李慧赟，王裕成，單 亮，羅瀲蔥，朱廣偉,5，許 海，史鵬程,

1. 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008

2. 杭州市生態(tài)環(huán)境局淳安分局，浙江 杭州 311700

3. 杭州市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014

4. 云南大學(xué)，云南 昆明 650500

5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

我國(guó)是世界上水庫(kù)最多的國(guó)家[1-2]. 根據(jù)2019年《全國(guó)水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》數(shù)據(jù)，我國(guó)已建成各類水庫(kù)98 112座，總庫(kù)容達(dá)8 983×108m3[3]. 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人類對(duì)水資源的需求不斷增加，水安全問(wèn)題已成為國(guó)家重大安全問(wèn)題[4]. 水庫(kù)的主要功能也從發(fā)電、防洪、灌溉逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘泄┧? 控制水體營(yíng)養(yǎng)鹽水平特別是降低水體磷水平，以控制水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化、消除藍(lán)藻水華，成為我國(guó)主要的湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化控制策略[5]，這也是北歐、北美等發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)六七十年代經(jīng)大量辯論得出的結(jié)論[6-7].

磷是構(gòu)成生命有機(jī)體的重要元素，是湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀況和藍(lán)藻水華情勢(shì)變化中最重要的營(yíng)養(yǎng)鹽[8]. 然而，在湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化治理和藍(lán)藻水華防控工作中，對(duì)磷的控制并非易事[9]. 以長(zhǎng)三角地區(qū)重要戰(zhàn)略飲用水源地千島湖為例，盡管浙江、安徽兩省為響應(yīng)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于重視千島湖水資源保護(hù)的號(hào)召，加強(qiáng)點(diǎn)源污染負(fù)荷治理，截至目前黃山市累計(jì)關(guān)停污染企業(yè)220多家、整體搬遷企業(yè)90多家，但千島湖仍出現(xiàn)水體總磷(TP)濃度年際波動(dòng)較大、河流區(qū)和過(guò)渡區(qū)TP高值波動(dòng)的現(xiàn)象[10]. 千島湖外源TP負(fù)荷呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性. 這些問(wèn)題均與全球變暖導(dǎo)致的我國(guó)東南季風(fēng)區(qū)暴雨事件頻率和強(qiáng)度增加有關(guān)[11]. 然而，目前針對(duì)暴雨徑流對(duì)大型水庫(kù)外源磷輸入影響的定量核算研究相對(duì)較少，暴雨前后水庫(kù)內(nèi)部水動(dòng)力條件發(fā)生的變化對(duì)水庫(kù)水體磷賦存的影響機(jī)制尚不清楚.

綜上所述，該文旨在分析近60年千島湖流域暴雨量和頻率的時(shí)間變化特征，構(gòu)建千島湖流域水文模型，結(jié)合水質(zhì)高頻自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定量計(jì)算暴雨徑流對(duì)千島湖主要入庫(kù)河道(新安江)TP輸入的影響.研究結(jié)果能夠揭示千島湖水環(huán)境對(duì)水文過(guò)程變異的響應(yīng)，為千島湖水環(huán)境安全保護(hù)與管理提供理論與技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

千島湖(原名新安江水庫(kù))位于浙江省西部與安徽省南部交界的淳安縣境內(nèi)，是我國(guó)第一座自行設(shè)計(jì)建造的大型水電站攔蓄新安江干流而形成的深水水庫(kù)[12]. 水庫(kù)壩高105 m，庫(kù)區(qū)水面縱長(zhǎng)150 km，平均水深31.13 m，最大水深100 m[13]. 當(dāng)設(shè)計(jì)水位(黃海標(biāo)高)為108 m時(shí)，相應(yīng)水庫(kù)面積為573.33 km2，蓄水量為178.6×108m3. 千島湖是典型的山谷特大型水庫(kù)，新安江電站以上流域面積為10 442 km2. 最大入庫(kù)河流新安江發(fā)源于皖贛交界處懷玉山脈，流經(jīng)安徽省黃山市的休寧縣和屯溪區(qū)等地，并于歙縣街口鎮(zhèn)匯入千島湖，其多年平均入庫(kù)流量為225 m3/s，約占水庫(kù)多年平均總?cè)霂?kù)流量的63%. 千島湖及其上游流域位于我國(guó)亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為17.3 ℃，多年平均降雨量為1 733 mm. 千島湖降雨量季節(jié)性分布存在明顯差異，春、夏季降雨量充沛，降雨量約占全年總降雨量的74%.

