4.4.2废水负荷模型
污染物按排放方式可分为点源污染和非点源污染。点源污染主要包括工业污染源和城镇生活污染源。非点源污染一般是指由降雨引起的各种污染物从土壤圈向水圈的扩散。主要包括农田、城市和城镇降雨径流污染、农村生活污染、畜禽养殖和水产养殖污染等。由于非点源污染发生的随机性、机理过程的复杂性、排放途径及排放污染物的不确定性以及污染负荷的时空差异性，给非点源污染的研究和治理工作带来许多困难。发达国家随着工业和城镇生活等点源污染的有效控制，非点源污染已成为水体污染的主要因素。
非点源污染负荷的定量化研究是流域污染治理的重要基础性工作，国外早在20世纪60年代就开展了非点源污染模型的研究。1995年利用世界银行贷款，荷兰Delft水力研究所首次将Waste Load Model（WLM）模型应用于太湖流域非点源定量化研究。在本数学模型的研究中，针对非点源污染负荷时空分布不均匀的特点，对WLM模型进行了较大的改进。模型中将太湖流域非点源污染分为城市和城镇降雨径流污染、畜禽养殖污染、农田降雨径流污染、农村生活污染和水产养殖污染等五种类型，分别计算其流失过程。
该路径图是污染负荷模型计算的总框架，是模型编制的重要依据，后面的分析与讨论均基于该路径图。为了将点源和非点源污染负荷加以区分，图中虚框部分代表非点源污染部分。
污染负荷模型按结构可以分为产生模块和处理模块两大部分。产生模块用于计算各种污染源的产生量，处理模块计算污染物经过各个处理单元后的污染负荷入河量。
4.4.2.1污染负荷产生模块
污染负荷产生模块包括工业、大城市居民、城镇居民、农村居民、城市和城镇降雨产污、化肥、畜禽养殖和渔业养殖8个部分，采用PROD、UNPS和ANPS三种模式计算其产生量。各种模式的计算原理和方法如下所述。
4.4.2.1.1PROD——计算与降雨无关的污染负荷产生量
PROD模式用于计算与降雨无关的污染负荷产生量，包括大城市居民、城镇居民、农村居民、畜禽养殖和水产养殖。具体计算公式及变量说明如下：
其中：
—为第i种污染源第j种污染物的产物量；
—为第i种污染源的数量；
—为第i种污染源第j种污染物的污染负荷量。对于不同的污染源，公式中变量的具体含义有所差异，具体含义如下。
大城市居民：指的是苏州、无锡等地级市，—大城市人口数量，—大城市人口产污当量k1。
城镇居民：宜兴、武进等县级市及镇，—城市人口数量，—城市人口产污当量k2。
农村居民：地级市和县级市的农村人口，—农村人口数量，—农村人口产污当量k3。
畜禽养殖：将畜禽分成牛、猪、羊和家禽4种分别统计，—畜禽养殖数量，—畜禽产污当量k4。
水产养殖：—水产养殖产量，—单位养殖产量的产污量k5。
4.4.2.1.2UNPS——计算城市和小城镇降雨径流的污染负荷
UNPS用于计算大城市和小城镇降雨径流的污染负荷。在太湖流域平原区，流域内拥有大小城市38座，其中1个特大城市，7个地级市。对特大城市和地级市采用污染物累积—径流冲刷模型计算随降雨径流进入地表水体的污染负荷，对县级市及城镇采用平均浓度法计算降雨径流污染负荷。具体算法如下：
（1）大城市降雨径流污染负荷估算
①污染物累积模型
暴雨径流携带的污染物数量与暴雨量、径流量及污染物累积数量等因素有关。美国“水质管理规划手册”指出，径流冲刷率与总降雨量有关，与降雨强度的关系很小；当日降雨量大于12.7mm时，对地表累积污染物的冲刷率大于或等于90％，所以引入“每日临界降水量”概念，代表当日降雨量等于“每日临界降水量”时，地表累积污染物冲刷率达到90％，按下式反推地表污染物的累积量：
按各种土地利用类型，分别计算单位面积单位时间所产生的污染负荷[kg/(km2•d)]，然后再求得总的污染负荷量，计算公式为：
式中：P—各种土地类型的污染物累积速率，kg/d；
