香溪河流域非點源污染負荷分析及治理措施探究

張一楠，黃介生，伍靖偉

(武漢大學 水資源與水利水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

非點源 (Non-pointsource )污染也稱面源污染或者分散源污染，是指時空上無法定點監測的，與大氣、水文、土壤、植被、土質、地貌、地形等環境條件和人類活動密切相關的，可隨時隨地發生的，直接對水環境構成污染的污染物來源[1]。其來源主要包括化肥、農藥、畜禽養殖、農村生活污水及廢棄物和其他農業生產過程。隨著點源污染治理進程的加快，非點源污染已經逐步成為影響水體質量的重要污染源。目前全球有30%～50%的地表水體受到非點源污染的影響[2]。我國作為一個農業大國，河湖非點源污染問題也已經十分嚴峻，根據相關研究結果統計，黃河流域、北京密云水庫、江蘇太湖流域的非點源污染負荷比例已經超過點源[3-5]。非點源污染在長江流域的影響也不容小視，由于農藥化肥的過量使用、畜禽養殖業的迅猛發展、農村廢棄物的丟棄等導致長江上游部分地區的非點源污染已經遠超過點源[6]。

香溪河是長江干流三峽庫區壩首的第一大支流，近年來，隨著三峽水庫的蓄水運行和當地經濟的快速發展，香溪河流域水體呈現惡化趨勢，流域水資源的可持續利用受到了威脅。作為典型的以農業為主的小流域，非點源污染對香溪河流域水環境的影響受到諸多學者關注。陳玲等從機理的角度探究了香溪河流域坡耕地氮磷流失規律[7]；宋林旭等以坡面徑流小區實驗為手段，解析了非點源污染在降雨匯流過程中的輸出規律[8]。本文以SWAT模型為工具，建立香溪河流域分布式水文模擬系統，定量模擬近年來流域的非點源污染現狀，分析當地非點源污染時空變化規律，并通過設置不同管理措施(BMPs)，探求流域非點源污染治理的可行手段，以期為流域水資源規劃和管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

香溪河(110°25′～111°00′E，30°38′～31°34′N)，位于湖北省西部，長江西陵峽北側。發源于神農架源頭林區，流經興山縣，最終在秭歸縣香溪鎮注入長江。本次研究所涉及氣象站及水文站分別為興山氣象站和興山水文站。地理位置圖見圖1。

圖1 研究區域地理位置Fig.1 Map of the study area

香溪河干流長94 km，主要水系為中部古夫水系、西支南陽水系和東支高嵐水系，流域面積為3 099 km2，年平均徑流量為19.56 億m3，多年平均流量為62.5 m3/s。流經地多處深山峽谷，自然落差大，水能資源較豐富。流域土壤類型繁多，土地利用類型多樣，植被垂直分布差異性顯著，森林覆蓋率達60%以上。

1.2 基于SWAT模型的分布式水文模型的建立

分布式水文模型是探索和認識水文過程的有效手段。與集總式水文模型不同，分布式水文模型能夠考慮水文參數和過程的空間變異性，能夠更加準確、客觀的還原自然界中水文循環過程，SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型作為分布式水文模型的典型代表，已經廣泛地應用在各流域的水文模擬及水土資源高效利用的研究中。

模型的建立需要大量的基礎數據，主要包括空間數據及屬性數據，具體見表1。根據研究需要，本文所選用的空間數據投影坐標系統為WGS_1984_UTM_ZONE_49N，地理坐標系統選擇GCS_WGS_1984。最終流域被劃分為36個子流域，560個水文響應單元(HRU)。

1.3 不同最佳管理措施的選取與設定

“最佳管理措施”(BMPs)被美國環保局定義為“任何能夠減少或預防水資源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和維護程序”[9]。本文試圖從養分管理(減少化肥施用量)和景觀管理(退耕還林、設置過濾帶)兩個角度對香溪河流域非點源污染治理進行探討。具體設置以下五種情景：①削減10%的化肥用量；②削減20%的化肥用量；③將流域15°以上坡耕地退耕還林；④設置5 m過濾帶；⑤設置10 m過濾帶。

表1 SWAT模型建立基礎數據準備Tab.1 Basic data of building SWAT model

1.4 模擬效率評價方法

根據已掌握水文序列資料(興山水文站監測的2006-2015年月流量數據、興山站監測斷面2010-2015年月總氮、總磷數據)，本文采用2006-2013年徑流數據進行率定，2014-2015年徑流序列作為驗證，水質模擬中，采用2010-2014年總氮、總磷序列進行率定，2015年水質數據作為驗證。率定工具為SWAT-CUP軟件并結合手動調參進行。本文選用的模型率定參數見表2。