千島湖最初以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉等其他效益. 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，下游地區(qū)對(duì)供水需求和水庫(kù)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求日益提高. 2019年9月，千島湖正式向杭州市供水，成為杭州市800多萬(wàn)人口的飲用水源地，其水質(zhì)的安全保障事關(guān)重大.自1960年建庫(kù)以來(lái)，千島湖素以水質(zhì)良好著稱，并于2012年被納入國(guó)家良好湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)試點(diǎn).然而，作為一個(gè)入庫(kù)流量大、面源負(fù)荷高的山區(qū)水庫(kù)，千島湖水質(zhì)存在較大的時(shí)空波動(dòng)性[10]. 近年來(lái)，千島湖水環(huán)境已發(fā)生顯著變化，具體表現(xiàn)為透明度逐漸下降、TP濃度波動(dòng)超標(biāo)、藍(lán)藻化趨勢(shì)明顯等. 千島湖雖全年大部分季節(jié)水質(zhì)穩(wěn)定，全庫(kù)85%以上監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP達(dá)到GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ～Ⅱ類水平，但街口(新安江入庫(kù)斷面，見(jiàn)圖1)等個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP為Ⅲ～Ⅳ類水平，且受暴雨影響劇烈. 暴雨徑流給千島湖水環(huán)境質(zhì)量保護(hù)帶來(lái)較大壓力.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1氣象水文數(shù)據(jù)

在中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.nmic.cn)下載得到千島湖流域各國(guó)家氣象站(屯溪站和淳安站，見(jiàn)圖1)1961-2021年逐日降雨量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)；通過(guò)《中華人民共和國(guó)水文年鑒》[14]摘錄、整理得到自2001年以來(lái)千島湖上游各水文站(屯溪站和漁梁站)逐日流量數(shù)據(jù). 以上數(shù)據(jù)用于構(gòu)建新安江模型.

1.2.2常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖 1 千島湖流域地理位置Fig.1 Location of Qiandaohu Reservoir Basin

為了核算千島湖最大入庫(kù)河流新安江(街口斷面)外源TP周年負(fù)荷量，選取2020年5月-2021年4月為典型年，按照常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，于典型年的每月下旬，對(duì)街口斷面的TP濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè). 水樣分表層(水下1 m)、中層(水下15 m)和下層(水下28 m)3層采集，現(xiàn)場(chǎng)采用保溫箱冷藏后及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析. TP濃度采用GB 11893-1989《水質(zhì)總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》[15-16]測(cè)定. 取表層、中層和下層水樣TP濃度的平均值作為該斷面的TP濃度值，參與外源負(fù)荷量的計(jì)算. 以上數(shù)據(jù)用于計(jì)算街口斷面外源TP的周年逐月負(fù)荷量.

1.2.3高頻水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)街口水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)得到2020年1月1日-2021年5月16日高頻TP濃度數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)頻率為1條/(4 h). 獲取TP濃度高頻數(shù)據(jù)共計(jì)2 694條(缺測(cè)108條)，采用三次多項(xiàng)式方法進(jìn)行插值補(bǔ)缺后將時(shí)間單位折算到日. 篩選得到街口斷面與常規(guī)水質(zhì)周年監(jiān)測(cè)同時(shí)期(2020年5月1日-2021年4月30日)逐日TP濃度系列，與逐月人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示. 由圖2可見(jiàn)，插補(bǔ)校正后的逐日TP濃度序列具有較高的精度. 以上數(shù)據(jù)用于計(jì)算街口斷面外源TP的逐日負(fù)荷量.

