北方小城鎮流域水污染的模擬研究

柳 婷

(五洲工程設計研究院，北京 100053)

1 概述

河流污染是指自然環境中的許多成分和工業廢棄物及農藥、化肥等污染物，通過不同途徑，直接或間接的進入河流，致使河流水質發生變化，使生態系統和水體的功能受到破壞的現象。根據進入河流的方式，可以把污染源分為點污染源和面污染源兩類。

2 我國北方小城鎮流域水污染現狀

根據《中國水資源公報》，2011年全國污水排放量達652.1億t，其中80%以上未經處理的超標工業和城市生活污水直接排入河流，大部分排向農村。為了提高糧食產量，近些年我國化肥使用量達到了世界化肥平均用量的2.5倍，它們以徑流、淋溶、反硝化、吸附和侵蝕等方式進入環境，而主要的接受體就是靠近村鎮地區的河流。再者我國北方地區處于干旱、半干旱地區，河流常年缺少徑流補給，流量小，自凈能力差，環境容量有限。

據中國環境狀況公報報道，在2011年七大水系的412個水質監測斷面中，長江、珠江水質較好，遼河、淮河、黃河、松花江水質較差，海河流域水質最差。

3 研究方法

3.1 SWAT 模型介紹

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是由美國農業部的農業研究中心Jeff Arnold博士1994年開發的基于物理機制的分布式模型，采用日為時間步長，可進行長時間連續計算，水分運動、泥沙輸送、作物生長和營養成分循環等物理過程直接反映在模型中(見圖1)。

3.2 選取區域介紹及基本參數數據

研究區域選取在北京城區北郊某城鎮，流域面積403 km2，分布著大小河流7條總長28.3 km，地處平原與山地交接地帶，是北京主要的農業區之一。本區域屬溫帶大陸性半干旱氣候，多年平均降雨量574 mm，雨量集中在6月～8月，降雨量443 mm。

SWAT模型計算需要:數字地圖、氣象、水文、水質、土壤特性以及作物管理制度等數據，本次研究收集到數據的具體類型和來源見表1。

3.3 模型的率定和驗證

水文模型模擬特定流域的功能是通過校準和驗證來評價的。校準過程是逐步調整參數值使得計算輸出結果和實際數據相符，主要分四步:首先是水量過程，其次是泥沙部分，最后是營養物和殺蟲劑。

3.3.1 徑流部分

表1 SWAT模型的輸入數據

SWAT模型中河道徑流量來自兩部分:1)地下水的回歸流，即基流;2)地表徑流。

本次研究模擬了流域內大東流水文站的地下水位變化，其中以2000年1月～2001年12月的月平均地下水水位校準，對2002年1月～2004年5月平均地下水水位驗證，驗證結果見圖2，除了在初始調查部分模擬值稍大于實測值外，當模擬進行到后期，兩者結果不管從數值還是趨勢上都吻合的較好。

模擬計算了兩種情況:1)1964年～2003年40年得出的平均徑流量近似為多年平均徑流量;2)選取最接近流域多年平均降雨量的水平年1987年計算得到的年平均徑流量近似為多年平均徑流量。兩種情況的相對誤差均在10%之內(見表2)，與實際吻合較好。

表2年平均徑流量模擬與實際對比

3.3.2 水質部分

SWAT模型中可以模擬多種污染物質，包括氮的多種形式(硝酸態氮、亞硝酸態氮、氨氮、有機氮)、磷的多種形式(礦物磷、有機磷)、CBOD、重金屬等等。選取一處監測點的模擬數據與實測數據相比，除總氮達到19.1%外，其余幾項指標均低于10%(見表3)，模擬效果可以接受。

表3 常規水質指標模擬與實際對比

4 模擬流域污染物產出影響分析

4.1 污染物質產出量與降雨量的關系

按照年降雨量將不同年份劃分為枯水年、平水年和豐水年。選取1990年～2003年中的相對枯水年、相對平水年和相對豐水年——2001年、2009年和1995年，利用調整好的模型計算了流域出口處年平均流量與污染物質產出量的關系，結果見表4。

表4 不同水平年流域產出量結果

河道污染物質的遷移產出量和流域的年降雨總量聯系緊密，并且隨著降雨量的增大而增大，增大的幅度和流域內實際特點有關，而非呈線性關系。

4.2 河流污染的來源分析

研究流域內的點源主要包括流域內某鎮的污水處理廠，還有各個村莊居住地居民排出的生活污水，以明渠的形式集中排入鄰近的河流。當以現狀流量的100%，75%，50%，25%和0%進行排放時，1999年～2009年各項污染物負荷的變化情況見表5。

表5 1999年～2009年不同點源排放下流域污染物年平均產出量×103 kg

如表5所示，河流污染物中氮類污染物主要是硝態氮和氨氮，分別占總氮的42%和26%;磷類污染物主要是以吸附態存在的礦物磷，占總磷的84%。圖3中顯示，隨著點源排放量比例的減少，各類污染物質的產出量呈明顯的線性變化，總氮和總磷的線性相關系數接近1，說明污染物質從點源進入河流到流域出口這段距離中，自身降解以及被藻類物質吸收的比例很小，河流自凈能力非常有限。

鑒于非點源污染發生的直接原因是降雨和徑流，發生的主要時間在夏季所處的汛期，因此本節模擬計算了不同水平年內各個月份的徑流、泥沙和污染物產出量的變化。

圖4～圖6表示了1995年，2001年和2009年旱期與汛期的降雨、泥沙、徑流和污染物產出量對比。在降雨豐富的1995年，污染負荷隨降雨呈相同趨勢變化，汛期大于旱期。此時植被覆蓋率較低，小麥殘留營養物質豐富，主要以面源污染為主;而在特枯水年2001年，由于汛期和旱期僅僅是一兩場降雨的差別，即使汛期降雨大于旱期，但年內多數時間降雨量相當，各類污染物產出差別不大，只在8月較大降雨時才出現污染物產出大幅度增加，其他月份以點源污染為主。

5 結語

本次研究在總結了北方農村地區河流污染現狀及特點后，利用分布式水文模型SWAT，對北京郊區的一個小城鎮流域進行了模擬計算，主要取得以下成果:

1)氮磷污染物與徑流和泥沙量呈正相關關系。流域內污染物產出量的年際變化和年內變化都很明顯，并且污染物量增加幅度遠大于降雨量的變化。

2)在降雨較小的較枯水年，點源排放占流域污染負荷的比例尤為明顯。非點源污染主要是大量化肥在汛期隨徑流進入河道，在相對豐水年降雨量較大的汛期的污染物輸出量明顯大于非汛期。

［1］徐祖信.河流污染治理技術與實踐［M］.北京:科學出版社，2003:3-10.

［2］李云生，劉偉江，吳悅穎，等.美國水質模型研究進展綜述［J］.水利水電技術，2006(6):39-40.

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