岳城水庫流域污染源模擬

林曉娟,黃津輝,林 超,郭 勇,侯思琰

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點試驗室,天津 300072; 2. 海河流域水資源保護局, 天津 300170;3. 海河水利委員會水資源保護科學研究所, 天津 300170)

岳城水庫流域污染源模擬

林曉娟1,黃津輝1,林 超2,郭 勇2,侯思琰3

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點試驗室,天津 300072; 2. 海河流域水資源保護局, 天津 300170;3. 海河水利委員會水資源保護科學研究所, 天津 300170)

基于SWAT模型對岳城水庫流域污染源進行模擬研究。利用流域出口的觀臺水文站2006—2009年的水量、水質等實測數據對經過校準的SWAT模型進行驗證。結果表明:岳城水庫流域年均入庫非點源污染負荷TN為3 025 t,TP為234 t,年均非點源污染貢獻率不足50 %;點源污染中,TN以工業點源污染為主,其貢獻率達31.9 %,TP則以城鎮生活點源為主,其貢獻率為36 %;非點源污染中,農業非點源污染源占主要比重,化肥貢獻率最大為16.9%,禽畜養殖污染次之,貢獻率為10.5 %,農村生活污染最小;非點源污染的主要來源是耕地,TN和TP年均負荷分別達到2.77 kg/hm2和 0.397 kg/hm2,模擬成果可為岳城水庫水源地保護和流域綜合管理提供新的技術方法及科學依據。

SWAT模型;污染源；點源;非點源;污染貢獻率;岳城水庫

2010年我國對420座水庫的營養狀態進行了評價。結果表明:69%的水庫處于中營養狀態,31%的水庫處于富營養狀態[1]。海河流域水源地狀態更為嚴峻,2010年海河流域20座大型水庫中,有14座達到富營養水平,占比為70%。岳城水庫是海河流域重要的飲用水水源地之一,盡管其水質總體較好,但富營養水平多年來在中營養與輕度富營養化水平之間波動[2]。氮磷營養鹽是造成水庫富營養化的主要污染物[3],與農業非點源污染加劇的關系越來越密切[4]。

SWAT(soil and water assessment tool)模型[5-6]是當今應用最為廣泛的,具有物理機制的流域分布式水文模型,其模擬流域污染負荷方面的能力已得到了國內外學者的證實[3，7-8]。該模型已多次在岳城水庫流域所處的漳衛南流域得到應用。于磊等[9]利用SWAT模型對漳衛南流域水量過程和水量平衡進行了模擬分析;孫永亮等[10]應用SWAT模型,分析漳衛南流域內的徑流量、總氮、總磷質量以及流域蒸散發在不同情景下的響應;徐華山等[11]針對SWAT模型的取用水模塊在中國的應用中存在限制,對其源代碼進行修改,使其能反映模型模擬子流域在不同年份、不同月份用水量的差異。然而,上述研究均未對污染源模擬進行深入探討。

因此,本文采用SWAT模型對岳城水庫流域氮磷污染進行模擬研究,估算該流域的非點源污染負荷,分析不同污染源對岳城水庫水體污染的貢獻率,以期為岳城水庫水源地保護和流域綜合管理提供新的技術方法和科學依據。

1 研究區域

岳城水庫流域地處海河流域南部,位于漳衛河水系上游的漳河干流,地理位置為東經 114°9′～114°12′,北緯 36°14′～36°18′,地勢較高,平均海拔1 000 m以上,總面積18 072 km2,詳見圖1。岳城水庫建于1959年,庫容近13億m3,它既是兼具防洪、灌溉、供水等多功能的水利樞紐工程,也是河北省邯鄲市和河南省安陽市重要的城市水源地。

圖1 岳城水庫流域地理位置及其DEM示意圖

研究區涉及山西省長治市、晉中市和順、榆社、左權3縣以及河北省涉縣,總人口397萬人,國內生產總值為1 834億元。研究區域有清漳河、濁漳河兩大支流,在合漳匯合形成漳河干流,在觀臺進入岳城水庫。流域位處北溫帶半干旱半濕潤大陸性季風型氣候,四季分明,雨熱同期,多年平均降水為569 mm,年均氣溫為7.5～12℃。水資源時空分布不均,年內分配多成單峰型,春冬季節干旱少雨,年內約70%的降水集中在汛期。區內土地利用類型以耕地為主,是典型的農業發達的山區流域。區內還有關河、后灣、漳澤3座大型水庫及紅旗渠等4大引水渠。

