水庫流域氮磷排放與入庫量評估研究

高志勤

（溧陽市沙河水庫管理處，江蘇 常州 213333）

沙河水庫是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合旅游、供水、養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）水庫，庫容1.09 億m3，集水面積148.5 km2。沙河水庫位于江蘇省溧陽市南部丘陵山區(qū)，是中國水庫旅游開發(fā)比較成功的范例，現(xiàn)為國家AAAAA 級景區(qū)、江蘇省省級旅游度假區(qū)、國家級水利風(fēng)景區(qū)，自1992年成立江蘇省天目湖旅游度假區(qū)以來，隨著旅游業(yè)、農(nóng)業(yè)的高速開發(fā)建設(shè)，沙河水庫水質(zhì)受到了嚴(yán)重影響，尤其是氮、磷污染突出，水質(zhì)已由Ⅱ類降為Ⅲ類水，對溧陽市50萬人口的飲水安全造成了影響。由于缺乏流域?qū)用娴恼{(diào)查研究，沙河水庫水體的氮、磷究竟從何而來，各污染來源中氮磷所占的比重如何，仍未可知。這對于指導(dǎo)沙河水庫水質(zhì)治理工作到底應(yīng)從何處入手，以何為重心，如何實(shí)現(xiàn)飲用水源地的長治久安十分重要。為此，沙河水庫管理處聯(lián)合中科院地理湖泊研究所對沙河水庫流域氮磷排放與入庫量進(jìn)行了評估研究。

1 流域氮磷排放與入庫量評估方法

流域氮磷排放一般包括工業(yè)點(diǎn)源、生活污水、農(nóng)業(yè)面源、畜禽養(yǎng)殖排放等，考慮到沙河水庫流域?yàn)轱嬘盟吹兀瑳]有大型污染企業(yè)分布，中小工業(yè)企業(yè)也都搬遷到天目湖工業(yè)集中區(qū)（在水庫流域外），且畜禽養(yǎng)殖的糞便一般作為有機(jī)肥進(jìn)入了農(nóng)田，故本項(xiàng)評估將流域的氮磷排放界定為不同用地類型面源污染和生活污水排放兩個(gè)部分，未考慮單獨(dú)工業(yè)點(diǎn)源排放和畜禽養(yǎng)殖的直接排放。由于排放量不等于入庫量，因此，本項(xiàng)評估還對流域氮磷污染物排放量和入庫量進(jìn)行了區(qū)分。

1.1 評估模型

本項(xiàng)評估采用中科院地理湖泊研究所研發(fā)的流域營養(yǎng)鹽產(chǎn)出與輸移模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于單元格網(wǎng)的流域分布式模型思路，模型包括降雨徑流過程、污染物排放過程、污染物輸移過程等。其中，降雨徑流過程包括潛在蒸發(fā)量、土壤水平衡、地下水平衡等計(jì)算。

1.2 模型驗(yàn)證

模型運(yùn)行需要流域土地利用、土壤、氣象、社會經(jīng)濟(jì)、水文與水質(zhì)監(jiān)測等眾多數(shù)據(jù)。本項(xiàng)評估土地利用采用航空拍攝的0.5 m 分辨率圖像解譯獲取，土壤理化性質(zhì)分布采用溧陽市的土壤普查資料，氣象數(shù)據(jù)采用溧陽氣象站近10年數(shù)據(jù)，人口密度基于高精度土地利用數(shù)據(jù)（1∶5000）和人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間離散。并采用水庫蓄水與放水平衡數(shù)據(jù)計(jì)算出各年流域徑流深，對模型徑流模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。不同土地利用類型地表徑流和基流TN、TP 濃度參數(shù)采用本項(xiàng)目實(shí)施過程中獲取的小流域洪水與枯水監(jiān)測結(jié)果，并結(jié)合本區(qū)域或類似地區(qū)的研究成果。人口生活污水中氮、磷向河流的排放量采用城鎮(zhèn)和農(nóng)村上下游控制性斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)來確定。

