基于“源-質”響應的香溪河流域問題解析

申振玲，周奉，孫溢點，張萬順,2,3*，凌海波，王琪，李龍媛，楊麗娜

1.武漢大學資源與環境科學學院

2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室

3.武漢大學中國發展戰略與規劃研究院

4.湖北省生態環境科學研究院

5.宜昌市生態環境局

流域水環境保護是國家生態文明建設的重要內容，在推動區域綠色高質量發展上具有重要的戰略地位[1]。流域是由自然要素和人文要素共同構成的“自然-社會-經濟”復合系統[2]。以流域為單元[3-4]，開展地表多要素、多尺度、多過程的綜合集成研究是當前自然地理學的重要發展方向之一[5-6]。基于當前流域水環境、水資源與水生態（“三水”）協同治理需求，立足于流域一體化視野[7]，準確甄別流域水環境問題，推動“三水”協同共治，已經成為備受學界與政界關注的前沿熱點[8]。開展流域水環境問題癥結成因分析并定量精準解析[9]，是支撐流域水生態環境修復治理和精準管控的關鍵途徑。

針對流域水環境問題解析，眾多學者已經開展了大量相關研究[10-16]，主要方法包括相關性分析法、統計學建模和機理過程模型3種。流域涉及的人、地、空、生、水等不同環境組成系統均受物質質量和能量在不同空間和時間尺度上的運動所驅動，且在各系統內部具有的同性、平衡、反饋、滯后、弛豫時間和閾值的特征，使得面向收納水體時表現出強烈的非線性和復雜性特征[17-18]，因此，以融合多系統、多要素、多過程的流域集成模型備受關注。同時，流域水環境惡化的根本原因是人類活動下的點源和非點源污染物排放，因此采用基于完全耦合模式，并統籌自然條件與人類活動的流域集成模型才能夠精準捕捉到各類污染源對下游水體水環境的影響[19]。張萬順等[7]構建的緊密耦合流域自然-社會-經濟的大尺度、全過程、長系列、精細化系統“空-地-水”一體化模型體系，解決了各類過程的非線性、區域非均質性、參數尺度效應和不確定性等問題，能夠實現污染物負荷核算、污染過程的精準模擬和污染程度的精準預測，并成功應用于多個流域水環境問題研究，如粵港澳大灣區[20-21]、三峽庫區流域[22]、太湖流域[23]、漢江中下游流域[24]等，具有較好的系統性和適用性。

香溪河流域是靠近三峽大壩的長江中上游一級支流，發源于湖北省宜昌市神農架林區，該區域是三峽水庫的綠色屏障和水源涵養地，被譽為“華中水塔”“華中之肺”和“華中之腎”。筆者統籌考慮上下游、水域與陸域、保護與發展等重要關系，根據污染物多要素多維遷移轉化機制，利用 “空-地-水”一體化模型體系，建立針對香溪河流域“源-質”響應關系模型，研究不同污染源對流域水環境質量的貢獻，精準剖析香溪河流域水環境問題成因，以期助力該流域實現精準治污，并為我國流域水環境綜合治理提供技術參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

香溪河流域位于 110°25′E～111°00′E，30°38′N～31°34′N，干流全長 95 km，有高嵐河、古夫河和南陽河三大支流，途經興山縣(約78 km)至秩歸縣，是三峽庫區壩首的第一大支流（圖1）。2018年該區域土地利用類型以林地為主，面積占比為86.18%，草地和耕地占比分別為6.26%和5.62%，經濟林占比為1.21%。自三峽大壩蓄水以來，2013—2019年流域水質總氮（TN）的年平均濃度為1.65 mg/L，總磷（TP）年平均濃度為0.12 mg/L；夏季水體富營養化嚴重[25-26]，TN濃度高值為3 mg/L，TP濃度高值為0.2 mg/L，濃度季節性變化明顯。

圖1 香溪河流域范圍、土地利用類型及驗證斷面分布Fig.1 Scope and landuse type of Xiangxi River Basin and distribution of its verification sections

