劉　鵠,王　敏,孟　婷,施練東,程　文

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地,陜西 西安 710048;2.紹興市湯浦水庫有限公司,浙江 上虞 312364)

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湯浦水庫流域非點源污染的時空分布及情景分析

劉鵠1,王敏1,孟婷1,施練東2,程文1

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地,陜西 西安 710048;2.紹興市湯浦水庫有限公司,浙江 上虞 312364)

為了定量研究湯浦水庫流域內非點源污染物的時空分布狀況。建立了基于SWAT模型的流域非點源污染模型,并對模型中各參數進行率定和驗證。模擬結果顯示:流域內泥沙、有機氮和有機磷的流失主要與降雨相關,集中于汛期;空間上,各類污染物來源具有一致性,主要來自流域東部和南部地區(qū);此外,不同土地類型年產污負荷各異,其中農業(yè)用地單位面積產污負荷較高。情景分析表明:農業(yè)生產方式和土地利用類型的改變對流域非點源負荷產生了一定影響。本研究成果將為控制湯浦水庫流域非點源污染提供科學依據。

SWAT模型; 非點源污染; 時空分布; 湯浦水庫

水環(huán)境污染已經成為當前普遍存在的一個世界性問題。水體污染源通常分為點源和面源(即非點源)。工業(yè)生產廢水和城市生活污水的集中排放即為點污染源[1];而非點源污染的來源更為復雜,地表的各類污染物都可以通過徑流過程進入受納水體并引起水質下降,其中以來自農業(yè)生產活動的非點源污染最為嚴重[2-3]。我國水體污染中,非點源污染所占比例為總氮58%、總磷87%、BOD 57%，各類非點源污染物主要通過降雨徑流進入水環(huán)境中[4]。

非點源污染具有發(fā)生的隨機性、影響的滯后性、影響因子的復雜性等特征[5-6]。早期的非點源污染模擬研究多為統(tǒng)計模型[7],其缺點是難以描述污染物遷移路徑與機理[8]。20世紀70年代末,機理模型逐漸成為非點源模型開發(fā)的主要方向,模擬農業(yè)污染的ARM模型以及流域模型ANSWERS和HSP等應運而生。其中以美國農業(yè)部農業(yè)研究中心開發(fā)的CREAMS模型影響最大[9]。在此模型的基礎上,各國科研工作者開發(fā)出一系列類似模型,其中就包括SWRRB模型和SWAT模型等[10]。SWAT模型主要用于對流域內非點源污染過程進行定量描述,對非點源污染的時空特征進行分析,并在此基礎上為流域規(guī)劃管理提供支持[11]。

本研究通過建立湯浦水庫流域SWAT非點源模型,計算流域內非點源污染負荷的時空分布特征,并對非點源污染產生的主要時段和空間位置進行識別,研究不同土地利用類型和管理條件對流域非點源污染產生的影響,為流域非點源污染控制提供依據。

1　研究區(qū)概況

湯浦水庫位于浙江紹興,地形以低山丘陵為主。水庫截流于小舜江下游湯浦鎮(zhèn),壩址北緯30°52′,東經120°47′。水庫流域總面積460 km2,水面面積14 km2,總庫容2.35億m3,設計日供水規(guī)模達100萬t。湯浦水庫淹沒區(qū)及其周邊1 km內為水源一級保護區(qū),面積約52 km2。一級保護區(qū)外,上游流域內其它區(qū)域為二級保護區(qū),面積408 km2,涉及紹興縣、嵊州市6個鄉(xiāng)鎮(zhèn),如圖1所示。

圖1　湯浦水庫流域區(qū)劃Fig.1　The basin map of Tangpu reservoir

湯浦水庫流域多年平均降水量1 564.4 mm,平均徑流深795.2 mm,徑流與降水的年際、年內變化一致。多年平均流量11.6 m3/s,多年平均徑流總量3.66億m3。年內水量逐月分配后,通常呈現大、中、小三峰型。其中,大峰發(fā)生于6月,成因為梅雨;中峰發(fā)生于9月,成因為臺風雨;小峰發(fā)生于3月,成因為春雨。

2　數據與方法

2.1數據及來源

非點源污染模型需要的數據包括空間數據和屬性數據,具體如表1所示。

表1　模型所需數據及來源

2.2子流域及水文響應單元的劃分

取土地利用面積閾值為5%、土壤類型閾值為5%、坡度閾值為5%。據此,將全流域共劃分為288個水文響應單元。在子流域劃分時,將分割閾值定為10 km2,選擇湯浦水庫庫址作為流域出口,將研究區(qū)共劃分為27個子流域，如圖2所示。

