灞河流域產(chǎn)流產(chǎn)污的時(shí)空特征模擬研究

趙串串, 南 洋, 王 雪, 馮 倩, 馬 歡

(陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

灞河流域地處西安市東南，近年以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，水體的污染狀況日益加重。非點(diǎn)源污染由于面積廣，污染類型多，遷移過(guò)程復(fù)雜，成為水體污染的重要來(lái)源。污染物入河量不斷增加，非點(diǎn)源污染問(wèn)題突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，全球范圍內(nèi)有30%～50%的地表水都受到了非點(diǎn)源污染的影響，歐洲國(guó)家由非點(diǎn)源污染排放的氮磷占地表水污染總負(fù)荷的24%～71%[2]；據(jù)2018年《中國(guó)水資源公報(bào)》[3]最新資料顯示，對(duì)全國(guó)2.62×105km的河流水質(zhì)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，Ⅰ—Ⅲ類、Ⅳ—Ⅴ類、劣Ⅴ類水河長(zhǎng)分別占評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的81.6%，12.9%，5.5%，主要污染項(xiàng)目是氨氮、TP和化學(xué)需氧量。統(tǒng)計(jì)分析陜西省環(huán)保廳2016,2017年水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，TN超標(biāo)率達(dá)70%以上，最大超標(biāo)倍數(shù)達(dá)到兩倍以上。因此，開展流域非點(diǎn)源污染的量化及其負(fù)荷的空間分布規(guī)律，具有重要意義。

模型研究一直是非點(diǎn)源污染研究領(lǐng)域中活躍分支并被廣泛應(yīng)用于實(shí)際。機(jī)理模型根據(jù)非點(diǎn)源污染形成的內(nèi)在機(jī)理，通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)降雨徑流以及污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行模擬[4]，如SWAT，HSAP，AnnAGNPS模型等。AnnAGNPS模型(annualized agricultural nonpoint source pollution model)是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部開發(fā)，研究而成的用于模擬評(píng)估流域地表徑流、泥沙侵蝕和氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽流失的連續(xù)型分布式參數(shù)模型[5]。與GIS緊密集成，模型參數(shù)大多可自動(dòng)提取，模擬結(jié)果的顯示度得以顯著提高；模型對(duì)流域的徑流、泥沙和化學(xué)養(yǎng)分進(jìn)行基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或不同情景設(shè)置下的模擬，模擬研究有助于進(jìn)一步掌握流域的水文變化和農(nóng)業(yè)管理措施(如播種、施肥、收獲、犁田等)對(duì)水文及非點(diǎn)源污染的響應(yīng)[6]。模型應(yīng)用到中國(guó)的山美水庫(kù)[7]、岔口小流域[8]、西枝江流域[9]、三峽庫(kù)區(qū)小江流域等[10]在內(nèi)的很多流域，并取得了良好的模擬效果，說(shuō)明該模型適用于國(guó)內(nèi)流域的非點(diǎn)源模擬。趙串串等[11]基于AnnAGNPS模型開展灞河流域已完成現(xiàn)狀模擬與校驗(yàn)，取得良好效果。

近10 a來(lái)，非點(diǎn)源污染尤其是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染已經(jīng)逐漸成為影響水環(huán)境質(zhì)量的重要因素[12]。為推進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)精細(xì)化管理、推進(jìn)綠色發(fā)展，強(qiáng)化國(guó)土空間環(huán)境管控，基于三線一單政策，建立流域生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控體系，將流域劃分為不同的小子流域進(jìn)行分區(qū)管理，是流域非點(diǎn)源污染研究的有效手段。本文運(yùn)用AnnAGNPS模型，結(jié)合GIS技術(shù)，綜合考慮流域內(nèi)土地利用方式及類型、農(nóng)業(yè)生活和降水等方面的因素，研究流域非點(diǎn)源污染時(shí)空變化特征分析，以期為流域規(guī)劃治理提供思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

灞河，黃河支流渭河的支流，古名滋水，全長(zhǎng)109 km，流域面積2 581 km2。發(fā)源于秦嶺北坡藍(lán)田縣灞源鎮(zhèn)麻家坡以北。灞河流域的地理坐標(biāo)：東經(jīng)108°57′—109°47′，北緯33°50′—34°29′，位于西安市的東南方向。北主要流經(jīng)區(qū)域?yàn)樗{(lán)田縣、灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)，下游與浐河交匯，并在高陵縣匯入了渭河。流域內(nèi)有羅李村和馬渡王兩個(gè)水文監(jiān)測(cè)站。

