北方小城鎮(zhèn)流域水污染的模擬研究

柳 婷

(五洲工程設(shè)計研究院，北京 100053)

1 概述

河流污染是指自然環(huán)境中的許多成分和工業(yè)廢棄物及農(nóng)藥、化肥等污染物，通過不同途徑，直接或間接的進入河流，致使河流水質(zhì)發(fā)生變化，使生態(tài)系統(tǒng)和水體的功能受到破壞的現(xiàn)象。根據(jù)進入河流的方式，可以把污染源分為點污染源和面污染源兩類。

2 我國北方小城鎮(zhèn)流域水污染現(xiàn)狀

根據(jù)《中國水資源公報》，2011年全國污水排放量達652.1億t，其中80%以上未經(jīng)處理的超標工業(yè)和城市生活污水直接排入河流，大部分排向農(nóng)村。為了提高糧食產(chǎn)量，近些年我國化肥使用量達到了世界化肥平均用量的2.5倍，它們以徑流、淋溶、反硝化、吸附和侵蝕等方式進入環(huán)境，而主要的接受體就是靠近村鎮(zhèn)地區(qū)的河流。再者我國北方地區(qū)處于干旱、半干旱地區(qū)，河流常年缺少徑流補給，流量小，自凈能力差，環(huán)境容量有限。

據(jù)中國環(huán)境狀況公報報道，在2011年七大水系的412個水質(zhì)監(jiān)測斷面中，長江、珠江水質(zhì)較好，遼河、淮河、黃河、松花江水質(zhì)較差，海河流域水質(zhì)最差。

3 研究方法

3.1 SWAT 模型介紹

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是由美國農(nóng)業(yè)部的農(nóng)業(yè)研究中心Jeff Arnold博士1994年開發(fā)的基于物理機制的分布式模型，采用日為時間步長，可進行長時間連續(xù)計算，水分運動、泥沙輸送、作物生長和營養(yǎng)成分循環(huán)等物理過程直接反映在模型中(見圖1)。

3.2 選取區(qū)域介紹及基本參數(shù)數(shù)據(jù)

研究區(qū)域選取在北京城區(qū)北郊某城鎮(zhèn)，流域面積403 km2，分布著大小河流7條總長28.3 km，地處平原與山地交接地帶，是北京主要的農(nóng)業(yè)區(qū)之一。本區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶园敫珊禋夂?，多年平均降雨?74 mm，雨量集中在6月～8月，降雨量443 mm。

SWAT模型計算需要:數(shù)字地圖、氣象、水文、水質(zhì)、土壤特性以及作物管理制度等數(shù)據(jù)，本次研究收集到數(shù)據(jù)的具體類型和來源見表1。

3.3 模型的率定和驗證

水文模型模擬特定流域的功能是通過校準和驗證來評價的。校準過程是逐步調(diào)整參數(shù)值使得計算輸出結(jié)果和實際數(shù)據(jù)相符，主要分四步:首先是水量過程，其次是泥沙部分，最后是營養(yǎng)物和殺蟲劑。

3.3.1 徑流部分

表1 SWAT模型的輸入數(shù)據(jù)

SWAT模型中河道徑流量來自兩部分:1)地下水的回歸流，即基流;2)地表徑流。

本次研究模擬了流域內(nèi)大東流水文站的地下水位變化，其中以2000年1月～2001年12月的月平均地下水水位校準，對2002年1月～2004年5月平均地下水水位驗證，驗證結(jié)果見圖2，除了在初始調(diào)查部分模擬值稍大于實測值外，當模擬進行到后期，兩者結(jié)果不管從數(shù)值還是趨勢上都吻合的較好。

模擬計算了兩種情況:1)1964年～2003年40年得出的平均徑流量近似為多年平均徑流量;2)選取最接近流域多年平均降雨量的水平年1987年計算得到的年平均徑流量近似為多年平均徑流量。兩種情況的相對誤差均在10%之內(nèi)(見表2)，與實際吻合較好。