Pi—第i种土地类型的污染物累积速率，kg/d；
Xi—第i种土地类型单位面积污染物累积速率，kg/(km2•d)；
Ai—第i种土地类型的总面积，km2；
n—土地类型个数。
其中，Xi的计算式为：
式中：αi—城市污染物浓度参数，mg/L；
γi—地面清扫频率参数；
Rcl—城市临界降水量，mm/d；
Fi—人口密度参数。
其中，
（清扫间隔Ni<20h）
（清扫间隔Ni≥20h）
污染物质浓度参数αi，该数值在各地（苏州、上海、南京、重庆等）典型实验的基础上统计得出。
若Rc＝0，则地表污染物每日的累积量按上式计算；
若Rc>0，则地表污染物的累积量为0。
其中：Rc——城市日降水量，mm/d。
由于大城市清扫频率一般为1次/日，所以城市地表污染物的累积量不超过一日的累积量。
②径流冲刷模型
径流冲刷量的大小与降雨强度、历时和清扫规律等因素有关。萨特（Sartor）等人认为，可用简单一级动力反应概念来计算城区降雨径流的冲刷量，模型为：
式中：P为城市地表物的累积速率，kg/d；
k为降雨径流冲刷系数，1/mm，城市地区取0.14～0.19；
Rs为城市净雨强度，mm/h；
对上式积分可得：
Pt=P(1－e－kRt)
式中：Pt——降雨历时t的地表物冲刷速率，kg/d；
对于连续多天的降雨，降雨第一天地表污染物剩余量作为第二天的地表污染物累积量连续计算。
（2）小城镇降雨径流污染负荷估算
对于小城镇降雨径流污染负荷的估算主要采用平均浓度的方式，根据中科院土壤所夏立忠等人的研究成果，小城镇及附近农村降雨地表径流氮、磷负荷是区域重要的非点源污染源。镇附近农村居民点降雨径流的的TN、TP和NH3-N浓度分别达7.26±4.43 mg/L、2.21±0.90 mg/L和1.16±0.68mg/L，镇商业区和居民点降雨径流TN、TP浓度相对较低，但远高于周围地表水浓度，大大超过地面水V类水质标准。
4.4.2.1.3ANPS——计算农田降雨径流污染负荷
ANPS用于计算农田降雨径流污染负荷。对于农田降雨产污，分旱地和水田分别采用不同计算方法，具体算法如下：
（1）旱地降雨径流污染负荷估算
通过研究环太湖丘陵地区典型小流域（宜兴梅林）农业非点源流失规律，对旱地降雨径流污染负荷进行估算。梅林小流域位于宜兴市东南(31°20¢ N, 119°51¢ E)，面积122 hm2，全年温暖湿润。流域边界清楚，可进一步分为头坳和二坳2个子流域，其中头坳子流域73.7 hm2，二坳子流域48.3 hm2。最高点海拨62.5m，最低点3.1m。土地利用类型主要有水稻田、旱地、茶园、竹园、板栗园、菜地和梨园等。其中水稻田主要集中在流域地势低平的地区，茶园、竹园等分布于流域丘陵坡地。土壤为红黄壤（旱地）和水稻土。梅林小流域地形及出口断面位置如下图所示。
在流域出口断面设置矩形堰和降雨流量自动采样器，负责记录降雨、水位过程和采集水样。通过建立单位面积污染物流失量q（kg/hm2）和净雨深Rd（mm/d）间的相关关系，计算旱地污染物随时间的流失过程。具体计算步骤如下：
建立单位面积污染物流失量与单位面积径流量（净雨深）间的相关关系。依据试验成果，
对于NH3-N、TN和TP采用分段函数建立两者的函数关系：
当Rd<Rl，采用线性关系：q＝b×Rd；
当Rd>Rl，采用对数关系：q＝a×lnRd+b；其中Rl为净雨深临界值；a，b为经验参数，根据实验确定其取值。
研究发现，地表径流中BOD5和CODCr的浓度随降雨时间变化不大，两者基本呈线性关系：q＝b×Rd。
根据上述相关关系，计算各计算单元旱地每日净雨深Rdi对应的单位面积产污量qi，再按下式乘以计算单元内的旱地面积Adi，得到各计算单元旱地的日产污量WDi。
