張一楠，黃介生，伍靖偉

(武漢大學(xué) 水資源與水利水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

非點源 (Non-pointsource )污染也稱面源污染或者分散源污染，是指時空上無法定點監(jiān)測的，與大氣、水文、土壤、植被、土質(zhì)、地貌、地形等環(huán)境條件和人類活動密切相關(guān)的，可隨時隨地發(fā)生的，直接對水環(huán)境構(gòu)成污染的污染物來源[1]。其來源主要包括化肥、農(nóng)藥、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活污水及廢棄物和其他農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。隨著點源污染治理進(jìn)程的加快，非點源污染已經(jīng)逐步成為影響水體質(zhì)量的重要污染源。目前全球有30%～50%的地表水體受到非點源污染的影響[2]。我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，河湖非點源污染問題也已經(jīng)十分嚴(yán)峻，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果統(tǒng)計，黃河流域、北京密云水庫、江蘇太湖流域的非點源污染負(fù)荷比例已經(jīng)超過點源[3-5]。非點源污染在長江流域的影響也不容小視，由于農(nóng)藥化肥的過量使用、畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展、農(nóng)村廢棄物的丟棄等導(dǎo)致長江上游部分地區(qū)的非點源污染已經(jīng)遠(yuǎn)超過點源[6]。

香溪河是長江干流三峽庫區(qū)壩首的第一大支流，近年來，隨著三峽水庫的蓄水運(yùn)行和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，香溪河流域水體呈現(xiàn)惡化趨勢，流域水資源的可持續(xù)利用受到了威脅。作為典型的以農(nóng)業(yè)為主的小流域，非點源污染對香溪河流域水環(huán)境的影響受到諸多學(xué)者關(guān)注。陳玲等從機(jī)理的角度探究了香溪河流域坡耕地氮磷流失規(guī)律[7]；宋林旭等以坡面徑流小區(qū)實驗為手段，解析了非點源污染在降雨匯流過程中的輸出規(guī)律[8]。本文以SWAT模型為工具，建立香溪河流域分布式水文模擬系統(tǒng)，定量模擬近年來流域的非點源污染現(xiàn)狀，分析當(dāng)?shù)胤屈c源污染時空變化規(guī)律，并通過設(shè)置不同管理措施(BMPs)，探求流域非點源污染治理的可行手段，以期為流域水資源規(guī)劃和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

香溪河(110°25′～111°00′E，30°38′～31°34′N)，位于湖北省西部，長江西陵峽北側(cè)。發(fā)源于神農(nóng)架源頭林區(qū)，流經(jīng)興山縣，最終在秭歸縣香溪鎮(zhèn)注入長江。本次研究所涉及氣象站及水文站分別為興山氣象站和興山水文站。地理位置圖見圖1。

圖1 研究區(qū)域地理位置Fig.1 Map of the study area

香溪河干流長94 km，主要水系為中部古夫水系、西支南陽水系和東支高嵐水系，流域面積為3 099 km2，年平均徑流量為19.56 億m3，多年平均流量為62.5 m3/s。流經(jīng)地多處深山峽谷，自然落差大，水能資源較豐富。流域土壤類型繁多，土地利用類型多樣，植被垂直分布差異性顯著，森林覆蓋率達(dá)60%以上。

1.2 基于SWAT模型的分布式水文模型的建立

分布式水文模型是探索和認(rèn)識水文過程的有效手段。與集總式水文模型不同，分布式水文模型能夠考慮水文參數(shù)和過程的空間變異性，能夠更加準(zhǔn)確、客觀的還原自然界中水文循環(huán)過程，SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型作為分布式水文模型的典型代表，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各流域的水文模擬及水土資源高效利用的研究中。

模型的建立需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要包括空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)，具體見表1。根據(jù)研究需要，本文所選用的空間數(shù)據(jù)投影坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS_1984_UTM_ZONE_49N，地理坐標(biāo)系統(tǒng)選擇GCS_WGS_1984。最終流域被劃分為36個子流域，560個水文響應(yīng)單元(HRU)。

