基于SWAT模型的棗陽市滾河流域非點源污染模擬與控制研究

徐 暢，彭 虹，夏晶晶

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.武漢大學 水資源與水電工程科學 國家重點實驗室，湖北 武漢 430072;3.武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079)

1 研究背景

《第一次全國污染源普査公報》指出，在我國大部分流域非點源污染已超過點源污染，成為地表水體主要的污染源。2016年，國務院印發(fā)了《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》，強調(diào)加快水污染防治，實施流域環(huán)境綜合治理，同時要求到2020年，COD和NH3—N排放總量要削減10%以上。對于水環(huán)境問題較為嚴重的區(qū)域，亟需制定合理有效的負荷削減方案，嚴格執(zhí)行總量控制目標，確保水質(zhì)達標。作為鄂西北乃至中部地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖主要產(chǎn)區(qū)，棗陽市隨著社會經(jīng)濟與人口的增長，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化加速推進，非點源負荷不斷增加，但污染治理設施相對落后、法律法規(guī)和相關政策不夠完善，流域水環(huán)境嚴重惡化[1]。因此，對滾河流域開展以非點源污染為主的污染負荷模擬與控制研究意義重大。

目前，還未有學者針對棗陽滾河流域進行非點源污染研究，該區(qū)域相關研究多以漢江中上游流域為對象，流域尺度較大，對于中小河流的針對性不強。本文對于棗陽市滾河流域的研究可為鄂西北和中部缺水地區(qū)的中小河流流域非點源污染研究提供借鑒。

由美國農(nóng)業(yè)部水土保持局研發(fā)的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型對流域非點源污染負荷的模擬起到重要支撐作用[2-4]。近年來，SWAT模型被廣泛應用于非點源污染負荷計算和流域管理措施對水環(huán)境影響等方面研究[5-9]。國外學者Mekonnen等[10]將SWAT模型應用于加拿大寒冷草原氣候地區(qū)的Assiniboine River流域，模擬了各類水土流失防治措施對于流域出口沉積物和營養(yǎng)物質(zhì)輸出的影響；Kerr等[11]應用SWAT模型模擬了北美五大湖(the Great Lakes)流域的面源污染，同時對多種解決湖泊富營養(yǎng)化問題的投資措施所帶來的環(huán)境影響進行了評估。在國內(nèi)，姜德娟等[12]運用SWAT模型模擬分析了小清河流域總氮負荷的時空分布特征，針對污染源甄別結果，提出了污染物總量控制措施；徐華山等[13]在漳衛(wèi)南運河流域應用SWAT模型對不同流域最佳管理措施(BMPs)進行模擬，核算了各種BMPs對流域內(nèi)優(yōu)先控制子流域的有機氮、有機磷等污染物的控制效果；石雯倩[14]以不同污染源類型和土地利用類型對出口斷面水質(zhì)的影響為依據(jù)，結合流域水體污染物總量控制目標，采用SWAT模型對各類水質(zhì)控制方案的實施效果進行了模擬預測。大量研究表明，SWAT模型能準確模擬流域非點源污染的產(chǎn)生和遷移轉化過程，同時也能應用于各類管理措施對流域非點源污染負荷削減、水質(zhì)改善和水環(huán)境保護措施的實施效果模擬預測研究。

2 研究區(qū)域概況

2.1 流域概況

棗陽市地處湖北省西北部，全市面積3 277 km2，下轄12各鄉(xiāng)鎮(zhèn)和兩個街道，全市多年平均降雨量約為723.1 mm，年最大降雨量為1 255 mm，雨期集中在4-9月，其中6-8月降雨最為集中，占全年的47.8%；年平均蒸發(fā)量為1 751.0 mm，年平均相對濕度72%，平均氣溫15.4℃。滾河流域位于大洪山與桐柏山之間的馬鞍形區(qū)域，東西橫跨隨州、棗陽和襄陽區(qū)3個縣域級行政區(qū)。滾河是棗陽市境內(nèi)最大的河流，流域總面積為2 824 km2，總體呈扇形(圖1)。滾河較大的支流有沙河、優(yōu)良河和熊河等，流域內(nèi)分布著南城街道、環(huán)城街道和王城、琚灣等十余個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。滾河干流在棗陽市境內(nèi)全長146 km，流域面積為2 317 km2，占全市總面積的70%，琚灣斷面多年平均流量為16.09 m3/s，年均徑流量約為5.08×108m3。

