基于WASP的稀土礦區氮污染模擬*
——以龍南市為例

章凱兵 康俊鋒,2# 付 樂

(1.江西理工大學土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000；2.浙江大學地球科學學院，浙江 杭州 310027)

龍南市位于贛江流域上游區域，內部貫穿有贛江一級支流——桃江，桃江在龍南市內又分出3條二級支流：渥江、濂江、太平江。龍南市擁有豐富的離子型稀土資源，為當地創造了巨大的經濟效益，但存在稀土資源開采后的廢渣監管不力現象，給當地造成了嚴重的流域水環境污染[1-2]。當前，離子型稀土資源開采都是用硫銨原地浸礦提取的，氨氮是產生的主要污染物之一[3]。大量氨氮進入水體后使得水中的氮含量劇增[4-5]。《2016年贛州市環境年報》顯示，龍南市的水質主要超標指標是氨氮和總氮。因此，準確高效地模擬龍南市稀土礦區水環境中氨氮和總氮的污染負荷和空間分布對流域水環境污染治理具有重要意義。

國內外學者通常采用經驗負荷模型對流域污染負荷進行模擬[6]。輸出系數法是經驗負荷模型的常用方法之一，經過早期學者JOHNES[7]的改進，具備了資料要求低、應用簡單且實用的特性，符合我國水文水質、土地利用、氣象和人口等需要長期觀測的數據相對缺乏的情況[8]。事實上，經驗負荷模型主要只計算了非點源污染負荷，而忽略了點源污染以及水文條件等的影響，為了更加準確地模擬流域的水質變化，學者們采用構建水質模型的方式來進行詳細模擬[9]。水質分析模型(WASP)是使用較為靈活，且內置富營養化程序的水質模型[10]。本研究以贛江流域上游龍南市稀土礦區為研究區域，使用輸出系數法核算氨氮和總氮的非點源污染負荷，并結合相關參數構建WASP，利用地理信息系統(GIS)實現研究區域的水質污染模擬結果分析。

1 數據與方法

1.1 輸出系數法核算非點源污染負荷

稀土開采用地是一種特殊的土地利用類型，因此在文獻[7]的輸出系數法污染源類型中添加了稀土開采用地。由此，本研究中非點源污染源類型包括耕地、稀土開采用地、居民生活和牲畜，其中牲畜又分為畜類和禽類兩個污染物輸出類型。輸出系數法核算非點源污染負荷的公式如下：

(1)

式中：Lj為第j種污染源的非點源污染負荷，kg/a；Bij為第j種污染源中第i個污染物的輸出系數；Aij為第j種污染源中第i個污染物的輸出量。Bij、Aij的單位根據實際情況而定。

隴南市的土壤類型為紅壤，因此其耕地的氨氮和總氮輸出系數分別取0.32、6.00 kg/(hm2·a)[11-12]。

稀土開采用地的氨氮或總氮輸出系數根據式(2)[13]計算得到。隴南市稀土開采用地的土壤侵蝕模數取353.54 t/(km2·a)[14-15]。根據南方離子型稀土礦區土壤研究成果[16-17]，結合當地的降水情況確定隴南市稀土開采用地的土壤中氨氮和總氮質量分別為0.188、0.197 g/kg 。

RO=S×N

(2)

式中：RO為稀土開采用地的氨氮或總氮輸出系數，kg/(hm2·a)；S為稀土開采用地的土壤侵蝕模數，t/(hm2·a)；N為稀土開采用地土壤中的氨氮或總氮質量濃度，g/kg。

根據文獻[18]，隴南市居民生活的氨氮和總氮輸出系數分別取0.15、2.14 kg/(人·a)。

牲畜的非點源污染輸出主要源于糞便。根據畜類和禽類糞便中的氮含量確定畜類與禽類的總氮輸出系數分別為0.74 kg/(頭·a)、0.04 kg/(只·a)，氨氮輸出系數分別為0.14 kg/(頭·a)、0.03 kg/(只·a)[19]。

