基于SWAT模型的棗陽市滾河流域非點源污染模擬與控制研究

徐 暢，彭 虹，夏晶晶

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.武漢大學 水資源與水電工程科學 國家重點實驗室，湖北 武漢 430072;3.武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079)

1 研究背景

《第一次全國污染源普査公報》指出，在我國大部分流域非點源污染已超過點源污染，成為地表水體主要的污染源。2016年，國務院印發了《“十三五”生態環境保護規劃》，強調加快水污染防治，實施流域環境綜合治理，同時要求到2020年，COD和NH3—N排放總量要削減10%以上。對于水環境問題較為嚴重的區域，亟需制定合理有效的負荷削減方案，嚴格執行總量控制目標，確保水質達標。作為鄂西北乃至中部地區的畜禽養殖主要產區，棗陽市隨著社會經濟與人口的增長，城鎮化、工業化加速推進，非點源負荷不斷增加，但污染治理設施相對落后、法律法規和相關政策不夠完善，流域水環境嚴重惡化[1]。因此，對滾河流域開展以非點源污染為主的污染負荷模擬與控制研究意義重大。

目前，還未有學者針對棗陽滾河流域進行非點源污染研究，該區域相關研究多以漢江中上游流域為對象，流域尺度較大，對于中小河流的針對性不強。本文對于棗陽市滾河流域的研究可為鄂西北和中部缺水地區的中小河流流域非點源污染研究提供借鑒。

由美國農業部水土保持局研發的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型對流域非點源污染負荷的模擬起到重要支撐作用[2-4]。近年來，SWAT模型被廣泛應用于非點源污染負荷計算和流域管理措施對水環境影響等方面研究[5-9]。國外學者Mekonnen等[10]將SWAT模型應用于加拿大寒冷草原氣候地區的Assiniboine River流域，模擬了各類水土流失防治措施對于流域出口沉積物和營養物質輸出的影響；Kerr等[11]應用SWAT模型模擬了北美五大湖(the Great Lakes)流域的面源污染，同時對多種解決湖泊富營養化問題的投資措施所帶來的環境影響進行了評估。在國內，姜德娟等[12]運用SWAT模型模擬分析了小清河流域總氮負荷的時空分布特征，針對污染源甄別結果，提出了污染物總量控制措施；徐華山等[13]在漳衛南運河流域應用SWAT模型對不同流域最佳管理措施(BMPs)進行模擬，核算了各種BMPs對流域內優先控制子流域的有機氮、有機磷等污染物的控制效果；石雯倩[14]以不同污染源類型和土地利用類型對出口斷面水質的影響為依據，結合流域水體污染物總量控制目標，采用SWAT模型對各類水質控制方案的實施效果進行了模擬預測。大量研究表明，SWAT模型能準確模擬流域非點源污染的產生和遷移轉化過程，同時也能應用于各類管理措施對流域非點源污染負荷削減、水質改善和水環境保護措施的實施效果模擬預測研究。

2 研究區域概況

2.1 流域概況

棗陽市地處湖北省西北部，全市面積3 277 km2，下轄12各鄉鎮和兩個街道，全市多年平均降雨量約為723.1 mm，年最大降雨量為1 255 mm，雨期集中在4-9月，其中6-8月降雨最為集中，占全年的47.8%；年平均蒸發量為1 751.0 mm，年平均相對濕度72%，平均氣溫15.4℃。滾河流域位于大洪山與桐柏山之間的馬鞍形區域，東西橫跨隨州、棗陽和襄陽區3個縣域級行政區。滾河是棗陽市境內最大的河流，流域總面積為2 824 km2，總體呈扇形(圖1)。滾河較大的支流有沙河、優良河和熊河等，流域內分布著南城街道、環城街道和王城、琚灣等十余個鄉鎮。滾河干流在棗陽市境內全長146 km，流域面積為2 317 km2，占全市總面積的70%，琚灣斷面多年平均流量為16.09 m3/s，年均徑流量約為5.08×108m3。

棗陽滾河流域地處十堰市-武漢市汽車工業走廊的中心地帶，是湖北省經濟發展“金三角”黃金地帶和重點發展地區之一，2016年，全市總人口114.07×104人，地區生產總值562.4×108元。流域內工業以食品加工、汽車配件、建筑材料和輕工紡織為主；同時，棗陽市也是我國重要的糧、棉、油生產大市，畜禽養殖業是棗陽市的一大支柱產業。2015年以來，受到工、農業等人類生產活動的影響，滾河流域水環境污染嚴重，主要污染物COD和NH3—N嚴重超標。