1.2 數據來源

研究數據主要包括中國科學院的30 m分辨率數字高程模型數據，中國科學院資源環境科學數據中心的2018年100 m×100 m土地利用遙感監測數據，中國科學院南京土壤研究所的土壤空間數據，中國氣象科學數據共享中心的逐日氣象數據以及宜昌市生態環境局提供的2019年監測斷面水質和污染源數據。

2 研究方法

2.1 污染源負荷核算

污染源根據排放方式分為點源和非點源。根據不同污染源類型、排污方式，分別確定相應的負荷核算模式。其中，該流域點源包括工業源、污水處理廠及規模化畜禽養殖，其負荷通過流量、濃度等相應排污信息計算得到；非點源包括未集中收集生活污水及農業源，其負荷通過單元負荷法計算得到，具體計算方法及參數詳見文獻[27]。

2.2 “源-質”響應關系模型構建

2.2.1 單元劃分

基于“空-地-水”一體化模型體系[7]，山區型香溪河流域“源-質”響應關系模型集成了一維河網水動力水質模型和陸地面源模型，其中陸地面源模型的模擬結果作為一維河網水動力水質模型的旁側入流條件，實現降雨徑流面源模型與主河道水動力水質模型的耦合計算[20-21]。該流域陸面單元共劃分為91個子流域（圖2），生成2 652個水文響應單元；河道匯流關系共劃分為5個主河段以及泗湘溪和長沙壩2個關鍵斷面（圖3）。

圖2 子流域劃分Fig.2 Sub-watershed division

圖3 河道匯流關系概化及關鍵斷面所在位置Fig.3 Generalization of river confluence relationship and location of key sections

2.2.2 模型參數敏感性分析

香溪河流域為我國富磷地區。為建立針對該流域的本土化自然數據庫，通過利用SPAW（Soil-Plant-Air-Water）軟件和三次樣條插值法進行土壤粒徑轉換[28-29]，再結合拉丁超立方（LH-OAT）方法開展參數敏感性分析，得到對徑流和氮磷要素遷移轉化過程影響較大的主要敏感參數取值，結果如表1所示。

表1 香溪河流域敏感參數取值Table 1 Value of sensitive parameters in Xiangxi River Basin

2.2.3 率定驗證

模型率定期為2011—2012年，驗證期為2019年，計算時間尺度為日尺度。其合理性通過流域的水文站逐日流量和水質監測站的實測水質數據進行檢驗[29-31]，結果如表2所示。各相關指標的確定性系數（R2）>0.71，Nash 效率系數（ENS）>0.60，相對誤差均在10%以內，表明模型能夠滿足香溪河流域開展“源-質”響應關系研究的要求。

表2 香溪河流域水文、水質率定驗證Table 2 Calibration and verification of hydrology and water quantity in Xiangxi River Basin

2.3 計算條件設置

基于污染源負荷核算，根據已構建的“源-質”響應關系模型，設置背景值、工業源、污水處理廠、畜禽養殖、生活源、農業源6種排放條件，建立2019年不同排放條件與流域斷面水質之間的響應關系，分析各類污染源排放對流域斷面水質的影響。

3 結果與分析

3.1 流域各污染源負荷核算

香溪河流域各污染源負荷核算結果如圖4所示。2019年，研究范圍內實現在線監控的工業企業有4家，主要排放污染物TP和TN負荷分別為8.05和10.33 t/a；生活污水處理廠為7座，分布于興山縣新城、榛子鄉、峽口鎮、南陽鎮、昭君鎮、水月寺鎮和黃糧鎮，TN和TP負荷分別為17.39和2.02 t/a；研究范圍內規模化畜禽養殖共有16家，畜禽養殖類型為生豬、肉牛、蛋雞，TN和TP負荷分別為370.97、54.45 t/a。農業源涉及玉米、水稻和柑橘等作物種植，總面積為51.21×107m2，農業種植污染源產生的TN和TP流失量分別為552.42和27.92 t/a；該區域常住人口約為21.41萬人，其中城鎮人口8.77萬人、農村人口12.64萬人，產生TN和TP負荷分別為544.40和38.75 t/a。總的來說，該流域污染負荷來源主要為規模化畜禽養殖和非點源污染。

