六股河綏中縣境內(nèi)面源污染特征分析

楊 勇

(葫蘆島市綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125200)

0 引 言

為促進(jìn)人水和諧發(fā)展和改善水資源短缺現(xiàn)狀，針對(duì)點(diǎn)源造成的水環(huán)境污染問題人們普遍加大了防控力度，從而導(dǎo)致非點(diǎn)源污染成為當(dāng)前亟需解決的重要問題。污染源普查公報(bào)顯示，2007-2010年非點(diǎn)源污染在水污染排放量中的比例超過40%，總排放量中非點(diǎn)源污染引起的化學(xué)需氧量、磷排放量和氮排放量貢獻(xiàn)率分別為67.4%、57.2%、50.0%。近年來，中國非點(diǎn)源污染中農(nóng)業(yè)活動(dòng)引起的污染逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，降水、徑流沖刷作用下引起的大量污染物質(zhì)和氮磷流失，使得非點(diǎn)源污染問題較為嚴(yán)重。其中，4種形態(tài)的有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮為總氮的主要成分，土壤中主要存在氮氧化物釋放、氨氮揮發(fā)和硝態(tài)氮淋溶等過程。4種形態(tài)的無機(jī)、有機(jī)、顆粒和溶解磷為組成總磷的主要物質(zhì)，只有極少數(shù)部分被作物吸收，其他大多數(shù)吸附于土壤。關(guān)于土壤中氮磷流失問題國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，降水和徑流為驅(qū)動(dòng)氮磷流失的內(nèi)在動(dòng)力，其流失形式存在吸附于泥沙顆粒表面和徑流流失兩種。六股河主要有大屯河、黑山科川河、五道嶺河、娘娘廟河等11條支流，年均輸水量6.84億m3，河流面積1722.9km2。沿河畜禽糞便、農(nóng)業(yè)化肥、工業(yè)和生活污水等對(duì)河流的污染較為嚴(yán)重，使得河流水環(huán)境容量已超過極限能力，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、水體功能和水質(zhì)等構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[1]。

根據(jù)有關(guān)研究資料，在三峽庫區(qū)、柴河水庫流域、萬家溝小流域以及中小型河灌區(qū)等，SWAT模型均已得到廣泛應(yīng)用并取得良好的成效。因此，文章對(duì)六股河綏中縣境內(nèi)的面源污染特征利用SWAT模型研究，從而確定適用于六股河流域的敏感性參數(shù)值和SWAT模型數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)氮磷污染負(fù)荷的定量計(jì)算揭示其變化特征[2-5]。研究成果對(duì)于流域水資源管理、城市飲水安全、水源地保護(hù)和流域內(nèi)面源污染控制及管理等具有重要意義，并可為六股河流域面源污染決策、規(guī)劃、控制和水資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域概況

六股河流域發(fā)源于建昌縣玲瓏塔鄉(xiāng)北婁子山，干流全長153km，流域面積3267km2，流經(jīng)建昌、綏中、興城等市縣，屬于山溪型河流。研究河段為半干旱半濕潤氣候，其特點(diǎn)為冬季寒冷干燥、夏季炎熱多雨、春秋季多風(fēng)，四季分明，降水量560mm/a。河流總體呈南北寬、東西窄的牽?；钭邉?，地勢西北高、東南低，地形起伏變化較小，平均海拔200m。其中，綏中縣境內(nèi)支流4條，占地面積862.2km2，河寬30-55m，平均深度0.6m，綏中縣寶倉屯、成后村、巫家河沿、常家溝等地建設(shè)有提水工程[6-7]。

2 數(shù)據(jù)的處理

屬性和空間數(shù)據(jù)溝SWAT模型構(gòu)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)包括氣象站點(diǎn)及水文站點(diǎn)的空間位置、土壤類型和土地利用GIS圖、DEM數(shù)字高程圖等；屬性數(shù)據(jù)包括農(nóng)業(yè)管理方式、水文氣象、水質(zhì)、土壤類型和污染源等，且必須在同一坐標(biāo)上構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。考慮選用Albers等積圓錐投影獲取空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)，六股河綏中縣境內(nèi)投影參數(shù)表，見表1。

表1 六股河綏中縣境內(nèi)投影參數(shù)表

相關(guān)資料來源于綏中縣環(huán)保局提供的六股河生態(tài)環(huán)境保護(hù)方案、水污染評(píng)估項(xiàng)目成果報(bào)告等，數(shù)據(jù)來源、格式和精度，見表2。

