王妍

(合肥城市學(xué)院，安徽 合肥 230000)

長江流域面積在全亞洲的排名第一，在全世界的排名第三[1]。大城市的迅速發(fā)展導(dǎo)致氮磷污染加劇，該問題亟需解決。通過分析氮磷污染物的空間分布特征以及識別關(guān)鍵源區(qū)，可針對分布特征制定相關(guān)政策解決氮磷污染排放問題[2-3]。關(guān)鍵源區(qū)屬于重點控制區(qū)域，通過關(guān)鍵源區(qū)的識別，可獲知氮磷污染物排放量高的地區(qū)并進行重點防控。王佳寧等[4]將長江流域劃分成10個子流域，分析氮磷污染物的減排效果，研究水質(zhì)的響應(yīng)時空差異變化規(guī)律；湯云等[5]采用流域內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用多元統(tǒng)計方法，分析磷污染的時空特征；秦延文等[6]將磷污染問題作為研究方向，對總磷來源進行分析，給出總磷污染控制策略。上述研究均僅限于研究長江流域污染物的空間分布特征，并不能識別關(guān)鍵源區(qū)以及無法判斷污染源的類型，為此，本文研究長江流域氮磷污染物的空間分布特征及關(guān)鍵源區(qū)識別，獲取氮磷污染物的主要污染源以及空間分布特征，找出關(guān)鍵源區(qū)，為完善水環(huán)境標準與監(jiān)管體系提供科學(xué)依據(jù)，有利于重點管控關(guān)鍵源區(qū)，及時改善流域水質(zhì)，提升污染源的管控效率。

1 研究區(qū)概況

中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院測量長江總長約6 300 km，總落差約5 400 m，流經(jīng)我國東中西部，干流流經(jīng)11個省(市)，支流流經(jīng)8個省(市)，總面積約1 800 km2，占國土面積的18.79%。

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

利用SWAT模型分析長江流域氮磷污染物的空間分布特征與關(guān)鍵源區(qū)識別，該模型的數(shù)據(jù)庫為空間與屬性數(shù)據(jù)庫[7]，空間數(shù)據(jù)利用Albers等積圓錐投影，橢球體為北京Krasovsky,氮磷污染物面積單位為m2。對應(yīng)投影參數(shù)如表1所示，SWAT模型數(shù)據(jù)庫的具體信息如表2所示。

表1 研究區(qū)投影參數(shù)

表2 SWAT模型數(shù)據(jù)庫的具體信息

1.2 長江流域中子流域分割

通過SWAT模型離散化流域，根據(jù)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)獲取的河網(wǎng)分布與出水口地點，按照出水口形成的支流將長江流域分割成13個子流域，這種分割方式可以確保子流域中的污染物來自兩個出水口地點之間，不會超出兩出水口以外的范圍，最小河道積水面積閾值的大小與水系詳細程度成正比[8-10]，按照各子流域中的土地利用與坡度等屬性累計分割獲取數(shù)個水文響應(yīng)單元[11]，令最小河道集水面積閾值為450 hm2，分割結(jié)果如圖1所示。

圖1 分割結(jié)果

1.3 SWAT模型

SWAT模型的驅(qū)動力是水量平衡，水文循環(huán)內(nèi)容為陸地和河道[12-13]，令時間步長為t，天數(shù)為i時的陸地演算過程的水量平衡公式為

Wseep-Pgw)

(1)

式中：SWt為土壤儲水量；SW0為初始土壤儲水量；Psurf為地表徑流；Wseep為土壤剖面地層的滲透量與側(cè)流量；Pgw為地下水儲量；Rday為降雨量；Ea為蒸發(fā)量。

土壤內(nèi)氮磷污染物經(jīng)由地表徑流與泥沙流進河道，表達公式為

(2)

式中：N0為隨泥沙流進地表徑流的氮磷污染物負荷量；地面處12 mm，土層內(nèi)氮磷濃度是C0；S是仿真以天為單位的泥沙產(chǎn)量；Ah為水文響應(yīng)單元面積；εN為氮磷富集系數(shù)。

