南湖流域典型支流面源污染負荷時空變化分析與模擬

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2025）06-0052-07

引用格式：，等.南湖流域典型支流面源污染負荷時空變化分析與模擬[J].湖南農業科學，2025（6）：52-58

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2025.006.009

Analysis and Simulation of Spatio-Temporal Variations of Non-Point Source Pollution Loads in Typical Tributaries of the Nanhu Lake Basin

LIUKang1，YU Peng-yue1，SUNXin-ping2，ZOUGao-feng3，WU Yi4，ZOUTao5， HUANG Ying1，FEI Jiang-chi1

（1.HunanAcuualUsitC;urallteterfCt PRC; 3.AgricultureandRural Affirs BureauofNingxiang CityChangsha 410699，PRC; 4.Meitanba TounAgricultural Comprehensive Service Center of Ningxiang City， Changsha 410609， PRC; 5. Hunan Tobacco Company Hengyang Company Changning Branch， Changning 42150o， PRC）

Abstract：Thisstudytookthebasinof WangjiaRiver，atypicaltributaryof teNanhuLakebasininYueyangCity，HunanProvince， as theresearcharea.Onthebasisofconducting the monitoringof phosphorus polutants inthe water environment，andfurther consideringtheinfenesofthehydrologicalenvironment，topographyandlandforms，ndlandusetypesofthebasi，tisstudy constructedandoptimizedamulti-salephosphorus source-sinktransportmodel integratingenvironmental informationandspatial remotesensingthrough MIKE21 software，andanalyzedandsimulatedthe spatio-temporalvariationsof phosphorus non-point sourcepolltionloads，soastoprovidereferencefortheprecisepreventionandcontrolofphosporuspollutioninwaterbodie.he monitoringresultsshowedthatthepeakperiodofphosphorusconcentrationfromvarious polutionsources in WangjiaRiver from September2O23toAugust2O24wasconcentratedinwinterandspring.Theaveragetotalphosphorusconcentrationinthewaterbody ofWangjiaRiverwas 0.78mg/L ，and the average total phosphorus concentration in the water body of the catchment area was 0.61 mg/L .Both exceeded the Class ΔV water quality concentration standard in the GB 3838—2O02 Surface Water Environmental Quality Standards.Intemsoftemporalvariation，theaveragetotalphosphorusconcentrationinthewaterbodiesofWangiaRiverandthe catchment area bothshowedthehighest levelsinspring andthelowest levelsinautumn.Intermsofspatial variation，theaverage totalphosphorusconcentrationinthewaterbodyofWangjiaRiverfromtheupperreaches tothelowerreachesshowedatrendoffirst increasingand thendecreasing.The average totalphosphorusconcentrationofthe waterbodyin the middleofthecatchmentarea was higherthanthatonboth sidesinspring，while theopposite trendoccurred inautumn.The average acuracyoftheoptimized model simulation increasedtoabout 70% ，andthe trend of thesimulation results was basically consistent with that of the measured results.

Keywords： non-point source pollution; total phosphorus in the water body;MIKE 21;spatio-temporal variations;Nanhu Lake; Wangjia River

位于湖南省岳陽市的南湖是洞庭湖的主要湖汊之一，其歷來是周邊漁民們的生存之本，也成為周邊大部分生活、生產活動的排污地[1-2]。近年來，在周邊區域工業化、城鎮化進程加快的背景下，由于環保規劃、管理不夠到位等，南湖流域出現面源污染加重、生態功能退化等一系列問題[3]。岳陽市環境監測中心數據表明，南湖水體中磷污染程度最高[46]。磷污染問題是我國水體污染防治領域的重要關注點之一[7-8]，磷污染不僅會加速水體富營養化進程，減少生物多樣性，也會影響到工農業生產和居民生活。然而，目前磷污染物在南湖流域的遷移動態尚未得到很好的評估，因此，開展南湖流域磷污染程度趨勢變化的評價研究具有迫切的現實意義[69]。