1.3 不同最佳管理措施的選取與設(shè)定

“最佳管理措施”(BMPs)被美國環(huán)保局定義為“任何能夠減少或預(yù)防水資源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和維護(hù)程序”[9]。本文試圖從養(yǎng)分管理(減少化肥施用量)和景觀管理(退耕還林、設(shè)置過濾帶)兩個角度對香溪河流域非點源污染治理進(jìn)行探討。具體設(shè)置以下五種情景：①削減10%的化肥用量；②削減20%的化肥用量；③將流域15°以上坡耕地退耕還林；④設(shè)置5 m過濾帶；⑤設(shè)置10 m過濾帶。

表1 SWAT模型建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備Tab.1 Basic data of building SWAT model

1.4 模擬效率評價方法

根據(jù)已掌握水文序列資料(興山水文站監(jiān)測的2006-2015年月流量數(shù)據(jù)、興山站監(jiān)測斷面2010-2015年月總氮、總磷數(shù)據(jù))，本文采用2006-2013年徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，2014-2015年徑流序列作為驗證，水質(zhì)模擬中，采用2010-2014年總氮、總磷序列進(jìn)行率定，2015年水質(zhì)數(shù)據(jù)作為驗證。率定工具為SWAT-CUP軟件并結(jié)合手動調(diào)參進(jìn)行。本文選用的模型率定參數(shù)見表2。

本模型采用確定性系數(shù)R2和Nash-Suttcliffe(Ens)系數(shù)作為評價模型適用性的檢驗參數(shù)。計算方法如下：

表2 SWAT模型參數(shù)調(diào)整Tab.2 Ranges of parameters

式中：Qm,i為實測流量；Qp,i為模擬流量；Qm,avg為多年實測平均流量；Qp,avg為多年模擬平均流量；n為實測時間序列長度。

二者分別評價模擬值與實測值在變化趨勢與數(shù)量上的相似性。當(dāng)R2=1時，表示模擬值與實測值非常吻合，當(dāng)R2<1時，其值越大，兩者的相似性越高。Ens的取值介于-∞與1之間，該值越接近1表示模擬效果越好。一般認(rèn)為，R2>0.6,Ens>0.5時，模型的模擬效果較好，模型具有較高的可信度。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型率定和驗證結(jié)果

表3分別是率定期和驗證期各指標(biāo)模擬結(jié)果的確定性系數(shù)R2和Nash-SuttcliffeEns系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果?？傮w看來，該模型所模擬的徑流、總氮和總磷數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)間的檢驗參數(shù)均滿足上述一般要求，可以得出結(jié)論：興山站點率定期和驗證期下徑流、總氮、總磷的月尺度模擬值和實測值均表現(xiàn)出較好的吻合性，本文所建立的SWAT模型可以在香溪河流域進(jìn)行應(yīng)用及進(jìn)一步研究。

表3 SWAT模型率定及校驗成果Tab.3 Evaluation parameters of simulation results

2.2 非點源污染物輸出的時間特征

2.2.1 年際變化

將2006-2015年香溪河流域的非點源污染輸出按年際統(tǒng)計，探究降雨、徑流與泥沙、總氮、總磷的趨勢關(guān)系(圖2)，發(fā)現(xiàn)年水量、泥沙、總氮、總磷輸出趨勢均與降雨保持一致，隨降雨量呈現(xiàn)豐多枯少的特征，反映了降雨是流域水文活動的先決條件。進(jìn)一步計算研究期內(nèi)降雨與泥沙、總氮、總磷三項指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)，由高至低依次為：降雨-總氮(0.95)、降雨-總磷(0.83)、降雨-泥沙(0.79)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，本次模擬中，硝態(tài)氮占總氮的比例達(dá)90%以上，而硝態(tài)氮溶解度較大，攜帶負(fù)電荷，與同樣攜帶負(fù)電荷的土壤膠體和顆粒相互排斥，是土壤中移動性最強(qiáng)的一種氮素，降雨時極易隨地表及地下徑流入河，故降雨和氮素的相關(guān)性最高。而降雨與泥沙的相關(guān)性最低，表土在雨滴分離和地表徑流沖刷的共同作用下形成泥沙，場次降雨中并非所有雨量都能轉(zhuǎn)化成可以剝離表土的地表徑流，一部分雨量滲入地下形成地下徑流，而氮素可以同時隨地表、地下徑流流失，這導(dǎo)致降雨-泥沙的相關(guān)系數(shù)較降雨-總氮低。與降雨相比，徑流與泥沙、總氮、總磷的相關(guān)系數(shù)分別為0.87、0.98、0.89，分別高于降雨-泥沙、降雨-總氮、降雨-總磷間的相關(guān)系數(shù)，說明降雨形成的徑流才是污染物遷移轉(zhuǎn)化的最直接載體。