1.2 WASP建模

WASP能夠對不同類型水體(包括河流、河口、湖泊、水庫等)進行動態特征模擬[20]，本研究利用其富營養化程序模擬贛江流域上游龍南市稀土礦區的氨氮和總氮。

1.2.1 河網概化與分段

本研究河網概化的基本原則：(1)概化后的河網的天然水力特性與實際水體基本保持一致；(2)河網概化時主要考慮主干河道，以避免河網支流多且分布復雜的情況[21]。以ArcGIS軟件的水文分析模塊為工具，根據龍南市數字高程模型(DEM)數據進行填洼處理并分析流向與流量，再對河流柵格矢量化提取河網邊界，最后結合實際的水體特征和區域水功能區劃(包括河流分支與污染源排放位置、水體特性劇烈變化位置、水質指標監測站位置、河流取水口位置等[22])將贛江流域上游龍南市稀土礦區河網概化成9段，分別為桃江入境—塘竹子、塘竹子—三江交匯口、三江交匯口—黃坑口、黃坑口—太平江口、太平江口—龍南電站大橋、三江交匯口—龍南高速分界處、龍南高速分界處—程口大橋、三江交匯口—中和大道、中和大道—湯湖，依次記為A、B、C、D、E、F、G、H、I。

1.2.2 模型輸入參數

(1) 河網水力參數

各河段水力參數包括河段的深度指數、坡度系數、速度指數和糙率。贛江流域上游龍南市稀土礦區各河段的速度指數均可取0.38，深度指數取0.45，坡度系數取0.001。糙率與河段的地形有關，各河段的取值見表1。

(2) 初始條件參數

初始條件參數包括各河段的平均深度、水體流量和水質數據。

(3) 邊界條件參數

邊界條件以各河段水體流量為基礎確定水流輸送模式，從而獲得水量邊界和外部污染負荷邊界。外部污染負荷分為點源污染負荷和非點源污染負荷。

表1 各河段糙率

點源污染主要考慮工業廢水。龍南市的工業廢水排放主要在C、 G、 H河段 ，這3個河段的氨氮和總氮點源污染負荷見表2。

表2 點源污染負荷

由1.1節計算得到各河段的氨氮(見表3)和總氮(見表4)非點源污染負荷。

表3 氨氮非點源污染負荷

表4 總氮非點源污染負荷

(4) 模型自帶參數

模型自帶參數中20 ℃下的硝化速率(k12，d-1)、硝化的氧限制半飽和常數(kNIT，mg/L)、20 ℃下的反硝化速率(k20，d-1)、20 ℃下溶解有機氮的礦化速率(k71，d-1)、20 ℃下的硝化速率溫度調整系數(θ12)、20 ℃下的反硝化速率溫度調整系數(θ20)、20 ℃下溶解有機氮的礦化速率溫度調整系數(θ71)分別根據本研究中12個采樣點的氨氮和總氮的水質數據率定，最終取值見表5。模型其他自帶參數取默認值[23]。

表5 模型自帶參數的取值

1.3 數據來源

水質數據：12個采樣點的水質數據由龍南生態環境局數據中心提供，采樣時間為2016年1月至2017年5月。

2016年Landsat-8 空間分辨率為30 m的衛星遙感數據、龍南市DEM數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)。從2016年Landsat-8衛星遙感數據中得到稀土開采用地和耕地的面積分別為5 608.39、24 318 hm2。

2016年1月至2017年5月的平均深度、水體流量數據根據中國水文網(http://swgl.mwr.gov.cn/)公布的杜頭、羊信江、居龍灘3個水文監測站數據就近取值。

人口、畜禽等其他數據來源于相應年份的贛州市統計年鑒。

2 結果與分析

2.1 模型驗證

分別根據氨氮和總氮進行模型自帶參數率定的線性回歸相關系數(R2)、平均相對誤差(ε,%)和一致性指數(d)見表6。平均相對誤差低于30%，根據《水文情報預報規范》(GB/T 22482—2008)，數據合格。

