周艷文，閔興華，俞 欣，李忻然

(1.南京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，南京 210013；2.南京外國語學(xué)校，南京 210008)

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國許多江河湖泊仍存在嚴(yán)重的水環(huán)境污染問題。水環(huán)境污染通常分為點(diǎn)源污染和面源污染兩大類。點(diǎn)源污染是指具有固定排放點(diǎn)的污染源，其變化一般遵循生活污水和工業(yè)廢水的排放規(guī)律，具有隨機(jī)性、季節(jié)性等特點(diǎn)，同時(shí)又易于標(biāo)記。面源污染又被稱為非點(diǎn)源污染，其來源廣泛，主要包括農(nóng)藥等有害物質(zhì)、土壤泥沙顆粒、大氣顆粒物沉降、水產(chǎn)養(yǎng)殖餌料藥物等[1]。這些污染物的初始量較小，但經(jīng)過各種途徑的匯集，如在大面積降雨和地表徑流沖刷作用下，最終進(jìn)入水體，形成較大程度的污染[2]。與普通污染相比，面源污染還具有二次污染的特點(diǎn)，在其形成面源污染之前，其污染物本身已對(duì)水體、土壤及生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的污染或破壞，再經(jīng)雨水沖刷通過地面徑流進(jìn)入水環(huán)境，進(jìn)而對(duì)水體造成二次污染。面源污染具有隨機(jī)性、廣泛性、模糊性、潛伏性、滯后性、累積性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)增大了水污染研究、治理以及水環(huán)境管理政策制定上的難度[3]。

研究面源污染及其特性，數(shù)值模擬是一個(gè)重要手段，模擬過程一般通過水動(dòng)力水質(zhì)模型實(shí)現(xiàn)，這些模型通過模擬污染物產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化等過程，估算和預(yù)測(cè)面源污染物負(fù)荷量，為面源污染的定量化研究提供良好的技術(shù)支撐。目前ArcSWAT、AnnAGNPS、HSPF等綜合功能的大型流域面源污染模型，一般依賴于物理基礎(chǔ)，在水文、氣象等方面得到普遍應(yīng)用。學(xué)者們?cè)趯?duì)比多個(gè)面源污染模型之后，發(fā)現(xiàn)SWAT模型最擅長模擬以農(nóng)業(yè)和森林用地為主的流域，該模型常被用來研究氣象、土壤、地形、植被、土地利用等因素對(duì)面源污染的影響[4]。歐陽威[5]等運(yùn)用SWAT模擬分析巢湖地區(qū)柘皋河流域面源污染負(fù)荷時(shí)空分布特征，研究表明磷污染防治的關(guān)鍵期在6～8月，面源磷負(fù)荷主要分布在農(nóng)田面積較大的區(qū)域，土地合理利用以及磷肥的合理使用是減少面源磷污染的有效措施。Liu[6]等基于小區(qū)域范圍土地利用轉(zhuǎn)化及其效應(yīng)和土壤水評(píng)價(jià)工具SWAT模型，在城市規(guī)劃、歷史趨勢(shì)和生態(tài)保護(hù)土地利用情景中模擬非點(diǎn)源污染負(fù)荷，結(jié)果表明非點(diǎn)源污染負(fù)荷在城市規(guī)劃和歷史趨勢(shì)情景中會(huì)增加，科學(xué)的、生態(tài)的建設(shè)可以有效降低流域內(nèi)的非點(diǎn)源污染負(fù)荷。

石臼護(hù)流域作為長江流域水環(huán)境調(diào)節(jié)的重要組成部分，處于降雨充沛、農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)。隨著石臼湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石臼湖面臨的環(huán)境污染和生態(tài)威脅在增大，部分入湖河流水質(zhì)有所波動(dòng)。利用流域面源污染模型，研究石臼湖流域面源污染狀況，對(duì)石臼湖面源污染削減、乃至長江水環(huán)境污染的控制具有實(shí)際意義。

1 區(qū)域概況

石臼湖位于江蘇省西南部，處東經(jīng)118°46′～118°56′，北緯31°23′～31°33′，是長江下游唯一直接通江的湖泊，是一個(gè)過水型、吞吐型、季節(jié)性的草型淺水湖泊，具有蓄洪、灌溉、養(yǎng)殖、航運(yùn)等功能。石臼湖面積207.65 km2，東西方向最長約22 km，南北方向最寬約14 km，由江蘇省南京市高淳區(qū)、溧水區(qū)和安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣、博望區(qū)共同管理。石臼湖流域?qū)俦眮啛釒駶檯^(qū)，季風(fēng)氣候顯著，多年平均年降水量1 046 mm、年蒸發(fā)量884 mm。石臼湖主要入湖河流13條，均沿湖的北、東、南方向呈向心狀匯入湖內(nèi)，包括農(nóng)坎河、天生橋河、新橋河、中流河、博望河等，其中中流河為省界河，是進(jìn)入石臼湖流域的主要客水，如圖1所示。