1.2 數(shù)據(jù)的來(lái)源及方法

AnnAGNPS模型主要參數(shù)數(shù)據(jù)和來(lái)源見表1。利用ArcView 3.3軟件對(duì)DEM圖層進(jìn)行預(yù)處理，提取水系同時(shí)劃分子流域[13]。設(shè)置不同臨界源面積(CSA)和最小初始溝道長(zhǎng)度(MSCL)的取值，劃分出流域分室(Cell)和溝道(Reach)數(shù)。通過(guò)ENVI軟件，基于灞河全流域Landsat 5(1996年)和Landsat 8(2017年)影像，構(gòu)建光譜+紋理+NDVI多元數(shù)據(jù)組合。應(yīng)用cart決策樹算法提取土地利用分布圖，kappa系數(shù)分類精度為0.967 3。

表1 模型所需的空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)

子流域的劃分是模型模擬的第一步，對(duì)模擬結(jié)果有重要影響。利用ArcGIS 10.2水文分析功能，對(duì)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充、流向計(jì)算匯流、累積量計(jì)算及河網(wǎng)提取等處理，根據(jù)水系河網(wǎng)分布將灞河流域劃分為14個(gè)小子流域(見圖1)。

圖1 灞河子流域分布

2 結(jié)果與分析

2.1 模型最小單元?jiǎng)澐謱?duì)產(chǎn)流產(chǎn)污負(fù)荷的影響

在AnnAGNPS模型的應(yīng)用中，域的離散程度高低與臨界源面積(CSA)和最小初始溝道長(zhǎng)度(MSCL)有直接相關(guān)性[14]。課題組前期以馬渡王和羅李村水文站為出口，基于水文站10 a日徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，完成AnnAGNPS模型的年尺度和日尺度產(chǎn)流模擬校準(zhǔn)與驗(yàn)證[15]。為深入探討模型對(duì)灞河流域模擬精度問(wèn)題，在模型允許的3 000個(gè)cell單元內(nèi)，CSA的取值應(yīng)盡可能較小，合適的取值確保了模型的模擬精度。CSA和MSCL取值要根據(jù)研究區(qū)水文特性、土地利用屬性等選取合理有效的數(shù)值[16]，結(jié)合流域地形特征，以豐水年(2011年)為例，設(shè)定CSA和MSCL取值，模擬產(chǎn)流和產(chǎn)污負(fù)荷定額，確定最佳取值參數(shù)。模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 臨界源面積(CSA)和最小初始溝道長(zhǎng)度(MSCL)不同取值對(duì)徑流及產(chǎn)污負(fù)荷的影響

由表2可知，水域的單位面積產(chǎn)流最高，且CSA的改變對(duì)其影響不大，其他地類單位面積產(chǎn)流隨CSA的增大而減小，灌木林地變化幅度最大為12.98 t/hm2。耕地單位面積TN負(fù)荷隨CSA的增大減少2.3 kg/hm2，灌木林地單位面積TN負(fù)荷減少3.45 kg/hm2，建設(shè)用地單位面積TN負(fù)荷減少0.73 kg/hm2。CSA的變化對(duì)各地類單位面積TP負(fù)荷的影響不大。水域的單位面積TP負(fù)荷最高，其次是耕地，耕地單位面積TP負(fù)荷在12 kg/hm2左右。喬木林地單位面積TN和TP負(fù)荷最小，其根系生長(zhǎng)比較發(fā)達(dá)，對(duì)水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)較大，因此氮磷流失小。CSA和MSCL的取值決定了流域的離散化與概化程度，各地類對(duì)單位面積產(chǎn)流和產(chǎn)污的影響不同。依據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，本文設(shè)定CSA取值為400 hm2，MSCL取值設(shè)置為400 m，劃分流域cell單元分室為873個(gè)。

2008年Shamshad等[17]在馬來(lái)西亞的Kuala Tasik流域利用AnnAGNPS模型模巧計(jì)算流域內(nèi)的非點(diǎn)源輸出負(fù)荷，探討其適應(yīng)性，模擬結(jié)果表明氮素模擬輸出結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)決定系數(shù)較好且誤差較小，適用于本地區(qū)污染負(fù)荷輸出模擬。根據(jù)2017年DEM圖用AnnAGNPS模擬整個(gè)灞河流域的徑流量和TN和TP負(fù)荷量，模擬結(jié)果同李家科[18]利用AnnANGPS模型研究的渭河流域模擬結(jié)果具有一致性，除水域外耕地污染負(fù)荷最大，林地最小。

