原標題：
小清河流域非點源汙染負荷與降水關係研究
摘要：
流域非點源汙染造成了嚴重的水環境問題,為準確核算典型流域非點源汙染負荷及為流域水環境治理提供支持和依據,以山東省小清河流域為研究區,採用SWAT模型及相關分析方法,研究了流域總氮(TN)、總磷(TP)營養物輸出負荷時空變化規律以及營養物輸出負荷與降水間的關係。結果表明:SWAT模型對小清河流域非點源汙染模擬具有較好的適用性。汛期(7—9月)營養物輸出負荷最高,佔全年比重的50%以上,而TN是其中主要非點源汙染物。TN、TP輸出負荷空間分佈相似,負荷較高的區域都主要集中在流域南部;該區域TN、TP輸出負荷分別在69.72～235.30kg/hm2和0.93～4.73 kg/hm2範圍內。不同的土地利用氮輸出負荷較高的依次為林地、耕地和草地,磷輸出負荷較高的依次為林地、草地和耕地。流域氮輸出強度與降水相關性強的區域主要集中在流域中上游,而磷輸出強度與降水相關性強的區域則主要集中在流域中游。
關鍵詞：
非點源汙染; 時空變化; 土地利用; 降水; 相關性; 水質評價;
作者簡介：
李碩(1994—),女,碩士研究生,主要從事環境科學與工程研究。E-mail:[email protected];
王紅旗(1960—),男,教授,博士研究生導師,博士,主要從事環境科學、地下水科學與工程研究。E-mail:[email protected];
基金項目：
國家水體汙染控制與治理科技重大專項“國家流域水環境管理大數據平臺關鍵技術研究”(2017ZX07302004);
引用：
李碩，王紅旗，王國強，等 . 小清河流域非點源汙染負荷與降水關係研究 .［J］. 水利水電技術，2020，51( 1) : 147-158.
LI Shuo，WANG Hongqi，WANG Guoqiang，et al. Study on relationship betweennon-point source pollution and precipitation in XiaoqingheRiver Watershed［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 1) : 147-158.
0 引言
隨著我國科學技術的發展以及環保意識的不斷加強,點源汙染因其固有的易於管理和控制的特性而得到一定控制。但若不解決非點源汙染所帶來的危害,水環境的安全問題就不能從根本上解決。從全球範圍來看,由汙染導致退化的12億hm2耕地中,農業非點源汙染所導致的耕地退化約佔12%。中國非點源汙染問題同樣嚴峻,目前已有63.3%的湖泊水體遭遇富營養化,其中50%以上的磷、氮負荷來自於農業非點源汙染。由此可見,非點源汙染已經成為國內外水環境汙染的重要汙染源。
絕大多數非點源汙染是通過降水產生的地面徑流進入水體的,從狹義角度來講,非點源汙染就是降雨徑流汙染。降雨過程中的雨滴濺擊和徑流沖刷以及搬運是營養物流失的基本動力,強降雨過程中雨滴和徑流的巨大能量不僅導致土壤侵蝕和泥沙養分結合態的大量流失,而且雨滴和徑流對地表的反覆衝擊使得土壤中大量可溶態養分隨徑流進入匯入河道,大大加劇了水體的汙染程度。雖然營養物輸出負荷不可避免受到地形、土地利用、土壤類型等因素影響,但無疑降水是其中最重要的驅動因子。分析其它因素對營養物輸出負荷的影響時,降水也是必不可少的輸入變量,因此降水是非點源汙染研究中不可缺少的關鍵因素。
