优选截留率。

2) 基于TP浓度阈值控制模式下，随重现期的增大，TP浓度阈值的设定值整体呈减小趋势，所截留的污染物平均浓度减小，优选截留率减小，重现期为1、2、3、4、5 a时所对应的优选截留率分别为84.03 %、53.78 %、44.95 %、39.24 % 和36.00 %。

3) 基于TP浓度阈值控制模式下，随雨峰系数增大，TP浓度阈值的设定值增大，优选截留率变化不大，雨峰系数为0.2、0.3、0.4、0.5时所对应的优选截留率分别为53.37 %、53.50 %、53.14 % 和53.10 %。

4) 研究区域内的农业农村非点源污染的COD负荷、TN负荷以及TP负荷排放量分别为895.40、131.32和26.97 t/a。

5) 考虑基于TP浓度阈值控制模式的环湖截污系统截留作用后，滇池农业农村非点源污染负荷的入湖系数：枯、平、丰水年份COD分别为0.09、0.14、0.23，TN分别为0.10、0.22、0.31，TP分别为0.07、0.12、0.19，均较不考虑环湖截污系统截留作用时显著降低。

6) 采用TP浓度阈值控制模式，在枯、平及丰水年均可有效提升截污干渠末端水质净化厂的进水浓度，增强处理工艺的运行稳定性。