棗陽滾河流域地處十堰市-武漢市汽車工業(yè)走廊的中心地帶，是湖北省經(jīng)濟發(fā)展“金三角”黃金地帶和重點發(fā)展地區(qū)之一，2016年，全市總人口114.07×104人，地區(qū)生產(chǎn)總值562.4×108元。流域內(nèi)工業(yè)以食品加工、汽車配件、建筑材料和輕工紡織為主；同時，棗陽市也是我國重要的糧、棉、油生產(chǎn)大市，畜禽養(yǎng)殖業(yè)是棗陽市的一大支柱產(chǎn)業(yè)。2015年以來，受到工、農(nóng)業(yè)等人類生產(chǎn)活動的影響，滾河流域水環(huán)境污染嚴重，主要污染物COD和NH3—N嚴重超標。

2.2 控制斷面水質(zhì)分析

依照《湖北省地表水環(huán)境功能區(qū)類別》和《襄樊市水功能區(qū)劃》，確定研究區(qū)域內(nèi)棗陽市滾河水系即琚灣出境斷面上游滾河水系屬于滾河棗陽～襄陽保留區(qū)，水質(zhì)目標為III類。根據(jù)棗陽市環(huán)保局提供的水質(zhì)(COD、NH3—N和總磷)資料，采用單因子評價法對滾河琚灣斷面2013-2016年水質(zhì)資料按地表水III類標準進行評價，評價結果見表1。

根據(jù)表1中滾河琚灣斷面2013-2016年水質(zhì)評價結果，琚灣斷面水質(zhì)在2013年水質(zhì)為III類，符合考核標準，自2014年起水質(zhì)呈現(xiàn)逐步惡化趨勢，年均水質(zhì)達到IV類水質(zhì)，2015年水質(zhì)惡化嚴重，突破劣V類，2016年水質(zhì)有所好轉，全年平均水質(zhì)為IV類。滾河琚灣斷面的主要超標因子為COD和NH3—N，總磷水質(zhì)情況相對較好，超標率較低。

表1 2013-2016年滾河琚灣斷面全年水質(zhì)評價一覽表

2.3 污染源調(diào)查與計算

根據(jù)襄陽市污染源普查資料和棗陽市環(huán)保局提供的基礎數(shù)據(jù)，按照污染物入河量計算方法[14-15]，分點源和非點源統(tǒng)計和核算2015年研究區(qū)域污染物負荷。其中點源污染包括流域內(nèi)所有的工業(yè)排污口和城區(qū)唯一的污水處理廠，該污水處理廠主要收集處理棗陽市城區(qū)兩個街道的生活污水；非點源污染主要分為城鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖污染物和種植業(yè)非點源污染。研究區(qū)域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)各類污染物入河量計算結果見表2和3。

2015年棗陽市COD和NH3—N負荷排放量為分別為49842.92和6681.08 t，區(qū)域內(nèi)污染負荷以非點源污染為主，點源排放僅占4%左右；非點源污染負荷中，畜禽養(yǎng)殖污染所占比例最大，COD和NH3—N分別占45.3%和39%，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水合計COD和NH3—N貢獻率分別為47.31%和42.90%，種植業(yè)污染負荷較低。

3 流域非點源污染模型

3.1 模型構建

以SWAT模型為基礎構建棗陽滾河流域非點源污染模型，模型數(shù)據(jù)庫由空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)組成，空間數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)(圖2)、土地利用類型圖(圖3)和土壤類型圖(圖4)；屬性數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、土地利用屬性數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)、點源數(shù)據(jù)和附加非點源數(shù)據(jù)。實測水文和水質(zhì)數(shù)據(jù)主要用于模型率定驗證。研究區(qū)域各類型數(shù)據(jù)參數(shù)見表4。

SWAT模型中，子流域由流域DEM數(shù)據(jù)自動劃分，通過設置土地利用類型、土壤類型、坡度的閾值將子流域進一步劃分為更小的水文響應單元(HRU)，每個HRU具有相同的植被類型、土壤條件和坡度。將滾河流域水系圖圖層與SWAT模型子流域劃分中生成的子流域(Subbasin)圖層中的河網(wǎng)疊加對比，調(diào)整子流域劃分個數(shù)，以保證模型生成河網(wǎng)與實際水系密度基本一致，能反映真實河網(wǎng)水系特征[3]，本次研究將棗陽市滾河流域共劃分為43個子流域和282個HRU，見圖5。

