降雨條件下阜陽市河流非點源污染輸出特征

程千云

（安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 馬鞍山238251）

降雨產(chǎn)生的地表徑流會引起流域的非點源污染源進入河流。在自然環(huán)境中，流域內(nèi)部處在較為穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)中， 降雨條件就成為了非點源污染的主要因素。由于技術(shù)方法上的缺陷，我國在大力發(fā)展的同時，并不注意非點源污染的問題。點源污染的污染物輸出較為明顯，容易控制，而非點源污染較為隱秘，污染面通常較大，若不加以控制，將會對人們的生活環(huán)境產(chǎn)生較大的危害。 在人們采用各種方式控制住點源污染后， 非點源污染已經(jīng)逐漸變成國內(nèi)外水污染研究的重點問題［1］。

1 研究區(qū)概況

阜陽市是安徽省的地級市。 全市總面積10118km2。市內(nèi)人口達到830萬人。同時，阜陽市也是安徽省內(nèi)最重要的綜合交通樞紐。 阜陽市水資源豐富，以地表水資源為主。 根據(jù)2018年數(shù)據(jù)，全市水資源總量36.79億m3，其中地表水資源25.39億m3，地下水資源18.38億m3，地下水資源和地表水資源11.4億m3。阜陽市地表水資源主要由河流徑流和湖泊組成。 主要河流有淮河及其支流古河、潤河、大潤河、揭南河、濟河、慈懷新河、芙蓉新河、黑慈河、西壩河、揭紅河。淮河在阜陽市境內(nèi)全長169km，流域面積9775km。 有巴厘湖、交港湖等。 水系如圖1。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究數(shù)據(jù)

圖1 阜陽市水系分布

本文的DEM數(shù)據(jù)（Landsat 7）來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺發(fā)布的30m分辨率網(wǎng)格數(shù)據(jù)。土壤數(shù)據(jù)來自中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。 從遙感影像中提取分辨率為1km的網(wǎng)格數(shù)據(jù)、研究區(qū)土地利用圖和水系圖。 氣象資料為阜陽市各氣象監(jiān)測站點的氣象數(shù)據(jù)整理而來，如圖2、圖3。

圖2 氣象站點分布

圖3 降雨量逐日分布

2.2 研究方法

本文利用SWAT模型分析了降雨對污染源的影響。SWAT模型是ARCGIS平臺下的附加模型功能，可以將現(xiàn)有的流域按照匯水區(qū)域的大小劃出若干小流域，便于研究，同時，還可以利用ARCGIS內(nèi)置的傳統(tǒng)功能處理坡度、土壤類型等功能。處理之后的每個小模塊中都包含土地覆蓋、坡度等信息［2］。 水域劃分越精細(xì)，模擬的準(zhǔn)確性越高。在ARCSWAT中，水文響應(yīng)單元（HRU） 可以通過加載土壤圖、 土地利用圖和DEM自動劃分。 使用“坡度”功能計算出的坡度值顯示，該流域在30m分辨率下的坡度值在1～17.3°之間，因此，將HRL坡度閾值設(shè)置為0～1°，1～16°，并與土壤圖和土地利用圖疊加生成， 將研究區(qū)劃分為118個HRU［3］，如圖4。

圖4 研究區(qū)水文響應(yīng)單元

利用研究區(qū)阜陽水文站點、 水質(zhì)監(jiān)測站點提供的2011～2016年流量與水質(zhì)數(shù)據(jù)，分別對模擬的徑流和水質(zhì)數(shù)據(jù)進行模擬研究。 阜陽市磷流失量統(tǒng)計如圖5和各個流域磷流失量統(tǒng)計如表1。

圖5 磷流失量統(tǒng)計

表1 2011～2016年多年年均降雨量與非點源磷負(fù)荷量統(tǒng)計

2.3 模型構(gòu)建

本次模擬的數(shù)據(jù)主要采集于阜陽水文站和水質(zhì)監(jiān)測站中的2011～2016年的數(shù)據(jù)。 先建立SWAT模型數(shù)據(jù)庫，打開ARCGIS10.4軟件中的SWAT模型，采用SWAT-CUP軟件對水文站中的徑流數(shù)據(jù)和水質(zhì)監(jiān)測站中的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行驗證。 參考前人的研究成果［4］，將研究區(qū)內(nèi)對徑流和水質(zhì)影響較大的參數(shù)挑選出來，選定適合該模型的具體參數(shù)，除去影響程度較小的參數(shù)［5］。

SWAT模型模擬共歷時9年， 模型預(yù)熱期設(shè)置為2008～2010年， 模型輸出數(shù)據(jù)率固定期設(shè)置為2011～2013年，模型驗證期設(shè)置為2014～2016年，設(shè)定2008～2010年為模型的前期驗證期來模擬總磷負(fù)荷， 阜陽市沙營河流域徑流和總磷模擬值與驗證期實測值吻合較好，其中常規(guī)徑流Ra為0.85，總磷Ra為0.64，e為0.61，驗證期徑流邊緣為0.82，SWAT驗證期總磷的Ra為0.64。 最終得出，所采用的模型適合該地區(qū)的模擬。

3 研究結(jié)果

3.1 污染物流失空間分布

根據(jù)阜陽市沙營河流域2011～2016年非點源磷年均流失量統(tǒng)計，采用SWAT模型計算出的各個污染物流失的空間分布結(jié)果如圖6， 其中， 總磷流失量1.41kg/hm2，南部地區(qū)的流失量遠(yuǎn)高于北方地區(qū)。 總體趨勢為南高北低。 流失量最大的區(qū)域為劃分出的第六小流域，流失量0.73kg/hm2。 可溶性磷的流失量要小于總磷流失量，僅0.5kg/hm2。

