林曉娟,黃津輝,林 超,郭 勇,侯思琰

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點試驗室,天津 300072; 2. 海河流域水資源保護(hù)局, 天津 300170;3. 海河水利委員會水資源保護(hù)科學(xué)研究所, 天津 300170)

岳城水庫流域污染源模擬

林曉娟1,黃津輝1,林 超2,郭 勇2,侯思琰3

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點試驗室,天津 300072; 2. 海河流域水資源保護(hù)局, 天津 300170;3. 海河水利委員會水資源保護(hù)科學(xué)研究所, 天津 300170)

基于SWAT模型對岳城水庫流域污染源進(jìn)行模擬研究。利用流域出口的觀臺水文站2006—2009年的水量、水質(zhì)等實測數(shù)據(jù)對經(jīng)過校準(zhǔn)的SWAT模型進(jìn)行驗證。結(jié)果表明:岳城水庫流域年均入庫非點源污染負(fù)荷TN為3 025 t,TP為234 t,年均非點源污染貢獻(xiàn)率不足50 %;點源污染中,TN以工業(yè)點源污染為主,其貢獻(xiàn)率達(dá)31.9 %,TP則以城鎮(zhèn)生活點源為主,其貢獻(xiàn)率為36 %;非點源污染中,農(nóng)業(yè)非點源污染源占主要比重,化肥貢獻(xiàn)率最大為16.9%,禽畜養(yǎng)殖污染次之,貢獻(xiàn)率為10.5 %,農(nóng)村生活污染最小;非點源污染的主要來源是耕地,TN和TP年均負(fù)荷分別達(dá)到2.77 kg/hm2和 0.397 kg/hm2,模擬成果可為岳城水庫水源地保護(hù)和流域綜合管理提供新的技術(shù)方法及科學(xué)依據(jù)。

SWAT模型;污染源；點源;非點源;污染貢獻(xiàn)率;岳城水庫

2010年我國對420座水庫的營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行了評價。結(jié)果表明:69%的水庫處于中營養(yǎng)狀態(tài),31%的水庫處于富營養(yǎng)狀態(tài)[1]。海河流域水源地狀態(tài)更為嚴(yán)峻,2010年海河流域20座大型水庫中,有14座達(dá)到富營養(yǎng)水平,占比為70%。岳城水庫是海河流域重要的飲用水水源地之一,盡管其水質(zhì)總體較好,但富營養(yǎng)水平多年來在中營養(yǎng)與輕度富營養(yǎng)化水平之間波動[2]。氮磷營養(yǎng)鹽是造成水庫富營養(yǎng)化的主要污染物[3],與農(nóng)業(yè)非點源污染加劇的關(guān)系越來越密切[4]。

SWAT(soil and water assessment tool)模型[5-6]是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的,具有物理機(jī)制的流域分布式水文模型,其模擬流域污染負(fù)荷方面的能力已得到了國內(nèi)外學(xué)者的證實[3，7-8]。該模型已多次在岳城水庫流域所處的漳衛(wèi)南流域得到應(yīng)用。于磊等[9]利用SWAT模型對漳衛(wèi)南流域水量過程和水量平衡進(jìn)行了模擬分析;孫永亮等[10]應(yīng)用SWAT模型,分析漳衛(wèi)南流域內(nèi)的徑流量、總氮、總磷質(zhì)量以及流域蒸散發(fā)在不同情景下的響應(yīng);徐華山等[11]針對SWAT模型的取用水模塊在中國的應(yīng)用中存在限制,對其源代碼進(jìn)行修改,使其能反映模型模擬子流域在不同年份、不同月份用水量的差異。然而,上述研究均未對污染源模擬進(jìn)行深入探討。

因此,本文采用SWAT模型對岳城水庫流域氮磷污染進(jìn)行模擬研究,估算該流域的非點源污染負(fù)荷,分析不同污染源對岳城水庫水體污染的貢獻(xiàn)率,以期為岳城水庫水源地保護(hù)和流域綜合管理提供新的技術(shù)方法和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