WDi＝qi×Adi
（2）水田降雨径流污染负荷估算
水田产水过程不同于旱地，只有当田面水深度超过水稻耐淹水深he或水田发生弃水时，田面水中的污染物才会随稻田水排出，进入当地地表水。另外，研究发现稻田营养盐经过一段时间，会在水－土界面达到吸附与解吸的动态平衡。根据水田产流产污的特点，提出“水箱”掺混模型模拟水田的产污过程。
根据水田产污机理，利用“水箱”充分掺混模型模拟其产污过程。假设水田具有某一初始水深和初始田面水浓度，每日降水与田面水充分掺混后，田面水水深和浓度发生变化。当该水深小于该时期的耐淹水深时，产污量为零，否则，产污量按下式计算。具体算法如下：
根据水-土界面吸附－解吸规律及充分掺混假定，稻田田面水污染物浓度为：
式中：
—前一时刻田面水污染物浓度，mg/L；
—后一时刻田面水污染物浓度，mg/L；
h0—前一时刻田面水水深，mm；
h1—后一时刻田面水水深，mm；
hr—该时段降雨量，mm；
Cr—雨水中污染物浓度，mg/L；
Ri—水田净雨深，mm；
hi—该时段灌溉水量，mm；
Ci—灌溉水中污染物浓度，mg/L；
Cmax—田面水污染物浓度上限，mg/L；
T—田面水污染物释放周期，d。
若R≤0，即水田产流量为零，则产污量WMi＝0。
若R>0，即水田产流，产污量按下式计算：
式中：Ca—水田产流的污染物浓度，mg/L；
Ri—水田净雨深，mm/d；
WMi—水田日产污量，kg；
Ami—计算单元内的水田面积，hm2；
h0、h1和hr可由产汇流模型提供，Cmax取值参考苏南地区的水田试验数据。Cr参考苏南地区雨水监测平均值。
4.4.2.2污染负荷处理模块
根据污染负荷产生量、各条污染路径的比例系数以及各种处理单元的处理效率，计算污染物入河量。
We＝Wi×pi×（1－fi）
式中：We——污染物入河量，kg/d；Wi——污染物产生量，kg/d；pi——污染路径的比例系数；fi——不同处理单元的处理效率，处理单元包括净化槽、当地地表水、土壤和下水道四种。污染负荷模型用到的参数主要包括各种污染产生模块当量、各种路径比例和处理模块的去除率。
4.4.2.2.1产生模块的污染物当量
产生模块的污染物当量数据主要依据《太湖流域污染源调查及污染负荷分析》报告中的实验数据，并结合水质监测资料进行率定。
4.4.2.2.2污染负荷路径比例系数
根据太湖流域污染负荷模型路径图，污染负荷模型包括工业、大城市居民、城镇居民、农村居民、城市和城镇降雨产污、化肥、畜禽养殖和渔业养殖8种产生模块。在调研的基础上，对其入河路径进行了概化。
（1）
工业污染源入河路径
在本次污染负荷计算中，工业产污模块（包括污水处理厂）采用水资源综合规划的调查数据，无须用路径比例系数计算工业污染源的入河量。
（2）
城市居民产污入河路径
大城市居民产污的入河路径有如下4种：
l
大城市居民——净化槽——污水处理厂
l
大城市居民——净化槽——下水道
l
大城市居民——下水道
l
大城市居民——当地地表水
由于大城市生活污水处理厂的污水处理量已知，所以可据此计算出其占城镇生活污水排放量的比例，即为该条路径的比例。经过在苏州和无锡的调研，大城市生活污水有90％左右的比例进入净化槽，所以后两条路径的比例应在10％左右。
（3）
城镇居民产污入河路径
城镇居民产污的入河路径有如下5种：
l
城镇居民——净化槽——污水处理厂
l
城镇居民——净化槽——下水道
l
城镇居民——下水道
l
城镇居民——净化槽——当地地表水
l
城镇居民——当地地表水
城镇污水处理厂的路径比例计算方法与大城市居民污水处理厂的处理方法相同。经过调研，城镇生活污水有85％左右的比例进入净化槽，所以其余两条路径的比例应在15％左右。
（4）
城市和城镇降雨产污入河路径