在影響汙染物輸出負荷關係方面,諸多學者對此進行了研究。當前的研究內容主要集中在三個方面,一是分析不同降雨特徵與汙染物輸出的關係,如羅專溪等分析了川中丘陵區村鎮的汙染物及與降雨特徵(最大雨強、降雨量、徑流量、徑流時間、降雨時間)之間的相關關係;崔玉潔等分析對比了三峽水庫次級支流高蘭河流域不同雨型條件下(“尖瘦型”、“矮胖型”)磷素的濃度變化過程和貢獻率大小。二是分析不同地表覆蓋類型下,降水與汙染物輸出的關係,如程紅光等在不同降水條件下,對比分析了農田、城鎮、草地、灌木及森林等不同土地利用類型各子流域氮的入河系數的不同;馬東等基於在嶗山水庫流域種植的5種典型作物玉米、大豆、花生、紅薯和黃瓜徑流小區,對比分析強降水作用下不同作物類型產流中氨氮、硝氮和水溶性磷的事件平均濃度差異。三是分析不同地形特徵因素對汙染物輸出變化影響。如張乃明等採用模擬試驗方法,分析了坡度為6°、12°、18°、24°條件下,總磷濃度和輸出量的變化。當前大多數降水與汙染物輸出關係研究主要特點是基於實驗觀測,且研究的區域範圍相對較小,且主要探究不同單一變量(降水、土地類型)對汙染物輸出的影響規律。而在實際自然條件下,汙染物輸出是在不同降水條件、不同地表類型組合、不同地形特徵等綜合作用影響下的結果,因此在實際條件下,探究流域降水與氮磷輸出關係具有一定的重要意義。
本研究選取研究區範圍較大、空間異質性明顯的小清河流域作為研究區,分析總氮(TN)、總磷(TP)的時空分佈以及不同土地利用類型氮磷輸出負荷的差異,重點探究了多年實測降水條件下,研究區不同子流域相應氮磷輸出負荷相關性的不同,從不同子流域特性不同的角度來分析產生這種相關性差異的原因,以期為小清河流域非點源的汙染治理、土地管理和水資源保護提供科學依據。
1 研究區概況
小清河位於山東省,是黃河流域渤海水系中的一支,發源于山東省省會城市濟南市泉群,依次流經濟南市、淄博市、濱州市、東營市、濰坊市,最終於濰坊市壽光市羊口進入萊州灣 ,是山東省最主要的大型人工河流。小清河主幹流全長237 km,流域面積約10 336 km2,約佔全省總面積的6.7% 。流域內南部為山區丘陵地勢高,北部為山前沖積洪積扇和黃河沖積平原地勢低,因此小清河的支流幾乎全部分佈在幹流南側,幹流位於流域的最北部,其流向總體呈自西南向東北方向。小清河流域季節變化明顯,屬於溫帶季風氣候。主要表現為:夏季高溫降雨集中且多突發暴雨,冬季乾旱且乾旱期較長;流域內年降水量分配十分不均,夏季每年6—9月為汛期降水多,約佔總降水量的70%,10月—次年5月為旱期降水少,且南部山區降水多於北部降水,總體看來降水情況上游多於下游,南部多於北部。空間分佈上耕地主要分佈在北部平原區,林地和草地主要分佈在南部山區 。小清河水質汙染嚴重,截至2010年,17個監測斷面基本上都呈劣V類水質,且在流域汙染物氮磷排放總量中,來源於畜禽養殖和化肥使用等非點源汙染要佔絕大多數,而點源汙染則相對較小 。研究區小清河流域位置如圖1所示,水文、水質站點位置座標如表1所列。
圖1 小清河流域位置
表1 小清河主要站點位置
2 數據和方法
2.1 數據來源與處理
本研究採用的DEM數據來源於地理空間數據雲(http://www.gscloud.cn/),空間分辨率為30 m;土地利用數據(2005年)和土壤數據來源於中國科學院資源環境科學數據中心,數據類型分別為1 ∶10萬柵格數據、1 ∶100萬矢量數據集;採用的氣象數據來源於中國氣象數據網(http://data.cma.cn/),選取惠民、濟南、墾利、泰山、濰坊、沂源共6個氣象站2004—2016年的降水、最高/最低氣溫、相對溼度、風速、日照時數等日尺度氣象要素信息。流量資料、水質監測數據以及點源排放數據均來源於山東省環境規劃設計院,其中流量數據時間尺度為2006—2015年,水質監測數據包括2013、2014和2016年,點源排放數據為2010—2016年年統計值,由於水質和水量時段不統一,故將兩者分開模擬,流量模擬時段為2006—2015,水質模擬時間為2013、2014和2016年。流域的人口、畜禽養殖、化肥施用等產生的非點源汙染通過山東省各市區發佈的統計年鑑折算得到。