圖6 阜陽市污染物磷多年流失量分布

3.2 研究區(qū)降雨與徑流關(guān)系

本文對研究區(qū)的降雨與徑流關(guān)系進行了相關(guān)研究，由于該流域的降雨量在區(qū)域上存在差異，降雨量大小會對徑流量大小起到最重要的影響， 非點源污染物流失主要是由于地表徑流引起的。 所以有必要對該地區(qū)地表徑流和降雨量的關(guān)系進行分析。 以2011～2016年的降水徑流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對兩組數(shù)據(jù)進行一元線性歸回擬合分析， 最終擬合系數(shù)R2為0.89，兩者變化趨勢相同。

圖7 降雨與徑流量趨勢

3.3 降雨與總磷流失量關(guān)系

本文加入降雨驅(qū)動因子來表示該流域的降雨量。 綜合分析該流域不同地區(qū)降雨引起的總磷流失變化情況，建立出降雨Ea和非點源污染物磷L的數(shù)學(xué)方程式，如下［6］：

L=f（Ea）

式中 Ea為阜陽市全區(qū)年均降雨量；L為磷流失量。

根據(jù)2011～2016年的數(shù)據(jù)和公式可以計算出降雨驅(qū)動因子與磷流失量L的相關(guān)關(guān)系， 如圖8最終反應(yīng)出，可溶性磷、礦質(zhì)磷L的擬合效果較差，而有機磷與非點源磷流失L的擬合效果較好， 擬合系數(shù)R2為0.92。 非點源磷的形態(tài)較為穩(wěn)定，流失量與降雨量擬合效果較好，所以，本文只選取總磷這一個指標(biāo)來研究其與降雨量之間的關(guān)系。

圖8 降雨量與總磷流失量擬合關(guān)系

為了量化降雨造成的總磷流失水平， 根據(jù)自然斷點分類方法， 將降雨影響下總磷流失的關(guān)鍵源區(qū)劃分為5類，根據(jù)磷素流失的最大值和最小值，將磷素流失水平分為五類。 鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政單位降雨驅(qū)動因素如表2和圖8～圖10。 研究區(qū)2011年降水驅(qū)動因子在0.05～0.59之間，2013年的降雨驅(qū)動因子處在0.71～0.98之間，2016年的降雨驅(qū)動因子在0.95～1.85之間。全區(qū)總磷流失程度處于工業(yè)和工業(yè)水平， 其中江塘鎮(zhèn)、中石街鎮(zhèn)、蘇集鎮(zhèn)、成集鎮(zhèn)和三合鎮(zhèn)的總磷流失較少，其他地區(qū)的總磷流失量較小。 2012年，降雨驅(qū)動因子值為0.42～0.57， 全區(qū)總磷流失程度為二級和三級，其中江塘鎮(zhèn)、中石街鎮(zhèn)、官集鎮(zhèn)等9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位總磷流失為三級，占研究區(qū)城鎮(zhèn)總數(shù)的23.4%，而其他城鎮(zhèn)的總磷損失較小。2013年，降雨驅(qū)動因子值為0.69～0.87，全區(qū)總磷流失水平為二級和三級，其中大孟集鎮(zhèn)、五星鎮(zhèn)、雙府鎮(zhèn)等14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位，占研究區(qū)城鎮(zhèn)數(shù)量的35.4%，江塘鎮(zhèn)等23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位，九龍鎮(zhèn)、蘇集鎮(zhèn)， 平均為三級，2014年， 降雨驅(qū)動因子值為1.44～1.67， 全區(qū)總磷流失程度為五級， 總磷流失嚴(yán)重，包括九龍鎮(zhèn)、江寨鎮(zhèn)、潭棚鎮(zhèn)等8個鎮(zhèn)。2015年，降水驅(qū)動因子值為1.02～1.07， 全區(qū)總磷流失程度為三級，總磷流失中等。 2016年，降水驅(qū)動因子值為0.95～1.85，全區(qū)總磷流失程度為三、四、五級，其中三級流失36%，四級流失29%，五級流失32%。

表2 研究區(qū)降雨影響下總磷流失程度分類

利用ARCGIS軟件以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為行政級別，做出降雨量驅(qū)動因子分布圖，如圖9～圖11。

圖9 2011年降雨驅(qū)動因子

圖10 2013年降雨驅(qū)動因子

圖11 2016年降雨驅(qū)動因子

綜上所述，2014年全區(qū)總磷流失最嚴(yán)重，全區(qū)處于V級，2016年次之。 有近70%區(qū)域的總磷流失量要高與平均值。 其中處在Ⅲ以下流失水平的年份為2011，2012，2013年。有7個顏色較深的區(qū)域為該流域總磷流失水平最高的地區(qū)，如圖11。這些地區(qū)是該流域非點源污染治理的重點區(qū)域。 政府應(yīng)該加強對這些地區(qū)非點源污染的關(guān)注，采取合理的治理方式。

4 結(jié)語

利用SWAT模型對富陽河流域降雨條件下非點源污染的輸出特征進行了模擬分析。最終結(jié)果顯示，徑流量與降雨量的相關(guān)性較高，R2為0.89。 降雨年際因子值越大，總磷的空間分布損失越大。降雨驅(qū)動因子呈現(xiàn)出南高北低的趨勢， 總磷流失量的變化趨勢與之相同，2014年，總磷流失最為嚴(yán)重。