基于SPARROW模型的大凌河磷素滯留特性研究

劉 峰

（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121000）

基于SPARROW模型的大凌河磷素滯留特性研究

劉 峰

（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121000）

為了對大凌河的污染控制與生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，本文基于SPARROW模型研究了該流域的磷素滯留特性。將模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較，證明了SPARROW模型在該應(yīng)用中的適用性；提取模擬結(jié)果中多個(gè)斷面的磷素濃度時(shí)間序列，量化了大凌河磷素濃度的時(shí)間與空間分布特征；采用物質(zhì)平衡法計(jì)算了各個(gè)主要河段的磷素滯留率，并對其演變與分布規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。此外，分析了大凌河磷素滯留特性的主要影響因素，并對其相對重要性進(jìn)行了排序。

SPARROW模型；大凌河；磷素；滯留特性

磷素是水生系統(tǒng)中的主要生源要素與養(yǎng)分之一，也是河流水質(zhì)分析中的重要污染指標(biāo)［1］，它可分為溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷兩種，前者包括正磷酸鹽和無機(jī)聚合磷等，而后者主要包括礦物質(zhì)磷。水生系統(tǒng)中的磷素主要有兩類來源，一類為自然來源，例如大氣沉降和河岸侵蝕等；另一類為人為來源，例如農(nóng)藥噴灑以及廢物排放等［2］。目前，我國對河道中磷素的研究主要集中于治理方案的制定［3］，磷素濃度的監(jiān)測與測定、從而評測水體的水質(zhì)等級；磷素的運(yùn)移與循環(huán)研究對于河道生態(tài)乃至水利的生態(tài)文明建設(shè)都具有十分重要的意義，但我國目前在這方面的研究則相對較少。由于生系統(tǒng)中磷素的形態(tài)來源、運(yùn)移機(jī)制以及影響過程等都很復(fù)雜［4］，傳統(tǒng)的模擬方法都對分析過程進(jìn)行了大量的簡化或假設(shè)，以致降低了其精確度，而近些年在國際上應(yīng)用較多的SPARROW模型［5］則可以提供更為精確的模擬結(jié)果與更為系統(tǒng)的信息，從而可以用于分析河流中磷素的滯留特性。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

大凌河位于東經(jīng)118°46′～121°50′，北緯40° 28′～42°38′，干流全長397km，流域面積2.38萬km2。流域內(nèi)年降水量450～600mm，集中于7月和8月，年平均蒸發(fā)量900～1200mm，年均氣溫8.4℃，平均風(fēng)速3.0m/s，平均相對濕度38%～74%之間［6］。上游可分為南北兩支，其中南支始于遼寧省建昌縣水泉溝，而北支則始于河北省平泉縣，其流域內(nèi)包括遼寧省葫蘆島市、朝陽市、錦州市、盤錦市、和阜新市的多個(gè)縣市區(qū)，也包括內(nèi)蒙古和河北的部分地區(qū)。目前，大凌河水污染較為嚴(yán)重，部分城市段的水質(zhì)超過V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，55%的評價(jià)河段超過III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率僅有41%［7］。因此，加強(qiáng)該流域生源要素與污染物質(zhì)的監(jiān)測與分析已是迫在眉睫。

1.2 SPARROW模型

SPARROW模型是以GIS為基礎(chǔ)的流域模型，它綜合了統(tǒng)計(jì)與力學(xué)方法去估算陸地與水生系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的來源、運(yùn)移、以及變形。在本研究中，SPARROW的應(yīng)用模塊主要包括保守與保守性運(yùn)移、物質(zhì)平衡限制、河流路徑等。對于某一磷素來源，該模型可以估算出磷素通過地下和地表的運(yùn)移狀況，并考慮地形、氣候、土壤類型、排放濃度以及人類作用的影響等。

SPARROW模型的基本原理可表示為［8］：

1.3 磷素滯留率計(jì)算

SPARROW可以估算出河流中磷素的濃度分布情況，而磷素滯留率的計(jì)算則可以采用物質(zhì)平衡法。物質(zhì)平衡法是河流磷素循環(huán)的傳統(tǒng)研究方法，主要是基于上游、下游、以及支流的磷素濃度測量數(shù)據(jù)來估算河段中的磷素滯留量。由于長期監(jiān)測資料的匱乏，該方法的應(yīng)用并不十分廣泛。但SPARROW模型可以得到各斷面完整而系統(tǒng)的磷素濃度，因此可采用物質(zhì)平衡法對SPARROW模擬結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，從而計(jì)算出各河段的磷素滯留率，其方程為：