由於研究區大部分區域為平原區,而在地形平坦區域直接採用D8算法生成的水系可能與實際河流形狀、長度有所差別,為了減少這種誤差,導入流域實際數字水系圖加以修正。基於小清河流域30 m分辨率DEM,通過設置集水區閾值,進行子流域的劃分,最終將流域劃分為53個子流域。
為了使得土地利用數據滿足SWAT模型的需要,將研究區土地利用類型進行合併和編碼。基於中國土壤數據庫,查詢和計算研究區內各類土壤的相關屬性參數,並寫入SWAT模型的土壤數據庫中。根據研究區的土地利用、土壤類型及坡度範圍,最終將研究區劃分為888個水文響應單元。
由於研究區點源排放點較多,直接輸入到模型裡會出現一些問題,所以在實際處理中,將位於同一子流域的排放點統一折合成該流域河流中心處一個排放點。農村生活汙水、農業化肥及畜禽養殖所產生的非點源汙染量則採用折算方法 。具體數據信息如表2所列。
表2 SWAT模型構建數據信息
2.2 研究方法
本研究採用SWAT模型,基於決定係數和納什效率係數以及相對誤差評估因子,在月時間尺度上,構建適用於小清河流域非點源汙染模型,對小清河流域不同子流域空間尺度上氮磷輸出負荷進行模擬研究。
2.2.1 SWAT模型模擬
SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是由美國農業部農業研究中心(USDA-ARS)開發的半分佈式流域水文模型 。SWAT模型具有很強的物理基礎,適用於具有不同土壤、土地利用方式和管理條件下的複雜流域,可預測長期土地管理對水、泥沙和農業汙染物的影響 。該模型自20世紀90年代開發以來,經歷了不斷的擴展和完善,目前已在流域水量平衡、長期地表徑流以及日平均徑流模擬等方面得到了廣泛的應用;農業非點源汙染、泥沙產量、農藥輸移等方面研究得到了大量的應用。
SWAT模型能夠對流域內多種形式的氮和磷的遷移和轉換進行模擬。在土壤中,氮可以分為有機氮、作物氮和硝酸鹽氮三種化學狀態,氮的生物固定、有機氮向無機氮的轉化以及溶解性氮隨側向壤中流的遷移等過程是由氮循環來控制的;同理,土壤中的有機磷、不可溶解的無機磷以及植物可用的土壤溶液中的磷之間的轉化則是由磷循環來控制的 。與氮的性質不同,磷的在環境中的溶解性是有限的,且溶解的磷容易被土壤膠粒吸附,形成比較穩定的物質 。這些特徵使得磷易吸附到土壤表面,隨地表徑流遷移。營養物的具體遷移過程可參考文獻等。
2.2.2 評估因子
為了評估模型的模擬效果,選用納什效率係數ENS、決定係數R2和相對誤差Re對模型進行適應性評價。
n為實測時間序列的長度;R 為決定係數表徵模擬值和實測值之間的吻合程度,R 越接近於1,表示兩者相關程度越高,模擬效果越好;E 為納什效率係數,表徵實測值和模擬值的擬合程度,E 越接近於1,表示模擬值越接近實測值;R 為相對誤差,用來衡量模擬值對實測值的偏離程度,Re越小,兩者的偏離程度越小。
3 結果與分析
3.1 模型校準和驗證
為降低模型初始土壤含水量對模擬結果的影響,本研究以2004—2005年為預熱期,2006—2012為率定期,2013—2015年為驗證期對徑流參數進行校正。選用馬尚和岔河水文站進行流域水文參數的校正,選取率定的與水文有關參數的初始範圍和最終範圍如表3所列。
