張青梅,韓 峰,劉 湛,向仁軍

(1.湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 水污染控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410004；2. 南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，深圳，518055)

湘江是典型的重金屬(如鎘、汞、鉛等)污染河流，已有報(bào)道表明非點(diǎn)源是湘江重金屬污染的重要來(lái)源之一。分布式水文模型 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用較為廣泛的研究非點(diǎn)源污染的模型之一，也被美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(USEPA)作為最大日負(fù)荷總量(TMDL)計(jì)劃的首選模型，已在國(guó)外廣泛開(kāi)展應(yīng)用[1～4]。在我國(guó)，林鐘榮采用SWAT模型對(duì)湘江一個(gè)匯水區(qū)域的鎘面源污染進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并進(jìn)行不確定性分析，模擬結(jié)果顯示，研究區(qū)鎘面源污染負(fù)荷總量約為2 435kg/a，受污染土壤對(duì)于鎘面源負(fù)荷量貢獻(xiàn)率達(dá)65.7%[5]。李丹構(gòu)建了汾河運(yùn)城段的非點(diǎn)源污染SWAT模型，結(jié)果表明研究區(qū)域的非點(diǎn)源TN、TP負(fù)荷中分別有46.3%和53.5%為土壤養(yǎng)分流失所產(chǎn)生[6]。陳媛采用SWAT模型的三峽庫(kù)區(qū)大流域不同土地利用情景對(duì)非點(diǎn)源污染的影響研究表明，通過(guò)退耕還林措施將25°、15°、6°以上的耕地轉(zhuǎn)化為林地可達(dá)到較好的非點(diǎn)源污染消減效果，相同區(qū)域的草地轉(zhuǎn)化為林地所產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)化為耕地而產(chǎn)生的污染物[7]。國(guó)內(nèi)其他學(xué)者也使用SWAT模型開(kāi)展了很多研究[8～12]。

河流重金屬污染防治必須加強(qiáng)非點(diǎn)源重金屬污染防控。本研究針對(duì)典型重金屬污染河流湘江株洲段匯水區(qū)域，利用分布式水文模型 SWAT模擬不同面源途徑對(duì)湘江汞重金屬污染的貢獻(xiàn)率，并對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，旨在為面源重金屬汞污染的防治提供決策依據(jù)。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)地理位置

本研究選定湘江株洲市楓溪至馬家河段的匯水區(qū)域作為研究區(qū)域。該區(qū)域位于長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三市交界處，主要部分位于株洲市內(nèi)，其余部分位于株洲市下轄的株洲縣內(nèi)和長(zhǎng)沙的瀏陽(yáng)市、長(zhǎng)沙縣內(nèi)。楓溪至馬家河段全長(zhǎng)13.6km，其匯水面積約為476km2。湘江株洲市楓溪至馬家河段自上而下有楓溪港、建寧港、白石港、銅塘港、霞灣港5條支流匯入，見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)水系分布圖Fig.1 The drainage pattern of the studied area

1.2 SWAT模型的建立及參數(shù)調(diào)整

1.2.1 子流域劃分

將數(shù)字高程圖層(DEM)導(dǎo)入到ArcSWAT2009，進(jìn)行子流域與河網(wǎng)的自動(dòng)劃分。子流域數(shù)量確定的基本原則是：一方面能夠清楚的表示出流域重金屬面源污染負(fù)荷量的空間差異性；另一方面又不至于劃分過(guò)細(xì)，從而增加數(shù)據(jù)收集、處理和模型運(yùn)算的難度。

1.2.2 水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐?/p>

將土地利用圖層與土壤圖導(dǎo)入到SWAT 模型中，添加土壤和土地利用索引表，ArcSWAT2009將自動(dòng)劃分出由土壤、土地利用、坡度三者共同確定的水文響應(yīng)單元(HRU)。

