鐵嶺市農(nóng)田種植污染負(fù)荷研究

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

2018年5月16日生態(tài)環(huán)境部公布的2018年第一季度水環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)滯后城市名單中，鐵嶺市排名榜首[1]；2019年5月7日生態(tài)環(huán)境部再次發(fā)布地級及以上城市1—3月國家地表水考核斷面水環(huán)境質(zhì)量排名，鐵嶺市名列倒數(shù)第24名，由此可以看出，鐵嶺市的水環(huán)境污染問題一直較為突出。

鐵嶺市是松遼平原中段的產(chǎn)糧區(qū)，主要的栽培作物有玉米、水稻和大豆等。該地區(qū)以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)給水體帶來了較為嚴(yán)重的污染，該地區(qū)的全部農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染幾乎全部由遼河及其支流承納[2]。

1 SWAT模型構(gòu)建

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分析模型是應(yīng)用較為廣泛的分布式水文模型[3]，根據(jù)SWAT建模數(shù)據(jù)需求，模型內(nèi)共使用了鐵嶺及周邊地區(qū)74個雨量站和18個水文站的雨量、水文數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際河道、鐵嶺縣(區(qū))分布的具體情況，共劃分子流域93個。

將土地利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，轉(zhuǎn)換成適用于模型的代碼，各類土地利用類型代碼及比例分別為：旱地原代碼121，模型編碼AGRR，面積5679.04km2，占35.23%；林地原代碼21，模型編碼FRST，面積4847.63km2，占30.08%；水田原代碼111，模型編碼RICE，面積4814.07km2，占29.87%；農(nóng)村居民點(diǎn)原代碼52121，模型編碼URLD，面積776.96km2，占4.82%。

加載土壤數(shù)據(jù)前，也需要對土壤類型進(jìn)行重新分類，土壤分類結(jié)果為：棕壤編碼ZRANG，面積3191.13km2，占27.60%；暗棕壤編碼ANZRANG，面積2971.19km2，占25.69%；白漿土編碼BJTU，面積2661.00km2，占23.01%；褐土編碼HETU，面積2147.52km2，占18.57%；黑土編碼HEITU，面積593.56km2，占5.13%。

根據(jù)坡度劃分結(jié)果，定義水文相應(yīng)單元，并加載各項(xiàng)氣象、雨量數(shù)據(jù)，編輯各項(xiàng)輸入數(shù)據(jù)后，成功運(yùn)行模型并進(jìn)行模擬工作。

2 模型模擬及驗(yàn)證

2.1 水文過程模擬

2.1.1 水量參數(shù)調(diào)整

結(jié)合流域的實(shí)際情況，并參考參數(shù)敏感性分析文獻(xiàn)，選擇CN2、SOL_AWC、ESCO、CANMX、GW_REVAP等幾項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)整，主要調(diào)整的參數(shù)的意義和取值如下：CN2(徑流曲線數(shù))為52～71；SOL_AWC(土壤有效含水量)為0.10～0.18；ESCO(土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù))為0.80；CANMX(植被冠層截留)為4；GW_REVAP(地下水再蒸發(fā)系數(shù))為0.12。

在參數(shù)調(diào)整的過程中，先進(jìn)行基礎(chǔ)水量平衡和總流量的校準(zhǔn)，在地表徑流和基流符合實(shí)際情況后，再對時間過程進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到合理狀況。由于研究區(qū)內(nèi)部的氣候差異不大，各匯水區(qū)的參數(shù)應(yīng)該保持在相近的范圍內(nèi)。

選擇判定系數(shù)(R2)和Nash-Suttclife效益系數(shù)(NSE)兩種判斷工具，對模型結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。

2.1.2 水量結(jié)果分析

用2011—2013年的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，用2014—2017年的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。對水量模擬結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，其結(jié)果見表1。