圖 2 2020年5月1日-2021年4月30日街口斷面TP濃度和降雨量的逐日變化Fig.2 Monitoring data of TP concentration and rainfall of Jiekou Section from May 1, 2020 to April 30, 2021

1.3 研究方法

1.3.1暴雨的定義

暴雨是一種短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)降雨的天氣現(xiàn)象.根據(jù)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布的GB/T 28592-2012《降水量等級(jí)》[17]，當(dāng)12 h降雨量為30.0～69.9 mm或24 h降雨量為50.0～99.9 mm稱為暴雨，暴雨之上又劃分大暴雨(12 h降雨量為70.0～139.9 mm或24 h降雨量為100.0～249.9 mm)和特大暴雨(12 h降雨量≥140.0 mm或24 h降雨量≥ 250.0 mm)兩個(gè)量級(jí). 該文將暴雨、大暴雨和特大暴雨均列為研究范圍，統(tǒng)稱為暴雨.

1.3.2新安江模型的構(gòu)建

該文采用新安江模型模擬千島湖主要入庫(kù)河道的水文過(guò)程. 該模型由Zhao所在課題組[18-19]于1973年編制千島湖洪水預(yù)報(bào)方案時(shí)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，其特點(diǎn)是采用流域蓄水容量分布曲線考慮產(chǎn)流面積內(nèi)各點(diǎn)蓄水的不均勻性. 新安江模型的蒸散發(fā)計(jì)算采用三層模型，產(chǎn)流計(jì)算采用蓄滿產(chǎn)流模型，總徑流利用自由水蓄水庫(kù)結(jié)構(gòu)分為地表徑流、壤中流和地下徑流三部分，三水源均按線型水庫(kù)結(jié)構(gòu)計(jì)算河網(wǎng)總?cè)肓鳎泳W(wǎng)匯流采用延遲滯時(shí)法[19-20]. 新安江模型包含4個(gè)計(jì)算子模塊，共14個(gè)參數(shù). 目前，該模型已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[21-22].采用通用模式搜索(generalized pattern search，GPS)優(yōu)化算法自動(dòng)優(yōu)選模型參數(shù)[23]. GPS算法是在特殊方向集上抽取目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)比較函數(shù)值的大小，找出下降方向進(jìn)而解決最優(yōu)化問(wèn)題[24]. 該文以Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(N SE)最大化作為參數(shù)優(yōu)選的目標(biāo)函數(shù)，并在率定過(guò)程中加入水量平衡誤差( WBE) 線性約束[25]. NSE和 WBE的計(jì)算公式分別見(jiàn)式(1)(2)：

式中：Si為模擬流量，m3/s；Oi為 實(shí)測(cè)流量，m3/s；O為實(shí)測(cè)流量平均值，m3/s；n為實(shí)測(cè)值或模擬值的個(gè)數(shù). 其中， N SE反映了模型的整體效率，其值越接近1，表明模型的適用性越高； WBE 滿 足| WBE|≤5%.

1.3.3暴雨徑流量的模擬方案

基于該文構(gòu)建的新安江模型，提出了計(jì)算通過(guò)街口斷面的暴雨徑流流量的方法，具體步驟為：①計(jì)算暴雨前降雨產(chǎn)生的徑流流量(Q0)，即將暴雨當(dāng)天及其后日期的降雨量設(shè)置為0，運(yùn)行模型計(jì)算街口斷面流量；②計(jì)算暴雨發(fā)生后的徑流量(Q)，即將暴雨當(dāng)天降雨量設(shè)置為實(shí)際暴雨量，暴雨后的日降雨量設(shè)置為0，運(yùn)行模型計(jì)算街口斷面流量；③計(jì)算本次暴雨產(chǎn)生的徑流量(Qs)， 即Qs=Q-Q0.

1.3.4暴雨徑流攜帶外源TP負(fù)荷量的計(jì)算方法

千島湖主要入庫(kù)河流TP負(fù)荷量的計(jì)算方法[26-27]如下：

式中：W為通過(guò)街口斷面的TP負(fù)荷量，t；C為T(mén)P濃度，mg/L；Q為河道流量，m3/s；t為時(shí)間，d；η為時(shí)間換算系數(shù)，取值為 8 6400×10-6.

