基于SWAT模型的滹沱河流域氨氮污染負荷結構*

陳 巖 趙翠平 郜志云 白 輝 趙琰鑫

(環境保護部環境規劃院，北京 100012)

我國流域河流污染問題日益突出，面臨著有機污染物、重金屬、農藥等帶來的巨大壓力?？刂坪拖恿魑廴驹词欠乐刮廴镜母敬胧1]。因此，流域污染負荷精確核算是污染控制的重要前提，也是污染治理的關鍵性因素。區域環境條件通常較復雜，污染來源較廣，與地形、水文、土地利用等條件息息相關。很多污染負荷排放量的核算工作較困難，除產排污系數法外，更多采用環境模型計算[2]。

在京津冀一體化的大背景下，本研究以南部典型的水資源超載區——滹沱河流域作為研究對象，核算流域內的污染點源和農業非點源。其中，點源包含工業、農業和生活3個部分。農業非點源基于流域分布式水文模型——SWAT模型進行核算。通過準確量化區域污染結構，為流域水污染控制和水質改善提供科學依據。

1 研究區域概況

滹沱河流域(見圖1)為海河流域子牙河系中兩大支流之一，發源于山西省繁峙縣泰戲山孤山村一帶，在西南方向經過恒山和五臺山，在界河處轉往東流，穿過舟山和太行山，東至臧橋，在此處與子牙河的另外一個支流(滏陽河)匯合，共同入海[3]。全長587 km，流域面積27 300 km2。滹沱河流域內支流較多，左岸有7條支流，右岸有8條支流，呈“羽狀”排列。多年平均徑流深10～200 mm，平均徑流量為7.3億m3。

滹沱河流域屬溫帶大陸型季風氣候，主要表現為冬季干冷，夏季炎熱、暴雨集中，春季干旱風沙多雨少，秋季溫和適宜。多年平均降雨量為495.5 mm，70%以上年平均降雨量基本集中在汛期6—9月。年平均氣溫-4.0～8.8 ℃。無霜期自南向北遞減，其中山區寒而微濕、無霜期短，平原區干燥、無霜期長。多年平均風速大致為1.8～8.9 m/s[4]。

2 數據來源

本研究中模型所用的流域地理數據包括中科院數據應用中心的SRTM 90m分辨率的數字高程模型(DEM)、1∶100 000土地利用圖和1∶1 000 000土壤圖。人口數據來源于地球系統科學數據平臺。圖形庫中所有地圖的投影、坐標系統一設置，采用高斯克魯格投影，北京1954坐標系，單位為m。此外，數據還包括從中國氣象科學數據服務網下載的石家莊、大同、太原、原平、陽泉和榆社6個氣象站2005—2014年的日最高溫、日最低溫、日平均溫、降雨量、相對濕度、風速等氣象數據，以及小覺水文站2005—2014年的流量數據。污染物排放量數據根據2012年環境統計數據、《“十二五”主要污染物總量減排核算細則》(環發[2011]148號)計算得到。

圖1 流域概況Fig.1 The overview diagram of basin

3 模型結果評價

評價指標的數值代表著模型在某一種參數組合下模擬結果與流域實際的比較情況，直接說明模擬結果是否適用于流域分析和研究。本研究選取相對誤差(Re)、決定系數(R2)和Nash-Suttcliffe系數(ENS)3個指標對滹沱河流域的地都和崗南水庫入口兩個站點的模擬結果進行模型校準驗證，結果見表1。

地都站和崗南水庫入口站的水質相比水文模擬結果較差，不排除水質結果累加水文誤差的緣故，基本上模擬徑流量和氨氮的Re、R2、ENS均達到了數據要求，得到了較理想的擬合結果。通過數據檢驗認為模型模擬結果基本能代表流域河流的氨氮傳輸特點，適用于該區域水質的分析和研究。

4 討論與分析

4.1 流域污染負荷結構年均狀況

滹沱河子流域氨氮污染負荷結構具體見表2。

表1 模型校準驗證結果

表2 滹沱河子流域氨氮污染負荷結構

滹沱河流域氨氮污染負荷總量約為8 340 t。從氨氮污染負荷比例來看，生活比例最大，平均為56%；農業比例次之，平均為42%；工業比例最小，平均為2%。子流域15的氨氮污染負荷量最大，為1 225.7 t。該子流域面積較大，人口分布密集，水土流失嚴重，面源污染也較明顯；另外，可能與崗黃水庫的調節蓄洪作用也有一定的關系。子流域17、20、19氨氮污染負荷量較大，這可能與各子流域人口數量關系較大有關。

4.2 不同水期的流域污染負荷結構

將全年劃分3個不同的水期(豐水期、平水期和枯水期)，逐次分析不同水期滹沱河子流域氨氮污染負荷結構，結果見表3。滹沱河流域豐水期氨氮污染負荷量約為3 898 t，占全年負荷總量的47%，其中農業比例較大(平均為53%)；生活比例次之(平均為46%)；工業比例最小。平水期氨氮污染負荷結構與枯水期相似，氨氮污染負荷量約為3 064 t，占全年負荷總量的37%，其中生活比例較大(平均為56%)；農業比例次之(平均為43%)；工業比例最小?？菟诎钡廴矩摵闪考s為1 378 t，占全年負荷總量的17%，其中生活比例較大(平均為59%)；農業比例次之(平均為39%)；工業比例最小。

不同水期各子流域的氨氮污染負荷結構具有一定的差異性，與河川徑流量和下墊面條件關系密切。豐水期區域地表徑流量較大，泥沙和氮肥流失量較多，農業面源污染負荷較大。滹沱河流域的農業耕地管理水平較低，土地利用不合理，尤其近30年流域下游植被覆蓋度持續下降，導致下游產沙模數較高，這與子流域15、17、19、20的污染負荷較多一致。與豐水期相比，平、枯水期的地表徑流量較小，農業污染負荷較小，生活污染影響較大。

表3 不同水期滹沱河子流域氨氮污染負荷結構

5 結 語

滹沱河流域主要污染來源于生活和農業。相對而言，農業污染治理較困難，是滹沱河流域現在和今后的治理重點，建議在農業用地中，增加有機肥料，減少農藥化肥的使用，嚴格控制農業非點源污染，提高農業用地的質量。流域水質現狀堪憂，當地需要開展農業源與水質斷面的輸入響應研究，結合區域水資源和水環境承載能力，制定具有針對性的污染防治措施。

[1] 蘇丹，唐大元，劉蘭嵐，等.水環境污染源解析研究進展[J].生態環境學報，2009，18(2)：749-753.

[2] 王慧亮，李敘勇，解瑩.多模型方法在非點源污染負荷中的應用展望[J].水科學進展，2011，22(5)：727-730.

[3] 許建廷.河北省滹沱河流域山區年徑流量變化情勢分析[J].水科學與工程技術，2008(6)：3-4.

[4] 王金哲，張光輝，聶振龍，等.滹沱河流域平原區人類活動強度的定量評價[J].干旱區資源與環境，2009，23(10)：41-44.