安徽省兆河流域非點源污染模擬及最佳管理措施

王 敏, 張雨桐, 李奇宸,3, 賈如賓, 李 劍, 王 勇, 焦 夢

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室, 陜西 西安 710048; 2.西安理工大學水利水電學院, 陜西 西安 710048; 3.中國石油天然氣股份有限公司 長慶油田分公司第十采油廠, 甘肅, 慶陽 745100;4.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司, 陜西 西安 710043; 5.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司, 陜西 西安 710065)

非點源污染是造成水體污染的重要來源[1]，與點源污染相比，其分布特性、輸入方式等均較為復雜，導致其控制尤為困難，合適的水文水質模型有助于定量化研究流域水環(huán)境污染負荷分布特征，對非點源污染控制具有重要意義。近年來各類水文水質模型發(fā)展迅速，以SWAT(soil and water assessment tool)模型、SWMM(storm water management model)模型和HSPF(hydrological simulation program-fortran)模型等應用較多。這些模型能夠綜合考慮流域水文過程、土壤侵蝕狀況及污染物遷移轉化過程，進而能夠比較全面和客觀地實現(xiàn)流域污染的模擬和計算。其中應用最廣泛的是基于GIS(geographic information system)空間分析的SWAT模型[2-3]其在不同流域均具有良好的適用性，已被用于污染來源分析、非點源污染負荷估算、污染控制或保護性措施比較與效果評估等方面[4-5]。同時也有研究者為了提高模型的精度和適用性，也會因地制宜提出改進方法，并得到了理想的模擬研究結果。

由于非點源污染沒有固定的排放口和特定的排放地點，各類溶解性或固體污染物隨著降水、融雪等大范圍進入水體中，繼而引發(fā)水質下降。非點源污染的產(chǎn)生和遷移過程受自然地理、社會經(jīng)濟、氣候、人類活動等影響顯著，導致非點源污染監(jiān)控和治理難度較大，因此，實施有效的非點源污染防治對控制非點源污染非常必要。最佳管理措施(BMPs， best management practices)是公認的防治非點源污染行之有效的手段[6]，其將工程類措施與非工程類措施相結合控制污染負荷輸入量[7]，利用不斷優(yōu)化治理措施的空間配置方案，評估BMPs對非點源污染的削減效果和水質的改善作用影響[8]，提出流域管控治理的最佳措施。非工程措施主要是通過法律法規(guī)的約束及生產(chǎn)和管理方式的調整，以控制污染物的輸出，進而從源頭控制非點源污染，主要方式包括養(yǎng)分管理[9-10]和耕作管理[11]。工程措施主要是通過設置人工構筑物，攔截、蓄積或者吸收污染物，減少輸送到水體中的污染物的量，主要包括植被緩沖帶[12]、植草河道等[13]。將非工程措施與工程措施結合評價流域污染負荷削減效果，對流域污染負荷管控具有重要價值。

基于以上背景，以兆河流域為研究對象，通過GIS和SWAT軟件構建流域非點源污染模型，并利用構建的模型開展流域非點源污染現(xiàn)狀分析、污染關鍵區(qū)識別及污染控制措施的削減效果相關研究，明確流域污染負荷的分布特征，為兆河清潔小流域建設提供技術支撐。

1 研究區(qū)概況

兆河全長34 km，流域面積1 138 km2，主要位于安徽省廬江縣境內，北臨巢湖，南近長江，西依大別山余脈，地勢西南高，東北低，地貌可分為：沿湖平原圩區(qū)(占流域總面積16.70%)；東南西部低山丘陵區(qū)(占流域總面積18.00%)和中部丘陵區(qū)(占流域總面積65.30%)。流域內有11條支流，其中水質優(yōu)于Ⅲ類占比56.2%，Ⅳ—Ⅴ類水質河段，比例42.8%，其中盛橋河、裴河、黃泥河、縣河的污染較為嚴重，污染源主要包括城鎮(zhèn)生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染、廢棄礦山污染及工業(yè)企業(yè)污染。兆河流域現(xiàn)有兆河閘水文站、缺口水文站以及鄰近流域的桃溪水文站，其中兆河閘水文站控制兆河入巢湖水量，多年平均年入湖水量3.58×108m3，生態(tài)基流缺水量1.06×107m3，枯水期河道生態(tài)基流嚴重不足[14]。兆河流域地理位置及水系見圖1。