表2 2015年研究區(qū)域點源污染源污染負荷 t/a

棗陽市滾河流域的點源污染主要包括工業(yè)點源和城鎮(zhèn)生活污水處理廠，經(jīng)由SWAT模型“Piont source discharge”界面添加，包括點源污染的排放模式、污水量、COD、NH3—N等各類污染物排放量。

附加非點源主要來源于城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水排放、分散畜禽養(yǎng)殖污水排放及農(nóng)業(yè)化肥。SWAT模型中子流域依照流域地形坡度自然劃分，非點源負荷數(shù)據(jù)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃為基本單元進行統(tǒng)計和計算，附加非點源輸入模型時，需要將以鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)為單元計算的非點源負荷與模型內(nèi)子流域(subbasin)和水文響應單元(HRU)進行耦合，進行權重分配后，得出各子流域和HUR非點源負荷。

表3 2015年研究區(qū)域非點源污染源污染負荷 t/a

表4 模型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)類型及說明

3.2 模型適用性評價

采用LH-OAT方法，分別以日和月為尺度，對與徑流和非點源污染有關的參數(shù)進行敏感性分析。選擇SWAT-CUP軟件以及連續(xù)不確定性匹配算法SUFI-2對上述敏感性參數(shù)進行率定及驗證。結果顯示，對徑流量的敏感性參數(shù)包括CN2(徑流曲線系數(shù))、ALPHA_BF(基流α系數(shù))、GW_DELAY(地下水滯后系數(shù))、ESCO(土壤蒸發(fā)補償系數(shù))、GW_REVAP(淺層地下水再蒸發(fā)系數(shù))等，對氮負荷的敏感性參數(shù)包括RCN(雨水中硝酸鹽含量)、SOL_ORGN(土壤中有機氮的初始濃度)、SHALLST_N(淺層含水層中的硝酸鹽含量)和CDN(反硝化作用速率系數(shù))等。

選取滾河琚灣站作為控制斷面進行模型校準，徑流量的率定期為2005-2011年，驗證期為2012-2015年；水質(zhì)的率定期為2013-2014年，驗證期為2015年。由于缺乏泥沙實測數(shù)據(jù)，故無泥沙校準。選擇確定性系數(shù)R2和Nash-Suttcliffe效率系數(shù)Ens評價模型率定和驗證的精度。確定性系數(shù)是模擬值與實測值之間變化關系密切程度的反映，R2越接近1，實測值與模擬值之間的吻合程度越高；Nash效率系數(shù)是模型模擬值與實測值之間擬合程度的反映，當Ens大于0.5表明模擬結果在可接受范圍內(nèi)[17-18]。

模型對徑流量和水質(zhì)的模擬效果如圖6～8所示，模型對徑流量的模擬效果較好，率定期和驗證期的R2和Ens均大于0.65；模擬水質(zhì)濃度與實測水質(zhì)資料吻合情況相對較好，在年際變化趨勢和個別峰值上與實測資料基本符合，可用于流域污染負荷的模擬應用，滾河琚灣站日徑流量和水質(zhì)率定驗證結果見表5。

圖1棗陽市滾河流域地理位置 圖2研究區(qū)DEM影像圖 圖3研究區(qū)土地利用類型空間分布圖

圖4研究區(qū)土壤種類空間分布圖 圖5棗陽滾河流域子流域劃分圖

4 結果與討論

4.1 總量控制措施

針對研究區(qū)域污染負荷的組成結構，流域COD負荷的主要來源是畜禽養(yǎng)殖業(yè)以及城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活污水，合計占流域總COD負荷的92.94%；流域NH3—N負荷的主要來源是畜禽養(yǎng)殖業(yè)、城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活污水以及種植業(yè)，合計占流域總NH3—N負荷的98.66%；而工業(yè)污染源負荷占比不足2%。棗陽市工業(yè)污染負荷較小，且工業(yè)園區(qū)污水接管率和工業(yè)污水達標處理率均較高，工業(yè)污染不是流域的主要污染源，故總量控制措施以控制畜禽養(yǎng)殖業(yè)、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水以及種植業(yè)面源污染為主。

主要控制措施包括：

(1)新建鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠和已有污水處理廠的提標改造，同時擴建污水收集配套官網(wǎng)，提升生活污水收集處理能力。對棗陽市城區(qū)王灣污水處理廠進行提標改造，擴建污水收集管網(wǎng)，將污水收集率提升至95%以上，污水排放標準提升至《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標準；新建7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠，設計處理規(guī)模共64 000 m3/d，合計配套管網(wǎng)160.2 km。