2.2 非點(diǎn)源污染年際時(shí)間動(dòng)態(tài)變化分析

以灞河流域1996年和2017年遙感影像作為基礎(chǔ)資料，利用ENVI軟件劃分相應(yīng)年份的地類分布，基于GIS軟件統(tǒng)計(jì)分析地類分布信息結(jié)果見圖2。從圖2可知：2017年地類和1996年地類相比耕地減少，建設(shè)用地增多，水域面積也有明顯增多。由表3可知，相比1996年，2017年喬木林地和耕地的面積減少了4.52%和8.57%，同時(shí)，灌木林地面積增加了1.90%，建設(shè)用地增加了8.78%，水域面積增加了2.41%。

圖2 灞河流域土地利用類型分布特征

表3 灞河流域1996年和2017年地類的面積變化

以灞河流域2001—2017年監(jiān)測(cè)的降雨量作為基礎(chǔ)資料，基于AnnAGNPS模型，模擬分析灞河流域各地類目標(biāo)年份產(chǎn)流和產(chǎn)污負(fù)荷定額數(shù)據(jù)(見表4)。由表4可知，2017年相比1996年：耕地徑流量定額增加了9.73 t/hm2，TN負(fù)荷定額增加了1.61 kg/hm2，TP負(fù)荷定額增加了1.55 kg/hm2；灌木林徑流量定額增加了21.51 t/hm2，TN負(fù)荷定額增加了8.54 kg/hm2，TP負(fù)荷定額增加了1.91 kg/hm2；建設(shè)用地徑流量定額增加了10.11 t/hm2，TN負(fù)荷定額增加了10.89 kg/hm2，TP負(fù)荷定額減少了0.93 kg/hm2；喬木林徑流量定額減少了3.03 t/hm2，TN負(fù)荷定額減少了0.85 kg/hm2，TP負(fù)荷定額減少了0.27 kg/hm2；水域的徑流量定額、TN負(fù)荷定額、TP負(fù)荷定額基本無(wú)變化。

由表3和表4數(shù)據(jù)可知，耕地面積占比減少8.57%，建設(shè)用地面積占比增加了8.78%，引發(fā)各地類地表徑流增加，導(dǎo)致各地類污染負(fù)荷不同程度變化，其中，建設(shè)用地TN污染負(fù)荷定額增加到16.13 kg/hm2，一定程度上反應(yīng)了灞河流域近20 a城市非點(diǎn)源污染的嚴(yán)重性。

表4 灞河流域各地類目標(biāo)年產(chǎn)流和產(chǎn)污負(fù)荷定額模擬數(shù)據(jù)

2.3 非點(diǎn)源污染年際空間分布特征

基于2017年地類數(shù)據(jù)空間cell單元?jiǎng)澐郑瑢?duì)研究目標(biāo)年(2001—2017)TN和TP輸出負(fù)荷與年徑流量開展模擬分析，結(jié)合流域地類(見圖2)、得到灞河流域分區(qū)、TN負(fù)荷模擬結(jié)果、TP負(fù)荷模擬結(jié)果和年均徑流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。整體而言，灞河流域非點(diǎn)源TN和TP污染負(fù)荷強(qiáng)度空間分布地區(qū)不均衡，差異比較明顯。

圖3 灞河流域分區(qū)、TN年均負(fù)荷、TP年均負(fù)荷和年均徑流量的空間分布

(1) 徑流情況。①灞河上游單位面積徑流量小于下游單位面積徑流量定額。分析原因上游的土地利用類型大多為林地，建設(shè)用地僅占上游流域面積的11.9%，徑流量?。幌掠谓ㄔO(shè)用地占下游流域面積86.8%。且上游土壤屬于棕壤土，降雨易下滲，導(dǎo)致上游徑流量整體小于下游地區(qū)；②徑流最大的區(qū)域有清峪河、灞河上游、清河以及輞川河這4個(gè)子流域，這幾個(gè)區(qū)域大多是水域和灌木林地，灌木林地是林地和建設(shè)用地以及耕地的過(guò)渡帶地區(qū)。