圖2 土地利用類型分布

圖3 土壤類型分布

2 SWAT模型構建

2.1 數據采集

研究所采用的主要數據有:①30 m分辨率的數字高程地形圖(digital elevation model-DEM)、1 km分辨率的2005年土地利用類型分布圖和2000年土壤類型分布圖等空間數據文件,見圖1～3。②氣象數據、土壤物理和化學屬性等非空間數據庫文件。其中,氣象輸入數據包括整年的日最高/低氣溫、日降水量、相對濕度、風速、太陽輻射等基本數據。其中日降水量采用43個雨量站的數據,其他氣象要素的輸入數據來源于國家氣象信息中心,共4個站點,其空間位置分布見圖4。③農業管理措施相關資料,包括農作物種植時間、施肥制度和施肥量,其中施肥量主要涉及化肥、禽畜糞便及農村生活污水等污染源,主要通過統計年鑒資料獲得;④城鎮生活工業點源、水庫和引水等相關數據。研究區域內主要點源排放量來自位于濁漳河流域的長治市。根據2010年海河流域入河排污口調查資料,研究區內共有109個入河排污口,年入河廢污水量為17 670.5萬t,其中長治市的入河排污口總共76個,年入河廢污水量為12 065.7萬t。

流域中水庫和引水工程對徑流具有重要調控作用。研究搜集到流域內石匣、關河、后灣、漳澤和岳城5個大型水庫的2006—2009年的逐日出流數據,將其作為水庫出流控制文件,具體位置分布見圖1。紅旗渠、躍進渠、躍峰渠等引水信息采用點源的方式添加,實現其取用水量不同年份、不同月份的差異。

2.2 子流域及水文響應劃分

首先,綜合考慮DEM分辨率、實際水系等因素,選定集水面積閾值為24 200 hm2,提取流域內的水系。然后,在模型中添加水文、水質站點作為子流域出口點[11-12],最終劃分為50個子流域,見圖4。考慮到模型的運算效率,根據子流域內不同土地利用、土壤類型及坡度,按照土地利用、土壤類型和坡度分級閾值均為6%的設定,進行水文響應單元(hydrologic response unit, HRU)的劃分,最終得到911個HRU。

圖4 氣象站和雨量站分布

2.3 模型的校準與驗證

利用觀臺站2005—2009年的水文、水質月數據,以2005年為模型“預熱”期,2006、2008年為校準期,2007年、2009年為驗證期,對模型進行校準和驗證。需要說明的是,因為研究模擬期較短,所以采用隨機選取年份進行率定和驗證的方式;此外,2006年、2007年的降水均比2008年、2009年多,若采用連續年份進行率定,比如率定期為2006年、2007年,驗證期為2008年、2009年,這樣會導致降水多的年份集中在率定期而降水較少的年份集中在驗證期。交叉率定和驗證是為提高模型的適用性和準確性。模型模擬效果的評價指標采用Nash-Sutcliffe efficiency (ENS)[13]及確定性系數(R2)[14],其計算公式如下。

(1)

(2)

圖5 2006—2009年觀臺站月平均徑流擬合過程線

徑流、TN、TP月均值擬合過程線見圖5～7。徑流模擬中,校準期ENS、R2分別是0.88和0.93,驗證期ENS、R2分別是0.86和0.92,模擬精度較高。所掌握的泥沙數據非常有限,不足以說明由于研究中泥沙模擬的可信度,故未使用泥沙數據進行校準和驗證。另外，由于研究區域內營養物的實測數據較少,研究中只是對其模擬結果作全局指標評價。TN的ENS、R2分別為0.52和0.79,基本滿足精度要求;TP的ENS、R2分別是0.81和0.94,模擬效果較好。從擬合過程線來看,總體模擬效果較好,但個別峰值差值較大。究其原因,似與5年的模擬期中2007年降雨徑流量最大有關。綜合來看,校準和驗證后的SWAT模型適用于岳城水庫流域污染源模擬研究。