2.2 控制斷面水質分析

依照《湖北省地表水環境功能區類別》和《襄樊市水功能區劃》，確定研究區域內棗陽市滾河水系即琚灣出境斷面上游滾河水系屬于滾河棗陽～襄陽保留區，水質目標為III類。根據棗陽市環保局提供的水質(COD、NH3—N和總磷)資料，采用單因子評價法對滾河琚灣斷面2013-2016年水質資料按地表水III類標準進行評價，評價結果見表1。

根據表1中滾河琚灣斷面2013-2016年水質評價結果，琚灣斷面水質在2013年水質為III類，符合考核標準，自2014年起水質呈現逐步惡化趨勢，年均水質達到IV類水質，2015年水質惡化嚴重，突破劣V類，2016年水質有所好轉，全年平均水質為IV類。滾河琚灣斷面的主要超標因子為COD和NH3—N，總磷水質情況相對較好，超標率較低。

表1 2013-2016年滾河琚灣斷面全年水質評價一覽表

2.3 污染源調查與計算

根據襄陽市污染源普查資料和棗陽市環保局提供的基礎數據，按照污染物入河量計算方法[14-15]，分點源和非點源統計和核算2015年研究區域污染物負荷。其中點源污染包括流域內所有的工業排污口和城區唯一的污水處理廠，該污水處理廠主要收集處理棗陽市城區兩個街道的生活污水；非點源污染主要分為城鎮生活污水、農村生活污水、畜禽養殖污染物和種植業非點源污染。研究區域各鄉鎮(街道)各類污染物入河量計算結果見表2和3。

2015年棗陽市COD和NH3—N負荷排放量為分別為49842.92和6681.08 t，區域內污染負荷以非點源污染為主，點源排放僅占4%左右；非點源污染負荷中，畜禽養殖污染所占比例最大，COD和NH3—N分別占45.3%和39%，城鎮和農村生活污水合計COD和NH3—N貢獻率分別為47.31%和42.90%，種植業污染負荷較低。

3 流域非點源污染模型

3.1 模型構建

以SWAT模型為基礎構建棗陽滾河流域非點源污染模型，模型數據庫由空間數據和屬性數據組成，空間數據包括數字高程模型DEM數據(圖2)、土地利用類型圖(圖3)和土壤類型圖(圖4)；屬性數據包括氣象數據、土地利用屬性數據、土壤屬性數據、點源數據和附加非點源數據。實測水文和水質數據主要用于模型率定驗證。研究區域各類型數據參數見表4。

SWAT模型中，子流域由流域DEM數據自動劃分，通過設置土地利用類型、土壤類型、坡度的閾值將子流域進一步劃分為更小的水文響應單元(HRU)，每個HRU具有相同的植被類型、土壤條件和坡度。將滾河流域水系圖圖層與SWAT模型子流域劃分中生成的子流域(Subbasin)圖層中的河網疊加對比，調整子流域劃分個數，以保證模型生成河網與實際水系密度基本一致，能反映真實河網水系特征[3]，本次研究將棗陽市滾河流域共劃分為43個子流域和282個HRU，見圖5。

表2 2015年研究區域點源污染源污染負荷 t/a

棗陽市滾河流域的點源污染主要包括工業點源和城鎮生活污水處理廠，經由SWAT模型“Piont source discharge”界面添加，包括點源污染的排放模式、污水量、COD、NH3—N等各類污染物排放量。

附加非點源主要來源于城鎮和農村生活污水排放、分散畜禽養殖污水排放及農業化肥。SWAT模型中子流域依照流域地形坡度自然劃分，非點源負荷數據以鄉鎮行政區劃為基本單元進行統計和計算，附加非點源輸入模型時，需要將以鄉鎮行政區為單元計算的非點源負荷與模型內子流域(subbasin)和水文響應單元(HRU)進行耦合，進行權重分配后，得出各子流域和HUR非點源負荷。

表3 2015年研究區域非點源污染源污染負荷 t/a

表4 模型數據庫數據類型及說明

3.2 模型適用性評價

采用LH-OAT方法，分別以日和月為尺度，對與徑流和非點源污染有關的參數進行敏感性分析。選擇SWAT-CUP軟件以及連續不確定性匹配算法SUFI-2對上述敏感性參數進行率定及驗證。結果顯示，對徑流量的敏感性參數包括CN2(徑流曲線系數)、ALPHA_BF(基流α系數)、GW_DELAY(地下水滯后系數)、ESCO(土壤蒸發補償系數)、GW_REVAP(淺層地下水再蒸發系數)等，對氮負荷的敏感性參數包括RCN(雨水中硝酸鹽含量)、SOL_ORGN(土壤中有機氮的初始濃度)、SHALLST_N(淺層含水層中的硝酸鹽含量)和CDN(反硝化作用速率系數)等。