當前主流的2種評價流域污染程度趨勢變化的方法是進行實地勘探和構建水質模型。基于實地勘探的評價方法通常需要大量的觀測數據，而觀測對時間和資源的要求較高。因此，通過構建水質模型對水體污染負荷進行模擬分析成為國內外學者的研究重點。如Wang等[1o使用水質分析模擬程序（WaterQualityAnalysisSimulationProgram，WASP）研究污染物排放總量和地理分布特征；Venishetty等[11]使用土壤與水評估工具（SoilandWaterAssessmentTool，SWAT）對流域內污染物負荷進行評價分析。這幾種模型主要針對長時段的流域綜合模擬，但針對小流域以及排污口分布模擬的模塊應用則較為單一。相比于上述幾種模型，MIKE模型在污染物傳輸過程模擬以及污染物空間分布輸出方面具有一定優勢。如Lu等[12]利用MIKE耦合模型模擬流域內沉積物和農業面源污染物的分布情況；王思雅等[13]基于MIKEZERO2020軟件建立水文、水質信息耦合模型，對郁江貴港河段水位、流量以及污染物在水體中的遷移、擴散、衰減情況進行模擬。這些研究通過MIKE模型在極大程度上對流域內污染物傳輸過程進行了模擬，但沒有綜合考慮地形地貌、土地利用類型等因素對模型精準度造成的影響。

因此，該研究以南湖流域典型支流王家河流域為研究區域，在開展水環境磷污染物監測的基礎上，進一步考慮流域水文環境、地形地貌、土地利用類型等因素的影響，通過MIKE21軟件構建多尺度、環境信息與空間遙感融合的磷素源-匯傳輸模型并對模型進行優化，對磷素面源污染負荷的時空變化進行分析與模擬，以期建立洞庭湖流域磷污染物精準溯源和傳輸路徑高分辨解析范式，揭示水體磷素面源污染負荷的時空演變規律，為水體磷污染精準防控提供依據。

1 材料與方法

1.1 南湖流域概況

南湖所處的岳陽市屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡的濕潤季風性氣候。南湖因南津港大堤的修筑而與洞庭湖相分隔，僅在出口處有1個與洞庭湖相通的控制性閘口，成為典型的半封閉城市內湖泊，湖水補給主要依賴湖面降水、集雨區徑流水和城市污水。南湖現有水面面積約為 13.78km² ，湖岸線總長約為28.2km^[14] ，且均屬于城市區域;南湖平均水深約為 3m 最大水深約為9m，集雨面積約為150km2[1，15]。 。

1.2 試驗設計

1.2.1研究區域及監測點布設課題組于2023年9月—2024年8月在湖南省岳陽市岳陽樓區南湖流域開展水體磷素污染情況監測，以南湖流域的主要支流之一——王家河流域為研究區域，將監測點主要布設在王家河和匯水區及其周邊區域。王家河位于南湖流域東北區域，河流由東北向西南匯入南湖；匯水區位于南湖流域東部區域，與王家河下游相連。如圖1所示，該研究根據王家河兩側和匯水區污染源類型及排污口情況共布設8個污染源監測點，分別為南津古渡溢流口（S1）、木橋市政生活污水排口（S2）王家橋河小區溢流口（S3）、錦繡河山小區溢流口（S4）、牛欄坡排口（S5）、王家橋河長山臨時泵站排口（S6）、吉祥園林塘溢流口（S7）、畔湖灣社區排污口（S8）；根據王家河的長度和水文情況劃分采樣斷面、設置采樣垂線，從王家河的上游到下游加密布點，沿途共布設25個排放路徑監測點，分別為W1＼～W25；根據匯水區情況，在匯水區布設20個加密監測點，分別為H1＼～H20。

1.2.2樣品采集及分析測定該研究中的樣品采集、運輸、保存及質量控制方法按照HJ/T91—2002地表水和污水監測技術規范、HJ495—2009水質采樣方案設計技術規定和SL219—2013水環境監測規范等執行。該研究采用GB11893—89水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法測定水體總磷，將樣品檢測統一為3次重復，采用Excel、Origin、MIKE21、Arcmap軟件進行數據計算與統計分析。

1.3 水質模型模擬

1.3.1 水動力模塊模擬 水動力模塊基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定。此即流體低速流動中密度的變化分析僅考慮溫度變化產生的影響，而不考慮壓強變化產生的影響。二維非恒定平面淺水流方程組如公式（1）～（3）所示[16-19]。