岳城水庫流域地處海河流域南部,位于漳衛(wèi)河水系上游的漳河干流,地理位置為東經(jīng) 114°9′～114°12′,北緯 36°14′～36°18′,地勢較高,平均海拔1 000 m以上,總面積18 072 km2,詳見圖1。岳城水庫建于1959年,庫容近13億m3,它既是兼具防洪、灌溉、供水等多功能的水利樞紐工程,也是河北省邯鄲市和河南省安陽市重要的城市水源地。

圖1 岳城水庫流域地理位置及其DEM示意圖

研究區(qū)涉及山西省長治市、晉中市和順、榆社、左權(quán)3縣以及河北省涉縣,總?cè)丝?97萬人,國內(nèi)生產(chǎn)總值為1 834億元。研究區(qū)域有清漳河、濁漳河兩大支流,在合漳匯合形成漳河干流,在觀臺進(jìn)入岳城水庫。流域位處北溫帶半干旱半濕潤大陸性季風(fēng)型氣候,四季分明,雨熱同期,多年平均降水為569 mm,年均氣溫為7.5～12℃。水資源時空分布不均,年內(nèi)分配多成單峰型,春冬季節(jié)干旱少雨,年內(nèi)約70%的降水集中在汛期。區(qū)內(nèi)土地利用類型以耕地為主,是典型的農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的山區(qū)流域。區(qū)內(nèi)還有關(guān)河、后灣、漳澤3座大型水庫及紅旗渠等4大引水渠。

圖2 土地利用類型分布

圖3 土壤類型分布

2 SWAT模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)采集

研究所采用的主要數(shù)據(jù)有:①30 m分辨率的數(shù)字高程地形圖(digital elevation model-DEM)、1 km分辨率的2005年土地利用類型分布圖和2000年土壤類型分布圖等空間數(shù)據(jù)文件,見圖1～3。②氣象數(shù)據(jù)、土壤物理和化學(xué)屬性等非空間數(shù)據(jù)庫文件。其中,氣象輸入數(shù)據(jù)包括整年的日最高/低氣溫、日降水量、相對濕度、風(fēng)速、太陽輻射等基本數(shù)據(jù)。其中日降水量采用43個雨量站的數(shù)據(jù),其他氣象要素的輸入數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心,共4個站點,其空間位置分布見圖4。③農(nóng)業(yè)管理措施相關(guān)資料,包括農(nóng)作物種植時間、施肥制度和施肥量,其中施肥量主要涉及化肥、禽畜糞便及農(nóng)村生活污水等污染源,主要通過統(tǒng)計年鑒資料獲得;④城鎮(zhèn)生活工業(yè)點源、水庫和引水等相關(guān)數(shù)據(jù)。研究區(qū)域內(nèi)主要點源排放量來自位于濁漳河流域的長治市。根據(jù)2010年海河流域入河排污口調(diào)查資料,研究區(qū)內(nèi)共有109個入河排污口,年入河廢污水量為17 670.5萬t,其中長治市的入河排污口總共76個,年入河廢污水量為12 065.7萬t。

流域中水庫和引水工程對徑流具有重要調(diào)控作用。研究搜集到流域內(nèi)石匣、關(guān)河、后灣、漳澤和岳城5個大型水庫的2006—2009年的逐日出流數(shù)據(jù),將其作為水庫出流控制文件,具體位置分布見圖1。紅旗渠、躍進(jìn)渠、躍峰渠等引水信息采用點源的方式添加,實現(xiàn)其取用水量不同年份、不同月份的差異。

2.2 子流域及水文響應(yīng)劃分

首先,綜合考慮DEM分辨率、實際水系等因素,選定集水面積閾值為24 200 hm2,提取流域內(nèi)的水系。然后,在模型中添加水文、水質(zhì)站點作為子流域出口點[11-12],最終劃分為50個子流域,見圖4?？紤]到模型的運算效率,根據(jù)子流域內(nèi)不同土地利用、土壤類型及坡度,按照土地利用、土壤類型和坡度分級閾值均為6%的設(shè)定,進(jìn)行水文響應(yīng)單元(hydrologic response unit, HRU)的劃分,最終得到911個HRU。