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定與驗(yàn)證

由于街口斷面缺乏歷史實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，故分別采用千島湖上游流域屯溪站和漁梁站逐日實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)對(duì)新安江模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證. 其中，模型率定期為2001-2015年，驗(yàn)證期為2016-2020年. 屯溪站模擬流量和實(shí)測(cè)流量擬合程度較好，率定期 N SE為0.94， WBE 為 0.8%，驗(yàn)證期N SE 為0.93， WBE為-3.4%；漁梁站模擬流量和實(shí)測(cè)流量擬合程度稍差，率定期NSE 為0.91， WBE 為 1.6%，驗(yàn)證期 NSE 為0.90，WBE為-4.9%. 其中，屯溪站模擬流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比如圖3所示. 以上結(jié)果說(shuō)明，新安江模型在對(duì)千島湖流域2個(gè)水文站所在斷面的流量模擬中，均得到較高的模擬精度，模型在千島湖流域有良好的適用性. 鑒于屯溪站模擬精度較好，因此采用該站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定所得參數(shù)作為模型最優(yōu)參數(shù)，用于模擬街口斷面逐日流量，即新安江入庫(kù)流量.

圖 3 千島湖流域上游屯溪站模擬流量與實(shí)測(cè)流量的對(duì)比Fig.3 Comparison between simulated streamflow and observed streamflow at Tunxi Station of Qiandaohu Reservoir Basin

2.2 千島湖流域暴雨時(shí)間變化特征分析

分別統(tǒng)計(jì)千島湖流域1961-2020年不同量級(jí)降雨量及降雨頻次，小雨、中雨、大雨和暴雨雨量分別為294.6、459.8、477.2和482.2 mm，分別占年降雨量的17.2%、26.8%、27.8%和28.1%；小雨、中雨、大雨和暴雨平均頻次分別為100.8、28.9、13.9和6.2 次/a.采用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[28-29]分別對(duì)千島湖流域1961-2020年不同量級(jí)降雨量和降雨頻次系列的趨勢(shì)性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示. 近60年來(lái)，千島湖流域暴雨雨量和暴雨頻次均在0.001顯著性水平上檢驗(yàn)到上升趨勢(shì)，暴雨量平均每年上升6.42 mm，暴雨頻次平均每年增加0.08次. 小雨雨量在0.1顯著性水平上檢驗(yàn)出上升趨勢(shì)，小雨雨量平均每年上升0.40 mm，小雨頻次無(wú)顯著變化趨勢(shì). 另外，中雨、大雨雨量和降雨頻次均無(wú)明顯變化趨勢(shì).

表 1 千島湖不同量級(jí)降雨量和降雨頻次多年變化趨勢(shì)Table 1 Multi-year variation trend of rainfall of different magnitude and rainfall frequency in Qiandaohu Reservoir

在水質(zhì)周年監(jiān)測(cè)時(shí)期(2020年5月1日-2021年4月30日)，分析千島湖上游流域不同量級(jí)降雨量和降雨頻次可知，典型年小雨雨量為331.7 mm，降雨103次；中雨雨量為527.0 mm，降雨32次；大雨雨量為559.0 mm，降雨16次；暴雨雨量為779.3 mm，降雨9次. 典型年暴雨雨量顯著高于多年平均值，為多年平均暴雨量的1.6倍，暴雨次數(shù)與多年平均暴雨次數(shù)相比，增加42.9%. 從暴雨的季節(jié)性分配來(lái)看，夏季暴雨量占年總降雨量的90.7%，春季暴雨量占年總降雨量的9.3%. 以上結(jié)果可以看出，選擇2020年5月1日-2021年4月30日作為典型年，研究暴雨徑流對(duì)千島湖街口斷面外源TP負(fù)荷量的影響是合適的.