圖1 2000～2009年沙河水庫流域徑流深與實(shí)測值模擬比較

模型對水文及氮磷污染排放的模擬均通過實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，圖1 為沙河水庫實(shí)測徑流深與模擬徑流深的比較?？梢钥闯觯M結(jié)果與實(shí)測吻合良好，進(jìn)一步對誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示，各年徑流深誤差平均為11.8%，最大不超過20%，證實(shí)本項(xiàng)評估所采用的徑流計(jì)算方法能夠很好地描述沙河流域的降水-徑流過程。

圖2 為流域監(jiān)測點(diǎn)總氮（TN）、總磷（TP）實(shí)測值與模擬值的比較散點(diǎn)圖，各點(diǎn)均沿45°線分布，說明模擬值和實(shí)測值較為吻合。圖中結(jié)果顯示，除了個(gè)別監(jiān)測站點(diǎn)有一定差別外，多數(shù)監(jiān)測站點(diǎn)實(shí)測值與監(jiān)測值較好吻合，證實(shí)該模型對氮、磷營養(yǎng)鹽有較強(qiáng)的模擬能力，參數(shù)率定后能夠很好地模擬沙河水庫流域氮磷的排放、輸送與入庫過程。

圖2 TN、TP 實(shí)測值與模擬值比較（2008～2009年度）

2 流域面源氮、磷排放強(qiáng)度及其分布

2.1 不同用地類型氮磷排放強(qiáng)度

流域不同土地利用類型氮、磷營養(yǎng)鹽輸出主要指面源氮、磷的輸出，包括：林地自然本底輸出，茶園和耕地的農(nóng)業(yè)面源輸出，城鎮(zhèn)和農(nóng)村建筑用地的暴雨徑流氮、磷輸出等。不同土地利用類型因地表人類活動強(qiáng)度不同、土壤理化性質(zhì)差異，對氮、磷輸出強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響?；?009年土地利用對2008年10 月至2009年9 月共計(jì)12 個(gè)月的累積輸出量模擬結(jié)果顯示（圖略），不同土地利用類型的總氮、總磷輸出強(qiáng)度均有較大差異，總氮變化幅度可達(dá)235～4390 kg/km2，總磷變化幅度可達(dá)12～96 kg/km2。從空間分布來看，氮輸出強(qiáng)度較高的地區(qū)集中分布于農(nóng)田分布較為集中的流域中部、茶園及城鎮(zhèn)用地較多的西部臨湖岸坡，磷輸出分布同氮輸出稍有不同，但分布模式基本一致。

對全流域不同土地利用類型氮、磷單位面積輸出量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖3。茶園和耕地的總氮輸出量最高，尤其是茶園分布于坡地，而且施肥量大，導(dǎo)致氮的大量流失；其次是建筑用地和裸地，主要因?yàn)樾⌒统擎?zhèn)綠化面積比例小、地表產(chǎn)流量大造成沖刷強(qiáng)度大，同時(shí)，農(nóng)村居民點(diǎn)氮含量高的地表散落物較多也是造成這兩類土地利用類型氮輸出較高的原因；草地和退耕地氮輸出量較少，約為耕地輸出量的一半；氮輸出量最少的為林地和湖濱濕地。土地利用與磷輸出強(qiáng)度關(guān)系與氮輸出不同，總磷輸出強(qiáng)度最大的為建筑用地、裸地和茶園，主要因?yàn)榱纵敵鲆灶w粒態(tài)為主，與地表沖刷強(qiáng)度密切相關(guān)，建筑用地和裸地透水能力較弱，地表產(chǎn)流量大，導(dǎo)致地表沖刷強(qiáng)度大，而茶園處于坡地，地表覆蓋率較低，水土流失嚴(yán)重導(dǎo)致磷輸出量較大；其次是耕地，主要受施肥和地表覆蓋度較小影響；草地和退耕地磷輸出量較少；輸出最少的是林地和湖灘濕地。由此可見，保護(hù)水源地的林地和湖灘濕地對減少氮、磷營養(yǎng)鹽污染具有重要意義。