圖4 氣象站和雨量站分布

2.3 模型的校準(zhǔn)與驗證

利用觀臺站2005—2009年的水文、水質(zhì)月數(shù)據(jù),以2005年為模型“預(yù)熱”期,2006、2008年為校準(zhǔn)期,2007年、2009年為驗證期,對模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗證。需要說明的是,因為研究模擬期較短,所以采用隨機(jī)選取年份進(jìn)行率定和驗證的方式;此外,2006年、2007年的降水均比2008年、2009年多,若采用連續(xù)年份進(jìn)行率定,比如率定期為2006年、2007年,驗證期為2008年、2009年,這樣會導(dǎo)致降水多的年份集中在率定期而降水較少的年份集中在驗證期。交叉率定和驗證是為提高模型的適用性和準(zhǔn)確性。模型模擬效果的評價指標(biāo)采用Nash-Sutcliffe efficiency (ENS)[13]及確定性系數(shù)(R2)[14],其計算公式如下。

(1)

(2)

圖5 2006—2009年觀臺站月平均徑流擬合過程線

徑流、TN、TP月均值擬合過程線見圖5～7。徑流模擬中,校準(zhǔn)期ENS、R2分別是0.88和0.93,驗證期ENS、R2分別是0.86和0.92,模擬精度較高。所掌握的泥沙數(shù)據(jù)非常有限,不足以說明由于研究中泥沙模擬的可信度,故未使用泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗證。另外，由于研究區(qū)域內(nèi)營養(yǎng)物的實測數(shù)據(jù)較少,研究中只是對其模擬結(jié)果作全局指標(biāo)評價。TN的ENS、R2分別為0.52和0.79,基本滿足精度要求;TP的ENS、R2分別是0.81和0.94,模擬效果較好。從擬合過程線來看,總體模擬效果較好,但個別峰值差值較大。究其原因,似與5年的模擬期中2007年降雨徑流量最大有關(guān)。綜合來看,校準(zhǔn)和驗證后的SWAT模型適用于岳城水庫流域污染源模擬研究。

圖6 2006—2009年觀臺站月平均TN擬合過程線

圖7 2006—2009年觀臺站月平均TP擬合過程線

3 污染源模擬結(jié)果分析

污染源一般分為點源和非點源。點源主要指城鎮(zhèn)生活污水及工業(yè)排污，非點源主要包括農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖、化肥等農(nóng)業(yè)非點源。

3.1 入庫非點源污染

為保持校準(zhǔn)后的模型參數(shù)不變,在模型輸入數(shù)據(jù)中除去點源數(shù)據(jù),重新運行模型,得到2006—2009年岳城水庫流域入庫非點源污染負(fù)荷及其貢獻(xiàn)率,結(jié)果見表1。可以看出,入庫TN最大負(fù)荷為4 238 t,為最小負(fù)荷量1 775 t的2.4倍,年平均負(fù)荷為3 025 t,相應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別為61.1%、39.4%和48.6%;TP最大負(fù)荷為342 t,為最小負(fù)荷量115t的3倍,年平均負(fù)荷為234 t,相應(yīng)的貢獻(xiàn)率分別為59.2%、30.7%和42.9%。

表1 岳城水庫流域非點源污染結(jié)果

最大入庫非點源污染負(fù)荷及貢獻(xiàn)率出現(xiàn)在2007年,該年降水量也為最大值595 mm,雖然入庫年均流量比2006年小1.3 m3/s,但從流量過程線(圖5)可知,2007年入庫水量集中在汛期(6—9月),汛期平均流量比2006年的大2.5 m3/s,而2006年入庫流量年內(nèi)分配較平均, 非汛期平均流量又比2007年大3.2 m3/s。因此,汛期降雨徑流大,非點源污染負(fù)荷量也大。最小入庫非點源污染負(fù)荷出現(xiàn)在2009年,該年在2008年降雨少的情況下,降雨又比多年平均少13%,故其入庫流量不論是汛期還是非汛期均比2008年小,其年均流量不到2008年的1/2,所以入庫污染負(fù)荷也小。

由此可見,非點源污染主要來自于降水量充沛的汛期,降水徑流量越大,非點污染負(fù)荷越大,貢獻(xiàn)率越高,這與其他學(xué)者認(rèn)為非點源污染物流失一般發(fā)生在降雨和地表徑流產(chǎn)生期間[17-18]的結(jié)論一致。對于流域而言,降水是非點源污染的主要驅(qū)動力;對于流域出口而言,徑流決定了污染負(fù)荷,汛期徑流決定了非點源污染負(fù)荷。