1.2.3 生成氣象發(fā)生器

SWAT模型運(yùn)行所需的基本氣象數(shù)據(jù)取自“中國(guó)氣象局的中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集”中株洲氣象站2001～2009年的每日最高最低氣溫、每日降雨量、每日濕度、每日平均風(fēng)速等氣象要素的觀測(cè)值。將原始?xì)庀髷?shù)據(jù)按照SWAT 所要求的一定格式以DBF 文檔進(jìn)行存儲(chǔ)，然后輸入到ArcSWAT2009。SWAT模型將自動(dòng)生成對(duì)象流域的氣象發(fā)生器，以提供SWAT 模型運(yùn)算所需的氣象信息。

1.2.4 模型運(yùn)行

在上述數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作完成后，可自動(dòng)生成SWAT 模型運(yùn)行程序。本研究對(duì)2001～2009年這9年進(jìn)行了SWAT模型運(yùn)算，以日為模擬的時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)研究區(qū)域的產(chǎn)流和產(chǎn)沙過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。其中，2001 年作為模型預(yù)運(yùn)行期，而2002～2009年為模擬期。

1.2.5 模型參數(shù)的調(diào)整

為了使得模型模擬的結(jié)果能夠符合實(shí)際情況，對(duì)模型中影響水文與土壤侵蝕的關(guān)鍵參數(shù)取值進(jìn)行了調(diào)整(即模型的率定過(guò)程)。參數(shù)調(diào)整的目標(biāo)是使得模擬的年徑流量以及徑流量的月際變化規(guī)律能與觀測(cè)數(shù)據(jù)相一致。由于缺少該流域出口斷面處的月均徑流量的數(shù)據(jù)，本次調(diào)參所采用的具體準(zhǔn)則為：(1)通過(guò)文獻(xiàn)中的徑流系數(shù)確定本流域平均的產(chǎn)流情況；(2)通過(guò)株洲水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定模型流域出口的時(shí)間變化規(guī)律。產(chǎn)污過(guò)程估算中提取系數(shù)和富集系數(shù)由文獻(xiàn)參數(shù)給定，其他如土壤中污染物濃度、大氣通量等根據(jù)實(shí)際情況給定。主要調(diào)整的參數(shù)為徑流曲線系數(shù)和植物吸收補(bǔ)償系數(shù)等。主要參數(shù)的調(diào)整結(jié)果如表1所示。

1.3 研究區(qū)重金屬面源污染負(fù)荷總量的計(jì)算

不同土地利用類型的重金屬污染程度一般不同，這種差異表現(xiàn)為不同土地利用類型有著不同的污染風(fēng)險(xiǎn)。但要量化降雨產(chǎn)流作用下污染物隨水遷移產(chǎn)生的污染負(fù)荷，需要使用如SWAT模型等水文模型進(jìn)行模擬。本研究分別采用林鐘榮等[5]文章中的式(2)和式(3)來(lái)估算透水性地表和不透水性地表的實(shí)際產(chǎn)污過(guò)程。其中，徑流和產(chǎn)沙過(guò)程為SWAT模擬結(jié)果，其他參數(shù)則根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)際數(shù)據(jù)給定。

表1 主要參數(shù)的調(diào)整結(jié)果Tab.1 The result of the adjustment of the main parameters

2 研究結(jié)果

2.1 SWAT模型模擬結(jié)果

2.1.1 地表徑流量模擬

經(jīng)參數(shù)調(diào)整后，2002～2009年徑流系數(shù)(即產(chǎn)流量與降雨量的比值)的范圍為0.44～0.59(均值0.51)，這與文獻(xiàn)[13]值相符。另一方面，研究區(qū)地表徑流量模擬值與湘江干流觀測(cè)值月均分布趨勢(shì)如圖2所示，計(jì)算得二者相關(guān)系數(shù)為0.915。因此，參數(shù)調(diào)整合理，模型模擬結(jié)果能夠有效體現(xiàn)實(shí)際的水文過(guò)程。

圖2 研究區(qū)地表徑流量模擬值與湘江干流觀測(cè)值月均分布趨勢(shì)Fig.2 The monthly trend of simulation value of surface runoff in the research area and the observed value of the flow in the Xiangjiang river