表3 選取水文參數的初始值和最終值
馬尚站率定期的納什效率係數ENS、判定係數R2和相對誤差Re分別為0.55、0.56、10.03%,驗證期的ENS、R2和Re分別為0.85、0.75和18.32%;而岔河站的模擬效果相對於馬尚站要好,率定期ENS、R2和Re分別為0.68、0.67和-13.80%,驗證期E 、R 和R 則分別為0.82、0.70和-0.73%,各站點實測值與模擬值擬合結果和水文參數校驗效果可分別見圖2、圖3和表4。當水文模型以月尺度進行徑流和水質的模擬時,MORIASI等認為ENS和R2均大於0.5即認為是可以接受的;對於Re,徑流在±15%
圖2 馬尚站模擬值和實測值擬合結果
圖3 岔河站模擬值和實測值擬合結果
表4 小清河流域月徑流模擬效果
基於小清河徑流模擬效果,可認為辛豐莊和羊口水質監測斷面實際流量與模型模擬結果滿足一定的精度要求。在此基礎上,進行流域水質參數的校正,其中主要針對總氮(TN)、總磷(TP)相關參數進行校準。新豐莊和羊口水質監測斷面的TN、TP模擬效果分別如圖4、圖5和圖6、圖7所示,具體的評價效果(ENS、R2和RE)如表6所列。總體上可認為水質模擬效果滿足MORIASI等 提出的月水質模擬效果的接受範圍,可進行研究區水質方面的分析,選取率定的與水質參數的初始範圍和最終範圍如表5所列。
圖4 辛豐莊總氮模擬值和實測值擬合結果
圖5 辛豐莊總磷模擬值和實測值擬合結果
圖6 羊口站總氮模擬值和實測值擬合結果
圖7 羊口站總磷模擬值和實測值擬合結果
表5 選取的水質參數初始值和最終值
表6 小清河流域氮磷模擬效果
3.2 氮磷流失隨時間變化規律分析
基於構建的SWAT模型對小清河流域2013—2016年TN和TP進行模擬,模擬得到的各年輸出結果如表7所列。由表7可知,小清河流域TN在2013、2014和2016年輸出量分別為22 762 t、23 046 t和26 791 t,TP輸出分別為465 t、590 t和614 t。TN和TP多年平均輸出量分別為24 200 t和557 t,TN輸出量要遠遠大於TP,表明研究區TN造成的非點源汙染較為嚴重。
表7 小清河流域非點源汙染多年平均輸出量
TN和TP汙染物多年平均逐月輸出量和輸出佔比可分別如圖8所示和表8所列。由圖8可知,小清河流域TN、TP輸出量年內變化趨勢一致,呈現出“中間高,兩頭低”的形狀變化;8月營養物輸出量達到最大,TN和TP輸出佔比分別為26.91%和29.54%。從汙染物年內變化總體來看,汙染物7—9月輸出量佔比最高,TN和TP汙染物輸出量佔比分別為54.62%和53.51%,佔全年總輸出的一半以上。
圖8 小清河流域總氮和總磷輸出多年平均年內變化
表8 小清河流域汙染物多年平均逐月輸出量佔比
3.3 氮磷流失負荷空間分佈
小清河流域2013、2014和2016年年均TN、TP輸出負荷空間分佈如圖9所示。由圖9可知,流域TN輸出負荷高的區域主要位於流域南部的46和50號子流域,單位面積輸出負荷為69.72～235.3 kg/hm2;次高輸出負荷區域位於流域南部28、42、45、53子流域和西南部的47、48、49號子流域,單位輸出負荷為69.72～142 kg/hm2。TP輸出負荷空間分佈除部分區域汙染負荷等級與TN有些微差別外,總體分佈與TN相似,負荷最高的是46和50子流域,輸出負荷在3.41～4.73 kg/hm2範圍內,次高區域為流域南部為42、49號子流域,輸出負荷在1.54～3.41 kg/hm2。綜合來看,TN、TP負荷較高區域主要集中在干支流上游部分區域,也就是地形較高的山區以及位於流域上游的濟南主城區。氮磷輸出負荷的空間分佈變化可能與土地利用的方式有關。