式中，R表示磷素滯留率，MZ表示磷素滯留量，MS表示上游磷素通量，MX表示下游磷素通量，MB表示支流磷素通量。

1.4 貢獻(xiàn)率分析

河流中磷素的滯留過程包括沉降、吸附以及再懸浮等，在各個(gè)環(huán)節(jié)都會受到外部因素的影響，因此磷素滯留特性的影響因素有很多。采用蔣懿［9］所采用的方法對大凌河磷素滯留特性的影響因素進(jìn)行分析。首先是總結(jié)潛在的大凌河磷素滯留性影響因子，采用模糊邏輯法將所有因子統(tǒng)一量化［10］，再用Monte-Carlo法檢驗(yàn)各影響因子的顯著性。各影響因子的影響力大小可由貢獻(xiàn)率來表示，而該貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法可基于偏微分鏈?zhǔn)椒匠蹋?/p>

式中，P為磷素滯留量，F(xiàn)表示影響因子，P′表示磷素滯留量的時(shí)間序列變化情況，而方程右端表示各影響因子獨(dú)自引起的磷素滯留量變化之和，因此，各影響因子變化率F′與各因子相對磷素滯留量的變化率?F/?P的比值即為各影響因子對磷素滯留特性的貢獻(xiàn)率。

2 分析結(jié)果

2.1 模型驗(yàn)證與分析

應(yīng)用SPARROW模型模擬出大凌河流域1995～2015年間的各年均磷素濃度分布情況，并選取朝陽站所在斷面的磷素濃度與實(shí)測值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖1所示。比較內(nèi)容共分為四項(xiàng)：時(shí)間序列、誤差絕對值、滑動平均值、和趨勢線。

圖1 模擬結(jié)果誤差與精確度分析

時(shí)間序列曲線的比較結(jié)果顯示，SPARROW模擬值與實(shí)測值十分接近，模型可以完全準(zhǔn)確地估算出磷素濃度隨時(shí)間的變化趨勢；總體而言，SPARROW模擬值略低于實(shí)測值，這主要是模型難以全面地考慮到流域內(nèi)的污染源，尤其是農(nóng)業(yè)灌溉與生活污水中的磷素來源。誤差絕對值的計(jì)算結(jié)果顯示，模擬值與實(shí)測值的差別均在0.005mg/L以下，相對于大凌河磷素濃度的量級較小，因此可以認(rèn)為模擬結(jié)果的誤差在可接受范圍。滑動平均值的比較結(jié)果顯示，模擬滑動平均值曲線與實(shí)際值曲線基本重合，說明SPARROW模型對平均水平的估算十分精確。趨勢線的比較結(jié)果顯示，模擬結(jié)果略低于實(shí)際結(jié)果，主要也是因?yàn)槟Ｐ碗y以將所有的污染源考慮在內(nèi)，而隨著近些年城市化與工業(yè)化發(fā)展步伐的加快，磷素排放量也將有所增加?？傮w而言，SPARROW的模擬結(jié)果十分精確，可以用于大凌河磷素滯留特性的研究中。

2.2 磷素濃度分布

按斷面提取SPARROW模擬結(jié)果中的逐年磷素濃度序列，所選取的斷面對應(yīng)于大凌河流域11個(gè)主要水文站所處的位置，從而可為以后的相關(guān)研究提供方便。所對應(yīng)的水文站包括上窩堡、義縣、涼水河子、凌海、葉柏壽、哈巴氣、復(fù)興堡、大城子、德立吉、朝陽、阜新，各站的磷素濃度時(shí)間序列模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 各站磷素濃度時(shí)間序列

由圖2可知，大凌河的磷素濃度存在明顯的時(shí)間分布特征，不同年份差別較大，各站平均濃度的最小值僅為0.011mg/L，出現(xiàn)于2003年，而最大值達(dá)0.046mg/L，出現(xiàn)于2005年，兩者相差超過4倍。各站多年平均的磷素濃度約為0.025mg/L，該值較為正常，說明磷素污染不是大凌河水質(zhì)問題長期普遍存在的部分。總體而言，大凌河的磷素濃度呈上升趨勢，其年平均上升率約為0.0006mg/L。此外，大凌河的磷素濃度還存在明顯的空間分布特征，各站隨時(shí)間的變化趨勢基本保持一致，但大小與變化幅度不盡相同。在11個(gè)站點(diǎn)中，多年平均磷素濃度的最小值為0.022mg/L，所對應(yīng)的為大城子站，而最大的為0.028mg/L，對應(yīng)的是阜新站。各站按多年平均磷素濃度由小到大排序?yàn)椋捍蟪亲?、義縣、朝陽、凌海、復(fù)興堡、葉柏壽、上窩堡、德立吉、涼水河子、哈巴氣、和阜新，可見，大凌河磷素濃度的空間分布整體呈西部小于東部的趨勢。

2.3 磷素滯留率

基于SPARROW模型的模擬結(jié)果、利用公式（2）計(jì)算的各河段磷素滯留率結(jié)果如圖3所示。由圖中曲線可明顯觀察出大凌河磷素滯留率存在時(shí)間和空間分布不均的特征。各區(qū)域磷素滯留率之和為研究大凌河流域的總體滯留率，該變量的多年平均值為59.49%，最小值為2003年的42.01%，而最大值為2005年的77.86%，總體而言，大凌河磷素滯留率呈上升趨勢，且年均增長率約為0.48%。