表2 數(shù)據(jù)來源、格式和精度

2.1 子流域劃分

SWAT模型對(duì)子流域的劃分和最終水系的生成，其基本依據(jù)為已知的水系圖和DEM圖。根據(jù)出水口位置和河網(wǎng)分布狀況，將整個(gè)流域利用SWAT模型的離散化功能劃分為若干子流域，生成的水系詳細(xì)程度與集水面積最小閾值呈正相關(guān)性，即設(shè)置閾值越小則劃分的子流域個(gè)數(shù)就越多。最后，通過疊加處理各子流域的坡度、土壤、土地利用等屬性數(shù)據(jù)，最終生成多個(gè)或一個(gè)響應(yīng)單元。SWAT模擬的基本單位為具有統(tǒng)一水文效應(yīng)的HRU，文章設(shè)定400hm2作為集水面積的最小閾值，河流典型斷面為六股河綏中縣的出口斷面，由此將研究河段劃分為12個(gè)子流域。

2.2 水文相應(yīng)單元分配

將每個(gè)子流域按照土地利用、土壤和坡度類型的不同劃分為基本單元，通過計(jì)算各基本單元HRU的營養(yǎng)物質(zhì)污染負(fù)荷、輸沙量、徑流量等，評(píng)價(jià)分析子流域污染特征。為了更好的適應(yīng)土地利用類型在SWAT模型非點(diǎn)源模擬中的分類，將土地利用類型按照流域內(nèi)原有類型重新分類編碼，土地利用和土壤類型處理方法基本相同。然后對(duì)分類后的坡度、土壤和土地利用數(shù)據(jù)蝶姐，文章設(shè)施坡度、土壤和土地利用閾值為15%、25%、20%，由此劃分的響應(yīng)單元共45個(gè)。

2.3 模型的寫入及編輯

確定各類實(shí)測數(shù)據(jù)后，將有關(guān)數(shù)據(jù)輸入模型，由此建立包含各類輸入文件的SWAT模型，涉及到的文件有河流水質(zhì)、池塘數(shù)據(jù)、土壤化學(xué)性、農(nóng)業(yè)管理、地下水文、主河道、水資源利用、水文響應(yīng)單元、子流域、氣象文件、土壤類型、結(jié)構(gòu)等，所對(duì)應(yīng)的文件格式為(.swq)、(.pnd)、(.chm)、(.mgt)、(.gw)、(.rte)、(.wus)、(.hru)、(.sub)、(.wgn)、(.soil)、(.fig)。

3 參數(shù)的率定和驗(yàn)證

為了使得模擬結(jié)果與實(shí)際值更加接近要不斷的校準(zhǔn)模型參數(shù)，通過率定與校準(zhǔn)SWAT模型提高模擬結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性。從空間和時(shí)間的角度認(rèn)為，模型參數(shù)的率定涉及上下游、干支流、粗細(xì)時(shí)段等方面；從內(nèi)容校準(zhǔn)的角度，參數(shù)率定應(yīng)滿足先徑流后污染負(fù)荷的原則。模擬過程中涉及到的運(yùn)算復(fù)雜、參數(shù)多，不可能也沒必要校準(zhǔn)每一個(gè)參數(shù)，這就要求分析各參數(shù)的敏感性，確定能夠顯著影響模擬結(jié)果的參數(shù)，并校準(zhǔn)這些參數(shù)。自動(dòng)和人工校準(zhǔn)為SWAT模型校準(zhǔn)的兩種常用方式，文章對(duì)參數(shù)的校準(zhǔn)考慮選用以上兩種方法。根據(jù)上述流程確定的敏感性參數(shù)，其初始取值利用系統(tǒng)自帶的SCE-UA法確定，輸入優(yōu)化后的參數(shù)并對(duì)比實(shí)測值和模擬值。若3個(gè)校準(zhǔn)指標(biāo)能夠符合精準(zhǔn)度要求，則敏感性參數(shù)值取自動(dòng)校準(zhǔn)后的值；若不能滿足精準(zhǔn)度要求，則采用人工校準(zhǔn)法適當(dāng)調(diào)整敏感性參數(shù)，直至達(dá)到誤差允許范圍。

采用2012-2016年六股河綏中縣出口監(jiān)測斷面實(shí)測污染負(fù)荷、流量數(shù)據(jù)，模型預(yù)熱期和率定期為2011年、2012-2014年數(shù)據(jù)，驗(yàn)證期為2015-2016年數(shù)據(jù)。

