丁建華 沈 旭 常文婷 王 冉

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020;2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,浙江 杭州 310020;3.杭州市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院(杭州市城區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站),浙江 杭州 310014)

面源污染因分布廣泛、機(jī)理復(fù)雜等原因,導(dǎo)致其管控難度較大,是水體環(huán)境污染的一大來源[1-5]。為了管控面源污染、改善水質(zhì),國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列面源污染定量化研究的模型,從最初的以SWMM模型和HSPF模型為代表的早期模型發(fā)展到現(xiàn)在基于“3S”技術(shù)和大型數(shù)據(jù)庫的更為專業(yè)的模型[6]。目前,功能較多、使用較廣的為SWAT模型,其適用性已經(jīng)得到了國內(nèi)外許多研究項目的證實[7-8]。SANTHI等[9]將SWAT模型應(yīng)用在德克薩斯州的博斯克流域,對徑流量、有機(jī)氮和溶解性磷負(fù)荷進(jìn)行了模擬和評價;武力等[10]利用SWAT模型模擬了永州市境內(nèi)湘江流域的總氮、總磷負(fù)荷分布,并依據(jù)模擬結(jié)果劃定了精細(xì)化管控單元。

南苕溪位于杭州市臨安區(qū)東部,是太湖流域上游最大的源頭支流[11],經(jīng)青山水庫調(diào)蓄后注入太湖,流域面積665 km2,而且流域內(nèi)的青山水庫是當(dāng)?shù)刂匾娘嬘盟吹?因此南苕溪流域的水質(zhì)保障十分重要。目前,流域內(nèi)點源污染已基本得到管控,但上游分布著近200 km2的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物種植區(qū)域,面源污染成了流域水體污染的重要來源[12-13]。為詳細(xì)了解南苕溪流域面源污染現(xiàn)狀,明確內(nèi)部各細(xì)分支流污染負(fù)荷貢獻(xiàn)程度,從而提高水環(huán)境精細(xì)化管理水平,因此本研究在詳細(xì)環(huán)境狀況調(diào)查基礎(chǔ)上,構(gòu)建起南苕溪流域SWAT模型,定量解析流域氮、磷面源污染產(chǎn)生量,揭示其時空分布規(guī)律,并分析不同土地利用類型的面源污染負(fù)荷和各支流的面源污染負(fù)荷貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 流域環(huán)境狀況調(diào)查

有研究表明,農(nóng)業(yè)占比較大的山丘流域,其面源污染貢獻(xiàn)達(dá)到80%以上[14-16],因此本研究假設(shè)南苕溪流域污染負(fù)荷均是面源污染。

1.1.1 土地利用狀況

從杭州市勘測設(shè)計研究院有限公司收集到2018年分辨率為2 m的衛(wèi)星遙感影像和林業(yè)種植分布矢量圖層,解譯出15種土地利用類型(見表1),除水域外都會產(chǎn)生面源污染。

表1 研究區(qū)土地利用類型Table 1 Land use types in the study area

1.1.2 工業(yè)點源現(xiàn)狀

從杭州市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心收集到南苕溪流域工業(yè)點源污染排放數(shù)據(jù),包括5個污水處理廠、190個廢水排放企業(yè),年排入河道污水總量、總氮和總磷分別為475.04萬、23.39、0.56 t。將各工業(yè)點源數(shù)據(jù)代入SWAT模型點源排放模塊可以模擬出河道污染負(fù)荷。

1.1.3 農(nóng)業(yè)種植污染

農(nóng)業(yè)種植過程會造成面源污染,不過不同種類作物的耕種、施肥、輪作等行為造成的面源污染不同[17-21]。為使SWAT模型模擬更符合實際情況,本研究對南苕溪流域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)及施肥管理情況進(jìn)行了實地調(diào)查,用以進(jìn)行作物生長情景模擬。

本研究共計調(diào)查了25家農(nóng)業(yè)種植基地和20個普通農(nóng)戶,統(tǒng)計了流域內(nèi)需要施肥的主要作物雷竹、香榧、茶葉、水稻、山核桃的施肥及生長情況。

1.1.4 畜禽養(yǎng)殖污染

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),南苕溪流域基本無散養(yǎng)豬、牛等大型家畜,雞、鴨的散養(yǎng)量也很少。從杭州市生態(tài)環(huán)境局臨安分局提供的規(guī)模畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)得到,南苕溪流域年養(yǎng)殖生豬20 710頭、奶牛1 100頭、肉雞31 000只、蛋雞99 000只,每年產(chǎn)生污水量63 062 t、糞便19 096 t。當(dāng)?shù)氐囊?guī)模養(yǎng)殖場的污(廢)水均納管,不直接排入河道。

1.1.5 生活污染

生活污染主要包括生活污水和人體糞尿,特別是農(nóng)村居民的生活污水,由于分布較散,管理難度大,是流域內(nèi)不可忽視的一項面源污染[22]。研究流域共涉及9個鎮(zhèn)(街道)、121個行政村,未納入城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)的行政村共計72個,常住人口117 456人,通過自建終端方式處理農(nóng)村生活污水,出水執(zhí)行《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB33/973—2015)一級或二級標(biāo)準(zhǔn)。本研究將各村人口產(chǎn)生的生活污染折算為有機(jī)肥。