圖1 安徽省兆河流域水系分布

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 流域非點源污染模型構建

SWAT模型可根據(jù)研究區(qū)的土地利用類型、土壤類型、地面高程和坡度等將流域劃分為不同的水文響應單元(hydrological response unit，HRU)，并以HRU為基本水文單元，模擬計算流域尺度的徑流、泥沙和氮磷等污染物質的遷移輸送過程[15-16]。本研究通過分析流域內社會經(jīng)濟發(fā)展和污染源排污情況，以環(huán)境調查和監(jiān)測分析相結合的方式收集整理構建SWAT所需要的相關數(shù)據(jù)。模型所需各類數(shù)據(jù)集來源見表1。

表1 安徽省兆河流域SWAT模型所需主要數(shù)據(jù)

SWAT模型可依據(jù)DEM圖的信息自動計算流域水系，但是由于本研究區(qū)地處中國東南河網(wǎng)密集區(qū)，為增加河網(wǎng)生成的準確度，需導入實測水系圖為河道的生成做出指引。為避免DEM范圍相對研究區(qū)面積過大，造成不必要計算浪費[17]，本研究閾值參數(shù)選用3 km2為集水區(qū)劃分的閾值，依據(jù)實際河流空間位置手動添加子流域匯水口，以兆河入巢湖口作為流域總出水口，共劃分15個子流域，2 076個水文響應單元(見圖2)。

圖2 安徽省兆河流域子流域劃分

2.2 模型的適用性

SWAT模型參數(shù)眾多，而不同參數(shù)對模擬結果的準確度有著不同程度的影響，相同參數(shù)的不同取值也會對模擬結果產(chǎn)生很大影響。因此，有必要對模型進行參數(shù)的敏感性分析，本研究采用SWAT-CUP對模型中與流量和水質相關的參數(shù)進行敏感性分析，最終選定與徑流敏感的參數(shù)10個與總氮敏感的參數(shù)10個，與總磷敏感的參數(shù)10個。具體參數(shù)見表2。

選定主要敏感性參數(shù)之后，運行模型對參數(shù)的取值進行率定。取具有實測日徑流數(shù)據(jù)的兆河閘水文站為率定和驗證的站點，選取2011—2014年為率定期，2015—2017為驗證期。采用相對誤差(r)、可決定系數(shù)(R2)和納什系數(shù)(ENS)對模型模擬結果的適用性進行評價，計算公式見公式(1)—(3)

(1)

(2)

(3)

表2 安徽省兆河流域模型相關敏感性參數(shù)

表3 安徽省兆河流域SWAT模型的率定和驗證結果

2.3 非點源污染關鍵源區(qū)識別

非點源污染因其污染來源不確定、來源時間隨機、來源方式間接、影響時間滯后和機理復雜的特點，不同區(qū)塊的污染流失強度具有較大的空間差異性，使非點源污染的治理難以集中，并且由于非點源污染來源涉及范圍較廣，實際中難以全面采取控制措施，最有效的方法是針對重點源區(qū)采取有效控制。Giri等[20]對比分析了流域的高風險區(qū)與中等風險區(qū)布置措施與全流域布置措施，結果發(fā)現(xiàn)污染物的消減量無明顯變化，表明將控制措施布設全流域是不經(jīng)濟的，同時也沒有良好的生態(tài)效益。因此，評估流域各區(qū)塊的污染流失量，并按照流失強度劃分出流域非點源污染來源關鍵區(qū)域，對關鍵區(qū)域優(yōu)先進行措施布置，從而提升資金與資源的使用效率，減少工程措施用地，對降低流域非點源治理難度非常必要。