圖9 總氮和總磷負荷空間分佈
研究區的主要土地利用類型如圖10所示,將相似的土地利用合併統計,統計結果如表9所列。由表9可知,研究區主要的土地利用類型為耕地,其次為草地和林地。從不同土地利用營養物輸出強度來看,單位面積TN輸出負荷最高的是林地,輸出強度為244.13 kg/hm2,其次為耕地、草地和沼澤,輸出強度依次為187.4 kg/hm2、48.5 kg/hm2和40.6 kg/hm2;TP輸出負荷最高的也為林地,輸出強度為4.892 kg/hm2,其次為草地、耕地和沼澤。從不同土地利用輸出量來看,TN輸出量最大的是耕地,達148 151.04 t/a,其次為林地和草地。研究區耕地面積佔絕大多數,而農業生產施用的化肥、農藥使得耕地總氮輸出量較大。而TP輸出量高的分別是林地、耕地和林地,分別為544.71 t/a、409.49 t/a、11.02 t/a。
圖10 研究區土地利用分佈
表9 不同土地利用類型總氮總磷輸出負荷
流域不同區域的營養物輸出負荷受多種因素所影響,如氣候、水文、地形、土壤、土地利用和土地管理的方式 。降水作為其中重要的驅動力因子之一,具有時空分佈不均及不確定性等特點。營養物輸出負荷高的區域很可能是強降雨作用下的結果,這意味著有些區域雖然自身營養物背景值低,但在強降水的沖刷下,實際上輸出負荷會很高。
小清河流域南部山區主要分佈在歷城區、博山區、沂源縣境內及周邊,該部分區域處於魯中南低山丘陵區,而魯中南為山東省地勢最高、地形最複雜的中山丘陵區,坡度大,溝谷眾多,沖蝕切割強烈,是山東省水土流失最嚴重的地區 。南部山區主要土壤類型為棕壤、褐土和粗骨土,棕壤、褐土土壤土層較薄、質地鬆散、礫石較多,保土保水性差,而粗骨土質地礫質性強,結構性差,根系少,疏鬆多孔,使得該區域極易發生水土流失 。根據《山東省水土保持規劃(2016—2030年)》,魯中南低山丘陵區為山東省4個水土保持分區之一 。另一方面,濟南南部山區、沂源縣以及博山區分別作為國家重點工程和省級重點治理工程及市級治理項目進行水土流失方面的重點治理 。植被類型主要以針葉林為主,其中主要由松林和側柏組成,闊葉林分佈面積較少,樹種結構單一,林相簡單,且缺乏林下草類和枯枝落葉層,導致水土保持功能低下 。流域南部山區降水量也相較其他區域更大,在降水、地形、植被覆蓋等因素作用下使得該區域營養物輸出負荷較其他區域更高。
3.4 氮磷流失負荷與降水的關係
為進一步探究小清河流域各區域氮磷輸出負荷變化與降水的關係,對研究區模擬期內各子流域TN、TP輸出負荷與降水量進行相關分析。各子流域TN、TP輸出強度與降水決定係數空間分佈如圖11所示。
圖11 各子流域總氮和總磷輸出負荷與降水決定係數空間分佈
總體上看,降水作為營養物輸出的驅動因子,氮磷營養物輸出負荷均與降水呈正相關。非點源氮輸出負荷與降水相關性強的區域主要集中在流域中上游,其中相關性最高的區域位於南部山區的45、46、48、50號子流域、流域中部的31、32、36、38、41、53號子流域,決定係數在0.96～0.99範圍內,表明該範圍內營養物的流失絕大部分是由於降水引起的。各子流域TP輸出強度與降水相關性空間分佈與TN有部分差別,如9、21、22、25和52號子流域TP輸出強度與降水的關係要明顯強於TN輸出強度與降水的關係,而在34、35和44則相對較弱。