圖1 石臼湖流域地理位置Fig.1 The geographical location of Shijiu Lake Basin

2 材料與方法

2.1 污染負(fù)荷計(jì)算方法

采用SWAT模型進(jìn)行石臼湖流域入湖污染負(fù)荷模擬計(jì)算，污染指標(biāo)為總氮和總磷。SWAT模型將研究區(qū)域劃分為多個(gè)網(wǎng)格單元，每個(gè)網(wǎng)格單元是一個(gè)子流域，子流域包括水文響應(yīng)單元(HRU)、水庫、濕地、河道等基本單元，水文響應(yīng)單元是表征子流域內(nèi)單一土壤類型、單一地面覆蓋以及管理方式等具有水文意義的基本地塊單元，每個(gè)子流域內(nèi)可以形成多個(gè)水文響應(yīng)單元[7]。在每個(gè)水文響應(yīng)單元上，模型是獨(dú)立運(yùn)行的，應(yīng)用傳統(tǒng)的概念性模型來推求流域降雨，再進(jìn)行流域匯流演算，最后得到流域出口斷面流量，輸出結(jié)果匯總在流域出口處[8]。SWAT的模擬過程采用模塊化設(shè)計(jì)思路，主要分為子流域模塊和匯流演算模塊兩大部分，其中子流域模塊是水循環(huán)的陸面部分，指產(chǎn)流以及坡面匯流過程[9]，主要決定每個(gè)子流域內(nèi)的水、沙、化學(xué)物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)、污染負(fù)荷等從地表、地下、土壤、坑塘等向子流域主河道的輸入[10]，子流域模塊包括氣象、泥沙、水文、作物生長、土壤、農(nóng)藥、營養(yǎng)物以及農(nóng)業(yè)管理等組件[11]；而匯流演算模塊是水循環(huán)的水面部分，主要包括河道匯流以及蓄水體匯流過程兩部分[12]，它控制著子流域主河道內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)等從河網(wǎng)向出水口的遷移和匯總過程[13]。

2.2 模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

模型數(shù)據(jù)庫包括數(shù)字高程模型、土地利用數(shù)據(jù)庫、土壤空間數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫、農(nóng)業(yè)管理措施、污染源等。數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，為V2版ASTER GDEM數(shù)據(jù)，采用UTM/WGS84投影，數(shù)據(jù)采集于2009年，空間分辨率為30 m，數(shù)據(jù)類型為TIFF；土地利用分類數(shù)據(jù)采用2017年清華大學(xué)全球土地覆蓋空間分布數(shù)據(jù)和南京市土地利用分類數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫，采用FAO-90土壤分類系統(tǒng)，采用UTM/WGS84投影，空間分辨率為1 km，數(shù)據(jù)類型為GRID；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)以及水文年鑒，包括氣象臺(tái)站基本信息(經(jīng)緯度、高程)、降雨量、最高和最低氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、太陽輻射數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間為2013年至2018年；石臼湖流域?qū)匍L江中下游地區(qū)，種植制度為一年兩熟，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，石臼湖流域種植兩熟農(nóng)作物主要為水稻(6月～10月)和冬麥(11月～第二年5月)，故石臼湖流域農(nóng)作物概化為水稻和冬麥，參照農(nóng)業(yè)農(nóng)村部春季主要農(nóng)作物科學(xué)施肥指導(dǎo)意見，設(shè)置水稻和小麥的播種、施肥、灌溉以及收割等管理措施；污染源包括排污口、牲畜養(yǎng)殖、社會(huì)人口等，模型將其概化成點(diǎn)源污染進(jìn)行設(shè)置。

2.3 子流域劃分

SWAT模型為分布式模型，需要以子流域?yàn)榛A(chǔ)對(duì)輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行集總，子流域劃分水平根據(jù)流域大小和研究目的所要求的精度確定[14]。石臼湖流域共劃分出59個(gè)子流域，面積在0.65～53.63 km2之間，其中，編號(hào)為1的子流域面積最 大，編號(hào)為47的子流域面積最小。子流域入湖出口位于編號(hào)分別為2、10、17、23、41、42、43、44、45、47、48、51以及52子流域，如圖2所示。

圖2 石臼湖流域子流域劃分圖Fig.2 The division of sub-basins in the study area

3 結(jié)果與分析

3.1 模型參數(shù)率定

采用模型自帶SWAT-CUP軟件對(duì)徑流和污染負(fù)荷進(jìn)行敏感性分析，選取了7個(gè)徑流參數(shù)和15個(gè)水質(zhì)參數(shù)作為調(diào)整參數(shù)，確定敏感性參數(shù)的最優(yōu)值。敏感性參數(shù)如表1所示。