本研究采用單元負荷指數(shù)法(LPUAI，load per unit area index)對各子流域污染負荷輕度(Pi)進行計算，其計算公式為：

(4)

式中：PTi為某子流域在某一時段內污染物負荷產(chǎn)生量;Ai表示給子流域的面積。

LPUAI方法主要是基于各子流域每單位面積所產(chǎn)生的平均污染物負荷來確定關鍵區(qū)優(yōu)先級，有效避免因子流域面積劃分不均帶來的問題，并且對氮磷都有較高的敏感性，是進行關鍵源區(qū)識別的常用方法。該方法將單位面積污染負荷流失強度劃分為5個等級，即低、較低、中度、較高、高，再將評級高級的子流域確定為關鍵源區(qū)[19]，評價因子分級標準見表4。

表4 安徽省兆河流域非點源關鍵區(qū)等級劃分

3 結果與分析

3.1 流域非點源污染分布特征分析

3.1.1 流域非點源污染分布現(xiàn)狀 研究區(qū)總氮總磷污染負荷分布現(xiàn)狀如圖3所示。由圖3可知，現(xiàn)狀水平年該流域總氮污染物量為1 495.32 t/a，污染負荷貢獻最大的子流域為縣河流域，其負荷量占總量的比例為40.8%；環(huán)圩河與黃泥河流域負荷量之和占流域總氮負荷量的24.3%，以上3個流域的總氮非點源污染負荷量占流域總負荷量的60%以上。因此，總氮非點源污染應作為總氮污染排放污染治理的重點關注對象。

圖3 安徽省兆河流域氮磷非點源污染負荷分布現(xiàn)狀

流域總磷污染物總量為71.57 t/a，污染負荷貢獻量最大的流域仍為縣河子流域，其負荷量占總磷負荷量的42.3%；其次為環(huán)圩河流域，占13.9%，說明總磷相較總氮污染負荷分布更加集中，僅縣河與環(huán)圩河兩個子流域的污染負荷量就占到流域總負荷量的50%～60%，這兩個子流域應作為總磷非點源污染治理的重點關注區(qū)。

3.1.2 流域規(guī)劃年非點源污染分布預測 規(guī)劃年在現(xiàn)狀研究的基礎上，考慮研究區(qū)在未來隨著常住人口增長、城市化速度加快、土地利用變化等背景下，非點源污染的變化情況，模擬研究該流域在規(guī)劃年氮磷污染排放空間分布特征，結果見圖4。

規(guī)劃水平年流域總氮污染負荷量可達2 166.5 t/a，總磷排放總量為83.8 t/a，分別比現(xiàn)狀年增加45.3%和8.0%。規(guī)劃年(2022年)縣河子流域仍是總氮污染貢獻量最大的子流域，年污染負荷總量占整個流域的40.8%(820.6 t/a)。相較于現(xiàn)狀年，該子流域總氮污染負荷量平均增加216.6 t/a，但占比減少了2%左右；環(huán)圩河子流域總氮負荷量僅次于縣河子流域，年污染負荷量約310.1 t/a，占整個子流域14.3%，相較現(xiàn)狀年負荷量約增加了89.7 t/a；該流域規(guī)劃年總氮污染負荷平均貢獻量最少的子流域為黃姑河子流域。

圖4 安徽省兆河流域規(guī)劃年(2022年)氮磷污染負荷分布預測

縣河子流域磷的污染負荷量最大，可達37.88 t/a，年污染總量占整個流域的45.2%，較現(xiàn)狀年增加7.2 t；其次為環(huán)圩河子流域，其規(guī)劃年磷的污染負荷量占總流域的10.8%，比現(xiàn)狀年占比減少1%～8%。除去縣河與環(huán)圩河子流域之外，相較現(xiàn)狀年污染負荷量占比變化最大的為黃泥河子流域，污染占比平均減少了2.6%；規(guī)劃年總磷污染貢獻量最少的為順港河與黃姑河子流域。