圖6 2006—2009年觀臺站月平均TN擬合過程線

圖7 2006—2009年觀臺站月平均TP擬合過程線

3 污染源模擬結果分析

污染源一般分為點源和非點源。點源主要指城鎮生活污水及工業排污，非點源主要包括農村生活污水、畜禽養殖、化肥等農業非點源。

3.1 入庫非點源污染

為保持校準后的模型參數不變,在模型輸入數據中除去點源數據,重新運行模型,得到2006—2009年岳城水庫流域入庫非點源污染負荷及其貢獻率,結果見表1。可以看出,入庫TN最大負荷為4 238 t,為最小負荷量1 775 t的2.4倍,年平均負荷為3 025 t,相應的貢獻率分別為61.1%、39.4%和48.6%;TP最大負荷為342 t,為最小負荷量115t的3倍,年平均負荷為234 t,相應的貢獻率分別為59.2%、30.7%和42.9%。

表1 岳城水庫流域非點源污染結果

最大入庫非點源污染負荷及貢獻率出現在2007年,該年降水量也為最大值595 mm,雖然入庫年均流量比2006年小1.3 m3/s,但從流量過程線(圖5)可知,2007年入庫水量集中在汛期(6—9月),汛期平均流量比2006年的大2.5 m3/s,而2006年入庫流量年內分配較平均, 非汛期平均流量又比2007年大3.2 m3/s。因此,汛期降雨徑流大,非點源污染負荷量也大。最小入庫非點源污染負荷出現在2009年,該年在2008年降雨少的情況下,降雨又比多年平均少13%,故其入庫流量不論是汛期還是非汛期均比2008年小,其年均流量不到2008年的1/2,所以入庫污染負荷也小。

由此可見,非點源污染主要來自于降水量充沛的汛期,降水徑流量越大,非點污染負荷越大,貢獻率越高,這與其他學者認為非點源污染物流失一般發生在降雨和地表徑流產生期間[17-18]的結論一致。對于流域而言,降水是非點源污染的主要驅動力;對于流域出口而言,徑流決定了污染負荷,汛期徑流決定了非點源污染負荷。

綜合來看,岳城水庫流域的非點源污染與降雨存在正相關,入庫流量是入庫非點源污染負荷量的關鍵制約因素,而水庫上游的蓄水及引水工程直接影響到入庫流量及非點源污染負荷[19];岳城水庫的年均非點源污染貢獻率不足50%,這一方面反映出上游水庫的蓄水及引水渠引水對非點源污染負荷產生的消納作用,另一方面也說明該區域點源治理仍需要進一步加大力度。

3.2 不同污染源貢獻率

模型不僅考慮了流域內的點源和非點源,還考慮了土壤背景值。其中,土壤背景的氮磷流失量與土壤的物理化學性質、土地利用類型、地形、氣候以及過去地表沉積物的積累等因素有關[20]。通過分別模擬有相應污染源輸入和無輸入時入庫水質的變化,可以估算出岳城水庫流域內不同污染源對入庫TN、TP的污染貢獻率(圖8)。

圖8 不同污染源對入庫TN、TP污染的貢獻率

由圖8可知,對岳城水庫TN污染貢獻最大的是工業點源,其貢獻率達31.9%,比生活點源高約12個百分點。農業非點源污染源中,化肥貢獻率最大為16.9%,禽畜養殖污染次之,貢獻率為10.5%,農村生活污染最小。岳城水庫TP負荷的最大污染源是城鎮生活點源排放,其貢獻率為36%,比工業點源高出約15個百分點。農業非點源污染源貢獻率的排序與TN一致,TP污染貢獻率最大的是化肥為13.4%,是農村生活污染最小貢獻率的7.4倍。本文所說的土壤背景,某種意義上是農業非點源的長年累加所產生的,其TN、TP污染貢獻率不可忽視,分別為18.6%、21.5%。

總之,岳城水庫點源污染中,TN以工業點源污染為主,TP則以城鎮生活點源為主;非點源污染中,農村生活、禽畜養殖、化肥等農業非點源污染源占主要比重,其TN污染貢獻率為30%,比土壤背景貢獻率大約11個百分點;TP的農業非點源污染貢獻率為21.4%,與土壤背景貢獻率相當。