圖2 降雨與徑流、泥沙、總氮、總磷趨勢圖Fig.2 Curves of the tendency between rainfall, runoff, sediment, total nitrogen and total phosphorus

2.2.2 年內(nèi)變化

為研究月尺度上非點源污染負(fù)荷變化規(guī)律，對2006-2015年香溪河流域出水口河段的污染負(fù)荷輸出量進(jìn)行統(tǒng)計，得到月均值變化曲線如圖3所示?？梢钥闯?，香溪河流域非點源污染物額輸出呈現(xiàn)很強(qiáng)的季節(jié)性特征，多集中在夏、秋季，為了進(jìn)一步探究不同水文條件下非點源污染輸出的負(fù)荷比重，對香溪河流域2006-2015年每年豐、平、枯水期(根據(jù)長江流域多年降雨徑流規(guī)律研究，結(jié)合香溪河流域特性，最終確定枯水期為12、1、2、3月，平水期為10、11月，豐水期為4-9月[3,10])污染負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖4。豐水期降雨、徑流、泥沙、總氮及總磷的貢獻(xiàn)率均達(dá)到80%以上，平水期、枯水期的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率較為接近，均在10%左右，因此，香溪河流域非點源污染的控制重點在豐水期。土壤前期含水率是影響降雨-徑流過程的重要因素，枯水季節(jié)土壤含水率小，即便發(fā)生單次較強(qiáng)降雨，徑流的去向也以下滲補(bǔ)給土壤水為主，這直接導(dǎo)致枯水期徑流、泥沙、總氮及總磷的貢獻(xiàn)率都很低。

圖3 流域出口處污染負(fù)荷月均值變化圖Fig.3 Curves of monthly value on average of the exit in the basin

圖4 豐、平、枯水期香溪河流域污染貢獻(xiàn)量Fig.4 Curves of contributions of non-point pollution during wet period, flat period and dry period

2.3 不同土地利用類型條件下污染物空間輸出特征

香溪河流域的土地利用以林地、草地、農(nóng)用地(旱地、水田)為主，分別占土地利用的68%、17%、13%。為了研究不同土地利用類型下農(nóng)業(yè)非點源污染情況，結(jié)合HRU輸出文件，對香溪河流域主要的幾種土地利用類型下泥沙及污染物輸出強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖5。由圖5可見，不同土地利用類型下泥沙和總磷輸出趨勢一致，而總氮較二者而言略有差異，這是由于氮、磷的流失機(jī)制不同造成的，相對氮素而言，被侵蝕的泥沙更易攜帶磷素流失，因此，泥沙和總磷的輸出趨勢較為同步。水田的泥沙、總氮及總磷的輸出強(qiáng)度最大，分別為5.7 t/hm2、0.85 kg/hm2和0.32 kg/hm2，旱地的總氮輸出強(qiáng)度與水田基本持平，而泥沙和總磷輸出能力卻低于水田，這種差異是淹水條件不同所導(dǎo)致的氮、磷賦存形式不同造成的。水田間常處于淹水狀態(tài)，較旱地而言通氣性較差，在通氣性良好的旱地中，施入的氮肥更易轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮素，更易隨降雨徑流流失，而磷素主要隨泥沙侵蝕流失，降雨量較小時，被剝離的表土泥沙量也十分有限，對于水田而言，田面經(jīng)常滯留的水對磷素有溶出作用，這導(dǎo)致磷素在降雨徑流的作用下更容易被裹挾帶入受納水體，故單位面積濃度較高[11]。香溪河流域草地非點源污染的貢獻(xiàn)量也不容小視，原因是在香溪河流域，畜禽養(yǎng)殖也是面源污染的重要來源，其對非點源污染氮、磷的貢獻(xiàn)率分別在45%和34%左右，本研究中草地是畜禽養(yǎng)殖污染的主要受納地，另外，草地常處于無人看管的自然狀態(tài)，植株高度矮小，植被覆蓋度不高，地表容易處于裸露狀態(tài)，這些原因都導(dǎo)致草地易在較大雨強(qiáng)中發(fā)生水土流失。林地的泥沙及總氮、總磷的輸出強(qiáng)度最小，分別為0.01 t/hm2、0.66 kg/hm2和0.008 kg/hm2，體現(xiàn)了林地涵養(yǎng)水源的良好功能。

