陶淑蕓 王 震

水文水資源

連云港市薔薇河流域非點(diǎn)源污染模型研究

陶淑蕓 王 震

一、流域概況

薔薇河發(fā)源于江蘇省徐州市的馬陵山和踢球山，穿過新沂、沭陽、東海縣和連云港市區(qū)四個縣市，在魯蘭河口分薔薇河和東站引河兩支，與新沭河交匯入臨洪河，河道全長97km，在連云港市境內(nèi)長50km。薔薇河流域內(nèi)地勢平坦，由西南向東北傾斜，西部為丘陵山區(qū)，東部為平原區(qū)，流域面積1349.6km2。

二、污染現(xiàn)狀

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動影響加劇，薔薇河流域整體呈現(xiàn)受污染狀態(tài)。根據(jù)調(diào)查，薔薇河是跨市境的防洪排澇河流，承擔(dān)著境外宿遷市、新沂市及境內(nèi)東?？h西南部地區(qū)和市區(qū)的防洪排澇任務(wù)，河道支流較多，且入口處多無控制，流域內(nèi)農(nóng)田退水、生活污水等可直接或通過支流間接進(jìn)入干流水體。特別是每年的灌溉季節(jié)，上游大量農(nóng)田棄水經(jīng)田間河網(wǎng)匯入薔薇河，造成了輕度的非持久性污染。

薔薇河流域的污染多來自非點(diǎn)源污染，亦稱面源污染，其定義是指溶解的或固體的污染物從非特定的地點(diǎn)，在降水或降雪的沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體，并引起水體富營養(yǎng)化或其他形式的污染。主要來源包括水土流失、農(nóng)藥化肥過量施用、城市地表累積物、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)與農(nóng)村廢棄物等。與點(diǎn)源污染相比，非點(diǎn)源污染起源于分散、多樣的地區(qū)，地理邊界和發(fā)生位置難以識別和確定，隨機(jī)性強(qiáng)、成因復(fù)雜、潛伏周期長，因而防治十分困難。隨著各國政府對點(diǎn)源污染控制的重視，點(diǎn)源污染在包括我國在內(nèi)的許多國家已經(jīng)得到較好的控制和治理；而非點(diǎn)源污染由于涉及范圍廣、控制難度大，目前已成為影響水體環(huán)境質(zhì)量的重要污染源。

對薔薇河流域非點(diǎn)源污染的研究，目前多通過實(shí)測、調(diào)查統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算，由于流域地形、氣象和水文條件的千差萬別，所得結(jié)果的適用性、合理性缺乏有效的分析與檢驗(yàn)。為此考慮建立MIKE11模型，綜合利用流域地形、土地利用、土壤、氣象、水文與水質(zhì)等多元數(shù)據(jù)，識別和分析薔薇河流域非點(diǎn)源污染特征，通過模型率定與驗(yàn)證，得出更為科學(xué)合理的結(jié)果。

三、模型簡介

該研究首先利用MIKE11NAM模塊建立薔薇河流域水文模型，用來模擬流域內(nèi)的降雨徑流過程，為河網(wǎng)水動力模擬提供入流邊界。然后基于NAM模型的結(jié)果，通過MIKE LOADCalculator（污染負(fù)荷評估模塊）對流域的污染負(fù)荷進(jìn)行估算。污染負(fù)荷評估模塊基于ArcGIS開發(fā)，考慮了降雨徑流、地形、土地利用類型及溫度多個因素對污染負(fù)荷遷移轉(zhuǎn)化的影響，可以很好地反映污染負(fù)荷的空間屬性，并與水質(zhì)模型相耦合生成相應(yīng)邊界，分析流域內(nèi)各種污染源產(chǎn)生的負(fù)荷，以點(diǎn)源或非點(diǎn)源形式分配到模擬河網(wǎng)中，即時反映污水排放對河道水質(zhì)的影響。

該模塊主要考慮了流域的截留和衰減作用，在模型中對農(nóng)業(yè)、畜禽污染和生活污染都考慮了一個入河系數(shù)，以反映流失作用和距離降解帶來的削減作用。由于各類污染負(fù)荷的入河系數(shù)取決于地形坡降、土壤類型、降雨量以及污染物產(chǎn)生地到入河點(diǎn)的距離等多種因素，該系數(shù)取值需結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r、以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)以及水質(zhì)模型的率定情況來獲得。

流域內(nèi)的生活污水（未納管部分）往往是通過化糞池或簡易溝渠系統(tǒng)進(jìn)入水體，其排放受降雨徑流的影響較小，一般均認(rèn)為生活污染負(fù)荷的排放不受降雨徑流的影響；而畜禽排泄物一般作為肥料施放在農(nóng)田中，只能在降雨過程中隨地表徑流進(jìn)入水體。由于雨強(qiáng)越大，其沖刷作用越強(qiáng)烈，所以假定畜禽負(fù)荷和化肥負(fù)荷的排放強(qiáng)度與降雨徑流強(qiáng)度成正比，可結(jié)合降雨徑流模型計(jì)算其入河過程。