產(chǎn)沙量的校正：由于地表徑流量的大小很大程度上決定了產(chǎn)沙量的大小，因此必須在地表徑流量校正之后再進(jìn)行產(chǎn)沙量的校正。主要調(diào)整的參數(shù)包括泥沙輸運(yùn)校正因子(ADJ_PKL)和土地管理因子(PUSLE)等。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的調(diào)整，模擬結(jié)果中流域多年平均產(chǎn)沙量為156.9t/km2，與文獻(xiàn)[13]中的參考值158.1t/km2非常接近。

利用SWAT模型，模擬得到2002～2009年的逐日地表徑流量，并由此可得到各月及各年的徑流總量。對(duì)水文模擬結(jié)果做月均分析可得圖3。由圖可知，株洲地區(qū)主要降雨和產(chǎn)流峰值都集中在3～6月份，說(shuō)明產(chǎn)流過(guò)程主要受降雨過(guò)程影響。

圖3 研究區(qū)徑流量月均變化規(guī)律Fig.3 The average monthly change law of runoff in the studied area

2.1.2 土壤侵蝕模擬結(jié)果

對(duì)產(chǎn)沙模數(shù)(單位面積土壤一年內(nèi)的產(chǎn)沙量)進(jìn)行月均分析，得圖4。由圖可知4月與5月該流域土壤侵蝕最為嚴(yán)重，而據(jù)產(chǎn)流模擬結(jié)果與分析顯示，降雨強(qiáng)度較大的月份為3～6月。綜合產(chǎn)流模擬結(jié)果的分析，認(rèn)為是降雨過(guò)程與地表植物生長(zhǎng)兩個(gè)因子相互作用的結(jié)果，即土壤侵蝕嚴(yán)重的時(shí)期應(yīng)當(dāng)是地表植物覆蓋較弱且降雨量較強(qiáng)的時(shí)期。

圖4 研究區(qū)土壤侵蝕的月變化規(guī)律Fig.4 The average monthly change law of soil denudation in the studied area

2.2 研究區(qū)汞面源污染負(fù)荷量的估算結(jié)果

汞污染是湘江流域典型的重金屬污染。汞在流域環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程非常復(fù)雜，存在不同價(jià)態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化。目前的模型水平和數(shù)據(jù)條件尚難以滿足分價(jià)態(tài)計(jì)算汞面源污染負(fù)荷的要求。在本研究中，只進(jìn)行總汞負(fù)荷量估算，忽略不同價(jià)態(tài)間的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

2.2.1 土壤中汞的濃度分布

研究區(qū)土壤汞濃度的分布如圖5所示。從圖中可看出，汞的污染分布情況與鎘的污染分布大致相同[5]，土壤中汞濃度較高地區(qū)和汞面源污染負(fù)荷較高地區(qū)都分布在清水塘工業(yè)區(qū)及其周邊地區(qū)。

圖5 研究區(qū)土壤中汞的濃度分布圖Fig.5 Distribution of the soil mercury concentration in the studied area

2.2.2 汞的大氣沉降通量估算

由于缺少該地區(qū)汞的大氣沉降通量的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本文參考國(guó)內(nèi)其它地區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]，株洲市大氣沉降中鎘、鉛、鋅等重金屬的通量為長(zhǎng)春市的56.4倍至116.7倍。假設(shè)兩市汞的通量的比值也落在該范圍內(nèi)，則株洲市汞的大氣沉降通量估計(jì)為1.69至3.50kg/km2，平均值為2.38 kg/km2。

2.2.3 汞面源污染負(fù)荷量的組成與空間分布

經(jīng)計(jì)算得：土壤(非建成區(qū))汞的年均面源污染負(fù)荷為721.6kg；每年直接輸入湘江水面的汞污染負(fù)荷為19.5kg；從城市非透水性地表沖刷出的汞污染負(fù)荷為48.6kg。故研究區(qū)汞面源污染的平均負(fù)荷總量為789.7kg/a。圖6為研究區(qū)汞的年均污染負(fù)荷分布情況。