圖5 不同土地利用類型污染輸出強(qiáng)度比較Fig.5 Curves of ability of outputting pollution in different land-use type

2.4 香溪河流域非點源污染控制最佳管理措施篩選

在設(shè)置上述5種最佳管理措施的情境方案下，產(chǎn)沙量與非點源污染負(fù)荷的削減情況見表4。

表4 不同最佳管理措施(BMPs)下香溪河流域污染負(fù)荷削減情況Tab.4 Different results of pollution reductionunder different BMPs

由表4可以看出，削減化肥施用量對泥沙、TN、TP的削減效果一般，對總氮、總磷的削減率分別在3.8%和0.8%左右，且多減少10%化肥量并沒有給非點源污染的削減帶來較明顯的效果。對情景③、情景④和情景⑤的綜合分析發(fā)現(xiàn)：設(shè)置過濾帶對泥沙的削減效果最明顯，與之相對應(yīng)的，其對總磷的削減效果也較好。在總氮的削減上，退耕還林、設(shè)置5 m過濾帶、設(shè)置10 m過濾帶的削減比例分別為24.41%、3.94%和5.88%，退耕還林對總氮的削減效果明顯高于設(shè)置過濾帶。另外，情景模擬結(jié)果也顯示，退耕還林對總磷的削減率高達(dá)38.27%，為5種治理措施中效果最佳。綜上，對泥沙的治理應(yīng)從退耕還林入手，對總氮和總磷的削減則依靠退耕還林更為有效。

3 結(jié) 語

本研究通過在三峽庫區(qū)香溪河流域建立SWAT模型，進(jìn)行了流域的非點源污染負(fù)荷模擬及相應(yīng)治理措施探究，結(jié)果表明：

(1)從年際角度探究香溪河流域非點源污染特征，香溪河流域的污染物輸出和年降雨量有較明顯的相關(guān)性，而徑流—泥沙、徑流—總氮、徑流—總磷的相關(guān)系數(shù)要高于降雨—泥沙、降雨—總氮、降雨—總磷的相關(guān)系數(shù)，表明徑流是流域氮素、磷素流失的主要誘因；從年內(nèi)角度探究非點源污染特征，香溪河流域非點源N、P污染的輸出隨季節(jié)呈現(xiàn)豐多枯少的特性，豐水期污染物占比約為全年總量的80%以上；不同土地利用條件下污染物輸出能力有很大差異，總氮方面，表現(xiàn)為：水田>旱地>草地>林地；泥沙和總磷表現(xiàn)為較明顯的一致性，不同土地利用類型的輸出能力依次為：水田>草地>旱地>林地。

(2)非點源污染控制最佳管理措施的探究結(jié)果表明，在本文所探究的5種措施中，退耕還林和設(shè)置過濾帶對減少非點源污染的入河量有較為顯著的效果，其中退耕還林在對總氮和總磷的削減效果中最為顯著，設(shè)置過濾帶對泥 沙的攔截效果最明顯。適量減少農(nóng)藥化肥的施用量也能夠從源頭上控制非點源污染，但對污染物的削減率要略低于退耕還林和過濾帶設(shè)置這兩項措施。

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