2.2 流域面源氮、磷排放量及各月差異

通過對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，沙河水庫流域面源氮、磷排放量分別為228.79 t/年和5.66 t/年。由于受降雨強(qiáng)度、降雨量、農(nóng)田管理、下墊面條件等影響，面源氮磷排放呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異?？偟屡欧帕勘憩F(xiàn)為雙峰，集中分布于春季2～4 月和夏季6～8 月，兩個(gè)時(shí)間段氮排放量占全年的85.6%，其中，前者約占39.6%，后者約占46.0%。春季2～4 月氮排放量較大主要和施肥有關(guān)，此外也和雨季初期氮相對產(chǎn)出量較大有關(guān)?？偭着欧鸥髟路植急M管也表現(xiàn)出雙峰，但磷輸出以顆粒態(tài)為主，在夏季強(qiáng)降雨時(shí)期輸出量更大。磷在春季2～4 月和夏季6～8 月排放總量占全年的86.2%，其中，前者占26.4%，后者占59.9%。各月氮磷輸出量如表1 所示。

3 流域人口分布及其氮、磷排放強(qiáng)度

3.1 流域人口空間分布

沙河水庫流域范圍行政上分屬江蘇（81%的流域面積）和安徽（19%的流域面積），江蘇部分轄原平橋鄉(xiāng)11 村、1 個(gè)居委會以及天目湖鎮(zhèn)所屬的桂林、三勝、中西三個(gè)村，總?cè)丝跒?.72萬人（27214 人），其中，城鎮(zhèn)人口2882 人，農(nóng)村人口24332 人；安徽省流域內(nèi)總?cè)丝跀?shù)為9700 人。為進(jìn)一步獲取人口的詳細(xì)分布信息，把沙河水庫流域劃分為平橋河、下宋河、中田舍河、臨庫西岸、臨庫東岸等5 個(gè)子流域，采用0.5 m 分辨率航拍數(shù)據(jù)建立居住面積與人口數(shù)的關(guān)系，反演出人口的分布圖（圖略）。對人口分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，全流域3.7萬人口主要集中分布于流域中部和臨湖西岸，各分區(qū)中以平橋河流域、臨湖西岸和中田河流域分布較多，其它地區(qū)人口分布相對較少。

圖3 不同土地利用類型氮、磷輸出強(qiáng)度

表1 不同月份沙河水庫流域面源氮、磷排放量

3.2 城鎮(zhèn)人口氮、磷排放強(qiáng)度與分布

基于原平橋鄉(xiāng)、廟西村等村鎮(zhèn)上下游控制性斷面監(jiān)測結(jié)果和實(shí)地調(diào)查，2009年城鎮(zhèn)人口總氮排放量為2.52 kg/（年·人）、總磷為0.27 kg/（年·人）；農(nóng)村人口總氮排放量為1.74kg/（年·人）、總磷為0.18 kg/（年·人）。由此可以計(jì)算，沙河全流域人口排放總氮為62.79 t，總磷為6.64 t，分區(qū)上以平橋河流域最多，其次為臨庫西岸和下宋河流域，各分區(qū)排放量見表2。由于不是所有的農(nóng)村和城鎮(zhèn)均分布在河邊，尤其是距河較遠(yuǎn)的農(nóng)村居民點(diǎn)排放到水體的量遠(yuǎn)小于河流附近的農(nóng)村和城鎮(zhèn)，故采用參數(shù)優(yōu)化的計(jì)算方法，對所有監(jiān)測流域人口TN、TP 向河流的排放系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出人口TN 排放入河系數(shù)為0.6，TP 排放入河系數(shù)為0.4。由此可得出：人口排放的總氮有37.67 t 進(jìn)入河流，排放的總磷有26.58 t 進(jìn)入河流。