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 空間數(shù)據(jù)庫

SWAT模型空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建所需的資料包括衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)和土壤類型數(shù)據(jù)。土地利用類型數(shù)據(jù)已在1.1.1節(jié)解譯。土壤類型數(shù)據(jù)使用浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)遙感與信息技術(shù)應(yīng)用研究所2012年的土壤調(diào)查數(shù)據(jù),為適應(yīng)模型模擬,將土壤類型按亞類分為14類。

1.2.2 屬性數(shù)據(jù)庫

土壤作為面源污染負(fù)荷的主要載體,其物理化學(xué)性質(zhì)對污染負(fù)荷模擬至關(guān)重要[23]。南苕溪流域14種土壤類型的面積占比如表2所示,本研究對面積占比較大的土壤類型進(jìn)行了樣品采集并委托第三方檢測單位進(jìn)行理化性質(zhì)檢測,共布置了7個采樣點,檢測指標(biāo)包括機(jī)械組成、硝酸鹽氮、有機(jī)氮、可溶性磷、有機(jī)磷、土壤濕容重、土壤層有效含水量、pH等8項。

表2 研究區(qū)土壤類型及面積占比Table 2 Soil types and area proportion in the study area

氣象資料使用臨安氣象監(jiān)測站1990—2018年的長系列地面日監(jiān)測數(shù)據(jù)。流域內(nèi)市嶺、臨安、臨安溪口、南莊、橋東村、青山水庫和徐家頭7個水文站的同期日降雨量數(shù)據(jù)由浙江省水文局提供,利用SWAT模型自帶的泰森多邊形空間插值法進(jìn)行面平均降雨量計算。

1.2.3 子流域劃分

水庫可以用來防洪、灌溉、供水、發(fā)電等,同時也會改變河流的水文情勢,對河流的天然徑流影響較大[24]。因此本研究將重要水庫的特征水位、蓄水量、排放量等情況代入SWAT模型的RES水庫模塊,來更真實地模擬河流實際水文情勢,主要考慮了對該研究區(qū)影響較大的青山水庫和里畈水庫。最終,將模型劃分為38個子流域。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型率定與驗證

橋東村水文站位于南苕溪干流中部,模型率定不受下游青山水庫及平原河網(wǎng)的人工水利工程等影響,能夠更好地反應(yīng)模型天然徑流水文情勢,故選取橋東村水文站及其附近的鱉堰水質(zhì)監(jiān)測站(數(shù)據(jù)由杭州市生態(tài)環(huán)境局臨安分局提供)作為模型率定點位。

根據(jù)文獻(xiàn)[25]的方法,利用橋東村水文站2008—2013年的逐月實測徑流量對模型進(jìn)行率定,用2014—2018年的逐月實測徑流量對模型進(jìn)行驗證。模型率定與驗證結(jié)果如表3所示。一般認(rèn)為,當(dāng)率定期和驗證期相關(guān)系數(shù)(R2)和納什效率系數(shù)(Ens)大于0.5時,模擬結(jié)果可信[26-27]。表3中徑流量在率定期和驗證期的R2均大于0.5,Ens也均大于0.5,因此模型可較好適用于南苕溪流域徑流量模擬。

表3 徑流量模擬效果評價Table 3 Evaluation of runoff volume simulation effect

利用鱉堰水質(zhì)監(jiān)測站2014—2018年的逐月實測總磷、氨氮(由于歷史數(shù)據(jù)氨氮更加完整,因此用氨氮代替總氮進(jìn)行率定)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定與驗證,模型中用到的主要敏感參數(shù)率定取值見表4。模型率定與驗證結(jié)果如表5所示。可以看到,率定期和驗證期氨氮、總磷R2均大于0.7,Ens均大于0.6,說明模型也能夠較好地適用于南苕溪流域面源污染負(fù)荷的模擬。

表4 模型中用到的主要敏感參數(shù)率定取值Table 4 Calibration values of main sensitive parameters used in the model

表5 氨氮和總磷模擬效果評價Table 5 Evaluation of ammonia nitrogen and total phosphorus simulation effect

2.2 流域面源污染時間分布規(guī)律

根據(jù)SWAT模型模擬結(jié)果統(tǒng)計,南苕溪流域總氮污染負(fù)荷年內(nèi)分布差異很大,在0.18～790.10 t/月,平均污染負(fù)荷為51.40 t/月,污染負(fù)荷峰值分布與降雨量分布趨于一致(見圖1),兩者的Pearson相關(guān)性系數(shù)為0.72(P<0.01)。每年3、4月春汛時總氮污染負(fù)荷會隨著降雨量的增多而形成一個高峰,主要原因是該時期流域內(nèi)大面積雷竹正值收獲時節(jié),并且茶葉、香榧等作物正值第一次施肥。因此,降雨量和總氮污染負(fù)荷,具有顯著相關(guān)性。總磷污染負(fù)荷在0.03～205.30 t/月,平均污染負(fù)荷為13.28 t/月,分布特征與總氮類似(見圖2)。