SWAT模型通過分布式參數(shù)仿真方法仿真分析與求解氮磷污染物的空間分布特征與關(guān)鍵源區(qū)識別，具體步驟如下：

步驟1：在每個HRU內(nèi)展開仿真求解，得到空間異質(zhì)性問題的答案[14]，完成氮磷污染物流失與遷移的空間分布特征仿真；

步驟2：集合各子流域的信息，仿真河道內(nèi)污染物負荷的分配與遷移，通過QUAL2E模型求解河道水質(zhì)模型；

步驟3：得到子流域與HRU尺度的氮磷污染物數(shù)據(jù)，完成SWAT仿真的整個過程。

1.4 模型校準與驗證

以徑流和泥沙校準與驗證為前提，調(diào)整作物管理方式、化肥使用與土壤參數(shù)、化肥施用量與土壤內(nèi)氮磷存儲量[15]。校準與驗證的目的是通過調(diào)整參數(shù)，令仿真值和實際值大致相同，前期為校準期，后期為驗證期。

1.5 污染物排放計算方法

氮磷污染物的主要來源為畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村生活、化肥施用量與農(nóng)田種植，j表示污染源種類，污染物排放量計算公式為

(3)

FI=F/L

式中：F為污染物排放量；FUj為j的統(tǒng)計數(shù)量；ρj為產(chǎn)污強度系數(shù)；ηj為資源利用率系數(shù)；Dj為流失系數(shù)；B為j的空間特征；FI為污染物排放強度；L為土地面積；ηj為污染物排放系數(shù)；FPj為污染產(chǎn)生量。

2 實證研究

2.1 氮磷污染物排放量

利用式(3)計算長江流域2018年氮磷污染物排放量，如表3所示，該流域內(nèi)各省(市)氮磷污染物排放量如圖2所示。

表3 2018年氮磷污染物排放量 (×104 t·年-1)

圖2 污染物排放量

分析表3和圖2可知，流域中氮的排放，畜禽養(yǎng)殖與化肥施用量的貢獻最多，在氮的總排放量中占比分別為32.19%、30.32%；農(nóng)村生活與農(nóng)田種植的排放較少，在氮的總排放量中占比分別為15.65%、21.84%；在流域中磷排放量最高的是畜禽養(yǎng)殖，在磷的總排放量中占比為34.7%，其余3種污染源的占比分別為20.75%、23.88%、20.66%。磷污染物排放對水體環(huán)境影響最大的是畜禽養(yǎng)殖，對氮污染物排放影響較大的是畜禽養(yǎng)殖與化肥施用量，這說明氮磷污染物管理的重點為畜禽養(yǎng)殖與化肥施用量。氮磷污染物排放量大多集中在四川、江西與西藏3個區(qū)域。

2.2 氮磷污染物空間分布特征

以2008—2018年長江流域氣象資料為基礎(chǔ)，通過SWAT模型仿真分析該流域氮磷污染物的負荷數(shù)值變動如圖3所示。每年月均負荷數(shù)值變動如圖4所示。

(a)徑流量年變化趨勢

分析圖3、圖4可知，在校準期與驗證期徑流量、氮磷污染物負荷與降雨量的仿真值與實測差距較小，擬合曲線的趨勢大致相同。2008年至2018年長江流域氮磷污染物空間分布特征為：

(a)徑流量月變化趨勢

1)氮磷污染物的年負荷與月負荷變化趨勢均和地表徑流量變化趨勢基本相同，說明氮磷污染物將徑流當成載體，依據(jù)徑流量的改變而改變。

2)徑流量以及氮磷污染物負荷與降雨量密切相關(guān)，三者走勢相同， 8、9月為降雨高峰期，因此，徑流量以及氮磷污染物負荷在8月與9月時達到峰值水平。

3)長江流域的汛期為6月至10月，這段時期的徑流以及氮磷污染物負荷的占比較高，說明水土流失、氮磷污染物輸出的關(guān)鍵因素為汛期降雨，代表氮磷污染物提升的關(guān)鍵驅(qū)動力為強降雨。

氮磷污染物負荷具有溶解與吸附兩種狀態(tài)，前者通過徑流流進河道，后者通過泥沙流進河道，通過分析產(chǎn)流、產(chǎn)沙、氮負荷與磷負荷之間的相關(guān)性，研究氮磷污染物的形態(tài)如表4所示。產(chǎn)流、產(chǎn)沙、氮負荷與磷負荷之間的顯著性在99%以上，也被稱為在0.01水平上顯著。