3.3 不同土地利用貢獻率

將911個HRU的模擬結果按耕地、草地、林地、城鎮用地4種土地利用類型分別計算TN、TP年均單位面積負荷及總負荷量,結果見表2,其貢獻率直觀圖見圖9。

表2 不同土地利用類型的TN、TP負荷

圖9 不同土地利用類型的TN、TP貢獻率

由表2可知,岳城水庫流域土地利用類型中耕地面積最大,占總面積的41.9%,其次是草地、林地,分別占32.5%、22.8%,城鎮面積所占比例較小,僅為2%。流域內耕地的年均TN負荷最高,占流域年均總負荷的86.3%,單位面積耕地的TN年均負荷達到2.77 kg/hm2,是草地的6.4倍,遠超過林地;流域內耕地的年均TP負荷最高達88.3%,其單位面積負荷為0.397 kg/hm2,是草地的7倍,遠超過林地。城鎮用地的單位面積TN、TP負荷與草地相當,因其所占面積較小,總負荷貢獻率僅為0.3%,遠小于其他土地利用類型。

圖8顯示出耕地所產生的污染物負荷遠大于其他土地利用類型,是流域內非點源污染的主要發生地,與以往研究結論一致[21-22]。這與耕地土質疏松且化肥施用量較多等因素有關,在降雨的作用下,耕地土壤中所含有的氮磷元素,隨著徑流和泥沙進入河道,致使耕地成為非點源污染貢獻率最高的土地利用類型。

4 結 論

a. 岳城水庫流域年均入庫非點源TN負荷為3 025 t,TP負荷為234 t,非點源污染與降雨存在正相關;年均非點源污染貢獻率不足50%,這一方面反映出上游水庫的蓄水及引水渠引水對非點源污染負荷產生的消納作用,另一方面也說明該區域點源治理仍需要進一步加大力度。

b. 點源污染中,TN以工業點源污染為主,其貢獻率達31.9%,比生活點源高約12個百分點。TP則以城鎮生活點源為主,其貢獻率為36%;非點源污染中,農村生活、禽畜養殖、化肥等農業非點源污染源占主要比重。農業非點源污染源中,化肥貢獻率最大為16.9%,禽畜養殖污染次之,貢獻率為10.5%,農村生活污染最小。

c. 流域非點源污染的主要來源是耕地,其次是草地、林地。耕地的年均TN、TP負荷最高,分別占流域年均總負荷的86.3%和88.3%,TN、TP單位面積年均負荷分別達到2.77 kg/hm2和 0.397 kg/hm2。

致謝: 感謝天津市龍網科技發展有限公司和海河流域水土保持監測中心站給予的技術資料支持。

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Simulation of pollution sources of Yuecheng Reservoir Basin

LIN Xiaojuan1, HUANG Jinhui1, LIN Chao2, GUO Yong2, HOU Siyan3

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.WaterResourcesProtectionBureauofHaiheRiverBasin,Tianjin300170,China;3.ResearchInstituteofWaterResourcesProtection,HaiheWaterConservancyCommittee,Tianjin300170,China)

The pollution sources of Yuecheng Reservoir Basin was simulated based on SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model. A calibrated SWAT model was verified by the measured data of water quantity and water quality of hydrological station in the basin exists in the year 2006—2009. The results show that the average contribution of non-point source was less than 50% with the average annual loadings of TN and TP 3,025t and 234t respectively. In the pollution sources, TN, with its contribution of 31.9%, was mainly from point source pollution of industry, and TP, with its contribution of 36%, was mainly from urban life point source; Non-point source pollution was mainly from agricultural non-point source pollution, with 16.9% contribution of fertilizer and 10.5 % contribution of Livestock breeding pollution. Rural domestic pollution was the minimum. The main source of non-point source pollution is from farmland, with its average annual loadings of TN and TP 2.770 kg/hm2and 0.397 kg/hm2respectively. The simulation results can provide a new technology method and scientific basis for water source protection of Yuecheng Reservoir and integrated management of basin.

SWAT model; pollution sources; point source; non-point source; pollution contribution rate; Yuecheng Reservoir

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.01.012

水利部公益性行業科研專項(201101018，201201114)；新世紀優秀人才支持計劃基金(NCET-09-0586)

林曉娟(1988—),女,碩士研究生,研究方向為水文學及水資源。E-mail:linxiaojuan_jeney@126.com

X524

A

1004-6933(2015)01-0074-06

2014-05-21 編輯：高渭文)