(2) 污染貢獻(xiàn)。①TN負(fù)荷大于20 t/a的地區(qū)分布在庫(kù)峪、岱峪，這兩個(gè)子流域的TN負(fù)荷占比為19.30%；TP的負(fù)荷大于5 t/a的地區(qū)也分布在庫(kù)峪和岱峪，這兩個(gè)子流域的TP負(fù)荷占比為28.17%;②TN負(fù)荷比較嚴(yán)重的地區(qū)占總流域面積的19.33%，TP分布比較嚴(yán)重的地區(qū)占總流域面積的15.04%；③輞川河、庫(kù)峪、岱峪以及清峪這4個(gè)子流域的TP負(fù)荷占到了灞河整個(gè)流域TP負(fù)荷的50.32%，TN負(fù)荷占到了灞河整個(gè)流域TN負(fù)荷的56.09%，說(shuō)明這4個(gè)子流域地區(qū)屬于污染負(fù)荷嚴(yán)重的區(qū)域。可以看出污染負(fù)荷嚴(yán)重區(qū)域的地類是耕地，是因?yàn)榻陙?lái)耕地施肥量大導(dǎo)致污染負(fù)荷高。

2.4 污染負(fù)荷與徑流量的響應(yīng)

在2017年地類基礎(chǔ)上對(duì)流域2001—2017年TN和TP輸出負(fù)荷與徑流量關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析。灞河流域2001—2017年TN，TP輸出強(qiáng)度與徑流量關(guān)系如圖4所示，徑流作為營(yíng)養(yǎng)物輸出的驅(qū)動(dòng)因子，氮磷營(yíng)養(yǎng)物輸出負(fù)荷均與降水呈正相關(guān)關(guān)系。從徑流大小來(lái)看：①當(dāng)徑流值小于4.00×108t時(shí)，可以看出河流的TN，TP污染負(fù)荷偏低，這時(shí)應(yīng)該密切關(guān)注流域背景值，為模型的數(shù)據(jù)庫(kù)增加更多的背景數(shù)據(jù)；②當(dāng)徑流值大于4.00×108t時(shí)，有足夠多的徑流將地表污染物負(fù)荷沖進(jìn)水體，導(dǎo)致TN和TP污染物負(fù)荷處于高負(fù)荷狀態(tài)，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。在特別年份，水體內(nèi)有大量魚類死亡現(xiàn)象。

圖4 2001-2017年TN，TP輸出負(fù)荷和徑流量的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 與1996年相比，灞河流域2017年林地和耕地的面積減少，灌木林地、建設(shè)用地、水域等面積增多；水域地類徑流量、TN負(fù)荷、TP負(fù)荷基本無(wú)變化；耕地面積減少，但是由于過(guò)度施肥，污染情況依然嚴(yán)峻；其他地類隨著徑流的變大(變小)，污染負(fù)荷也隨之變大(變小)。

(2) 與1996年相比，灞河流域2017年耕地面積占比減少了8.57%，建設(shè)用地面積占比增加了8.78%。由此引發(fā)流域地表徑流增加，導(dǎo)致其污染負(fù)荷不同程度變化。其中，基于2017年地類數(shù)據(jù)，建設(shè)用地TN污染負(fù)荷相比1996年(5.24 kg/hm2)增加到16.13 kg/hm2，一定程度上反應(yīng)了灞河流域近20 a城市非點(diǎn)源污染的嚴(yán)重性。

(3) 從污染負(fù)荷情況來(lái)看：灞河流域非點(diǎn)源TN，TP污染負(fù)荷強(qiáng)度地區(qū)分布不均衡；輞川河、庫(kù)峪、岱峪以及清峪4個(gè)子流域污染嚴(yán)重，TP負(fù)荷占到了灞河整個(gè)流域的50.32%，TN負(fù)荷占到了灞河整個(gè)流域的56.09%；基于近20 a模擬結(jié)果與分析，統(tǒng)計(jì)流域各個(gè)土地類型產(chǎn)流產(chǎn)污定額變化，除水域外，耕地產(chǎn)流產(chǎn)污定額最大，林地產(chǎn)流產(chǎn)污定額最小。

(4) 從徑流情況來(lái)看，徑流最大的區(qū)域有清峪河、灞河上游、清河以及輞川河子流域，這4個(gè)子流域水域和灌木林地面積占比較大。當(dāng)灞河流域徑流值小于4.00×108t時(shí)，應(yīng)該密切關(guān)注流域污染負(fù)荷背景值；當(dāng)徑流值大于4.00×108t時(shí)，TN和TP污染物負(fù)荷處于高負(fù)荷狀態(tài)，流域應(yīng)該做好污染防治工作。