2.3 暴雨徑流對(duì)新安江外源TP負(fù)荷量影響的定量核算

2.3.1基于常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的新安江外源TP負(fù)荷量核算

采用新安江模型模擬得到新安江街口斷面逐日流量并折算到逐月，結(jié)合逐月常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)所得街口斷面TP濃度，計(jì)算逐月通過(guò)街口斷面的TP負(fù)荷量，結(jié)果如圖4所示. 由圖4可知，2020年5月-2021年4月街口斷面月均流量為304 m3/s，為多年平均流量的1.4倍. 月均流量最高值為1 264.1 m3/s (2020年6月)，最低值為16.7 m3/s (2021年1月). 街口斷面TP濃度與流量具有較好的相關(guān)性(R=0.66). 典型年全年通過(guò)街口斷面的TP負(fù)荷量為517.1 t，TP逐月負(fù)荷量變化范圍為1.1～200.3 t，其中暴雨量集中的6月和7月TP入庫(kù)負(fù)荷最高，6-7月TP入庫(kù)負(fù)荷占全年TP入庫(kù)負(fù)荷的69.6%，其次是中雨和大雨量集中的5月和9月. 可以看出，TP負(fù)荷量年內(nèi)分布與河道流量年內(nèi)分布具有較強(qiáng)的一致性，說(shuō)明通過(guò)街口斷面的TP負(fù)荷量受降雨量影響顯著. 這是由于千島湖地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降雨量年內(nèi)分配不均勻，春季及梅雨季降雨量大，而秋冬季節(jié)干旱少雨. 雨量的波動(dòng)性導(dǎo)致入庫(kù)流量年內(nèi)變化大，水體TP濃度明顯呈現(xiàn)雨季高、枯季低的特征. 相應(yīng)地，TP入湖負(fù)荷呈現(xiàn)典型的季節(jié)特征.

圖 4 2020年5月—2021年4月街口斷面逐月流量、TP濃度和負(fù)荷量模擬值Fig.4 Simulated monthly streamflow, TP concentration and TP loading at Jiekou Section from May, 2020 to April, 2021

2.3.2基于高頻水質(zhì)監(jiān)測(cè)和新安江模型的暴雨徑流定量核算

采用該文提出的暴雨徑流量模擬方案，逐日模擬由暴雨產(chǎn)生的通過(guò)街口斷面的徑流量，結(jié)果如圖5所示. 典型年通過(guò)街口斷面進(jìn)入千島湖的總徑流量為96×108m3，其中由暴雨產(chǎn)生的徑流量為46×108m3，占總?cè)霂?kù)徑流量的47.9%. 由夏季暴雨產(chǎn)生的徑流量占年總徑流量的43.8%，由春季暴雨產(chǎn)生的徑流量占年總徑流量的3.6%.

圖 5 新安江模型模擬所得街口斷面在實(shí)際降雨條件下與去除暴雨條件下的流量Fig.5 Simulated streamflow of Jiekou Section under actual rainfall conditions and removal of rainstorm conditions

2.3.3暴雨徑流攜帶TP負(fù)荷對(duì)新安江總?cè)霂?kù)負(fù)荷量的貢獻(xiàn)

圖 6 千島湖流域逐日降雨量、街口斷面逐日模擬流量、逐日TP濃度監(jiān)測(cè)值和逐日TP負(fù)荷量計(jì)算值Fig.6 Daily rainfall of Qiandaohu Reservoir Basin, simulated daily streamflow at Jiekou Section, daily TP concentration monitoring value and calculated daily TP load

采用新安江模型對(duì)典型年街口斷面逐日流量進(jìn)行模擬，結(jié)合街口水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的TP濃度高頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到街口斷面TP逐日入庫(kù)負(fù)荷量，結(jié)果如圖6所示. 通過(guò)逐日流量模擬，可以看出街口斷面在典型年最高流量為4 437 m3/s，出現(xiàn)在2020年7月7日，當(dāng)日千島湖流域降雨量達(dá)165.7 mm. TP日均濃度為0.048 mg/L，最高值為1.278 mg/L，出現(xiàn)在2020年7月8日. TP日均負(fù)荷量為4.1 t，最高值為438.6 t，出現(xiàn)在2020年7月8日，與TP最高濃度出現(xiàn)日期一致. 在整個(gè)典型年，TP全年總負(fù)荷量為1 506 t. 與基于常規(guī)水質(zhì)月監(jiān)測(cè)值的計(jì)算結(jié)果相比，采用高頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算所得TP全年總負(fù)荷量是采用逐月監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算所得TP全年負(fù)荷量的2.9倍. 其中，在強(qiáng)降雨集中的6-7月，TP入庫(kù)負(fù)荷占全年TP入庫(kù)負(fù)荷的91.3% .