選取滾河琚灣站作為控制斷面進行模型校準，徑流量的率定期為2005-2011年，驗證期為2012-2015年；水質的率定期為2013-2014年，驗證期為2015年。由于缺乏泥沙實測數據，故無泥沙校準。選擇確定性系數R2和Nash-Suttcliffe效率系數Ens評價模型率定和驗證的精度。確定性系數是模擬值與實測值之間變化關系密切程度的反映，R2越接近1，實測值與模擬值之間的吻合程度越高；Nash效率系數是模型模擬值與實測值之間擬合程度的反映，當Ens大于0.5表明模擬結果在可接受范圍內[17-18]。

模型對徑流量和水質的模擬效果如圖6～8所示，模型對徑流量的模擬效果較好，率定期和驗證期的R2和Ens均大于0.65；模擬水質濃度與實測水質資料吻合情況相對較好，在年際變化趨勢和個別峰值上與實測資料基本符合，可用于流域污染負荷的模擬應用，滾河琚灣站日徑流量和水質率定驗證結果見表5。

圖1棗陽市滾河流域地理位置 圖2研究區DEM影像圖 圖3研究區土地利用類型空間分布圖

圖4研究區土壤種類空間分布圖 圖5棗陽滾河流域子流域劃分圖

4 結果與討論

4.1 總量控制措施

針對研究區域污染負荷的組成結構，流域COD負荷的主要來源是畜禽養殖業以及城鎮生活和農村生活污水，合計占流域總COD負荷的92.94%；流域NH3—N負荷的主要來源是畜禽養殖業、城鎮生活和農村生活污水以及種植業，合計占流域總NH3—N負荷的98.66%；而工業污染源負荷占比不足2%。棗陽市工業污染負荷較小，且工業園區污水接管率和工業污水達標處理率均較高，工業污染不是流域的主要污染源，故總量控制措施以控制畜禽養殖業、城鎮和農村生活污水以及種植業面源污染為主。

主要控制措施包括：

(1)新建鄉鎮污水處理廠和已有污水處理廠的提標改造，同時擴建污水收集配套官網，提升生活污水收集處理能力。對棗陽市城區王灣污水處理廠進行提標改造，擴建污水收集管網，將污水收集率提升至95%以上，污水排放標準提升至《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標準；新建7個鄉鎮污水處理廠，設計處理規模共64 000 m3/d，合計配套管網160.2 km。

(2)沿河道劃分沙河、滾河河道兩岸1 000 m范圍內為禁養區，在滾河、沙河兩岸1 000～3 000 m范圍內為限養區，主要交通要道兩側500 m和人口聚集區域周邊1 000 m為禁養區。根據所劃分的禁養區和限養區，全市共關閉或整改養殖場(小區)195家。引導畜禽養殖場合理規劃，因地制宜，推進養殖場糞污處理，完成治污設施建設。

(3)開展滾河和沙河水系河道整治與生態修復工程，對河岸沿線的植被土壤進行生態修復。在沙河城區段及上游的梯級水壩區域、污水處理廠排水口-彩虹橋河段、棗陽市鄉鎮范圍的鄉鎮排污溝、滾河和沙河交匯處-滾河觀音寺斷面等區域，開展生態治理工程。

同時推進工業集聚區污染集中治理、城鎮生活垃圾收運及處置，測土配方施肥、減少化肥投入，推行精準對靶、實現農藥減量減污等協同措施。

圖6 滾河琚灣站徑流量實測值與模擬值對照

圖7 滾河琚灣站COD實測值與模擬值對照

圖8 滾河琚灣站NH3—N實測值與模擬值對照

4.2 負荷削減方案模擬

根據污染負荷計算結果和3類總量控制措施，制定棗陽市滾河流域的負荷削減方案，主要包括：

方案1：只控制生活污染。具體措施為對現有污水處理廠進行提標擴建，同時在琚灣鎮、鹿頭鎮等6個鄉鎮建設污水處理廠與配套管網，提升生活污水的集中處理率；

方案2：只控制畜禽養殖污染。具體措施為在劃定的限養區和禁養區內關閉和整改相關畜禽養殖場，實施雨污分流、糞便污水資源化利用，同時提升全市所有畜禽養殖場(小區)糞便利用率，完善配套糞污貯存設施；

表5 滾河琚灣站日徑流量和水質率定驗證結果

注：2014年4-8月滾河琚灣斷面長時間斷流，故無水文、水質監測數據。

方案3：只開展滾河流域生態修復工程。具體措施為在沙河棗陽城區河段進行河道整治以及坡岸景觀改造，在各鄉鎮主要排污溝兩側建設生態廊道和曝氣穩定塘，在沙河和滾河交匯處及下游3 km河道范圍內進行河道整治，建設生態濕地；

