紅楓湖流域非點源污染時空分布及管理措施

黃 維，賈仰文，黃國如，牛存穩(wěn)，張和喜

(1.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京 100038；2.貴州省水利科學研究院，貴州 貴陽 550002；3.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640)

河流湖庫是我國重要水源，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活產(chǎn)生的污水流入河流、湖泊中，對其影響巨大。根據(jù)《中國水資源公報(2018)》，Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類的湖泊占75.0%，處于富營養(yǎng)化水平的湖泊占73.5%。非點源污染是造成水體污染的重要原因[1-4]。國內(nèi)外利用SWAT、HSPF、AGNPS等模型[5-7]對非點源污染進行了大量研究，其中SWAT模型應用廣泛，在三峽庫區(qū)、太湖、淮河等多個流域有良好的適用性[8-10]。紅楓湖屬烏江水系，是貴陽市的重要水源地，由于流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，大量污染物排入湖中，對周邊居民用水造成威脅。1994—1995年紅楓湖連續(xù)發(fā)生死魚、黑水污染事件，1996—1998年陸續(xù)發(fā)生藻華，造成嚴重經(jīng)濟損失，2000年以后基本每年發(fā)生藻華現(xiàn)象[11-12]。2007年貴州省成立了兩湖一庫管理局，之后一直對紅楓湖實施治理，紅楓湖的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，Ⅴ類、劣Ⅴ類水出現(xiàn)頻率減小，Ⅱ類、Ⅲ類水出現(xiàn)頻率增大[13]。近年來，也有一些學者對紅楓湖流域的非點源污染開展了研究。耿潤哲等[14]以紅楓湖上游羊昌河流域為例，利用SWAT模型模擬2010—2014年的非點源污染，并進行了污染控制區(qū)劃。張昊天等[15]利用等標污染負荷法對紅楓湖流域平壩區(qū)的農(nóng)業(yè)非點源污染進行了估算，分析了污染產(chǎn)生的主要原因。

本文采用SWAT模型對紅楓湖流域非點源污染的時空分布進行分析，設置不同管理措施研究氮磷負荷的削減情況，以期為治理流域非點源污染和改善水環(huán)境提供參考。

1 研究區(qū)概況

紅楓湖流域位于105 °97′E～106 °49′E、26 °15′N～26 °63′N之間，地處低緯高原亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，干濕分明，多年平均降水量達1 200 mm，年均氣溫14.4 ℃，流域面積達1 590 km2，涉及清鎮(zhèn)市、平壩縣、安順縣和長順縣。紅楓湖主要由麥翁河、羊昌河、麻線河和后六河等河流匯入，如圖1所示。

在羊昌河和麥翁河下游分別設立了焦家橋和駱家橋水質(zhì)監(jiān)測斷面，根據(jù)貴州省水文局提供的水質(zhì)資料，2012—2016年化學需氧量、氨氮和總磷的質(zhì)量濃度情況如圖2所示。

根據(jù)《貴州省水功能區(qū)劃》，紅楓湖流域水質(zhì)目標需達到Ⅱ類或Ⅲ類，可按照Ⅲ類標準分析這兩個斷面的水質(zhì)達標情況。從圖2可知，焦家橋和駱家橋斷面的化學需氧量和氨氮在2012年9月至2016年12月均滿足Ⅲ類水標準；而焦家橋斷面總磷質(zhì)量濃度有18個月份超過Ⅲ類水標準，有6個月份超過Ⅴ類水標準，駱家橋斷面總磷質(zhì)量濃度有16個月份超過Ⅲ類水標準，有3個月份超過Ⅴ類水標準，總磷質(zhì)量濃度超標率均較高。按照單因子評價法，兩個斷面的水質(zhì)在相當長一段時期內(nèi)達到Ⅳ或Ⅴ類，甚至超過Ⅴ類，特別是在汛期，總磷質(zhì)量濃度超標，導致水質(zhì)有所惡化。由此可見，總磷是導致水質(zhì)變差的主要因素。工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水的排放與水質(zhì)變差密切相關，同時也使流域水環(huán)境污染加劇，對流域健康持續(xù)發(fā)展造成威脅。