表1 模型輸入數(shù)據(jù)

圖1 薔薇河流域各類污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率

四、模型搭建

1.模型數(shù)據(jù)庫建立

MIKE11模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（見表1）主要由水文、氣象和水動力數(shù)據(jù)三部分組成，包括：流域地形圖、降雨和蒸發(fā)數(shù)據(jù)、斷面數(shù)據(jù)、水工建筑物的相關(guān)信息等，以搭建一套完整可靠的薔薇河水系水動力學(xué)模型；流域內(nèi)近年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，用于評估薔薇河的水質(zhì)變化情況和進(jìn)行水質(zhì)模型的搭建和率定；污染負(fù)荷數(shù)據(jù)，用于研究區(qū)域內(nèi)的污染負(fù)荷評估并作為水質(zhì)模型的基本輸入。

2.子流域劃分

根據(jù)分布式水文模型子流域劃分方法，該研究將薔薇河流域劃分成為15個子流域，并根據(jù)各子流域的總面積及其包含的圩區(qū)面積建立模型。子流域內(nèi)的面平均降水量根據(jù)流域內(nèi)雨量站分布采用泰森多邊形法依面積加權(quán)計(jì)算。

3.污染負(fù)荷調(diào)查

該研究以2009年為模型率定年，對匯入流域的主要污染物高錳酸鹽指數(shù)和氨氮進(jìn)行調(diào)查，污染源主要為流域內(nèi)未納入污水收集系統(tǒng)的農(nóng)村和城鎮(zhèn)生活污染、畜禽養(yǎng)殖污染以及農(nóng)業(yè)化肥施用產(chǎn)生的污染。根據(jù)地方統(tǒng)計(jì)年鑒中的社會經(jīng)濟(jì)資料和實(shí)地調(diào)查，以縣為單元對流域內(nèi)產(chǎn)生的污染負(fù)荷進(jìn)行概化估算。薔薇河流域主要涉及到連云港市轄區(qū)以及東?？h、沭陽縣3個縣區(qū)域。

通過各地市的統(tǒng)計(jì)年鑒，得到研究范圍內(nèi)各行政區(qū)的人口分布情況為農(nóng)業(yè)人口2952502人，非農(nóng)業(yè)人口1911195人；畜禽出欄量或存欄量為豬245.51萬頭，牛7.86萬頭，羊35.98萬頭，大牲畜53300萬只，家禽1447萬只；按折純量計(jì)的氮肥施用量為22萬t/a。

4.模型計(jì)算與率定

通過與水質(zhì)模型耦合進(jìn)行聯(lián)合率定，獲得各類污染負(fù)荷平均入河系數(shù)。由于薔薇河流域多為平原地區(qū)，加上圩區(qū)滯留作用，該流域內(nèi)產(chǎn)生的面源污染隨徑流匯入模型河網(wǎng)的時間相對較長，因而削減量較大。居民生活污染入河系數(shù)0.3，畜禽養(yǎng)殖污染入河系數(shù)0.16，化肥施用入河系數(shù)0.02。

基于率定后的參數(shù)值，應(yīng)用LOAD負(fù)荷模型估算得到薔薇河流域污染負(fù)荷量分別為CODMn17729t/a，氨氮1090t/a。其中CODMn有6568t/a來自畜禽養(yǎng)殖，4512t/a來自城鎮(zhèn)生活，6649t/a來自農(nóng)村生活；氨氮有159t/a來自畜禽養(yǎng)殖，388t/a來自化肥流失，174t/a來自城鎮(zhèn)生活，369t/a來自農(nóng)村生活。比較各類污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率（圖1），發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)村生活對CODMn貢獻(xiàn)率較大（約占80%），農(nóng)村生活和化肥施用對氨氮貢獻(xiàn)率較大（約為80%）。

五、結(jié)論

根據(jù)MIKE11模型率定結(jié)果，薔薇河流域非點(diǎn)源污染主要來自流域內(nèi)的農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖污染排放和化肥流失，其中農(nóng)村生活污水排放對CODMn的貢獻(xiàn)率達(dá)38%，對氨氮的貢獻(xiàn)率達(dá)34%；畜禽養(yǎng)殖污染排放對 CODMn的貢獻(xiàn)率達(dá)37%；化肥流失對氨氮的貢獻(xiàn)率達(dá)36%?；谏鲜鑫廴矩暙I(xiàn)率可知，薔薇河流域非點(diǎn)源污染形勢嚴(yán)峻。通過采取提高生活污水收集處理率、開展化肥減施、減少畜禽養(yǎng)殖污水排放等一系列有針對性的治污控污措施，可有效減小薔薇河流域非點(diǎn)源污染，改善流域水環(huán)境

（作者單位：江蘇省水文水資源勘測局連云港分局 222004）