(2)沿河道劃分沙河、滾河河道兩岸1 000 m范圍內(nèi)為禁養(yǎng)區(qū)，在滾河、沙河兩岸1 000～3 000 m范圍內(nèi)為限養(yǎng)區(qū)，主要交通要道兩側500 m和人口聚集區(qū)域周邊1 000 m為禁養(yǎng)區(qū)。根據(jù)所劃分的禁養(yǎng)區(qū)和限養(yǎng)區(qū)，全市共關閉或整改養(yǎng)殖場(小區(qū))195家。引導畜禽養(yǎng)殖場合理規(guī)劃，因地制宜，推進養(yǎng)殖場糞污處理，完成治污設施建設。

(3)開展?jié)L河和沙河水系河道整治與生態(tài)修復工程，對河岸沿線的植被土壤進行生態(tài)修復。在沙河城區(qū)段及上游的梯級水壩區(qū)域、污水處理廠排水口-彩虹橋河段、棗陽市鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍的鄉(xiāng)鎮(zhèn)排污溝、滾河和沙河交匯處-滾河觀音寺斷面等區(qū)域，開展生態(tài)治理工程。

同時推進工業(yè)集聚區(qū)污染集中治理、城鎮(zhèn)生活垃圾收運及處置，測土配方施肥、減少化肥投入，推行精準對靶、實現(xiàn)農(nóng)藥減量減污等協(xié)同措施。

圖6 滾河琚灣站徑流量實測值與模擬值對照

圖7 滾河琚灣站COD實測值與模擬值對照

圖8 滾河琚灣站NH3—N實測值與模擬值對照

4.2 負荷削減方案模擬

根據(jù)污染負荷計算結果和3類總量控制措施，制定棗陽市滾河流域的負荷削減方案，主要包括：

方案1：只控制生活污染。具體措施為對現(xiàn)有污水處理廠進行提標擴建，同時在琚灣鎮(zhèn)、鹿頭鎮(zhèn)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設污水處理廠與配套管網(wǎng)，提升生活污水的集中處理率；

方案2：只控制畜禽養(yǎng)殖污染。具體措施為在劃定的限養(yǎng)區(qū)和禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)關閉和整改相關畜禽養(yǎng)殖場，實施雨污分流、糞便污水資源化利用，同時提升全市所有畜禽養(yǎng)殖場(小區(qū))糞便利用率，完善配套糞污貯存設施；

表5 滾河琚灣站日徑流量和水質(zhì)率定驗證結果

注：2014年4-8月滾河琚灣斷面長時間斷流，故無水文、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

方案3：只開展?jié)L河流域生態(tài)修復工程。具體措施為在沙河棗陽城區(qū)河段進行河道整治以及坡岸景觀改造，在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要排污溝兩側建設生態(tài)廊道和曝氣穩(wěn)定塘，在沙河和滾河交匯處及下游3 km河道范圍內(nèi)進行河道整治，建設生態(tài)濕地；

方案4：同時實施方案1和2；

方案5：同時實施方案1和3；

方案6：同時實施方案2和3；

方案7：同時實施方案1、2和3；

方案8：以2015年全年模擬水質(zhì)達到地表水質(zhì)III類標準為前提，倒逼方案1、2、3的實施程度和污染物削減比例。

根據(jù)《棗陽市水污染防治行動計劃(2016)》，以2016年12月底為截止日期，污水處理廠及配套管道建設和畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理的實際進度來模擬負荷削減的效果。經(jīng)過與2.3節(jié)相同的污染源負荷計算，方案1對于流域內(nèi)生活面源的削減率為47.56%，削減城鎮(zhèn)生活面源54.28%，削減農(nóng)村生活面源35.67%，對于流域內(nèi)面源負荷的COD削減比例為23.88%，對NH3—N的削減比例為22.56%。方案2對于流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖面源污染的削減率為36.60%，對于流域內(nèi)面源負荷的COD削減比例為17.71%，對NH3—N的削減比例為14.44%。方案3對于流域面源污染的削減與方案1和2不同，并不是從產(chǎn)生面源污染的源頭上去控制，而是通過對于河道和坡岸環(huán)境的改造來削減面源污染的入河量，從而降低面源污染對水質(zhì)的影響。對于方案3，本研究中采用SWAT模型中的過濾帶寬度參數(shù)(FILTERW)來模擬河道生態(tài)修復對面源污染的削減作用，過濾帶可減少水土流失(污染物多隨泥沙遷移進入水體，過濾帶能攔截土壤中本底氮磷養(yǎng)分的流失)，植被過濾帶的寬度越大，污染物去除率越高[19-20]。SWAT模型中的過濾帶算法只攔截泥沙、殺蟲劑和營養(yǎng)物質(zhì)，不改變地表徑流量，同時模型中過濾帶不考慮植物配置、形狀等因素，過濾帶坡度由DEM計算，長度根據(jù)河道邊農(nóng)田尺寸決定，因此模型設置只考慮過濾帶寬度參數(shù)(FILTERW)。根據(jù)滾河水系的實際情況，綜合考慮污染物削減效果與經(jīng)濟效益，確定過濾帶寬度為5 m。