表4 相關(guān)性分析結(jié)果

分析表4可知，氮污染物與產(chǎn)流屬于顯著正相關(guān)，與產(chǎn)沙呈不顯著相關(guān)，代表流域中氮污染物負荷的形態(tài)主要為溶解態(tài)，吸附形態(tài)的氮不多；磷與產(chǎn)流、產(chǎn)沙均屬于顯著正相關(guān)，但磷污染物與產(chǎn)流的相關(guān)系數(shù)低于產(chǎn)沙的相關(guān)系數(shù)，代表該流域中磷污染物負荷的形態(tài)主要為吸附態(tài)，溶解形態(tài)不多。

2.3 氮磷污染物時間變化規(guī)律

按照長江流域氣象站的降雨數(shù)據(jù)與2008年至2018年平均降雨資料，將一年分割為3個時期，12月至3月屬于枯水期，6月至10月屬于豐水期，剩下月份屬于平水期。該流域不同時期的氮磷污染物產(chǎn)量如表5所示。

表5 不同時期的氮磷污染物產(chǎn)量

分析表5可知，2008年至2018年，豐水期的產(chǎn)水量、氮污染物產(chǎn)量與磷污染物產(chǎn)量均顯著高于其余兩個時期，枯水期的產(chǎn)水量、氮污染物產(chǎn)量與磷污染物產(chǎn)量均最低，豐水期的產(chǎn)水量、氮磷污染物產(chǎn)量的比重均高于50%，枯水期的3個產(chǎn)量則均未超過5%，說明豐水期屬于形成氮磷污染物的主要時期，決定氮磷污染的嚴重程度；氮磷污染物的主要動力為徑流沖刷，降雨量多的月份會導(dǎo)致土壤侵蝕情況加劇，提高了氮磷污染物的負荷量。

2.4 各子流域氮磷污染物的貢獻率

將長江流域共分割成13個子流域，各子流域?qū)﹂L江流域氮磷污染物的貢獻率如表6所示。

表6 各子流域?qū)﹂L江流域氮磷污染物的貢獻率

分析表6可知，子流域1～7屬于長江流域的東部地區(qū)，8～13屬于西部地區(qū)，該流域西部的總氮磷負荷超過東部，原因是流域中溶解形態(tài)的氮磷污染物占多數(shù)，西部的總徑流量高于東部；9號子流域的氮磷污染物貢獻率最高，綜合分析可知，長江流域西部區(qū)域的氮磷污染物貢獻率較高。

2.5 關(guān)鍵源區(qū)識別

按照地表水環(huán)境質(zhì)量標準與生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范，將長江流域氮磷污染物的流失情況進行分級，氮磷污染物標準限值如表7所示。

表7 氮磷污染物標準限值

長江流域氮、磷污染物濃度分布如表8所示。

表8 氮磷污染物濃度等級

表8(續(xù))

分析表8可知，長江流域氮污染物的濃度顯著高于磷污染物，氮污染物濃度中西部高于東部，西部中共有3個子流域濃度等級為E類，東部僅有一個子流域濃度達到E類，西部子流域中沒有處于A類的，東部子流域中存在1個濃度級別為A類的子流域；磷污染物的濃度分布情況與氮污染物分布大致相同，也是西部磷污染物濃度高于東部，西部存在1個子流域濃度為E類的子流域，而東部沒有濃度為E類的子流域，東部等級為B類的子流域數(shù)量也多于西部。綜合分析可知，長江流域西部地區(qū)的氮磷污染物關(guān)鍵源區(qū)為9、11、13號子流域，東部地區(qū)的氮磷污染物關(guān)鍵源區(qū)為2號子流域。

3 結(jié)語

以氮磷污染物的定量難題為出發(fā)點，通過SWAT模型定量仿真分析氮磷污染物的變化情況，研究長江流域氮磷污染物的空間分布特征及關(guān)鍵源區(qū)識別，經(jīng)過實證研究得知：年水平與月水平的氮磷污染物負荷和凈流量的變化趨勢相同，降水量逐漸提升，氮磷污染物的含量隨之增長，說明水土流失、氮磷污染物輸出的關(guān)鍵因素為汛期降雨，代表氮磷污染物提升的關(guān)鍵驅(qū)動力為強降雨；長江流域西部區(qū)域的氮磷污染物貢獻率高于東部；利用氮磷污染物的空間分布特征以及關(guān)鍵源區(qū)識別結(jié)果，可幫助改善氮磷污染物對長江流域造成的影響。