基于暴雨徑流量核算結(jié)果和高頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算由通過(guò)街口斷面的暴雨徑流所攜帶的TP負(fù)荷量.典型年通過(guò)街口斷面的暴雨徑流所攜帶的TP負(fù)荷量為1 046 t，占全年TP總?cè)霂?kù)負(fù)荷量的69.4%. 其中，由暴雨徑流攜帶的TP負(fù)荷量為1 029 t，占全年TP總?cè)霂?kù)負(fù)荷量的68.3%. 由此可見(jiàn)，短時(shí)間、高強(qiáng)度的暴雨徑流對(duì)TP入庫(kù)負(fù)荷量的影響顯著. 在充分考慮暴雨過(guò)程影響的情況下，對(duì)TP入庫(kù)負(fù)荷估算所得數(shù)值遠(yuǎn)大于忽略暴雨過(guò)程影響情況下計(jì)算所得數(shù)值(人工水質(zhì)監(jiān)測(cè)通常避開(kāi)暴雨天氣). 這主要是因?yàn)?，相?duì)于中小降雨而言，暴雨沖刷易造成大規(guī)模土壤侵蝕，同時(shí)由于暴雨徑流的攜沙能力較強(qiáng)，可以將大量含磷污染物輸送進(jìn)入水庫(kù).

3 討論

該文借助新安江模型和水質(zhì)高頻自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)千島湖街口斷面外源TP負(fù)荷量進(jìn)行了逐日計(jì)算，定量區(qū)分了通過(guò)該斷面的暴雨徑流量及其攜帶的TP負(fù)荷量，并分別估算二者對(duì)街口斷面周年總徑流量和TP總?cè)霂?kù)負(fù)荷量的貢獻(xiàn). 在以往研究中，由于技術(shù)手段和采樣條件的限制，關(guān)于磷營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)空變化特征分析往往基于逐月觀測(cè)或短期高頻觀測(cè)[30-31]. 然而，暴雨事件具有很大的隨機(jī)性，不同特征的暴雨形成的徑流過(guò)程不同. 監(jiān)測(cè)頻率低、監(jiān)測(cè)時(shí)間不連續(xù)且易受天氣條件制約等缺點(diǎn)，使得傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)很難精準(zhǔn)捕捉不同強(qiáng)度、頻率和發(fā)生時(shí)間條件下水體磷的快速遷移和狀態(tài)變化過(guò)程[32]. 該文采用的以人工觀測(cè)數(shù)據(jù)作為校正基礎(chǔ)，以高頻監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與水文數(shù)值模型高效融合為主要計(jì)算平臺(tái)的新方法，有效提升了千島湖TP外源負(fù)荷量的估算精度，加深了千島湖磷污染過(guò)程的了解，為水庫(kù)安全保障與富營(yíng)養(yǎng)化治理提供支撐.