綜合來看,岳城水庫流域的非點源污染與降雨存在正相關(guān),入庫流量是入庫非點源污染負(fù)荷量的關(guān)鍵制約因素,而水庫上游的蓄水及引水工程直接影響到入庫流量及非點源污染負(fù)荷[19];岳城水庫的年均非點源污染貢獻(xiàn)率不足50%,這一方面反映出上游水庫的蓄水及引水渠引水對非點源污染負(fù)荷產(chǎn)生的消納作用,另一方面也說明該區(qū)域點源治理仍需要進(jìn)一步加大力度。

3.2 不同污染源貢獻(xiàn)率

模型不僅考慮了流域內(nèi)的點源和非點源,還考慮了土壤背景值。其中,土壤背景的氮磷流失量與土壤的物理化學(xué)性質(zhì)、土地利用類型、地形、氣候以及過去地表沉積物的積累等因素有關(guān)[20]。通過分別模擬有相應(yīng)污染源輸入和無輸入時入庫水質(zhì)的變化,可以估算出岳城水庫流域內(nèi)不同污染源對入庫TN、TP的污染貢獻(xiàn)率(圖8)。

圖8 不同污染源對入庫TN、TP污染的貢獻(xiàn)率

由圖8可知,對岳城水庫TN污染貢獻(xiàn)最大的是工業(yè)點源,其貢獻(xiàn)率達(dá)31.9%,比生活點源高約12個百分點。農(nóng)業(yè)非點源污染源中,化肥貢獻(xiàn)率最大為16.9%,禽畜養(yǎng)殖污染次之,貢獻(xiàn)率為10.5%,農(nóng)村生活污染最小。岳城水庫TP負(fù)荷的最大污染源是城鎮(zhèn)生活點源排放,其貢獻(xiàn)率為36%,比工業(yè)點源高出約15個百分點。農(nóng)業(yè)非點源污染源貢獻(xiàn)率的排序與TN一致,TP污染貢獻(xiàn)率最大的是化肥為13.4%,是農(nóng)村生活污染最小貢獻(xiàn)率的7.4倍。本文所說的土壤背景,某種意義上是農(nóng)業(yè)非點源的長年累加所產(chǎn)生的,其TN、TP污染貢獻(xiàn)率不可忽視,分別為18.6%、21.5%。

總之,岳城水庫點源污染中,TN以工業(yè)點源污染為主,TP則以城鎮(zhèn)生活點源為主;非點源污染中,農(nóng)村生活、禽畜養(yǎng)殖、化肥等農(nóng)業(yè)非點源污染源占主要比重,其TN污染貢獻(xiàn)率為30%,比土壤背景貢獻(xiàn)率大約11個百分點;TP的農(nóng)業(yè)非點源污染貢獻(xiàn)率為21.4%,與土壤背景貢獻(xiàn)率相當(dāng)。

3.3 不同土地利用貢獻(xiàn)率

將911個HRU的模擬結(jié)果按耕地、草地、林地、城鎮(zhèn)用地4種土地利用類型分別計算TN、TP年均單位面積負(fù)荷及總負(fù)荷量,結(jié)果見表2,其貢獻(xiàn)率直觀圖見圖9。

表2 不同土地利用類型的TN、TP負(fù)荷

圖9 不同土地利用類型的TN、TP貢獻(xiàn)率

由表2可知,岳城水庫流域土地利用類型中耕地面積最大,占總面積的41.9%,其次是草地、林地,分別占32.5%、22.8%,城鎮(zhèn)面積所占比例較小,僅為2%。流域內(nèi)耕地的年均TN負(fù)荷最高,占流域年均總負(fù)荷的86.3%,單位面積耕地的TN年均負(fù)荷達(dá)到2.77 kg/hm2,是草地的6.4倍,遠(yuǎn)超過林地;流域內(nèi)耕地的年均TP負(fù)荷最高達(dá)88.3%,其單位面積負(fù)荷為0.397 kg/hm2,是草地的7倍,遠(yuǎn)超過林地。城鎮(zhèn)用地的單位面積TN、TP負(fù)荷與草地相當(dāng),因其所占面積較小,總負(fù)荷貢獻(xiàn)率僅為0.3%,遠(yuǎn)小于其他土地利用類型。