表1 2011—2017年水文過程模擬結(jié)果

相對而言，處于遼河支流招蘇臺河沿岸的梨樹、王寶慶、寶力鎮(zhèn)3站的模擬結(jié)果相對較差。其主要原因是該3站都位于鐵嶺市農(nóng)業(yè)大縣昌圖縣境內(nèi)，該縣以種植業(yè)為主，人口眾多，人類活動對河流水量的影響較大，農(nóng)田種植和農(nóng)村生活中的取水因素等在模型中比較難以體現(xiàn)。另外，此3站位于流量較小的支流，出現(xiàn)的偏差可能表現(xiàn)得較為明顯，但對下游水量的影響不大，因此中游水量較大的通江口站和最接近流域出口的鐵嶺站率定期和驗(yàn)證期NSE基本沒有差別，說明模擬結(jié)果總體與實(shí)際流量匹配較好。

2.2 泥沙模擬

2.2.1 泥沙參數(shù)調(diào)整

泥沙的模擬情況直接影響到后續(xù)的水質(zhì)模擬過程，主要選擇SPEXP、SPCON、CH-COV、CH-EROD、USLE_P等幾項(xiàng)敏感參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)整，調(diào)整參數(shù)的意義和取值如下：SPEXP(河道內(nèi)沉積物再遷移指數(shù))為1.5；SPCON(沉積物河段間遷移最大量)為0.006；CH_COV(河道覆蓋因子)為0.005～0.300；CH_EROD(河道侵蝕因子)為0.001～0.300；USLE_P(USLE方程水土保持措施因子)為0.2～0.9。

2.2.2 泥沙結(jié)果分析

用2011—2013年的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定，用2014—2017年的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。對泥沙的模擬結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，其結(jié)果見表2。

表2 2011—2017年泥沙過程模擬結(jié)果

選取最接近流域出口的鐵嶺站進(jìn)行泥沙分析，部分站點(diǎn)的泥沙結(jié)果受水量模擬結(jié)果的影響，誤差進(jìn)一步加大。模擬結(jié)果的峰值時間與實(shí)測值基本一致，但模擬值在峰值部分明顯高于實(shí)測值，主要原因可能是暴雨沖刷導(dǎo)致的土質(zhì)流失，泥沙大量入河，模型不能很好地反映這一點(diǎn)。另外，受數(shù)據(jù)資料收集的限制，實(shí)測值是根據(jù)月均輸移質(zhì)和月均流量得到的，可能會有一部分偏差。總體來看，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果匹配性比較令人滿意。

2.3 水質(zhì)模擬

2.3.1 污染源識別

將通過調(diào)查和計(jì)算獲得的各類非點(diǎn)源污染進(jìn)行分類，并參考實(shí)際情況輸入模型，以確保模型的合理性。

化肥施用：該地區(qū)的旱地種植作物中，玉米的種植面積超過95%，因此旱地種植的施肥主要參考玉米的實(shí)際施肥。根據(jù)實(shí)際調(diào)查與參考當(dāng)?shù)匚墨I(xiàn)，獲得主要種植類型玉米和水稻的施肥時間與施肥量。

畜禽養(yǎng)殖：根據(jù)實(shí)地調(diào)查，區(qū)域內(nèi)無論是規(guī)模化養(yǎng)殖還是散養(yǎng)，大部分都通過堆肥后就近作為肥料處理，根據(jù)計(jì)算出的畜禽養(yǎng)殖排污負(fù)荷，考慮堆肥損失和其他的處理方式，將其中的90%折算為有機(jī)肥，作為底肥輸入模型。

居民生活污染：現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，該地區(qū)的各項(xiàng)生活污染物均直接就近排放，因此將計(jì)算出的居民生活污染物全部折算為有機(jī)肥，作為底肥輸入模型。