方案4：同時實施方案1和2；

方案5：同時實施方案1和3；

方案6：同時實施方案2和3；

方案7：同時實施方案1、2和3；

方案8：以2015年全年模擬水質達到地表水質III類標準為前提，倒逼方案1、2、3的實施程度和污染物削減比例。

根據《棗陽市水污染防治行動計劃(2016)》，以2016年12月底為截止日期，污水處理廠及配套管道建設和畜禽養殖業污染治理的實際進度來模擬負荷削減的效果。經過與2.3節相同的污染源負荷計算，方案1對于流域內生活面源的削減率為47.56%，削減城鎮生活面源54.28%，削減農村生活面源35.67%，對于流域內面源負荷的COD削減比例為23.88%，對NH3—N的削減比例為22.56%。方案2對于流域內畜禽養殖面源污染的削減率為36.60%，對于流域內面源負荷的COD削減比例為17.71%，對NH3—N的削減比例為14.44%。方案3對于流域面源污染的削減與方案1和2不同，并不是從產生面源污染的源頭上去控制，而是通過對于河道和坡岸環境的改造來削減面源污染的入河量，從而降低面源污染對水質的影響。對于方案3，本研究中采用SWAT模型中的過濾帶寬度參數(FILTERW)來模擬河道生態修復對面源污染的削減作用，過濾帶可減少水土流失(污染物多隨泥沙遷移進入水體，過濾帶能攔截土壤中本底氮磷養分的流失)，植被過濾帶的寬度越大，污染物去除率越高[19-20]。SWAT模型中的過濾帶算法只攔截泥沙、殺蟲劑和營養物質，不改變地表徑流量，同時模型中過濾帶不考慮植物配置、形狀等因素，過濾帶坡度由DEM計算，長度根據河道邊農田尺寸決定，因此模型設置只考慮過濾帶寬度參數(FILTERW)。根據滾河水系的實際情況，綜合考慮污染物削減效果與經濟效益，確定過濾帶寬度為5 m。

各污染物削減方案模擬結果分別如圖9～14所示，模擬結果匯總見表6。

圖9方案1、2、3COD削減效果模擬 圖10方案1、2、3NH3—N削減效果模擬

圖11方案4、5、6COD削減效果模擬 圖12方案4、5、6NH3—N削減效果模擬

圖13方案7、8COD削減效果模擬 圖14方案7、8NH3—N削減效果模擬

表6 各負荷削減方案模擬結果

方案8中的方案1設定為污水處理設施全部建設完畢，對流域生活面源的削減率COD為77.55%，NH3—N為76.16%；對方案2中完成無污染改造的養殖的比例進行調整，由30%～85%依此增大，經過多次調整，全市無污染改造的養殖場比率達到72%時，新方案削減措施控制下，可維持滾河琚灣出境斷面全年水質達標。此時方案2對于畜禽養殖污染負荷的削減比例為74.64%，方案8整體對流域面源負荷的削減率COD為82.39%，NH3—N為75.69%。

對照2016和2017年《襄陽市環境狀況公報》，在各項污染控制措施施行后，滾河琚灣斷面水質從2016年4月開始逐步好轉，自2016年7月起穩定達到III類，與本研究模擬結果相符。

5 結 論

(1)2015年棗陽市COD負荷量為49 842.92 t、NH3—N負荷量為6 681.08 t，其中畜禽養殖污染物和生活污水是流域內的主要污染來源。

(2)提出了棗陽市滾河流域污染物排放總量控制的主要措施，包括對原有城鎮污水處理系統進行升級改造，同時新建多個鄉鎮污水處理廠，實現對生活污水的集中處理，污水處理廠全部執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標，對流域生活面源的削減率達到76.16%以上；劃定禁養區與限養區，對區域內養殖場進行關閉和整改，同時對所有養殖場實行糞污集中收集處理和利用，85%以上畜禽養殖場實現無污染改造，對流域畜禽養殖污染的削減率可達到86.41%；開展滾河流域水生態系統修復工程，對主要河道進行清淤，改善坡岸環境，在沙河和滾河交匯處及下游區域建設生態濕地，可削減29.39%的流域內非點源負荷入河量。

(3)對各類負荷削減措施進行了模擬，當全市污水處理系統全部建設完畢且對養殖場的無污染改造比例達到72%以上時，對流域非點源負荷的削減率分別為COD 82.39%，NH3—N 75.69%，滾河琚灣斷面水質全年可達到地表水III類水質標準。

總體來說，流域內散亂排放的生活污水和未經處理的畜禽養殖污染物造成了滾河琚灣斷面水質嚴重超標，對流域生態環境造成了嚴重的影響。本研究中對于流域總量控制措施和負荷削減方案的研究與后續工程措施實際情況相吻合，將為棗陽滾河流域今后的污染防治工作提供依據和支撐。同時水環境容量及污染物排放總量控制是一個理論研究與實際工作緊密結合的問題，在后續水環境管理工作的實踐中，需要加強監測，對理論研究成果不斷進行檢驗和完善。