氮磷與降水決定係數高的區域均主要分佈在坡度較高的南部山區,而在南部山區粗骨土分佈的區域決定係數更高。可能與粗骨土的物理性質有關,由於粗骨土大部分為分化的碎屑顆粒,本身通氣和透水性都很好,導致保水保肥能力很差 ,因而在降水的沖刷下,極易發生淋溶作用而隨徑流損失。同時研究表明,坡度是影響侵蝕的重要因子,坡度越大,相應的侵蝕量也越大 ,而磷容易吸附到泥沙顆粒上,隨泥沙遷移,導致這部分區域氮磷與降水的決定係數均較高。而氮磷與降水決定係數在34、35、44和9、21、22、25和52號子流域分佈不同的原因可能與地形以及氮磷本身的物理性質的不同有關。該區域屬於山前平原區,屬於地形平坦的農業種植區,而農業生產施用的磷肥進入土壤後,較難溶解,且溶解的磷容易被土壤膠粒吸附,形成比較穩定的物質,在土壤中不易被釋放和移動,而氮素易被淋洗而被徑流攜帶流失 。所以使得該部分區域氮磷輸出負荷與降水的決定係數有一定的差異。
決定係數高的區域,營養物的輸出與降水的大小密切相關;降水量大以及強降水都會引起營養物的大量流失,如果該區域自身營養物含量高,則會造成更加嚴重的非點源汙染。因此營養物與降水相關性強的區域一定要加強管理,特別是農業區要嚴格控制化肥的施用量,合理施肥;林區則應對坡度較大的區域建立植草型溝渠,以喬、灌、草相結合的方式進行水土保持,減緩流速,削減徑流量。
4 結 論
本研究主要結論如下:
(1)運用SWAT模型對小清河流域水量和氮磷非點源汙染遷移規律研究表明,SWAT模型適用於該流域非點源汙染模擬。
(2)TN是研究區主要的非點源汙染物,7—9月份TN和TP輸出佔年輸出總量的百分比分別為54.62%和53.51%。
(3)研究區氮磷負荷高的區域主要集中在流域南部山區地帶,TN輸出強度最高的土地利用類型是林地,其次是林地、草地; TP輸出強度最高土地利用類型是林地、草地和耕地;TN輸出貢獻最大的是耕地,佔總輸出的79.5%,是研究區主要的汙染來源;TP輸出貢獻最大的是林地,佔總輸出的56.3%。
(4)氮輸出強度與降水相關性強的區域集中在流域中上游,決定係數在0.92～0.99;磷輸出強度與降水相關性強的區域集中在流域中部,決定係數在0.79～0.99之間。流域降水量增多會使得汙染物流失增加。
本研究分析了小清河流域氮磷流失時空分佈規律及氮磷流失負荷與降水的關係,主要分析了流域氮磷輸出負荷在降雨驅動下,地形、地貌、土壤地質、植被、氣象因素的對營養物輸出的綜合影響,後續研究應進一步定量分析這些因素分別對營養物輸出負荷的影響,以及空間差異性的不同,明確影響不同區域營養物輸出主導因子和控制因素,為小清河流域水汙染控制和治理提供科學指導。
水利水電技術
水利部《水利水電技術》雜誌是中國水利水電行業的綜合性技術期刊（月刊），為全國中文核心期刊，面向國內外公開發行。本刊以介紹我國水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護，以及水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和科學研究等方面的技術經驗為主，同時也報道國外的先進技術。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建築、工程施工、工程基礎、水力學、機電技術、泥沙研究、水環境與水生態、運行管理、試驗研究、工程地質、金屬結構、水利經濟、水利規劃、防汛抗旱、建設管理、新能源、城市水利、農村水利、水土保持、水庫移民、水利現代化、國際水利等。