表2年平均徑流量模擬與實際對比

3.3.2 水質(zhì)部分

SWAT模型中可以模擬多種污染物質(zhì)，包括氮的多種形式(硝酸態(tài)氮、亞硝酸態(tài)氮、氨氮、有機氮)、磷的多種形式(礦物磷、有機磷)、CBOD、重金屬等等。選取一處監(jiān)測點的模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相比，除總氮達到19.1%外，其余幾項指標均低于10%(見表3)，模擬效果可以接受。

表3 常規(guī)水質(zhì)指標模擬與實際對比

4 模擬流域污染物產(chǎn)出影響分析

4.1 污染物質(zhì)產(chǎn)出量與降雨量的關(guān)系

按照年降雨量將不同年份劃分為枯水年、平水年和豐水年。選取1990年～2003年中的相對枯水年、相對平水年和相對豐水年——2001年、2009年和1995年，利用調(diào)整好的模型計算了流域出口處年平均流量與污染物質(zhì)產(chǎn)出量的關(guān)系，結(jié)果見表4。

表4 不同水平年流域產(chǎn)出量結(jié)果

河道污染物質(zhì)的遷移產(chǎn)出量和流域的年降雨總量聯(lián)系緊密，并且隨著降雨量的增大而增大，增大的幅度和流域內(nèi)實際特點有關(guān)，而非呈線性關(guān)系。

4.2 河流污染的來源分析

研究流域內(nèi)的點源主要包括流域內(nèi)某鎮(zhèn)的污水處理廠，還有各個村莊居住地居民排出的生活污水，以明渠的形式集中排入鄰近的河流。當以現(xiàn)狀流量的100%，75%，50%，25%和0%進行排放時，1999年～2009年各項污染物負荷的變化情況見表5。

表5 1999年～2009年不同點源排放下流域污染物年平均產(chǎn)出量×103 kg

如表5所示，河流污染物中氮類污染物主要是硝態(tài)氮和氨氮，分別占總氮的42%和26%;磷類污染物主要是以吸附態(tài)存在的礦物磷，占總磷的84%。圖3中顯示，隨著點源排放量比例的減少，各類污染物質(zhì)的產(chǎn)出量呈明顯的線性變化，總氮和總磷的線性相關(guān)系數(shù)接近1，說明污染物質(zhì)從點源進入河流到流域出口這段距離中，自身降解以及被藻類物質(zhì)吸收的比例很小，河流自凈能力非常有限。

鑒于非點源污染發(fā)生的直接原因是降雨和徑流，發(fā)生的主要時間在夏季所處的汛期，因此本節(jié)模擬計算了不同水平年內(nèi)各個月份的徑流、泥沙和污染物產(chǎn)出量的變化。

圖4～圖6表示了1995年，2001年和2009年旱期與汛期的降雨、泥沙、徑流和污染物產(chǎn)出量對比。在降雨豐富的1995年，污染負荷隨降雨呈相同趨勢變化，汛期大于旱期。此時植被覆蓋率較低，小麥殘留營養(yǎng)物質(zhì)豐富，主要以面源污染為主;而在特枯水年2001年，由于汛期和旱期僅僅是一兩場降雨的差別，即使汛期降雨大于旱期，但年內(nèi)多數(shù)時間降雨量相當，各類污染物產(chǎn)出差別不大，只在8月較大降雨時才出現(xiàn)污染物產(chǎn)出大幅度增加，其他月份以點源污染為主。

5 結(jié)語

本次研究在總結(jié)了北方農(nóng)村地區(qū)河流污染現(xiàn)狀及特點后，利用分布式水文模型SWAT，對北京郊區(qū)的一個小城鎮(zhèn)流域進行了模擬計算，主要取得以下成果:

1)氮磷污染物與徑流和泥沙量呈正相關(guān)關(guān)系。流域內(nèi)污染物產(chǎn)出量的年際變化和年內(nèi)變化都很明顯，并且污染物量增加幅度遠大于降雨量的變化。

2)在降雨較小的較枯水年，點源排放占流域污染負荷的比例尤為明顯。非點源污染主要是大量化肥在汛期隨徑流進入河道，在相對豐水年降雨量較大的汛期的污染物輸出量明顯大于非汛期。

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