綜合對比可以得出，該流域在規(guī)劃年(2022年)總氮總磷污染總量均有所增加，在不同時期氮磷貢獻量最高子流域均為縣河子流域，表明該子流域可能是流域非點源污染控制的重點。

3.2 流域規(guī)劃年水環(huán)境質量預測

根據(jù)規(guī)劃年各流域污染負荷排放量與各流域徑流量模擬結果，估算了研究區(qū)各流域主要河流斷面總氮總磷多年平均濃度，根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)劃分研究區(qū)規(guī)劃年水質等級(見圖5)。其中紅色區(qū)域表示水質達到劣Ⅴ類水質；橘色則表示Ⅳ—Ⅴ類水；綠色表示Ⅲ類水質以上。

由模擬結果可知，該流域規(guī)劃年(2022年)河流水體總氮污染嚴重，有近2/3的流域為劣Ⅴ類水質，其中總氮污染最嚴重的盛橋河子流域，水體總氮濃度可能超過9 mg/L，為Ⅴ類水質標準的4.7倍，就總氮而言僅有瓦洋河與黃姑河支流兩個子流域水質達到“清潔小流域建設”工程所要求的Ⅲ類水水質。模擬結果顯示總磷污染雖然較總氮污染程度輕，但盛橋河與裴河兩個子流域水質也是劣Ⅴ類水質；近1/2流域面積達不到Ⅲ類水水質。

圖5 安徽省兆河流域各子流域規(guī)劃年水質預測結果(濃度mg/L)

由此可見，兆河子流域在不采取任何非點源污染治理措施的情況下，流域水環(huán)境治理很難達到“清潔小流域建設”要求。而在整個流域，總氮污染來自非點源的比例為40%～50%，總磷污染來自非點源的比例為40%～45%，因此，在污染治理過程中僅依靠點源的治理已經(jīng)無法滿足要求，必須重視對于研究區(qū)非點源污染的控制。

3.3 流域非點源污染關鍵源區(qū)識別

采用單元負荷指數(shù)法確定流域非點源污染關鍵區(qū)[21-23]。結果表明，該流域規(guī)劃年(2022)單位面積總氮非點源污染負荷量最大的子流域為失曹河子流域(2 040 kg/km2)；盛橋河子流域(1 910 kg/ km2)次之；單位面積負荷量最小的為黃姑河支流與環(huán)圩河支流子流域。規(guī)劃年單位面積總磷非點源污染負荷量最大為盛橋河子流域(60 kg/ km2)與縣河子流域(60 kg/ km2)；單位面積負荷量最小的為兆河上游與西河干流子流域。各子流域單位面積氮磷污染流失強度等級如圖6所示。

圖6 安徽省兆河流域各子流域非點源總氮(左)總磷(右)污染物流失強度

由圖6可知，該流域總氮非點源污染處于重度流失強度的子流域有縣河、失曹河、裴河、盛橋河子流域；處于較重流失強度的有環(huán)圩河、兆河入巢子流域。流域總磷非點源污染為重度流失強度的有縣河、裴河、盛橋河子流域；較重流失強度的包括環(huán)圩河與失曹河子流域。結果表明，氮磷流失強度為重度的縣河、失曹河、裴河、盛橋河及環(huán)圩河子流域面積占研究區(qū)總面積的45.1%，但總氮排放量占到研究區(qū)總排放量的69%～71%左右，總磷占63%～75%，可以視為流域污染負荷關鍵區(qū)，應該作為流域非點源污染控制的主要地區(qū)。