2.3.2 水質(zhì)參數(shù)識別

水質(zhì)參數(shù)的調(diào)整可以分成兩個步驟：校準(zhǔn)污染負(fù)荷和入河水質(zhì)過程。參考SWAT模型水質(zhì)相關(guān)敏感參數(shù)文獻(xiàn)，對模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，主要調(diào)整參數(shù)意義及取值如下：CDN(反硝化系數(shù))為2；SDNCO(土壤含水量的反硝化臨界值)為0.98；RS4(20℃時河道有機(jī)氮沉降速率)為0.1；PPERCO(磷淋失系數(shù))為10；PSP(有效磷指數(shù))為0.4；RS5(20℃時河道有機(jī)磷沉降速率)為0.1。

3 水質(zhì)結(jié)果分析

3.1 農(nóng)田尺度分析

根據(jù)《全國第一次農(nóng)業(yè)污染源普查農(nóng)業(yè)污染源肥料流失系數(shù)手冊》，鐵嶺市旱地農(nóng)田污染流失因子主要為總氮和總磷，水稻田主要為總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷和可溶性總磷，由于鐵嶺市農(nóng)田多種植為玉米，因此污染流失因子選擇總氮和總磷。

選擇與試驗(yàn)田位于同一區(qū)域，坡度和土地類型一致的HRU，計(jì)算其多年模擬值的平均值，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，玉米地和水稻田的結(jié)果分別見表3、表4。結(jié)果表明，同類作物類型的單位面積模擬水質(zhì)與試驗(yàn)結(jié)果相近，驗(yàn)證了模型在鐵嶺市農(nóng)田尺度分析中的可靠性。

表3 玉米地試驗(yàn)輸出系數(shù)與模擬值比較

表4 水稻田試驗(yàn)輸出系數(shù)與模擬值比較

3.2 流域尺度分析

由于在模型輸入過程中缺少點(diǎn)源相關(guān)數(shù)據(jù)，而點(diǎn)源排放可能對水質(zhì)有較高的影響，因此需要通過徑流分割法對實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。由于點(diǎn)源排放通常較為穩(wěn)定，隨時間變化不大，而非點(diǎn)源污染通常伴隨降雨徑流產(chǎn)生，在枯水期很少發(fā)生流失，因此可以認(rèn)為枯水期的水質(zhì)污染主要是由點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)的。計(jì)算出枯水期實(shí)測月平均水質(zhì)，將其視為由點(diǎn)源負(fù)荷貢獻(xiàn)的，從實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)中扣除，獲得分割后的實(shí)測值。

水質(zhì)模擬結(jié)果的峰值與實(shí)測值產(chǎn)生時間比較一致，但在峰值時產(chǎn)生的污染物出流量偏差較大，水質(zhì)模擬結(jié)果可能是受到了水量、泥沙模擬偏差的影響。而且使用的實(shí)測值不是每月平均值，而是該月某天的監(jiān)測數(shù)據(jù)，不能完全代表當(dāng)月的平均水平，模擬結(jié)果與實(shí)測值會有一定誤差。氨氮和總磷模擬的NSE值分別為0.63和0.60，總體而言，該模型在鐵嶺市區(qū)域內(nèi)具有適用性。

3.3 農(nóng)業(yè)面源污染流失時空分布

現(xiàn)狀減排和耕作條件下，以2016年和2017年降雨為例，模擬農(nóng)業(yè)面源污染流失時空分布，得出以下結(jié)果：總氮、氨氮和總磷面源污染流失強(qiáng)度加大的區(qū)域主要集中在昌圖縣招蘇臺河上游、開原市和調(diào)兵山市，COD面源流失主要集中在昌圖縣招蘇臺河中游和開原市的水稻種植區(qū)域。

4 結(jié) 論

鐵嶺市農(nóng)田種植污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如下：總氮2523t、總磷211t、氨氮625t、COD1280t。鐵嶺市農(nóng)田種植主要以玉米、大豆為主，其輪耕周期長，一年茬數(shù)少，且土壤多為黑土黏土，雨季農(nóng)田地表徑流污染物氮磷流失較多。農(nóng)業(yè)面源污染流失時空分布的研究成果可為鐵嶺市水環(huán)境達(dá)標(biāo)治理提供思路和方向，為鐵嶺市水資源保護(hù)發(fā)揮重要作用。