(a)化學需氧量

2 研究數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

SWAT模型基礎數(shù)據(jù)庫有數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和水文氣象數(shù)據(jù)等。本研究選取地理坐標系統(tǒng)為D_WGS_1984，投影坐標系統(tǒng)為WGS_1984_UTM_Zone-48N。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，精度為90 m×90 m；土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學院的國家資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫，采集時間為2015年，精度為90 m×90 m；土壤數(shù)據(jù)來自全球土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)，精度為1 km×1 km；水文氣象數(shù)據(jù)來自貴州省水文局和中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，時間序列為2001—2015年；農(nóng)業(yè)管理數(shù)據(jù)參考當?shù)刈魑锷L情況和相關文獻[16]；點源污染數(shù)據(jù)參考流域內(nèi)區(qū)縣的統(tǒng)計公報、環(huán)境監(jiān)測公報等資料。

2.2 SWAT模型

SWAT模型是基于GIS的一個長時段分布式流域水文模型，通過空間離散化進行模擬[17]。在劃分子流域后，根據(jù)土地利用、土壤類型以及坡度劃分情況進一步劃分水文響應單元。由于紅楓湖流域出口位置為紅楓水電站，相關水文水質(zhì)數(shù)據(jù)獲取困難，本文先選擇徑流水質(zhì)資料充足、有代表性的典型子流域建立SWAT模型，率定徑流和水質(zhì)參數(shù)，再對紅楓湖整個流域建立SWAT模型，將流域劃分為23個子流域和404個水文響應單元，研究污染物的時空分布特征。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 典型子流域SWAT模型率定與驗證

羊昌河流域位于紅楓湖流域的西南方，總出口位于焦家橋斷面，控制面積約773 km2，占總流域面積近50%，具有典型性及代表性。利用SWAT-CUP軟件對該流域的徑流和水質(zhì)參數(shù)進行率定[18-20]。選擇納什系數(shù)(NSE)、相對誤差(RE)和決定系數(shù)(R2)進行適用性評價。在徑流率定和驗證時，選取2000年為模型預備期，2001—2009年為參數(shù)率定期，2010—2015年為模型驗證期。率定期NSE、RE和R2的值分別為0.85、-10.39%和0.91，驗證期NSE、RE和R2的值分別為0.92、-13.72%和0.90，模擬結(jié)果良好，如圖3所示。

(a)率定期

由于流域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，選擇氨氮和總磷指標進行水質(zhì)參數(shù)的率定和驗證，以2013—2014年為率定期，2015年為驗證期，從觀測數(shù)據(jù)篩選若干個合理值與模擬值進行比較。從表1可見，氨氮和總磷實測值和模擬值的相對誤差基本在合理范圍內(nèi)，表明水質(zhì)參數(shù)取值合理。

表1 氨氮和總磷月負荷率定及驗證結(jié)果

3.2 非點源污染時間分布特征

羊昌河流域控制面積773 km2，占流域總面積近50%，為紅楓湖流域最有代表性的子流域，將羊昌河流域率定好的模型參數(shù)推廣到紅楓湖流域，構建紅楓湖流域SWAT模型，利用該模型模擬2001—2015年紅楓湖流域多年月均氮磷污染情況，結(jié)果如圖4所示。

(a)氨氮

將4—9月作為汛期，其余月份作為枯水期，從各污染物的多年月均負荷可以看出，降水量越大，氨氮、總氮和總磷的產(chǎn)出越大，呈正相關關系。4—9月集中了全年近80%的降水，而這期間的氨氮、總氮和總磷負荷分別占全年負荷的88.49%、83.74%和97.36%，特別是6—7月各污染物的負荷均較高，分布曲線呈倒“V”形。汛期的降水量較大，使得徑流量增大，而且流域處于高原地區(qū)，各區(qū)域海拔高差較大，坡度亦較大，氮磷污染物隨徑流很快進入河道，并且增加顯著；而枯水期的降水量較小，對應的氮磷流失也很小。

3.3 非點源污染負荷空間分布與關鍵源區(qū)識別

通過模型分析2001—2015年均氨氮、總氮和總磷單位面積負荷的空間分布特征。按照GIS中的自然斷點法將研究區(qū)氨氮、總氮和總磷的負荷強度分為5個等級，如表2和圖5所示。

表2 污染物負荷分級標準

(a)氨氮

由圖5可知，水系干流所在的子流域污染物的流失強度較大。氨氮負荷較大的子流域有1、2、4、9、11、17和18，總氮負荷較大的子流域有1、2、4、5、13、16和18，基本均達到Ⅳ或Ⅴ級，總磷負荷較大的子流域有7、8、10、11、15、16、18和22，也基本達到Ⅳ或Ⅴ級。而子流域12、20的污染物流失較小，等級也較低。從污染較為嚴重的子流域分布的位置來看，氮磷流失較大的子流域基本集中在西南部和東北部，同時也在羊昌河水系附近，主要原因是西南部集中分布著大量耕地，農(nóng)業(yè)活動頻繁，而且坡度較大，地勢陡峭，在降雨驅(qū)動下更易造成氮磷流失；而東北部處于河流中下游地區(qū)，除了有耕地分布，人口密度也較大，因此污染物流失也較大。可見氮磷負荷的空間分布與土地利用類型、地形地勢等因素密切相關。因此可將這些子流域視為氨氮、總氮和總磷輸出的關鍵源區(qū)對非點源污染加以控制。