本模型采用確定性系數R2和Nash-Suttcliffe(Ens)系數作為評價模型適用性的檢驗參數。計算方法如下：

表2 SWAT模型參數調整Tab.2 Ranges of parameters

式中：Qm,i為實測流量；Qp,i為模擬流量；Qm,avg為多年實測平均流量；Qp,avg為多年模擬平均流量；n為實測時間序列長度。

二者分別評價模擬值與實測值在變化趨勢與數量上的相似性。當R2=1時，表示模擬值與實測值非常吻合，當R2<1時，其值越大，兩者的相似性越高。Ens的取值介于-∞與1之間，該值越接近1表示模擬效果越好。一般認為，R2>0.6,Ens>0.5時，模型的模擬效果較好，模型具有較高的可信度。

2 結果與討論

2.1 模型率定和驗證結果

表3分別是率定期和驗證期各指標模擬結果的確定性系數R2和Nash-SuttcliffeEns系數統計結果。總體看來，該模型所模擬的徑流、總氮和總磷數據與實測數據間的檢驗參數均滿足上述一般要求，可以得出結論：興山站點率定期和驗證期下徑流、總氮、總磷的月尺度模擬值和實測值均表現出較好的吻合性，本文所建立的SWAT模型可以在香溪河流域進行應用及進一步研究。

表3 SWAT模型率定及校驗成果Tab.3 Evaluation parameters of simulation results

2.2 非點源污染物輸出的時間特征

2.2.1 年際變化

將2006-2015年香溪河流域的非點源污染輸出按年際統計，探究降雨、徑流與泥沙、總氮、總磷的趨勢關系(圖2)，發現年水量、泥沙、總氮、總磷輸出趨勢均與降雨保持一致，隨降雨量呈現豐多枯少的特征，反映了降雨是流域水文活動的先決條件。進一步計算研究期內降雨與泥沙、總氮、總磷三項指標的相關系數，由高至低依次為：降雨-總氮(0.95)、降雨-總磷(0.83)、降雨-泥沙(0.79)。統計發現，本次模擬中，硝態氮占總氮的比例達90%以上，而硝態氮溶解度較大，攜帶負電荷，與同樣攜帶負電荷的土壤膠體和顆粒相互排斥，是土壤中移動性最強的一種氮素，降雨時極易隨地表及地下徑流入河，故降雨和氮素的相關性最高。而降雨與泥沙的相關性最低，表土在雨滴分離和地表徑流沖刷的共同作用下形成泥沙，場次降雨中并非所有雨量都能轉化成可以剝離表土的地表徑流，一部分雨量滲入地下形成地下徑流，而氮素可以同時隨地表、地下徑流流失，這導致降雨-泥沙的相關系數較降雨-總氮低。與降雨相比，徑流與泥沙、總氮、總磷的相關系數分別為0.87、0.98、0.89，分別高于降雨-泥沙、降雨-總氮、降雨-總磷間的相關系數，說明降雨形成的徑流才是污染物遷移轉化的最直接載體。

圖2 降雨與徑流、泥沙、總氮、總磷趨勢圖Fig.2 Curves of the tendency between rainfall, runoff, sediment, total nitrogen and total phosphorus

2.2.2 年內變化

為研究月尺度上非點源污染負荷變化規律，對2006-2015年香溪河流域出水口河段的污染負荷輸出量進行統計，得到月均值變化曲線如圖3所示。可以看出，香溪河流域非點源污染物額輸出呈現很強的季節性特征，多集中在夏、秋季，為了進一步探究不同水文條件下非點源污染輸出的負荷比重，對香溪河流域2006-2015年每年豐、平、枯水期(根據長江流域多年降雨徑流規律研究，結合香溪河流域特性，最終確定枯水期為12、1、2、3月，平水期為10、11月，豐水期為4-9月[3,10])污染負荷進行統計，結果如圖4。豐水期降雨、徑流、泥沙、總氮及總磷的貢獻率均達到80%以上，平水期、枯水期的污染負荷貢獻率較為接近，均在10%左右，因此，香溪河流域非點源污染的控制重點在豐水期。土壤前期含水率是影響降雨-徑流過程的重要因素，枯水季節土壤含水率小，即便發生單次較強降雨，徑流的去向也以下滲補給土壤水為主，這直接導致枯水期徑流、泥沙、總氮及總磷的貢獻率都很低。

圖3 流域出口處污染負荷月均值變化圖Fig.3 Curves of monthly value on average of the exit in the basin

圖4 豐、平、枯水期香溪河流域污染貢獻量Fig.4 Curves of contributions of non-point pollution during wet period, flat period and dry period