式 Ψ（1）～Ψ（3） 中： t 為時間； η 為水位； h 為總水深； u，ν 分別為 x，y 方向上的速度分量； g 為重力加速度； ρ 為水的密度， ρ₀ 為相對密度； P_a 為大氣壓強； S_xx 、 S_xy 、 S_yx 、 S_yy 為輻射應力分量； T_xx 、T_xy，T_yy 為粘滯應力； s 為源項； u_s，ν_s 為源項水流速度。

1.3.2水質模塊模擬濃度對流擴散方程可以反映水中模擬對象2個方面的輸移機理，即由平均水流速度引起的對流輸移機理和由濃度梯度引起的擴散（彌散）輸移機理。污染物在自由表面的二維水體中的對流擴散輸移過程如公式（4）所示[20]。

式（4）中： C 是水體污染物濃度； D_x，D_y 分別是 x，y 方向上的擴散系數； F 是線性衰減系數；s 為源匯項，即污染物的源頭和匯合。

1.3.3數據來源該研究所需的模型庫數據主要分為屬性數據和空間數據2個部分。屬性數據包括水質數據和農業管理數據，其中，水質數據為實際監測數據，農業管理數據來源于《湖南統計年鑒2024》。空間數據包括土地利用類型、數字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）、坡度、坡向等參數，其中，土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據平臺，分辨率為 1 000m×1 000m ，DEM、坡度、坡向數據來源于地理空間數據云平臺。

該研究在王家河流域水文環境信息和監測點實測數據的基礎上，通過MIKE21、Arcmap軟件構建多尺度、環境信息與空間遙感融合的磷素源-匯傳輸水質模型，對王家河及匯水區的水質變化特征進行系統模擬分析；并通過引入整合岳陽樓區土地利用類型、高程、坡度及坡向等多源數據對模型進行優化、提高模型精準度，對模型模擬數據與實際監測數據進行對比分析。

2 結果與分析

2.1 王家河污染源定點磷素監測情況

如圖2所示，2023年9月—2024年8月S3、S4、S5、S6監測點平均總磷濃度接近GB18918—2002城鎮污水處理廠污染物排放標準中一級標準的A標準（ 1mg/L ），且總磷濃度最高值大多數出現在冬季（1一2月，12月的數據因未監測而沒有在圖中呈現）。S1、S2、S7、S8監測點平均總磷濃度遠低于該標準。8個監測點的磷素濃度高峰期主要集中在冬季和春季，其中，S3、S6在冬季時平均總磷排放濃度最高，最高值為 1.3mg/L 。

2.2王家河各季節磷素加密監測情況

該研究對王家河沿途進行實際監測，得到王家河W1＼～W25各季節水體平均總磷濃度，并使用Arcmap軟件對結果進行繪圖（圖3）。如圖3所示，王家河W1＼～W25秋季平均總磷濃度為 0.62mg/L 冬季平均總磷濃度為 0.65mg/L ，春季平均總磷濃度為 1.00mg/L ，夏季平均總磷濃度為 0.84mg/L 。根據GB3838—2002地表水環境質量標準，王家河水質總體而言超過V類水質濃度標準（ 0.4mg/L ）。在時間變化上，王家河各監測點春季、夏季的水體平均總磷濃度明顯高于秋季、冬季，具體表現為春季 gt; 夏季 gt; 冬季 gt; 秋季。在空間變化上，王家河從上游到下游的平均總磷濃度呈先升高后降低的變化趨勢：王家河上游（W1＼～W9）因沒有排污口的布設而水體平均總磷濃度較低；中游（W10＼～W20）的排污口相對集中，導致水體平均總磷濃度逐漸升高；下游（W21＼～W25）的水體平均總磷濃度呈下降趨勢，其主要原因是河道的變寬以及各類水生植物的消納降解作用[21-22]