圖3 各區(qū)域磷素滯留率時(shí)間序列

葫蘆島、朝陽、錦州、盤錦、和阜新地區(qū)的多年平均磷素滯留率分別為2.94%、22.18%、17.26%、10.15%、和6.97%，因此，各河段按平均磷素滯留率由小到大排序依次為葫蘆島、阜新、盤錦、錦州、朝陽。葫蘆島段內(nèi)的磷素滯留率呈下降趨勢，其年均變化率約為-0.15%；朝陽段內(nèi)的磷素滯留率呈上升趨勢，其年均變化率約為0.23%；錦州段內(nèi)的磷素滯留率呈上升趨勢，其年均變化率約為0.27%；盤錦段內(nèi)的磷素滯留率呈上升趨勢，其年均變化率約為0.05%；阜新段內(nèi)的磷素滯留率呈上升趨勢，其年均變化率約為0.08%。因此，各地區(qū)按磷素滯留率增長率由小到大排序?yàn)楹J島、盤錦、阜新、朝陽、和錦州。

2.4 影響因子貢獻(xiàn)率

大凌河磷素滯留特性長期變化規(guī)律的主要影響因子包括流量、流速、溫度、和外源輸入。根據(jù)公式（3）所表示的影響因子貢獻(xiàn)率分析方法所得的結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4中各因子所對應(yīng)趨勢線終點(diǎn)所在位置高低可知，大凌河磷素滯留特性長期變化規(guī)律的最主要影響因子是流量，其原因是徑流量的大小在很大程度上可以決定河流本身的稀釋與自凈能力；其次是溫度，其原因是溫度可決定水生生物的光合作用與生長率、從而改變水生生物對磷素的吸附作用；第三是流速，其原因是流速改變磷素滯留的力學(xué)機(jī)理、從而增加其運(yùn)移能力；最后是外源輸入，其原因是外部的輸入可增加磷素的集聚效應(yīng)。計(jì)算各趨勢線的斜率，可得流量、流速、溫度、和外源輸入所對應(yīng)的斜率分別為0.337、0.216、0.287、和0.160，從而可以確定大凌河磷素滯留特性長期變化的影響因素按影響力由小到大排序依次為：外源輸入、流速、溫度、和流量。

3 結(jié)語

基于SPARROW模型對大凌河的磷素滯留特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明SPARROW模型的估算結(jié)果較為精確，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。大凌河磷素的濃度與滯留率皆具有較明顯的時(shí)間與空間分布特征，總體而言，大凌河的磷素濃度和滯留率均呈上升趨勢、且增長速度最快的為大凌河錦州段。此外大凌河磷素滯留特性的主要影響因子按影響力由小到大排序依次為：外源輸入、流速、溫度、和流量。以上結(jié)論可為大凌河的污染控制與生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)，也可為相關(guān)研究提供參考。

圖4 磷素滯留率主要影響因素貢獻(xiàn)率分析

［1］尹靜章，韓梅.水中總磷測定值影響因素的探討與研究［J］.水

利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（11）：38-41.

［2］彭虹，王艷，張萬順，陳文祥，馮桃輝.淺水水體水質(zhì)生態(tài)修復(fù)的數(shù)值模擬［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2007（01）：47-50.

［3］吳若靜，謝三桃.多塘系統(tǒng)在巢湖山丘區(qū)面源污染控制中的應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016（03）：18-21.

［4］毛戰(zhàn)坡，楊素珍，王亮，程東升.磷素在河流生態(tài)系統(tǒng)中滯留的研究進(jìn)展［J］.水利學(xué)報(bào)，2015，46（05）.

［5］Alexander，R.B.，Smith，R.A.，Schwarz，G.E.，Boyer，E.W.，Nolan，J.V.，&Brakebill，J.W.Differences in phosphorus and nitrogen delivery to the Gulf of Mexico from the Mississippi River Basin［J］.Environmental science&technology，2007，42（03），822-830.

［6］師戰(zhàn)偉.基于水文模型的大凌河流域綜合干旱指數(shù)研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016（04）：48-51.

［7］孫長江，王磊，吳俊秀.大凌河流域水資源現(xiàn)狀分析與可持續(xù)利用對策［J］.南水北調(diào)與水利科技，2007，5（02）：46-49.

［8］Robertson，D.M.，Schwarz，G.E.，Saad，D.A.，&Alexander，R.B.Incorporating uncertainty into the ranking of SPARROW model nutrient yields from M ississipp i/Atchafalaya River basin watersheds1［J］.JAWRA Journal of the American Water Resources Association，2009，45（02）：534-549.

［9］蔣懿.鞍山市土壤水分空間變異性研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016（04）：71-73.

［10］閆曉惠，陳新，張博威.模糊邏輯在水利工程環(huán)境評價(jià)中的應(yīng)用探析［J］.科技展望，2015（23）：065.

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A

1008-1305（2017）01-0013-03

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.005

2016-09-07

劉 峰（1983年—），男，工程師。