3.4 流域最佳管理措施設置

在模型中設置單一措施和組合措施等不同的非點源污染削減措施，其中單一措施包括非工程措施(增加化肥埋深和施肥量削減)和工程措施(植草河道和植被過濾帶)(表5)。

3.4.1 耕種管理措施對污染負荷削減的影響 耕種管理措施主對非點源污染的削減效率的影響結果見圖7。其中，增加化肥埋深對總氮的削減率為3.7%～13.8%，對總磷的削減率為0.4%～14.1%，表明化肥埋深措施對總氮的削減效果較為穩(wěn)定，然而其對總磷的削減影響不穩(wěn)定，由于總磷負荷量易受氣象水文條件的影響，主要表現(xiàn)為降雨徑流量大時削減率相對增加，而在降雨量較小的條件下，削減率僅為0.4%～0.8%。

削減10%的化肥用量可使總氮排放削減4.2%～14.3%，總磷削減0.2%～0.4%，平均削減量分別為9.1%與0.9%；當化肥削減20%時，對非點源總氮的削減率沒有較大的影響，但對總磷的平均削減率提升到了1.8%；當化肥用量削減50%時，總氮非點源負荷量削減6.2%～16.1%，平均削減率10.5%，總磷非點源負荷量削減0.8%～13.6%，平均削減率4.4%。這些結果表明減少化肥施用量對非點源總氮排放的削減效果要優(yōu)于對總磷的削減效果，其重要原因是農(nóng)田氮流失量相對磷流失量大。

3.4.2 工程攔截措施 工程攔截措施包括植草河道與植被過濾帶兩類，結果見圖8。植草河道對非點源污染排放的削減效率更加顯著。僅1 m長植草河道可削減總氮污染負荷47.2%～67.4%，削減總磷非點源污染69.92%～79.53%；總氮和總磷平均削減率分別為54.49%和75.17%；植草河道長度為5 m時，總氮總磷平均削減率分別提升至55.4%與78.3%；植草河道長10 m時，削減率為57.3%與79.8%。隨著植草河道的不斷延長其工程措施的單位長度削減效率呈下降趨勢。20 m的植草河道，其總氮總磷削減率分別為58.0%與81.2%；將植草河道長度延長100 m時，其對總氮總磷污染削減率與20 m相比，僅提升了1.6%與2.6%，說明當植草河道長度≥20 m時，植草河道長度對氮磷削減影響不明顯。植草河道對于總磷的削減效率相對總氮更為有效[13]，因此在總磷污染嚴重的地區(qū)可以優(yōu)先考慮此措施。植草河道的削減效率在不同的水文氣象條件下相對穩(wěn)定，并且植草河道不需要占用工程用地，可作為工程治理措施的優(yōu)先選擇。

表5 安徽省兆河流域管理措施方案設計

圖7 安徽省兆河流域耕種管控措施的非點源總氮及總磷的污染控制效果

圖8 安徽省兆河流域植草河道非點源總氮及總磷的污染削減率

植被過濾帶是布設在農(nóng)田周圍的植被密集條帶，其對污染物的削減機理包括對地表徑流中沉積物的攔截、過濾帶植物對污染物的吸收、土壤中有機成分對污染物質的吸附以及土壤微生物對營養(yǎng)物質的降解與轉化等[24-25]。常見的植被過濾帶布設面積與農(nóng)田面積比多為1/30～1/60之間，但由于1/60的布設面積對本研究區(qū)氮磷污染物的削減率微乎其微，因此并沒有在此處統(tǒng)計。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，1/45的植被過濾帶布設面積比與1/30的布設面積比對總氮的削減率分別為3.4%～14.2%與3.9%～14.5%，平均削減率為9.3%與9.8%，對總磷的削減率分別為0.9%～26.3%與1.1%～29.4%，平均削減率為7.8%與8.6%，布設面積的增大對削減效率并無明顯提升。將過濾帶面積與農(nóng)田面積比提升至1/10與1/5時，其對總氮的平均削減率提升至11.1%與11.8%(最大削減率為20.6%)，對總磷的平均削減率提升至10.8%與11.9%(最大削減率為42.2%)，但由于植被過濾帶需占用專門的工程用地，且后期維護費用較高，因此在實際布設過程中需結合經(jīng)濟成本綜合考慮。