3.4 管理措施及效果

紅楓湖流域在貴州省開發(fā)較早，經(jīng)濟發(fā)展水平比較領先，農(nóng)業(yè)較為發(fā)達，非點源污染流失嚴重，對紅楓湖水質(zhì)造成嚴重影響。如果不開展長期有效的污染治理，會影響當?shù)鼐用耧嬎踩４罅垦芯勘砻鳎扇』氏鳒p措施或減少不適宜耕作的耕地可以較為有效地控制流域的非點源污染[21-23]。根據(jù)污染物的模擬結(jié)果，參考近年來相關研究成果[24-26]，設置以下幾種情景進行模擬分析：①情景1，化肥削減10%；②情景2，化肥削減30%；③情景3，將坡度為10 °以上、占比20%的耕地設置為林地，進行退耕還林；④情景4，將坡度為10 °以上、占比20%的耕地設置為草地，進行退耕還草；⑤情景5，聯(lián)合情景1和3；⑥情景6，聯(lián)合情景1和4。不同情景下2011—2015年氮磷削減模擬結(jié)果如圖6所示。

(a)總氮

從圖6可知，情景1中流域總氮削減率為13.79%～15.78%，總磷削減率為16.79%～18.65%，年均削減率分別為14.74%和17.40%。情景2中流域總氮削減率為37.78%～42.95%，總磷削減率為50.59%～52.61%，年均削減率分別為40.26%和52.02%。從化肥削減措施來看，化肥施用對污染輸出具有顯著影響，削減越多，氮磷流失越少，同時削減速率也會變緩。化肥施用與農(nóng)作物產(chǎn)量也有關系，考慮到經(jīng)濟收益，應深入研究測土配方施肥等施肥技術，在削減化肥施用的情況下，減小對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，并考慮非點源污染的控制和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。

情景3中，將一部分耕地改為林地進行退耕還林，流域總氮削減率為24.27%～30.22%，總磷削減率為21.42%～37.59%，年均削減率分別為26.73%和29.71%。情景4則是將一部分耕地改為草地進行退耕還草，使總氮削減率為23.98%～29.89%，總磷削減率為21.32%～33.50%，年均削減率分別為26.46%和29.50%。林地和草地能有效攔截水土流失，從而減少土壤里氮磷養(yǎng)分的輸出，而且增加林地和草地的面積，減少不適宜耕作的耕地，同時也提高了流域植被覆蓋率，有利于流域的生態(tài)環(huán)境保護。

情景5組合了情景1和情景3，削減效果較單一的管理措施更佳，總氮削減率達到34.87%～40.81%，總磷削減率達到34.84%～48.26%。情景6削減效果與情景5相差不多，總氮削減率達到34.58%～40.49%，總磷削減率達到34.74%～48.00%。

對于流域的非點源污染，可以考慮結(jié)合不同管理措施進行綜合控制，這樣能達到更好的削減效果。根據(jù)紅楓湖流域非點源污染的空間分布，可以將關鍵源區(qū)作為重點關注對象，考慮到不同子流域地形、土地利用等特點，選擇合適的管理措施，從而在這些關鍵源區(qū)進行非點源污染的控制。

4 結(jié) 論

a.利用紅楓湖典型子流域率定SWAT模型參數(shù)，在率定期和驗證期內(nèi)，徑流的NSE和R2均在0.8以上，相對誤差在20%以內(nèi)；氨氮和總磷實測值和模擬值的相對誤差在合理范圍內(nèi)，表明模型有良好的適用性。

b.4—9月氨氮、總氮、總磷負荷分別占全年負荷的88.49%、83.74%和97.36%，特別是在6—7月，污染物負荷均較高。西南部和東北部的子流域氮磷流失較大，分布在此的子流域可視為關鍵源區(qū)，對其非點源污染加以重點控制。

c.模擬了不同管理措施對氮磷削減效果的影響，化肥削減、退耕還林還草措施對減少非點源污染有顯著效用，而且對總磷的削減效果更好，且實施綜合管理措施后氮磷削減效果更為有效。