圖4 香溪河流域各污染源負荷核算Fig.4 Load accounting of pollution sources in Xiangxi River Basin

3.2 流域污染負荷空間分布特征

香溪河流域單位面積TN、TP負荷輸出空間分布如圖5所示。由圖5可見，單位面積TN、TP負荷輸出最高的子流域主要為位于南陽水系的昭君鎮，分別為 12 970.24 和 522.07 kg/(km2·a)。對于 TN，高嵐水系周邊的榛子鄉、黃梁鎮、水月寺鎮單位面積負荷輸出也較高，為 550.05～2 893.89 kg/(km2·a)；對于TP，單位面積負荷輸出較高的子流域主要位于古夫水系與南陽水系交匯處及下游部分，涉及古夫鎮、黃梁鎮、昭君鎮和峽口鎮，負荷為13.94～98.84 kg/(km2·a)。香溪河流域內人類活動有明顯的沿河分布特征，其中耕地類型最為明顯；其次為建設用地，多分布于流域中部高嵐水系和香溪河干流處。一方面，受長期社會經濟發展影響，區域內有較多的工業企業、污水處理廠排放污染物；另一方面，基于小農生產的自給自足，碎片化農業大多聚集于農民生活區的輻射半徑內[32-33]。隨著退耕還林等環境保護措施的實施，雖然部分坡耕地替換為柑橘、茶園等經濟林地[34]，但是受區域本身自然環境條件限制[35]，且規模越小，單位農業用地化學品投入量越高，利用效率越低，進一步導致氮磷流失現象較嚴重[36]。

圖5 香溪河流域TN、TP污染負荷分布Fig.5 Distribution of TN and TP pollution load in Xiangxi River Basin

3.3 流域水環境對污染源的響應

面向香溪河流域泗湘溪、長沙壩斷面，根據已構建的“空-地-水”一體化模型，模擬5種排污條件對流域斷面水質變化的影響，結果如圖6所示。由圖6可見，不論是泗湘溪斷面還是長沙壩斷面，工業源、污水處理廠和畜禽養殖相比于背景值濃度變化較為明顯，全年負荷增加值最高。去除背景值影響，對于泗湘溪斷面，污水處理廠全年輸出TN、TP總量為193.28和 40.51 t/a，工業源為226.25和 31.69 t/a，畜禽養殖為187.75和29.82 t/a。對于長沙壩斷面，污水處理廠全年輸出TN、TP總量為376.31和48.97 t/a，工業源為295.30和39.91 t/a，畜禽養殖為128.09和41.61 t/a。一方面是因為鄉村人口數逐年減少，2018—2021年香溪河流域常住人口數從16.6萬人減少到15.3萬人，另一方面則是由于城市生活污水均由污水處理廠處理后排入河流。且隨著香溪河流域畜禽養殖數量及規模逐步擴大，畜禽養殖業污染對流域水質污染的貢獻日益突顯[37]。

圖6 2019年不同排污條件下泗湘溪、長沙壩斷面TN和TP逐日濃度變化Fig.6 Daily variations of TN and TP concentrations in Sixiangxi and Changshaba sections under different sewage discharge conditions in 2019

3.4 污染源對不同斷面TP和TN濃度的貢獻

不同污染源對泗湘溪斷面水質變化的貢獻率如表3所示。由表3可見，污水處理廠、工業源和畜禽養殖是影響香溪河流域水環境的3個主要污染源，其總貢獻率超過60%。對于泗湘溪斷面TN濃度和TP濃度，工業源貢獻率為29.20% 和20.11%，污水處理廠貢獻率為24.71%和25.97%，畜禽養殖貢獻率為23.95%和18.86%，生活源貢獻率為10.75%和14.95%，農業源貢獻率為11.39%和20.11%。對于長沙壩斷面TN濃度和TP濃度，工業源貢獻率為24.97%和20.44%，污水處理廠貢獻率為32.21%和20.11%，畜禽養殖貢獻率為22.33%和25.35%，生活源貢獻率為10.02%和16.26%，農業源貢獻率為10.47%和16.59%。除傳統工業源和污水處理廠直接入河的污染源外[38]，畜禽養殖作為目前影響TP、TN濃度的主要來源[39]，應該給予足夠的重視。