各污染物削減方案模擬結果分別如圖9～14所示，模擬結果匯總見表6。

圖9方案1、2、3COD削減效果模擬 圖10方案1、2、3NH3—N削減效果模擬

圖11方案4、5、6COD削減效果模擬 圖12方案4、5、6NH3—N削減效果模擬

圖13方案7、8COD削減效果模擬 圖14方案7、8NH3—N削減效果模擬

表6 各負荷削減方案模擬結果

方案8中的方案1設定為污水處理設施全部建設完畢，對流域生活面源的削減率COD為77.55%，NH3—N為76.16%；對方案2中完成無污染改造的養(yǎng)殖的比例進行調(diào)整，由30%～85%依此增大，經(jīng)過多次調(diào)整，全市無污染改造的養(yǎng)殖場比率達到72%時，新方案削減措施控制下，可維持滾河琚灣出境斷面全年水質(zhì)達標。此時方案2對于畜禽養(yǎng)殖污染負荷的削減比例為74.64%，方案8整體對流域面源負荷的削減率COD為82.39%，NH3—N為75.69%。

對照2016和2017年《襄陽市環(huán)境狀況公報》，在各項污染控制措施施行后，滾河琚灣斷面水質(zhì)從2016年4月開始逐步好轉，自2016年7月起穩(wěn)定達到III類，與本研究模擬結果相符。

5 結 論

(1)2015年棗陽市COD負荷量為49 842.92 t、NH3—N負荷量為6 681.08 t，其中畜禽養(yǎng)殖污染物和生活污水是流域內(nèi)的主要污染來源。

(2)提出了棗陽市滾河流域污染物排放總量控制的主要措施，包括對原有城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)進行升級改造，同時新建多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠，實現(xiàn)對生活污水的集中處理，污水處理廠全部執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標，對流域生活面源的削減率達到76.16%以上；劃定禁養(yǎng)區(qū)與限養(yǎng)區(qū)，對區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖場進行關閉和整改，同時對所有養(yǎng)殖場實行糞污集中收集處理和利用，85%以上畜禽養(yǎng)殖場實現(xiàn)無污染改造，對流域畜禽養(yǎng)殖污染的削減率可達到86.41%；開展?jié)L河流域水生態(tài)系統(tǒng)修復工程，對主要河道進行清淤，改善坡岸環(huán)境，在沙河和滾河交匯處及下游區(qū)域建設生態(tài)濕地，可削減29.39%的流域內(nèi)非點源負荷入河量。

(3)對各類負荷削減措施進行了模擬，當全市污水處理系統(tǒng)全部建設完畢且對養(yǎng)殖場的無污染改造比例達到72%以上時，對流域非點源負荷的削減率分別為COD 82.39%，NH3—N 75.69%，滾河琚灣斷面水質(zhì)全年可達到地表水III類水質(zhì)標準。

總體來說，流域內(nèi)散亂排放的生活污水和未經(jīng)處理的畜禽養(yǎng)殖污染物造成了滾河琚灣斷面水質(zhì)嚴重超標，對流域生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的影響。本研究中對于流域總量控制措施和負荷削減方案的研究與后續(xù)工程措施實際情況相吻合，將為棗陽滾河流域今后的污染防治工作提供依據(jù)和支撐。同時水環(huán)境容量及污染物排放總量控制是一個理論研究與實際工作緊密結合的問題，在后續(xù)水環(huán)境管理工作的實踐中，需要加強監(jiān)測，對理論研究成果不斷進行檢驗和完善。