圖1 總氮污染負(fù)荷與降雨量隨時間變化Fig.1 Changes of TN polution load and rainfall with time

圖2 總磷污染負(fù)荷隨時間變化Fig.2 Changes of TP polltuon load with time

2.3 流域面源污染空間分布規(guī)律

流域總氮2010—2018年年均產(chǎn)生量為1 258.56 t/a,年均單位面積污染負(fù)荷為19.28 kg/(hm2·a)。由圖3可見,總氮年均單位面積污染負(fù)荷較大的子流域是16、20等,多在24.29～46.42 kg/(hm2·a),分布在青山水庫以東地區(qū)。青山水庫以東多是鄉(xiāng)村居住區(qū),同時分布有水稻種植地、旱地等,農(nóng)業(yè)耕作等人類活動影響對該地區(qū)總氮污染負(fù)荷產(chǎn)生較大貢獻(xiàn)。

圖3 總氮年均單位面積污染負(fù)荷空間分布Fig.3 Spatial distribution of annual average TN pollution load per area

流域總磷年均產(chǎn)生量為268.79 t/a,年均單位面積污染負(fù)荷為4.12 kg/(hm2·a)。由圖4可見,總磷年均單位面積污染負(fù)荷較大的子流域是4、6、10、14、20、21、37,多在4.78～5.74 kg/(hm2·a),主要分布地區(qū)雷竹、水稻、山核桃等作物種植較多,施肥量大。

圖4 總磷年均單位面積污染負(fù)荷空間分布Fig.4 Spatial distribution of annual average TP pollution load per area

2.4 不同土地利用類型的總氮、總磷負(fù)荷特征

根據(jù)SWAT模型模擬結(jié)果統(tǒng)計,不同土地利用類型的各類氮磷年均單位面積污染負(fù)荷如表6所示?？梢钥闯?水稻種植地的硝酸鹽氮、可溶性磷年均單位面積污染負(fù)荷最高;香榧種植地的有機(jī)氮、有機(jī)磷年均單位面積污染負(fù)荷最高;山核桃種植地的礦物質(zhì)磷年均單位面積污染負(fù)荷最高。此外,雷竹和毛竹種植地因其在流域內(nèi)面積占比較大,各類氮磷年均單位面積污染負(fù)荷也較大。這些土地利用類型應(yīng)當(dāng)是流域內(nèi)面源污染控制的重點。

表6 不同土地利用類型的氮磷污染負(fù)荷Table 6 Nitrogen and phosphorus pollution load of different land use types kg/(hm2·a)

2.5 各支流面源污染負(fù)荷分析

南苕溪有錦溪、橫溪、靈溪、雙林溪4大支流,上游又由南苕溪、東坑溪、南溪、潘溪、馬溪匯聚而成,下游派生出眾多河網(wǎng),統(tǒng)一合并為下游河網(wǎng)。暫且把南苕溪也看作支流,對所有支流的小流域氮磷污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果如表7所示?？傮w上,面源污染負(fù)荷最大的為南溪小流域,有機(jī)氮、總氮、有機(jī)磷、可溶性磷、礦物質(zhì)磷、總磷污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率都是最大,都在20%以上,分析主要原因是南溪小流域內(nèi)種植有大量雷竹等作物,施肥較多,而且水土流失也比較嚴(yán)重。然而,硝酸鹽氮污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大的卻是下游河網(wǎng)和錦溪小流域,分析主要原因是這兩個小流域內(nèi)人口密集、生活污水排放較多,加上作物耕作的影響。雙林溪和東坑溪的氮磷污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率都較低,分析主要原因是這兩個流域面積較小,且作物種植比例也不高,施肥及土地耕作相對較少。

表7 各支流小流域的氮磷污染負(fù)荷貢獻(xiàn)Table 7 Nitrogen and phosphorus pollution load contribution of each tributary subarea %

3 結(jié) 論

(1) 南苕溪流域氮磷污染負(fù)荷年內(nèi)分布差異較大,總氮污染負(fù)荷為0.18～790.10 t/月,總磷污染負(fù)荷為0.03～205.30 t/月,與降雨量分布趨勢一致,氮磷流失高峰主要發(fā)生在3、4月春汛期。

(2) 流域總氮年均產(chǎn)生量為1 258.56 t/a,青山水庫以東地區(qū)負(fù)荷相對較大;流域總磷年均產(chǎn)生量為268.79 t/a,負(fù)荷大的地區(qū)雷竹、水稻、山核桃等作物種植較多,施肥量大。

(3) 水稻種植地的硝酸鹽氮、可溶性磷年均單位面積污染負(fù)荷最高;香榧種植地的有機(jī)氮、有機(jī)磷年均單位面積污染負(fù)荷最高;山核桃種植地的礦物質(zhì)磷年均單位面積污染負(fù)荷最高。

(4) 南溪小流域總氮、總磷污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率都最大,占全流域的20%以上。