表3 各類污染源對斷面TN和TP濃度的貢獻率Table 3 Contribution rate of pollution sources to TN and TP in different sections %

4 討論

由于香溪河流域各區域社會經濟發展和自然條件差異明顯，流域污染負荷呈現明顯的空間差異性，不同污染源對香溪河水環境影響也呈現一定的差異性。

(1) 受人類活動影響，單位面積TP、TN高負荷輸出的子流域分布較為集中。單位面積TP負荷輸出較高的子流域主要位于古夫鎮、黃梁鎮、昭君鎮和峽口鎮；單位面積TN負荷較高的子流域主要集中于昭君鎮、榛子鄉、黃梁鎮、水月寺鎮，其中以昭君鎮最為突出。昭君鎮擁有較多生產化學品、食品添加劑的化工企業以及規模化畜禽養殖企業，其中生豬年存欄量超1萬頭，同時還有部分蛋雞養殖；黃梁鎮和峽口鎮受農業面源污染影響較大，一方面兩鎮農村人口較多，均超過1萬人，農村生活污水直排，且農村生活垃圾產生量大；另一方面兩鎮農業耕地面積廣，分別為31.48、30.23 km2，沿河坡度大于15°的耕地及園地種植面積占比約75%，高坡度種植進一步加劇了農業面源污染。其他位于高嵐水系周邊的榛子鄉、黃梁鎮、水月寺鎮等也存在類似問題，且現象普遍存在于三峽庫區諸多流域[40]。

(2)針對不同監測斷面水質TP、TN濃度，區域污染源對其貢獻有所差異，但污水處理廠、工業源和規模化畜禽養殖污染排放均是影響水質的主要原因。具體體現在：1）流域內沿河區域涉及磷化工生產的部分企業，污水處理設施處理率低，對雨污分流考慮不充分。2）城鎮污水處理廠早期鋪設的管網雨污混接，尤其在雨季或短時集中暴雨情況下，污水溢流現象嚴重，截污納管工程推進滯后。3）規模化養殖方面，流域內部分鄉鎮雖然已經要求規模戶與次規模化養殖戶全面實施欄圈改造，做到雨污分流，但很少考慮養殖過程中糞便沖刷帶來的污水直排問題，導致大量含高濃度氮磷污水直接進入環境。且部分居民集中點和零散住戶沿河分布，農村生活污水處理和生活垃圾處置基礎設施建設薄弱，沿河農村居民生活污水未經任何處理直接入河。除前期已確定的由于低山丘陵地貌帶來的坡耕地氮磷大量流失外[22]，污水處理廠、工業企業和畜禽養殖帶來的高負荷氮磷輸出對水質的影響也不可小覷。因地制宜，加強流域綜合治理、系統治理、源頭治理是當下解決該流域水環境問題的關鍵。

5 結論

從香溪河流域系統性和特殊性出發，應用“空-地-水”一體化模型體系，構建了香溪河流域“源-質”響應關系模型，以期 “精準把脈，精準施策”，著力破解影響水環境質量的癥結性問題。TP污染負荷較高區域為泗湘溪周邊及下游部分子流域，TN污染負荷較高區域為中游部分子流域，TP與TN最高負荷子流域單元均位于昭君鎮，負荷分別為522.07和12 970.24 kg/(km2·a)。其中污水處理廠、工業源和規模化畜禽養殖是影響香溪河水質TP和TN濃度的重要污染源。香溪河水環境問題主要是沿河磷化工企業排放負荷超標、畜禽養殖規模日益擴大、生活污染集中處理設施薄弱及坡地種植帶來的氮磷流失。因此，亟需推進以工業源、畜禽養殖和生活污染源為主的流域污染源綜合治理，同時加快農業面源污染全面防治，構建減排和增容相結合的污染控制模式，完善流域水生態環境空間管控，最終實現香溪河流域水環境、水資源與水生態良性循環發展。