2.3匯水區各季節磷素加密監測情況

該研究對匯水區沿途進行實際監測，得到匯水區H1～H20 各季節水體平均總磷濃度，并使用Arcmap軟件對結果進行繪圖（圖4。從圖4可以看出，匯水區 H1～H20 水體秋季平均總磷濃度為 0.42mg/L ，冬季平均總磷濃度為 0.71mg/L ，春季平均總磷濃度為 0.74mg/L ，夏季平均總磷濃度為 0.57mg/L 。根據GB3838—2002地表水環境質量標準，匯水區水質總體而言超過V類水質濃度標準。在時間變化上，匯水區水體春季、冬季平均總磷濃度明顯高于夏季、秋季，具體表現為春季 gt; 冬季 gt; 夏季 gt; 秋季。在空間變化上，春季時匯水區中部（H8＼～H15）的水體平均總磷濃度高于兩側（H1＼～H7和H16＼～H20），秋季時則呈現相反趨勢。

2.4水質模型的構建、優化與精準度驗證

實測結果顯示，2023年9月—2024年8月王家河及匯水區總磷濃度范圍為 0.18～1.75mg/L ，參照GB3838—2002地表水環境質量標準，研究區域水體的平均總磷濃度超過V類水質標準限值。該研究基于王家河流域水文環境信息及監測點實測數據，采用MIKE21軟件構建水質模型，依據王家河流域監測斷面磷污染物濃度實測值設定模型初始水質濃度，經模型計算后得出王家河及匯水區磷素空間分布結果。為了進一步提升模型精準度，該研究通過引入整合岳陽樓區土地利用類型、高程、坡度及坡向等多源數據，對王家河及匯水區的水質變化特征模擬輸出結果進行系統優化。模型模擬結果顯示，研究區域總磷濃度范圍為 0.03～1.80mg/L ，與實際監測結果較為相近，且其濃度變化趨勢與實際監測結果基本一致，這說明模型模擬結果較好地揭示了王家河及匯水區磷素的空間分布特征。通過將模型模擬值與實測值進行對比發現，優化后的模型對水體磷素含量的預測精準度較優化前有明顯改善，平均精準度為 70% 左右（秋、冬、春、夏季 R² 分別為0.758、0.720、0.572、0.869）。上述結果表明，優化后的模型模擬預測精準度顯著提升，且模擬預測結果與實際監測數據之間具有良好的一致性。

3 討論

研究結果表明，2023年9月—2024年8月南湖王家河8個污染源監測點的磷素濃度高峰期主要集中在冬季和春季，其中，S3、S6在冬季時平均總磷排放濃度最高，最高值為 1.3mg/L 。王家河的水體平均總磷濃度為 0.78mg/L ，匯水區的水體平均總磷濃度為 0.61mg/L ，根據GB3838—2002地表水環境質量標準，其均超過 ΔV 類水質濃度標準。可見，王家河的水體平均總磷濃度高于匯水區，這可能與支流對中心湖面有一定的保護作用有關[19]。在時間變化上，王家河和匯水區的水體平均總磷濃度變化雖有不同，但均表現為春季最高、秋季最低。這與當地居民生活模式的季節性差異有較大關系，由于人類活動強度、氣候條件等不確定性因素的影響，水體污染物濃度呈現出顯著的季節性波動特征[21-23]；水產養殖、禽畜養殖污染等也是造成水體污染的重要原因，這與已有研究的結論一致[24-28]。在空間變化上，王家河從上游到下游（W1＼～W25）的水體平均總磷濃度呈先升高后降低的趨勢；春季時匯水區中部（H8＼～H15）的水體平均總磷濃度高于兩側（H1＼～H7和H16＼～H20），秋季時則呈現相反趨勢。總體來看，王家河與匯水區的水體平均總磷濃度與季節變化及居民活動密切相關。

此外，該研究構建并優化多尺度、環境信息與空間遙感融合的磷素源－匯傳輸模型，對王家河流域水體總磷濃度進行模擬預測，發現模擬預測結果與實際監測結果趨勢較為一致，模型模擬預測的平均精準度為 70% 左右。模型模擬精準度總體較高的原因是污染源監測數據、流域水文環境信息、土地利用類型、高程、坡度及坡向等與研究區域水質變化密切相關，王家河與匯水區周邊大多為城市用地和農田，工業廢水、居民生活污水、農業污水等大多排入南湖流域。值得注意的是，春季的模擬數據與實測數據之間存在較大偏差（ R²=0.572 ），這一現象可能主要歸因于季節性環境變化以及研究區域周邊居民生活模式的季節性差異。

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（責任編輯：袁萍萍）