3.1 參數(shù)敏感性分析

對(duì)六股河徑流、氮、磷負(fù)荷敏感性利用模型自帶的計(jì)算模塊分析，調(diào)整參數(shù)設(shè)定為排序靠前的幾個(gè)參數(shù)，為節(jié)省運(yùn)算量和獲取更好的模擬結(jié)果，選取最優(yōu)參數(shù)值最為敏感性指標(biāo)值。SWAT模型敏感性參數(shù)表，見表3。

表3 SWAT模型敏感性參數(shù)表

3.2 徑流的調(diào)試與驗(yàn)證

當(dāng)前，還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)判別模擬結(jié)果是否被接受，通常情況下若Re≤0.3%、Ens>0.5、R2>0.6，則認(rèn)為模擬精度較高、結(jié)果可靠。SWAT模型月徑流模擬及驗(yàn)證結(jié)果，見表4，月徑流量實(shí)測值和模擬值對(duì)比，見圖1。根據(jù)表4和圖1可知，SWAT模型具有較高的模擬精度，能夠較好的模擬六股河月尺度的徑流過程，其中引起模擬偏差的要素較多，包括數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、模型自身結(jié)構(gòu)的不確定性和空間差異性分布等因素。

表4 SWAT模型月徑流模擬及驗(yàn)證結(jié)果

圖1六股河月徑流對(duì)比圖

3.3 氮、磷污染負(fù)荷的調(diào)試與驗(yàn)證

模擬分析氨氮負(fù)荷的影響因素較徑流模擬更多，模擬結(jié)果存在更大的隨機(jī)性，所以較徑流模擬精度而言氨氮負(fù)荷要求較低。SWAT模型氨氮負(fù)荷模擬及驗(yàn)證結(jié)果，見表5；TN、TP的月日均負(fù)荷的實(shí)測值和模擬值對(duì)比，六股河月徑流對(duì)比圖，見圖2。

表5 SWAT模型氨氮負(fù)荷模擬及驗(yàn)證結(jié)果

圖2六股河月徑流對(duì)比圖

根據(jù)以上分析結(jié)果，氨氮實(shí)測和模擬值存在一定的差異，這主要與徑流模擬的精確度相關(guān)，同時(shí)引起實(shí)測值和模擬值存在偏差的另一重要因素為污染負(fù)荷的遷移變化過程。

4 面源污染的特征分析

4.1 面源污染時(shí)間變化規(guī)律

根據(jù)1980-2016年綏中縣多平均降雨資料和研究區(qū)3個(gè)氣象站的降雨數(shù)據(jù)，將一年分為枯水期(12-3月)、豐水期(5-9月)、平水期(其它月份)3個(gè)時(shí)期，以上3個(gè)時(shí)期的降水量占全年的10%、72%和18%。依據(jù)研究期間的平均產(chǎn)值可知，平水期的TP、TN產(chǎn)量和產(chǎn)水量明顯小于豐水期，枯水期和豐水期產(chǎn)值比重分別為<5%、70%-90%之間，由此表明產(chǎn)生面源污染的關(guān)鍵時(shí)期為豐水期，該時(shí)期與面源污染程度密切相關(guān)。其原因?yàn)閺搅鳑_刷為產(chǎn)生面源污染的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，土壤侵蝕量最為嚴(yán)重的月份為降水最大的月份，由此造成的氮磷負(fù)荷攜帶量偏高。六股河綏中縣段各時(shí)期產(chǎn)流情況，見表6。

表6 六股河綏中縣段各時(shí)期產(chǎn)流情況

4.2 面源污染空間分布規(guī)律

對(duì)面源污染分布情況從空間的角度分析，各子流域面源污染分布，見表7。根據(jù)表4可知，TN輸出系數(shù)較大的子流域有5#、11#、10#，處于5534-5912kg/km2，西部地區(qū)的產(chǎn)量較東部低；TP輸出系數(shù)較大的子流域有10#、11#、12#，且上游地區(qū)相對(duì)較大。總體而言，氮磷負(fù)荷較為嚴(yán)重的子流域有10#、11#和3#，負(fù)荷最輕的為4#，下游地區(qū)的TP負(fù)荷和東部地區(qū)的TN負(fù)荷較為嚴(yán)重，這可能與各子流域污染排放情況、下墊面差異性等因素相關(guān)。