圖2　研究區(qū)子流域劃分及河網示意圖Fig.2　Subbasin in the study area and river network diagram

2.3參數率定及驗證

用2002—2008年數據率定模型,用2009—2011年數據對模型各參數進行驗證。根據實測資料,以有機氮和有機磷為指標,采用LH-OAT方法對率定期進行敏感性分析。參數選擇及校正結果如表2所示。

當各污染物、月徑流量和泥沙量模擬值與實測值的相對誤差RE小于15%,決定系數R2大于0.6,Nash-Suttcliffe模擬效率系數Ens大于0.5,說明兩者吻合較好,可以滿足要求,參數評價結果如表3所示。經過參數率定之后,用2009—2011年的數據對模型進行驗證。驗證結果表明:月徑流量、泥沙量、有機氮和有機磷的實測值與模擬值的相對誤差、決定系數及Nash-Sutcliffe模擬效率系數均滿足要求。

表2　模型校正參數閾值

表3　模型參數評價結果

3　非點源污染負荷的時間分布

用SWAT模型對湯浦水庫流域三個不同水文年的非點源污染負荷進行模擬計算。水文年則根據庫區(qū)氣象站多年降雨資料確定。庫區(qū)多年平均降雨量為1 255.3 mm,其中2002年降雨總量為1 694.7 mm,2003年降雨總量為879.3 mm,2006年降雨總量為1 240.4 mm。因此,確定2002年為豐水年、2003年為枯水年、2006年為平水年。非點源污染負荷的模擬結果如表4所示。

不同水文年降雨量不同,會產生不同的徑流量,故泥沙量、有機氮和有機磷等污染負荷也有差異;降雨量、徑流量、泥沙量、有機氮和有機磷負荷均表現出豐水年最大，平水年次之，枯水年最小的規(guī)律。

圖3為不同水文年非點源污染分布狀況圖。由圖3可知,2002年(豐水年)的降雨量、泥沙量、有機氮和有機磷產出都集中在汛期(3～9月),降雨量呈不規(guī)則W形分布,有三個峰值,分布在4月、6月、8月,分別為春雨、梅雨、臺風雨期間。汛期降水量占全年比例的72.28%、泥沙量占全年比例的81%、有機氮占全年比例的84.45%、有機磷占全年比例的85.38%。

表4　不同水文年非點源污染模擬結果

由于2003年(枯水年)降雨量小,10月的降雨量僅為9 mm,因此在模擬過程中,有機氮、有機磷及泥沙等污染物負荷均未出現。本年度降雨量相對較大的月份為3月、6月、8月、11月,對應的有機氮、有機磷等污染物及泥沙產出都比較大。

汛期(4～9月)降水量占全年比例的64.18%、泥沙量占全年比例的66.97%、有機氮占全年比例的62.97%、有機磷占全年比例的63.3%，與豐水年相比,所占比例均有所降低。

圖3　不同水文年降雨量與非點源污染物的時間分布Fig.3　Monthly distribution of rainfall and non-point source pollution in diverse hydrological years

2006年(平水年)的降雨量除汛期較大外,在非汛期的1月和11月降雨量也較大,相應的有機氮、有機磷和泥沙產量也大。雖然污染物及泥沙也隨降雨在非汛期有所分布,但汛期污染物負荷占比更大。汛期降水量占全年比例的64.18%、泥沙量占全年比例的66.97%、有機氮占全年比例的62.97%、有機磷占全年比例的63.3%。

非點源污染通常是伴隨著降雨徑流過程，尤其是暴雨過程而產生的,因此每年汛期都是各種非點源污染產生的主要時期[12]。在這一時段內,一般會有多場歷時長、雨量大的降水過程,故由此產生的水土流失也更加嚴重。所以,流域內的降雨量、徑流量和泥沙量呈明顯的正相關,降雨量越大,地表徑流就會越大,攜帶的泥沙量也越大,同時攜帶的非點源污染物也就越多。

綜上所述,無論是泥沙還是其他污染物的產出,在降雨較多的月份都比降雨較少的月份多,這符合非點源污染物的產生規(guī)律。

4　非點源污染負荷的空間分布

非點源污染負荷的產生與研究區(qū)域內的降雨量、土壤特性、土地利用類型以及地形等因素有著密切關系[13]。根據典型水文年資料,對流域內徑流、泥沙和非點源污染負荷的空間變化規(guī)律進行深入分析。