圖8顯示出耕地所產(chǎn)生的污染物負(fù)荷遠(yuǎn)大于其他土地利用類型,是流域內(nèi)非點源污染的主要發(fā)生地,與以往研究結(jié)論一致[21-22]。這與耕地土質(zhì)疏松且化肥施用量較多等因素有關(guān),在降雨的作用下,耕地土壤中所含有的氮磷元素,隨著徑流和泥沙進(jìn)入河道,致使耕地成為非點源污染貢獻(xiàn)率最高的土地利用類型。

4 結(jié) 論

a. 岳城水庫流域年均入庫非點源TN負(fù)荷為3 025 t,TP負(fù)荷為234 t,非點源污染與降雨存在正相關(guān);年均非點源污染貢獻(xiàn)率不足50%,這一方面反映出上游水庫的蓄水及引水渠引水對非點源污染負(fù)荷產(chǎn)生的消納作用,另一方面也說明該區(qū)域點源治理仍需要進(jìn)一步加大力度。

b. 點源污染中,TN以工業(yè)點源污染為主,其貢獻(xiàn)率達(dá)31.9%,比生活點源高約12個百分點。TP則以城鎮(zhèn)生活點源為主,其貢獻(xiàn)率為36%;非點源污染中,農(nóng)村生活、禽畜養(yǎng)殖、化肥等農(nóng)業(yè)非點源污染源占主要比重。農(nóng)業(yè)非點源污染源中,化肥貢獻(xiàn)率最大為16.9%,禽畜養(yǎng)殖污染次之,貢獻(xiàn)率為10.5%,農(nóng)村生活污染最小。

c. 流域非點源污染的主要來源是耕地,其次是草地、林地。耕地的年均TN、TP負(fù)荷最高,分別占流域年均總負(fù)荷的86.3%和88.3%,TN、TP單位面積年均負(fù)荷分別達(dá)到2.77 kg/hm2和 0.397 kg/hm2。

致謝: 感謝天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司和海河流域水土保持監(jiān)測中心站給予的技術(shù)資料支持。

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Simulation of pollution sources of Yuecheng Reservoir Basin

LIN Xiaojuan1, HUANG Jinhui1, LIN Chao2, GUO Yong2, HOU Siyan3

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.WaterResourcesProtectionBureauofHaiheRiverBasin,Tianjin300170,China;3.ResearchInstituteofWaterResourcesProtection,HaiheWaterConservancyCommittee,Tianjin300170,China)

The pollution sources of Yuecheng Reservoir Basin was simulated based on SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model. A calibrated SWAT model was verified by the measured data of water quantity and water quality of hydrological station in the basin exists in the year 2006—2009. The results show that the average contribution of non-point source was less than 50% with the average annual loadings of TN and TP 3,025t and 234t respectively. In the pollution sources, TN, with its contribution of 31.9%, was mainly from point source pollution of industry, and TP, with its contribution of 36%, was mainly from urban life point source; Non-point source pollution was mainly from agricultural non-point source pollution, with 16.9% contribution of fertilizer and 10.5 % contribution of Livestock breeding pollution. Rural domestic pollution was the minimum. The main source of non-point source pollution is from farmland, with its average annual loadings of TN and TP 2.770 kg/hm2and 0.397 kg/hm2respectively. The simulation results can provide a new technology method and scientific basis for water source protection of Yuecheng Reservoir and integrated management of basin.

SWAT model; pollution sources; point source; non-point source; pollution contribution rate; Yuecheng Reservoir

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.01.012

水利部公益性行業(yè)科研專項(201101018，201201114)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃基金(NCET-09-0586)

林曉娟(1988—),女,碩士研究生,研究方向為水文學(xué)及水資源。E-mail:linxiaojuan_jeney@126.com

X524

A

1004-6933(2015)01-0074-06

2014-05-21 編輯：高渭文)