千島湖是河流建壩形成的人工儲(chǔ)水體. 大收大支、水位落差大、沿河流故道至大壩出水口存在明顯單向流是水庫(kù)不同于大多數(shù)湖泊的典型水文特征. 水庫(kù)水體中的磷營(yíng)養(yǎng)鹽主要來(lái)自外源輸入，而降雨徑流攜帶的面源污染入湖是千島湖這種流域人類活動(dòng)相對(duì)較少、植被覆蓋度高的流域最主要的磷補(bǔ)給方式. 暴雨沖刷會(huì)造成大量磷隨徑流進(jìn)入水庫(kù). 對(duì)于某一特定流域，外源磷營(yíng)養(yǎng)鹽的匯入量主要取決于降雨強(qiáng)度及降雨發(fā)生頻率[33-34]. 暴雨強(qiáng)度決定著淋洗和沖刷地表磷污染物能量的大小，暴雨頻率和數(shù)量決定著稀釋磷污染物的程度，直接影響水庫(kù)外源磷通量和賦存量.如Zhang等[35]聯(lián)合運(yùn)用大氣環(huán)流模式與流域水文模型預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化對(duì)我國(guó)石頭口門(mén)水庫(kù)入庫(kù)徑流量與面源磷負(fù)荷的影響，結(jié)果表明，夏季降雨量增大引起的徑流量增加對(duì)水庫(kù)TP濃度的貢獻(xiàn)較大；張倚明等[27]基于野外觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬方法得到不同強(qiáng)度降雨條件下千島湖街口斷面外源磷負(fù)荷量，其中暴雨TP負(fù)荷量占斷面全年總負(fù)荷量的33%.

暴雨通過(guò)改變徑流影響水庫(kù)的物理過(guò)程，進(jìn)而影響水體磷濃度的時(shí)空變化特征. 對(duì)于大型深水水庫(kù)，除對(duì)外源磷輸入的影響外，暴雨強(qiáng)度、頻率及暴雨發(fā)生時(shí)間變化對(duì)水庫(kù)底部缺氧狀態(tài)持續(xù)時(shí)間和缺氧區(qū)面積影響較大，進(jìn)而對(duì)水庫(kù)內(nèi)源磷釋放通量產(chǎn)生較大影響. 水庫(kù)分層期間，暴雨后渾水異重流的潛入會(huì)提高水庫(kù)底部水溫，削弱水體熱分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致水庫(kù)水體提前混合，蓄積在水庫(kù)底部的磷營(yíng)養(yǎng)鹽被輸送到上部水體，從而為翌年藻類的大量生長(zhǎng)提供了充足的營(yíng)養(yǎng)鹽. 因此，未來(lái)研究應(yīng)面向國(guó)家水安全保障重大戰(zhàn)略需求，結(jié)合三維水動(dòng)力水質(zhì)模型，動(dòng)態(tài)追蹤暴雨期間水庫(kù)水體磷賦存的時(shí)空變化，深入理解暴雨徑流對(duì)貧中營(yíng)養(yǎng)型水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化的作用過(guò)程和作用機(jī)理，為我國(guó)水庫(kù)有害藻類水華的形成及防控提供有力的科技支撐.

4 結(jié)論

a) 新安江模型在率定期和驗(yàn)證期 NSE均在0.90以上，| WBE|均 在5%以下( WBE為水量平衡誤差)，說(shuō)明模擬結(jié)果可靠，能夠較好地反映千島湖主要入庫(kù)河流新安江的徑流變化特征.

b) 通過(guò)典型年對(duì)新安江街口斷面逐日流量和TP負(fù)荷量的模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)TP全年總負(fù)荷量為1 506 t，是采用逐月監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算所得TP年負(fù)荷量的2.9倍. 采用高頻監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與水文數(shù)值模型高效融合的方法能夠有效提升水庫(kù)TP外源負(fù)荷量的計(jì)算精度.

c) 千島湖流域暴雨雨量和頻次均呈顯著上升趨勢(shì)，暴雨過(guò)程對(duì)千島湖水環(huán)境的影響增強(qiáng). 如典型年暴雨總量占年總降雨量的35.5%，暴雨雨量和頻次均明顯高于近60年平均值. 新安江街口斷面暴雨產(chǎn)生的徑流量及其攜帶TP負(fù)荷量分別占該斷面年總?cè)霂?kù)徑流量和TP總?cè)霂?kù)負(fù)荷量的47.9%和69.4%.

d) 暴雨徑流對(duì)千島湖水庫(kù)外源TP負(fù)荷產(chǎn)生較大影響，給水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化管理帶來(lái)啟示，如加強(qiáng)對(duì)暴雨后形成TP濃度峰值河段的農(nóng)業(yè)面源和生活污水治理的投入，控制臨湖面城鎮(zhèn)與農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，建設(shè)面源污染攔截工程等.