圖9 安徽省兆河流域植被過濾帶非點源總氮及總磷的污染削減率

3.4.3 綜合管理方案設計 綜合以上研究結果也考慮非點源污染削減率與施工成本，經(jīng)過比選最終確定耕種管理措施(增加化肥施用埋深、削減50%化肥施用量)加工程措施(植草河道1 m、田間面積與植被過濾帶面積占比45%)組成最佳管理措施。通過非點源污染模型，模擬研究將最佳管理措施在非點源污染關鍵區(qū)實施之后的效果，統(tǒng)計分析了實施之后主要關鍵區(qū)的非點源污染削減情況，結果見圖10。

圖10 安徽省兆河流域非點源污染物流失關鍵區(qū)綜合管理措施效果評估

在關鍵污染源區(qū)實施最佳管理措施以后，總氮削減率最顯著為環(huán)圩河子流域，比實施之前減少了48.63%～79.31%。由于環(huán)圩河流域主要為農(nóng)業(yè)用地，而增加化肥埋深與減少化肥施用量可以有效減少來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的非點源污染，從而使得環(huán)圩河流域的總氮污染負荷得到的顯著削減；其他關鍵污染源區(qū)總氮平均削減率也均達到了25%以上。最佳管理措施對總磷的控制也有顯著有效，各非點源污染關鍵區(qū)的總磷平均削減率在66%以上，削減效率最高的為失曹河子流域，達到了68.9%～89.50%；削減效率較低的為縣河子流域，總磷平均削減了59.52%～71.72%。這也說明了最佳管理措施對流域總氮和總磷的非點源污染控制的有效性。

經(jīng)過比較最佳管理措施后的非點源污染關鍵區(qū)單位面積非點源污染物流失強度變化如圖11所示。縣河、裴河、盛橋河子流域非點源總氮流失強度由“重度”降為“較重”；環(huán)圩河子流域由“較重”流失強度降至“較輕”；失曹河子流域依然是“較重”強度，但其單位面積總氮負荷量由2 041 kg/km2降低至1 500 kg/km2。綜合管理措施對總磷流失強度的削減效果影響較為明顯，研究區(qū)在最佳管理措施實施之后已無“中度”流失強度以上的子流域。實施之后縣河子流域總磷污染由“重度”流失降為“中度”流失；裴河、盛橋河子流域則由“重度”流失將至“較輕”；環(huán)圩河與失曹河子流域由“較重”流失分別變?yōu)椤拜^輕”與“輕度”；可見最佳管理措施對總磷污染具有較好的控制效果，實施之后流域污染負荷能夠滿足清潔小流域建設要求。

圖11 安徽省兆河流域最佳管理措施實施后流域非點源污染物流失強度

4 結 論

(1) 通過構建兆河流域非點源污染模型，模擬研究了該流域非點源污染分布現(xiàn)狀，結果表明縣河子流域是整個流域中對氮磷等非點源污染物貢獻率最大的子流域，環(huán)圩河與黃泥河子流域的貢獻也較大。

(2) 在不采取非點源污染控制措施的情況下，隨著土地利用類型變化、人口增長等影響，該流域規(guī)劃年氮磷等非點源污染負荷與現(xiàn)狀年相比均有所增加，其中增加45.3%總磷增加8.0%左右。

(3) 通過單元負荷指數(shù)法分析該流域的非點源污染關鍵區(qū)，結果表明氮磷流失強度為“重度”的縣河、失曹河、裴河、盛橋河及環(huán)圩河子流域的氮磷污染排放量占流域總量比例高，可視為流域非點源污染關鍵區(qū)。

(4) 通過合理設置工程措施和耕種管理方式，可以有效削減非點源污染關鍵源區(qū)氮磷的產(chǎn)出，使得整個流域的非點源污染得到有效控制。