4.1泥沙空間變化分析

圖4為不同水文年泥沙負荷分布圖。由圖可見,在不同水文年,流域內主要產沙區(qū)的空間分布基本一致,主要集中于流域東南部,包括王院鄉(xiāng)、谷來鎮(zhèn)、王壇鎮(zhèn)部分地區(qū)。這些地區(qū)的河段靠近山區(qū),山地灌木草叢分布較廣,土壤類型主要為黃壤、黃棕壤,可侵蝕性高,且該區(qū)地形坡度較大,土壤侵蝕量大,所以該區(qū)域泥沙產出較大。

圖4　不同水文年泥沙負荷分布圖Fig.4　The distribution of sediments in diverse hydrological years

4.2有機氮、有機磷的空間變化分析

圖5、圖6分別為不同水文年有機氮、有機磷負荷分布圖。由圖可知,水庫流域內有機氮、有機磷污染負荷的主產區(qū)位于東部和南部,與泥沙負荷分布有很好的相關性。

這一方面是由于該地區(qū)土壤類型為黃壤和黃棕壤,在雨季容易發(fā)生水土流失;另一方面,這些地區(qū)也是流域內人口相對集中的區(qū)域,由于生活污水處理不完全,在一定程度上增加了該區(qū)域的非點源污染負荷;此外,該地區(qū)農業(yè)用地所占比例較大,而農業(yè)生產活動使用大量化肥,這進一步增加了該地區(qū)的有機氮、有機磷負荷。

圖5　不同水文年有機氮負荷分布圖Fig.5　The distribution of organic nitrogen load in diverse hydrological years

圖6　不同水文年有機磷負荷分布圖Fig.6　The distribution of organic phosphorus load in diverse hydrological years

4.3不同土地類型的非點源污染負荷

不同土地利用類型的非點源污染負荷不同。研究區(qū)內,四種主要土地利用類型的單位面積年污染負荷差異較大，如表5所示。

泥沙負荷從大到小依次為:耕地>城鎮(zhèn)用地>林地>果園,泥沙負荷最大為耕地531 t/(km2·a),最小為果園54 t/(km2·a);有機氮負荷從大到小依次為:耕地>城鎮(zhèn)用地>果園>林地,有機氮負荷最大為耕地871 kg/(km2·a),最小為林地161 kg/(km2·a);硝態(tài)氮負荷從大到小依次為:耕地>果園>林地>城鎮(zhèn)用地,硝態(tài)氮負荷最大為耕地815 kg/(km2·a), 最小為城鎮(zhèn)用地905 kg/(km2·a); 有機磷負荷從大到小依次為:耕地>城鎮(zhèn)用地>果園>林地, 有機磷負荷最大為耕地105 kg/(km2·a), 最小為林地20 kg/(km2·a)。

耕地因受農業(yè)生產活動和施肥的影響,單位面積非點源污染負荷的貢獻率最大,是非點源污染的主要來源。

城鎮(zhèn)用地中除硝態(tài)氮污染負荷最低外,泥沙、有機氮和有機磷的負荷僅次于耕地。

表5　不同土地利用類型年污染貢獻量

4.4非點源污染控制情景分析

湯浦水庫流域的非點源污染主要來自林地和耕地。林地雖單位面積產污負荷較小,但面積最廣,占整個流域總面積的68%,因此其非點源污染負荷的總量最大。耕地在流域內所占比例只有10.13%,但是單位面積的污染負荷卻是四種土地利用類型中最大的。因此,控制來自耕地的非點源污染物,是減少流域內非點源污染總量的最可行和有效的途徑。為研究不同控制措施下,非點源污染負荷的變化情況,本節(jié)設置兩種情景,一是調整耕地化肥使用量,二是減少耕地面積,分別考察其對流域非點源污染產生的影響。

4.4.1改變化肥使用量

在項目區(qū)耕地實際化肥使用量的基礎上,設置單位面積增加化肥使用量20%和減少化肥使用量20%兩種情景,分別模擬各類污染物的變化情況,如圖7所示。

圖7　不同施肥量下非點源污染負荷Fig.7　Non-point source pollution load in diverse fertilizer rates

從圖7可以看到,泥沙負荷隨施肥量的增加而減小;有機氮、硝態(tài)氮、有機磷等營養(yǎng)物質負荷隨著施肥量的增加而增大。施肥量增加20%,泥沙負荷減小4.33%,有機氮、有機磷和硝態(tài)氮都有所增加,其中有機氮增加最多,增加了17.91%。施肥量減少20%,泥沙負荷增加11.68%,有機氮、有機磷和硝態(tài)氮都有所減小,減小最多的是硝態(tài)氮,減少了11.15%。