2.3 不同土地利用類型條件下污染物空間輸出特征

香溪河流域的土地利用以林地、草地、農用地(旱地、水田)為主，分別占土地利用的68%、17%、13%。為了研究不同土地利用類型下農業非點源污染情況，結合HRU輸出文件，對香溪河流域主要的幾種土地利用類型下泥沙及污染物輸出強度進行統計，結果如圖5。由圖5可見，不同土地利用類型下泥沙和總磷輸出趨勢一致，而總氮較二者而言略有差異，這是由于氮、磷的流失機制不同造成的，相對氮素而言，被侵蝕的泥沙更易攜帶磷素流失，因此，泥沙和總磷的輸出趨勢較為同步。水田的泥沙、總氮及總磷的輸出強度最大，分別為5.7 t/hm2、0.85 kg/hm2和0.32 kg/hm2，旱地的總氮輸出強度與水田基本持平，而泥沙和總磷輸出能力卻低于水田，這種差異是淹水條件不同所導致的氮、磷賦存形式不同造成的。水田間常處于淹水狀態，較旱地而言通氣性較差，在通氣性良好的旱地中，施入的氮肥更易轉化為硝態氮素，更易隨降雨徑流流失，而磷素主要隨泥沙侵蝕流失，降雨量較小時，被剝離的表土泥沙量也十分有限，對于水田而言，田面經常滯留的水對磷素有溶出作用，這導致磷素在降雨徑流的作用下更容易被裹挾帶入受納水體，故單位面積濃度較高[11]。香溪河流域草地非點源污染的貢獻量也不容小視，原因是在香溪河流域，畜禽養殖也是面源污染的重要來源，其對非點源污染氮、磷的貢獻率分別在45%和34%左右，本研究中草地是畜禽養殖污染的主要受納地，另外，草地常處于無人看管的自然狀態，植株高度矮小，植被覆蓋度不高，地表容易處于裸露狀態，這些原因都導致草地易在較大雨強中發生水土流失。林地的泥沙及總氮、總磷的輸出強度最小，分別為0.01 t/hm2、0.66 kg/hm2和0.008 kg/hm2，體現了林地涵養水源的良好功能。

圖5 不同土地利用類型污染輸出強度比較Fig.5 Curves of ability of outputting pollution in different land-use type

2.4 香溪河流域非點源污染控制最佳管理措施篩選

在設置上述5種最佳管理措施的情境方案下，產沙量與非點源污染負荷的削減情況見表4。

表4 不同最佳管理措施(BMPs)下香溪河流域污染負荷削減情況Tab.4 Different results of pollution reductionunder different BMPs

由表4可以看出，削減化肥施用量對泥沙、TN、TP的削減效果一般，對總氮、總磷的削減率分別在3.8%和0.8%左右，且多減少10%化肥量并沒有給非點源污染的削減帶來較明顯的效果。對情景③、情景④和情景⑤的綜合分析發現：設置過濾帶對泥沙的削減效果最明顯，與之相對應的，其對總磷的削減效果也較好。在總氮的削減上，退耕還林、設置5 m過濾帶、設置10 m過濾帶的削減比例分別為24.41%、3.94%和5.88%，退耕還林對總氮的削減效果明顯高于設置過濾帶。另外，情景模擬結果也顯示，退耕還林對總磷的削減率高達38.27%，為5種治理措施中效果最佳。綜上，對泥沙的治理應從退耕還林入手，對總氮和總磷的削減則依靠退耕還林更為有效。

3 結 語

本研究通過在三峽庫區香溪河流域建立SWAT模型，進行了流域的非點源污染負荷模擬及相應治理措施探究，結果表明：

(1)從年際角度探究香溪河流域非點源污染特征，香溪河流域的污染物輸出和年降雨量有較明顯的相關性，而徑流—泥沙、徑流—總氮、徑流—總磷的相關系數要高于降雨—泥沙、降雨—總氮、降雨—總磷的相關系數，表明徑流是流域氮素、磷素流失的主要誘因；從年內角度探究非點源污染特征，香溪河流域非點源N、P污染的輸出隨季節呈現豐多枯少的特性，豐水期污染物占比約為全年總量的80%以上；不同土地利用條件下污染物輸出能力有很大差異，總氮方面，表現為：水田>旱地>草地>林地；泥沙和總磷表現為較明顯的一致性，不同土地利用類型的輸出能力依次為：水田>草地>旱地>林地。

(2)非點源污染控制最佳管理措施的探究結果表明，在本文所探究的5種措施中，退耕還林和設置過濾帶對減少非點源污染的入河量有較為顯著的效果，其中退耕還林在對總氮和總磷的削減效果中最為顯著，設置過濾帶對泥 沙的攔截效果最明顯。適量減少農藥化肥的施用量也能夠從源頭上控制非點源污染，但對污染物的削減率要略低于退耕還林和過濾帶設置這兩項措施。

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