表1 敏感性參數(shù)表Tab.1 Sensitive parameters

采用臨近流域安徽省宣城市廣德縣境內(nèi)汭水河誓節(jié)水文站的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過流域面積換算法獲取模型中石臼湖流域內(nèi)子流域的流量過程數(shù)據(jù)。徑流率定驗(yàn)證選取28號(hào)和47號(hào)子流域，采用逐日流量數(shù)據(jù)；水質(zhì)率定驗(yàn)證選取47號(hào)子流域，采用逐月數(shù)據(jù)，參數(shù)為總氮和總磷，模擬率定結(jié)果如表2所示。模型徑流、氮負(fù)荷和磷負(fù)荷模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)決定系數(shù)R2均大于0.6，SWAT模擬結(jié)果可被接受。徑流模擬過程中，模擬值與實(shí)際值存在的差異的原因是多方面的，包括流域空間差異性分布所帶來的參數(shù)難確定性、模型結(jié)構(gòu)本身的模擬誤差、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等。與徑流模擬相比，污染負(fù)荷的模擬影響因素更多，不確定性將更大，因此污染負(fù)荷模擬的精度要求低于徑流模擬的要求。氮磷負(fù)荷模擬值與實(shí)測(cè)值差異，與徑流模擬的精確程度密不可分，同時(shí)污染負(fù)荷的遷移轉(zhuǎn)化過程所引起的不確定性也是造成模擬值與實(shí)測(cè)值不一致的重要因素[15]。

表2 徑流和水質(zhì)模擬率定結(jié)果Tab.2 Calibration results of runoff and water quality simulation

3.2 面源污染負(fù)荷空間分布特征

石臼湖流域污染負(fù)荷空間分布情況如圖3所示。2018年石臼湖流域總氮負(fù)荷總量為2 783.44 t/a，各子流域總氮負(fù)荷量在0.21～2 024.28 t/a之間，總氮主要是通過省界河中流河以及南京片區(qū)的新橋河等進(jìn)入石臼湖流域，50號(hào)子流域總氮負(fù)荷量最大，達(dá)到2 024.28 t/a，其次28、9、10、26、41、30號(hào)子流域，在31.29～42.03 t/a之間。區(qū)域共同特點(diǎn)為工業(yè)、人口密集，因此總氮負(fù)荷量較高。

圖3 石臼湖流域污染負(fù)荷空間分布Fig.3 Spatial distribution of pollution load in Shijiu Lake Basin

2018年石臼湖流域總磷負(fù)荷總量為100.17 t/a，各子流域總磷負(fù)荷量在0.02～73.36 t/a之間?？偭字饕峭ㄟ^省界河中流河、馬鞍山片區(qū)的博望河、以及南京市溧水區(qū)的農(nóng)坎河、天生橋河、新橋河等河流進(jìn)入石臼湖流域?？偭棕?fù)荷量最大的是50號(hào)子流域，達(dá)到73.36 t/a，其次是41、46、10、26、18號(hào)子流域，在1.02～1.38 t/a之間。區(qū)域共同特點(diǎn)為農(nóng)村生活污水污染較嚴(yán)重，且農(nóng)田面積占比較大，土壤類型主要為水稻土，污染物易通過地下滲流流失，因此總磷負(fù)荷量較高。

3.3 面源污染治理關(guān)鍵區(qū)識(shí)別

根據(jù)石臼湖研究區(qū)域地理位置以及SWAT模型對(duì)子流域的劃分結(jié)果，將研究區(qū)域劃分為四個(gè)部分，各區(qū)域面源污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表3所示。石臼湖流域涉及當(dāng)涂縣面積為87.7 km2，為面積最小的行政區(qū)，但該區(qū)域產(chǎn)生的總磷、總磷負(fù)荷卻為四個(gè)區(qū)域中最高，所占比例分別達(dá)73.1%和73.5%。當(dāng)涂縣土地利用方式主要以水田為主，農(nóng)田種植范圍較廣、施肥量較高導(dǎo)致其總氮、總磷負(fù)荷均最高，當(dāng)涂縣農(nóng)業(yè)面源污染是石臼湖流域面源污染防治的重點(diǎn)。

表3 石臼湖流域各區(qū)域面源污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of non-point source pollution load in Shijiu Lake Basin

4 結(jié) 論

本文以石臼湖流域面源污染為研究對(duì)象，以分布式水文模型SWAT為研究工具，探討該模型在石臼湖流域的適用性；定量計(jì)算研究區(qū)內(nèi)總氮和總磷污染負(fù)荷，并分析其特征，主要結(jié)論如下。

4.1 模型徑流模擬、總氮模擬和總磷模擬決定系數(shù)R2均大于0.6，SWAT模型評(píng)價(jià)參數(shù)滿足精度要求，表明SWAT模型在石臼湖流域面源污染模擬研究中具有一定適用性。

4.2 石臼湖流域2018年總氮負(fù)荷總量為2 783.44 t/a，總磷負(fù)荷總量為100.17 t/a，氮、磷污染物主要通過安徽省和江蘇省界河中流河進(jìn)入石臼湖。

4.3 當(dāng)涂縣因種植范圍較廣，其農(nóng)業(yè)面源污染是石臼湖流域面源污染防治的重點(diǎn)。