2.2.4 汞面源污染負(fù)荷量的年內(nèi)變化規(guī)律

圖7顯示了研究區(qū)汞的面源污染負(fù)荷量的年內(nèi)變化規(guī)律。由圖可見(jiàn)，汞的面源污染負(fù)荷量年內(nèi)2～6月較高，其他月份較低。汞的面源污染負(fù)荷的絕大部分來(lái)自土壤，其它的面源比重甚微。這表明土壤侵蝕是影響汞的面源污染負(fù)荷量大小的決定性因素。

圖6 汞的面源污染負(fù)荷分布圖(年均)Fig.6 Distribution of the mercury contamination load in the studied area

圖7 研究區(qū)汞面源污染負(fù)荷的時(shí)間變化規(guī)律Fig.7 The monthly change law of mercury contamination load in the studied area

2.2.5 2009年研究區(qū)汞的面源污染負(fù)荷

經(jīng)計(jì)算得，2009 年汞的面源污染負(fù)荷為：水面19.5kg，城市非透水性地表48.5kg，土壤侵蝕558.9kg，總負(fù)荷626.9kg。土壤、城市非透水性地表、水面分別貢獻(xiàn)89.2%、7.7%和3.1%。

3 參數(shù)的敏感性分析

模型參數(shù)的不確定性是模型計(jì)算結(jié)果誤差的主要來(lái)源之一。本研究針對(duì)研究區(qū)汞面源污染負(fù)荷總量的多年平均值進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，其結(jié)果總結(jié)于表2。

表2 參數(shù)的敏感性分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of the sensitivity of the parameters

表2中敏感性指標(biāo)的具體計(jì)算方法如下：

SI=|△L+5%-△L-5%|/10%

式中：SI代表敏感性指標(biāo)；ΔL+5%為參數(shù)取值+5%時(shí)汞面源污染負(fù)荷總量的變化率(%)；ΔL-5%為參數(shù)取值-5%時(shí)汞面源污染負(fù)荷總量的變化率(%)。

由表2可見(jiàn)，耕地徑流曲線系數(shù)是對(duì)負(fù)荷量計(jì)算結(jié)果影響最大的參數(shù)。這是由于研究區(qū)內(nèi)的耕地(占總面積的33.8%)受汞的污染較嚴(yán)重，同時(shí)，耕地又是產(chǎn)流集中、土壤侵蝕較為嚴(yán)重的土地利用。富集系數(shù)、森林徑流曲線系數(shù)、土壤金屬濃度是另外3個(gè)具有顯著影響的因子，表明了土壤侵蝕過(guò)程對(duì)于面源污染的重要性。本研究汞大氣沉降通量對(duì)負(fù)荷量計(jì)算結(jié)果的敏感性為0.07，而鎘大氣沉降通量對(duì)負(fù)荷量計(jì)算結(jié)果的敏感性為0.34[5]；本研究土壤重金屬濃度、富集系數(shù)、提取系數(shù)敏感性較文獻(xiàn)[5]大，其他參數(shù)的敏感性與文獻(xiàn)[5]差別很小。

4 結(jié) 論

4.1 研究區(qū)汞面源污染負(fù)荷總量約為789.7kg/a， 其中受污染土壤是面源負(fù)荷量的主要來(lái)源，占總污染負(fù)荷的91.38%。

4.2 SWAT模型可對(duì)地表徑流量、產(chǎn)流量、土壤侵蝕量進(jìn)行較好的模擬。

4.3 汞面源污染的空間分布特點(diǎn)為以清水塘工業(yè)區(qū)為中心，污染負(fù)荷向四周逐漸遞減。汞面源污染的時(shí)間分布特點(diǎn)為2～6月為高負(fù)荷期， 4月和5月尤為顯著。

4.4 數(shù)據(jù)的敏感性分析結(jié)果顯示，耕地徑流曲線系數(shù)、富集系數(shù)、森林徑流曲線系數(shù)、土壤金屬濃度對(duì)負(fù)荷量計(jì)算結(jié)果影響較大。做好水土保持工作減少土壤侵蝕對(duì)于面源污染的防治極為重要。

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