4 河流氮磷輸送的滯留損失與入庫量

氮、磷在河庫系統(tǒng)輸移過程中的滯留損失反映了水系與水庫去除污染物的自然凈化能力，其機(jī)理涉及復(fù)雜的物理、化學(xué)及生物作用。對于氮來說，相當(dāng)大一部分損失是由水體及沉積物通過反硝化作用去除，也有部分為生物所吸收；對磷來說，由于磷輸移以顆粒態(tài)為主，大部分損失主要是受流速減慢或濕地表面粗糙度增加造成沉降而削減，也有一部分被生物所吸收。水庫水系對氮、磷的凈化是生態(tài)功能的重要體現(xiàn)，凈化能力與流域面積或流經(jīng)時(shí)間、流速與流量、水庫生物與底質(zhì)條件等有關(guān)，一般水庫漫灘及庫周濕地發(fā)育的地區(qū)對氮、磷有較強(qiáng)的濾減能力。

通過物質(zhì)平衡模型分析獲取的各子流域的濾減系數(shù)分布（圖略），可以看出，上游地區(qū)、中田河中游、沙河水庫庫尾與上游流域的過渡地帶對氮、磷具有更強(qiáng)的濾減能力，主要與上游地區(qū)植被覆蓋度高、生態(tài)溝谷發(fā)育、中田河漫灘濕地發(fā)育、庫尾與流域過渡地區(qū)濕地發(fā)育等因素有關(guān)。因此，保護(hù)水庫系統(tǒng)自然濕地、維持水庫氮磷凈化功能對水質(zhì)保護(hù)具有重要意義。對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，沙河水庫流域總氮、總磷入庫量分別為214.65 t/年和3.54 t/年，其中，平橋河流域、下宋河流域、中田河流域?qū)嶋H總氮入庫量分別為69.90 t/年、18.18 t/年和45.72 t/年；總磷入庫量分別為0.79 t/年、0.32 t/年和0.33 t/年。臨庫岸總氮入庫量為80.85 t/年，總磷入庫量為2.09 t/年。從排放量和入庫量表3、圖4。

表2 沙河流域人口分布及氮、磷排放量

5 結(jié)論

通過模型計(jì)算表明，沙河水庫流域輸入到河流的TN 為266.46 t/年，其中，面源污染228.79 t，居民排放污染37.67 t，由于河流的自凈作用，最終通過河流進(jìn)入沙河水庫的總氮為214.65 t/年。對氮的貢獻(xiàn)而言，茶園和耕地面源污染是最主要的，因此，削減流域氮污染，首先要控制好茶園和耕地的氮排放，尤其是要加強(qiáng)春季施肥管理。

沙河水庫流域產(chǎn)生進(jìn)入到河流的總磷為8.32 t/年，其中，面源污染產(chǎn)生的比較可以看出，河流系統(tǒng)對總磷比總氮有更強(qiáng)的凈化能力，中田河比平橋河、下宋河對氮、磷有更強(qiáng)的凈化能力，而臨庫面對氮、磷的凈化能力最弱。沙河水庫流域氮磷排放量與入庫量以及沙河水庫各子流域氮、磷的年入庫量模型評估計(jì)算成果分別見5.66 t，居民排放污染產(chǎn)生2.66 t。河流對磷的自凈能力比氮大，最終通過河流排放到水庫的總磷為3.54 t/年，河流的截留率為57%。

表3 沙河水庫流域氮磷排放量與入庫量(kg)

圖4 沙河水庫各子流域氮、磷的年入庫量（kg）

臨庫西岸由于茶園開發(fā)力度大，加上雨水匯流入庫的流程短，對沙河水庫的營養(yǎng)鹽貢獻(xiàn)尤其大。