連云港市薔薇河流域非點源污染模型研究

陶淑蕓 王 震

水文水資源

連云港市薔薇河流域非點源污染模型研究

陶淑蕓 王 震

一、流域概況

薔薇河發源于江蘇省徐州市的馬陵山和踢球山，穿過新沂、沭陽、東海縣和連云港市區四個縣市，在魯蘭河口分薔薇河和東站引河兩支，與新沭河交匯入臨洪河，河道全長97km，在連云港市境內長50km。薔薇河流域內地勢平坦，由西南向東北傾斜，西部為丘陵山區，東部為平原區，流域面積1349.6km2。

二、污染現狀

隨著社會經濟的發展，人類活動影響加劇，薔薇河流域整體呈現受污染狀態。根據調查，薔薇河是跨市境的防洪排澇河流，承擔著境外宿遷市、新沂市及境內東海縣西南部地區和市區的防洪排澇任務，河道支流較多，且入口處多無控制，流域內農田退水、生活污水等可直接或通過支流間接進入干流水體。特別是每年的灌溉季節，上游大量農田棄水經田間河網匯入薔薇河，造成了輕度的非持久性污染。

薔薇河流域的污染多來自非點源污染，亦稱面源污染，其定義是指溶解的或固體的污染物從非特定的地點，在降水或降雪的沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體，并引起水體富營養化或其他形式的污染。主要來源包括水土流失、農藥化肥過量施用、城市地表累積物、畜禽養殖和農業與農村廢棄物等。與點源污染相比，非點源污染起源于分散、多樣的地區，地理邊界和發生位置難以識別和確定，隨機性強、成因復雜、潛伏周期長，因而防治十分困難。隨著各國政府對點源污染控制的重視，點源污染在包括我國在內的許多國家已經得到較好的控制和治理；而非點源污染由于涉及范圍廣、控制難度大，目前已成為影響水體環境質量的重要污染源。

對薔薇河流域非點源污染的研究，目前多通過實測、調查統計和經驗進行估算，由于流域地形、氣象和水文條件的千差萬別，所得結果的適用性、合理性缺乏有效的分析與檢驗。為此考慮建立MIKE11模型，綜合利用流域地形、土地利用、土壤、氣象、水文與水質等多元數據，識別和分析薔薇河流域非點源污染特征，通過模型率定與驗證，得出更為科學合理的結果。

三、模型簡介

該研究首先利用MIKE11NAM模塊建立薔薇河流域水文模型，用來模擬流域內的降雨徑流過程，為河網水動力模擬提供入流邊界。然后基于NAM模型的結果，通過MIKE LOADCalculator（污染負荷評估模塊）對流域的污染負荷進行估算。污染負荷評估模塊基于ArcGIS開發，考慮了降雨徑流、地形、土地利用類型及溫度多個因素對污染負荷遷移轉化的影響，可以很好地反映污染負荷的空間屬性，并與水質模型相耦合生成相應邊界，分析流域內各種污染源產生的負荷，以點源或非點源形式分配到模擬河網中，即時反映污水排放對河道水質的影響。

該模塊主要考慮了流域的截留和衰減作用，在模型中對農業、畜禽污染和生活污染都考慮了一個入河系數，以反映流失作用和距離降解帶來的削減作用。由于各類污染負荷的入河系數取決于地形坡降、土壤類型、降雨量以及污染物產生地到入河點的距離等多種因素，該系數取值需結合當地情況、以往項目經驗以及水質模型的率定情況來獲得。

流域內的生活污水（未納管部分）往往是通過化糞池或簡易溝渠系統進入水體，其排放受降雨徑流的影響較小，一般均認為生活污染負荷的排放不受降雨徑流的影響；而畜禽排泄物一般作為肥料施放在農田中，只能在降雨過程中隨地表徑流進入水體。由于雨強越大，其沖刷作用越強烈，所以假定畜禽負荷和化肥負荷的排放強度與降雨徑流強度成正比，可結合降雨徑流模型計算其入河過程。

表1 模型輸入數據

圖1 薔薇河流域各類污染負荷貢獻率

四、模型搭建

1.模型數據庫建立

MIKE11模型所需的基礎數據（見表1）主要由水文、氣象和水動力數據三部分組成，包括：流域地形圖、降雨和蒸發數據、斷面數據、水工建筑物的相關信息等，以搭建一套完整可靠的薔薇河水系水動力學模型；流域內近年水質監測數據，用于評估薔薇河的水質變化情況和進行水質模型的搭建和率定；污染負荷數據，用于研究區域內的污染負荷評估并作為水質模型的基本輸入。

2.子流域劃分

根據分布式水文模型子流域劃分方法，該研究將薔薇河流域劃分成為15個子流域，并根據各子流域的總面積及其包含的圩區面積建立模型。子流域內的面平均降水量根據流域內雨量站分布采用泰森多邊形法依面積加權計算。

3.污染負荷調查

該研究以2009年為模型率定年，對匯入流域的主要污染物高錳酸鹽指數和氨氮進行調查，污染源主要為流域內未納入污水收集系統的農村和城鎮生活污染、畜禽養殖污染以及農業化肥施用產生的污染。根據地方統計年鑒中的社會經濟資料和實地調查，以縣為單元對流域內產生的污染負荷進行概化估算。薔薇河流域主要涉及到連云港市轄區以及東海縣、沭陽縣3個縣區域。

通過各地市的統計年鑒，得到研究范圍內各行政區的人口分布情況為農業人口2952502人，非農業人口1911195人；畜禽出欄量或存欄量為豬245.51萬頭，牛7.86萬頭，羊35.98萬頭，大牲畜53300萬只，家禽1447萬只；按折純量計的氮肥施用量為22萬t/a。

4.模型計算與率定

通過與水質模型耦合進行聯合率定，獲得各類污染負荷平均入河系數。由于薔薇河流域多為平原地區，加上圩區滯留作用，該流域內產生的面源污染隨徑流匯入模型河網的時間相對較長，因而削減量較大。居民生活污染入河系數0.3，畜禽養殖污染入河系數0.16，化肥施用入河系數0.02。

基于率定后的參數值，應用LOAD負荷模型估算得到薔薇河流域污染負荷量分別為CODMn17729t/a，氨氮1090t/a。其中CODMn有6568t/a來自畜禽養殖，4512t/a來自城鎮生活，6649t/a來自農村生活；氨氮有159t/a來自畜禽養殖，388t/a來自化肥流失，174t/a來自城鎮生活，369t/a來自農村生活。比較各類污染負荷貢獻率（圖1），發現養殖業和農村生活對CODMn貢獻率較大（約占80%），農村生活和化肥施用對氨氮貢獻率較大（約為80%）。

五、結論

根據MIKE11模型率定結果，薔薇河流域非點源污染主要來自流域內的農村生活、畜禽養殖污染排放和化肥流失，其中農村生活污水排放對CODMn的貢獻率達38%，對氨氮的貢獻率達34%；畜禽養殖污染排放對 CODMn的貢獻率達37%；化肥流失對氨氮的貢獻率達36%。基于上述污染貢獻率可知，薔薇河流域非點源污染形勢嚴峻。通過采取提高生活污水收集處理率、開展化肥減施、減少畜禽養殖污水排放等一系列有針對性的治污控污措施，可有效減小薔薇河流域非點源污染，改善流域水環境

（作者單位：江蘇省水文水資源勘測局連云港分局 222004）