表6 模型自帶參數率定效果誤差分析

以超標嚴重的氨氮為例，選取4個位于流域重要位置的采樣點(1#、5#、8#、10#)分析模擬值和實測值的關系。由圖1可見，氨氮模擬值與實測值差異較小，說明該模型模擬結果能反映研究區域一定時間內的污染指標變化趨勢，可以應用于贛江流域上游龍南市稀土礦區的水質模擬。

圖1 氨氮模擬值和實測值的關系Fig.1 Relationship between ammonia nitrogen simulated values and real sample values

2.2 模型自帶參數的靈敏性分析

分析模型自帶參數變化±20%時，質量濃度為0.55 mg/L的氨氮和質量濃度為3.40 mg/L的總氮模擬值變化，從而分析靈敏度(見表7)。對于氨氮而言，參數靈敏度排序為：k12>k71>k20>θ20>θ71>θ12>kNIT；對于總氮而言，參數靈敏度排序為：k12>k71>k20>θ20>θ12>θ71>kNIT。

表7 模型自帶參數的靈敏度

2.3 不確定性分析

由于非點源污染負荷核算不確定性較大，因此本研究參考陳文君等[24]的研究方法，將對非點源污染負荷貢獻較大的稀土開采用地、耕地、居民生活進行靈敏度分析，情景分別假設稀土開采用地、耕地、居民生活的污染程度提高10%，模擬運行20年，選擇一級支流桃江的3個采樣點(2#、6#、7#)分析氨氮和總氮的變化率，結果見圖2。

圖2 不確定性分析結果Fig.2 Uncertainty analysis results

由圖2可見，3種情景中耕地污染程度提高10%對氨氮和總氮的變化率影響程度最大，并且對總氮的影響程度大于對氨氮的影響程度。稀土開采用地污染程度提高10%對氨氮的變化率影響程度大于總氮，居民生活污染程度提高10%對總氮的變化率影響程度更大。為降低模型的不確定性，可以進一步準確統計稀土開采用地面積和耕地面積，細化人口的調查。

2.4 模擬結果分析

參考《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，本研究將水質級別分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、Ⅴ類超標、Ⅴ類嚴重超標7類，其中Ⅴ類嚴重超標水域是指劣Ⅴ類中超標1倍以上的水域。利用空間分析工具統計氨氮和總氮的各類水域長度占比(見表8)。

表8 氨氮和總氮的各類水域長度占比

由表8可見，氨氮濃度達到Ⅲ類及以上的水域長度占比達到53%，總氮濃度達到Ⅲ類及以上的水域長度占比達到75%。氨氮濃度達到Ⅲ類及以上的水域長度占比比總氮低，渥江和濂江的氨氮污染狀況最嚴重，其次是桃江，太平江氨氮污染狀況較輕。總氮也是在渥江和濂江的污染狀況最嚴重，桃江和太平江上總體污染程度相對較輕。

3 結論與建議

(1) 用WASP對贛江流域上游龍南市稀土礦區的水中氨氮和總氮進行模型自帶參數率定，平均相對誤差低于30%，符合GB/T 22482—2008要求，氨氮模擬值與實測值的差異也較小。

(2) 對不確定性較大的非點源污染負荷進行不確定性分析，耕地污染程度提高10%對氨氮和總氮的變化率影響程度最大，并且對總氮的影響程度大于對氨氮的影響程度。

(3) 氨氮濃度達到Ⅲ類及以上的水域長度占比達到53%，總氮濃度達到Ⅲ類及以上的水域長度占比達到75%。總體而言，渥江和濂江的氮污染比較嚴重，桃江和太平江的氮污染程度相對較輕。

(4) 耕地、稀土開采用地和居民生活的非點源污染是造成龍南市稀土礦區水質污染的重要原因，建議加強對農民的科學施肥指導，完善稀土開采的監管政策，提高人們的環保意識。