表7 各子流域面源污染分布

續(xù)表7 各子流域面源污染分布

4.3 重要污染源識(shí)別

基于流域水文地理特征的SWAT模型能夠較為準(zhǔn)確的模擬各子流域的污染負(fù)荷總量，但通常難以判別污染來源。因此，為了準(zhǔn)確判別面源和點(diǎn)源污染類型比重及其主要來源，采用對(duì)比分析法計(jì)算模擬結(jié)果和排放量。

1) 主要污染源識(shí)別。根據(jù)年均模擬值和實(shí)際污染排放量可知，各子流域的點(diǎn)源污染比重較小，污染排放類型以面源污染為主，年均模擬值大小和面源污染排放量基本吻合，模擬值越大的子流域其排放量也越大。由于點(diǎn)源污染排放量大大低于各子流域面源污染，因此流域污染類型以面源污染為主，為保護(hù)水體環(huán)境應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該河段的面源污染防治。

2) 面源污染類型識(shí)別。化肥污染、禽畜養(yǎng)殖污染和農(nóng)村生活污染為面源污染的主要類型，從TN污染的空間分布特征可知，面源污染排量較大的為10#、11#子流域，其中化肥污染、禽畜養(yǎng)殖污染和農(nóng)村生活污染貢獻(xiàn)率依次為42%、8%、50%；從TP污染的空間分布特征可知，面源污染排量較大的為10#、11#、12#子流域，同時(shí)其模擬產(chǎn)值也較多，其中化肥污染、禽畜養(yǎng)殖污染和農(nóng)村生活污染貢獻(xiàn)率依次為56%、20%、24%。由此表明，面源污染受化肥污染的影響最為突出，其次為禽畜養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污水。

4.4 污染關(guān)鍵區(qū)識(shí)別

根據(jù)研究區(qū)水環(huán)境質(zhì)量狀況和相關(guān)研究資料，將TN、TP年均模擬值分為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ5個(gè)等級(jí)，所對(duì)應(yīng)的TN模擬值為61-57、57-53、53-49、49-45、45-41km/hm2，所對(duì)應(yīng)的TP模擬值為2.0-1.8、1.8-1.6、1.6-1.4、1.4-1.2、1.2-1.0km/hm2，最終的識(shí)別結(jié)果如表4。研究表明，TN負(fù)荷隸達(dá)到Ⅴ級(jí)的子流域有3#、5#、9#、10#，TP負(fù)荷達(dá)到Ⅴ級(jí)的子流域有6#、10#、11#、12#，因此非點(diǎn)源污染重點(diǎn)治理區(qū)域?yàn)?0#子流域。

5 結(jié) 論

文章以六股河綏中縣段面源污染為例，依據(jù)SWAT模型和GIS系統(tǒng)定量模擬了面源污染負(fù)荷，在此基礎(chǔ)上揭示了其變化規(guī)律，得出的結(jié)論有：

1) 根據(jù)研究河段水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和徑流資料，設(shè)定模型預(yù)熱期和率定期為2011年、2012-2014年數(shù)據(jù)，驗(yàn)證期為2015-2016年數(shù)據(jù)，為校準(zhǔn)模型準(zhǔn)確性引入評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)系數(shù)R2，Nash系數(shù)Ens和相對(duì)誤差Re。研究表明，所構(gòu)建的SWAT模型具有較高的模擬精度和參數(shù)敏感性可信度，對(duì)于河流面源污染負(fù)荷模擬具有良好的適用性。

2) TP、TN產(chǎn)量和年產(chǎn)水量間存在作用關(guān)系，枯水期和豐水期產(chǎn)值比重分別為<5%、70%-90%之間，由此表明產(chǎn)生面源污染的關(guān)鍵時(shí)期為豐水期，該時(shí)期與面源污染程度密切相關(guān)。模擬年均總值和污染排放量保持相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，各子流域污染類型以面源污染為主。研究表明，非點(diǎn)源污染重點(diǎn)治理區(qū)域?yàn)?0#子流域。雖然SWAT模型能夠以多個(gè)水文響應(yīng)單元模擬各個(gè)子流域污染狀況，考慮了時(shí)空異質(zhì)性特征，流域尺度和輸入之間的轉(zhuǎn)化程度受評(píng)價(jià)單元的劃分影響顯著。同時(shí)，仍需要進(jìn)一步研究模型參數(shù)難以獲取、結(jié)構(gòu)本身不完善、數(shù)據(jù)精度和分辨率等模擬結(jié)果的影響。