合理施肥以后,增加了植物對營養(yǎng)物質的吸收利用,植物生長更加旺盛,地表覆蓋度就會增加,根系也會更加發(fā)達,其對降雨的攔蓄能力也越強,從而能更加有效地減少水土流失,減少泥沙產出。若施肥量過大,沒能被作物有效利用的氮、磷等,就會隨著降雨產生的徑流進入河流湖泊,成為流域非點源污染的來源[14]。相反,若施肥量過小,作物的長勢太弱,其水土保持能力就會下降。所以,農作物的施肥量一定要與作物的生長相適應,使之既能滿足作物生長需要,又不產生污染。

4.4.2改變耕地面積

實際調研中發(fā)現,流域內約有37%的耕地適合退耕還林。模擬過程中,將此部分耕地類型調整為林地,研究該情景下流域內各污染負荷的變化情況,并將模擬結果與退耕還林前的做比較,如表6所示。

表6　退耕還林前后非點源污染負荷變化

從以上結果可以看出,在流域內局部實施退耕還林以后,非點源污染負荷都有減少趨勢。流域內月平均徑流量減少2%,單位面積泥沙量減少14%,有機氮、有機磷分別減少13.7%和15.2%。

耕地減少以后,肥料的用量就會減少,這有利于非點源污染負荷的降低。耕地變?yōu)榱值睾?植被覆蓋度增加,水土流失狀況得到改善,泥沙量也會隨之減小?？梢?為控制流域內非點源污染負荷,繼續(xù)實施退耕還林并控制農業(yè)生產活動中肥料的用量是非常必要的措施。

5　結論及建議

1) 湯浦水庫流域非點源污染負荷年內產出不均,主要集中在汛期(4月～9月),汛期污染物負荷占全年污染物負荷的70%～80%左右。

2) 非點源污染負荷較大的區(qū)域分布于流域的南部和東部地區(qū)。這些區(qū)域廣泛分布的黃壤和黃棕壤容易被侵蝕,從而造成大量的水土流失;此外,這些地區(qū)又是人口集中區(qū),農業(yè)用地多,進一步增加了該地區(qū)有機氮、有機磷污染物的負荷。

3) 不同土地利用類型單位面積的非點源污染產出率不盡相同。單位面積泥沙產量由大到小依次為:耕地>城鎮(zhèn)用地>林地>果園;單位面積有機氮產量由大到小依次為:耕地>城鎮(zhèn)用地>果園>林地;單位面積硝態(tài)氮產量由大到小依次為:耕地>果園>林地>城鎮(zhèn)用地;單位面積有機磷產量由大到小依次為:耕地>城鎮(zhèn)用地>果園=林地。

4) 情景分析結果表明,在流域內進一步實施退耕還林,改變傳統(tǒng)農業(yè)生產方式,控制農業(yè)生產活動中的化肥使用量,可以有效減少非點源污染負荷。

因此,為確保水庫水質安全,有效控制非點源污染,管理者應該著眼于整個流域,有計劃地繼續(xù)實施流域內人口外遷,在水土流失重點區(qū)域應該構筑水土保持設施,進一步控制水土流失,同時對流域內農業(yè)生產方式進行控制和優(yōu)化,嚴控農業(yè)非點源污染。

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(責任編輯周蓓)

Temporal-spatial distribution of non-point source pollution and scenario simulation of Tangpu reservoir watershed

LIU Hu1,WANG Min1,MENG Ting1,SHI Liandong2,CHENG Wen1

(1.State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 2.Shaoxing Tangpu Reservoir Co. Ltd., Shangyu 312364, China)

In order to explore the temporal-spatial distribution of non-point source pollution of Tangpu reservoir watershed. The non-point pollution model is established based on SWAT (Soil and Water Assessment Tool)model. The model is first calibrated and then to be validated. The simulation result shows that in the reservoir watershed, the loss of sediment, organic nitrogen and organophosphorus related with precipitation occurring mainly in flood season. The non-point pollutions are mainly arising from the eastern and northern of the basin. The source shows the consistency in space. The contents of pollution are uneven in different lands. Maximum sediment load is agricultural land with Scenario analysis showing that farmer work and land use type have an effect on non-point source pollution load. These research results will provide a scientific basis for controlling non-point source pollution in Tangpu reservoir.

SWAT model; non-point pollution; temporal-spatial distribution; Tangpu reservoir

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.03.012

2016-01-10

國家自然科學基金資助項目(51679192)；廣東省水利科技創(chuàng)新資助項目(2015-06);陜西水利科技計劃資助項目(2014slkj-12)

劉鵠,男,博士生，研究方向為水污染控制。E-mail:1004761354@qq.com

程文,女,教授,博導，研究方向為水污染控制原理與技術。E-mail:wencheng@xaut.edu.cn

S127

A

1006-4710(2016)03-0321-07