城市和城镇降雨产污的入河路径有如下4种：
l
城市和城镇降雨——概化河网
l
城市和城镇降雨——下水道
l
城市和城镇降雨——下水道——当地地表水
l
城市和城镇降雨——当地地表水
经过调研，下水道大概能收集80％左右的雨水，所以其余两条路径的比例应在20％左右。
（5）
畜禽养殖产污入河路径
畜禽养殖产污的入河路径有如下2种：
l
畜禽养殖——土壤——当地地表水
l
畜禽养殖——当地地表水
经过调研，畜禽养殖所产生污染物的绝大部分（约90％）先进入土壤，再随降雨产生的径流进入当地地表水，直接进入当地地表水的比例较低。
（6）
化肥产污入河路径
化肥产污的入河路径只有1种：化肥——土壤——当地地表水：化肥施入土壤后，会随降雨产生的径流进入当地地表水，采用前述的ANPS模式计算其流失量。
（7）
农村居民产污入河路径
农村居民产污的入河路径有2种：
l
农村居民——净化槽——土壤——当地地表水
l
农村居民——当地地表水
经过调研发现，由于农村生活水平的提高，化学肥料的使用比例不断上升，而人畜粪便等有机肥的使用比例却不断下降。农村居民所产生的相当一部分生活污染物不再作为农肥，而是直接排入当地地表水。
（8）
水产养殖产污入河路径
水产养殖产污的入河路径只有1种：水产养殖——当地地表水
经过调研发现，太湖流域鱼塘的平均换水周期为1—2次/年。换水导致大量鱼类粪便和未经消化的饵料残渣等营养物进入周边水体，对水环境的影响较大。
4.4.2.2.3去除模块的去除率
如前所述，处理模块包括净化槽、下水道、当地地表水和土壤四种。根据太湖三年水质研究成果和《太湖流域污染源调查及污染负荷分析》报告中的实验数据，确定各处理模块的处理率。
污染物按入河方式可分为点源和非点源。由于两种类型污染源的时空分配方法有所不同，下面分别加以论述。
（1）
点源污染负荷的时空分配方法
点源污染包括工业污染源和城镇生活污染源。其时间分配采用全年平均分配的方法。由于一部分污染源位于太湖流域平原区以外，因此，需要对于排放位置明确的工业和城镇生活污染源进行空间分配。对于排放点位于太湖流域平原区的污染源，其废水量和污染物按照就近入河原则排入河网；对于排放点不在太湖流域平原区的污染源，在分配时不予考虑；工业和城镇生活污染源面排放的具体分配步骤参见非点源污染负荷的空间分配方法。
（2）
非点源污染负荷的时空分配方法
非点源污染一般是指由降雨引起的各种污染物从土壤圈向水圈的扩散，由于其发生的随机性、机理过程的复杂性、排放途径及排放污染物的不确定性以及污染负荷的时空差异性，给非点源污染的研究和治理工作带来许多困难。本研究中的非点源污染主要包括城市和城镇降雨径流污染、畜禽养殖污染、农田降雨径流污染、农村生活污染和水产养殖污染等五种类型。此外，工业和城镇生活污染源面排放部分的空间分配也采用非点源污染负荷的空间分配方法。
采用UNPS和ANPS模块计算非点源污染负荷的入河量随时间的变化过程，所以对非点源污染负荷无需再进行时间分配。
采用基于栅格化处理的分布式污染负荷模型实现非点源污染负荷的空间分配。主要遵循下述步骤：
a)
利用数字流域系统对太湖流域平原区进行栅格化处理，将其划分为1km×1km的栅格，并与土地利用图层进行叠加，计算每个栅格各种土地利用类型的面积；
b)
利用污染负荷模型计算每个四级区套县各种非点源污染负荷的单位面积入河量；
c)
将每个栅格中各种土地利用类型的面积乘以对应污染负荷的单位面积入河量，并进行累加，得到该栅格的非点源污染负荷量；
d)
以f为权重，将某栅格的非点源污染负荷量按下式分配到包围该栅格的周边河道上。
式中：f—综合系数；A—过水面积（m2）；R—水力半径（m）。
e)
对进入某条河道的非点源污染负荷进行累加，得到进入该河道的非点源污染负荷量。