安徽省兆河流域非點(diǎn)源污染模擬及最佳管理措施

王 敏, 張雨桐, 李奇宸,3, 賈如賓, 李 劍, 王 勇, 焦 夢(mèng)

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048; 2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院, 陜西 西安 710048; 3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 長(zhǎng)慶油田分公司第十采油廠(chǎng), 甘肅, 慶陽(yáng) 745100;4.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710043; 5.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710065)

非點(diǎn)源污染是造成水體污染的重要來(lái)源[1]，與點(diǎn)源污染相比，其分布特性、輸入方式等均較為復(fù)雜，導(dǎo)致其控制尤為困難，合適的水文水質(zhì)模型有助于定量化研究流域水環(huán)境污染負(fù)荷分布特征，對(duì)非點(diǎn)源污染控制具有重要意義。近年來(lái)各類(lèi)水文水質(zhì)模型發(fā)展迅速，以SWAT(soil and water assessment tool)模型、SWMM(storm water management model)模型和HSPF(hydrological simulation program-fortran)模型等應(yīng)用較多。這些模型能夠綜合考慮流域水文過(guò)程、土壤侵蝕狀況及污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，進(jìn)而能夠比較全面和客觀(guān)地實(shí)現(xiàn)流域污染的模擬和計(jì)算。其中應(yīng)用最廣泛的是基于GIS(geographic information system)空間分析的SWAT模型[2-3]其在不同流域均具有良好的適用性，已被用于污染來(lái)源分析、非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算、污染控制或保護(hù)性措施比較與效果評(píng)估等方面[4-5]。同時(shí)也有研究者為了提高模型的精度和適用性，也會(huì)因地制宜提出改進(jìn)方法，并得到了理想的模擬研究結(jié)果。

由于非點(diǎn)源污染沒(méi)有固定的排放口和特定的排放地點(diǎn)，各類(lèi)溶解性或固體污染物隨著降水、融雪等大范圍進(jìn)入水體中，繼而引發(fā)水質(zhì)下降。非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生和遷移過(guò)程受自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、氣候、人類(lèi)活動(dòng)等影響顯著，導(dǎo)致非點(diǎn)源污染監(jiān)控和治理難度較大，因此，實(shí)施有效的非點(diǎn)源污染防治對(duì)控制非點(diǎn)源污染非常必要。最佳管理措施(BMPs， best management practices)是公認(rèn)的防治非點(diǎn)源污染行之有效的手段[6]，其將工程類(lèi)措施與非工程類(lèi)措施相結(jié)合控制污染負(fù)荷輸入量[7]，利用不斷優(yōu)化治理措施的空間配置方案，評(píng)估BMPs對(duì)非點(diǎn)源污染的削減效果和水質(zhì)的改善作用影響[8]，提出流域管控治理的最佳措施。非工程措施主要是通過(guò)法律法規(guī)的約束及生產(chǎn)和管理方式的調(diào)整，以控制污染物的輸出，進(jìn)而從源頭控制非點(diǎn)源污染，主要方式包括養(yǎng)分管理[9-10]和耕作管理[11]。工程措施主要是通過(guò)設(shè)置人工構(gòu)筑物，攔截、蓄積或者吸收污染物，減少輸送到水體中的污染物的量，主要包括植被緩沖帶[12]、植草河道等[13]。將非工程措施與工程措施結(jié)合評(píng)價(jià)流域污染負(fù)荷削減效果，對(duì)流域污染負(fù)荷管控具有重要價(jià)值。

基于以上背景，以兆河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)GIS和SWAT軟件構(gòu)建流域非點(diǎn)源污染模型，并利用構(gòu)建的模型開(kāi)展流域非點(diǎn)源污染現(xiàn)狀分析、污染關(guān)鍵區(qū)識(shí)別及污染控制措施的削減效果相關(guān)研究，明確流域污染負(fù)荷的分布特征，為兆河清潔小流域建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

兆河全長(zhǎng)34 km，流域面積1 138 km2，主要位于安徽省廬江縣境內(nèi)，北臨巢湖，南近長(zhǎng)江，西依大別山余脈，地勢(shì)西南高，東北低，地貌可分為：沿湖平原圩區(qū)(占流域總面積16.70%)；東南西部低山丘陵區(qū)(占流域總面積18.00%)和中部丘陵區(qū)(占流域總面積65.30%)。流域內(nèi)有11條支流，其中水質(zhì)優(yōu)于Ⅲ類(lèi)占比56.2%，Ⅳ—Ⅴ類(lèi)水質(zhì)河段，比例42.8%，其中盛橋河、裴河、黃泥河、縣河的污染較為嚴(yán)重，污染源主要包括城鎮(zhèn)生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染、廢棄礦山污染及工業(yè)企業(yè)污染。兆河流域現(xiàn)有兆河閘水文站、缺口水文站以及鄰近流域的桃溪水文站，其中兆河閘水文站控制兆河入巢湖水量，多年平均年入湖水量3.58×108m3，生態(tài)基流缺水量1.06×107m3，枯水期河道生態(tài)基流嚴(yán)重不足[14]。兆河流域地理位置及水系見(jiàn)圖1。

圖1 安徽省兆河流域水系分布

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 流域非點(diǎn)源污染模型構(gòu)建

SWAT模型可根據(jù)研究區(qū)的土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型、地面高程和坡度等將流域劃分為不同的水文響應(yīng)單元(hydrological response unit，HRU)，并以HRU為基本水文單元，模擬計(jì)算流域尺度的徑流、泥沙和氮磷等污染物質(zhì)的遷移輸送過(guò)程[15-16]。本研究通過(guò)分析流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和污染源排污情況，以環(huán)境調(diào)查和監(jiān)測(cè)分析相結(jié)合的方式收集整理構(gòu)建SWAT所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)。模型所需各類(lèi)數(shù)據(jù)集來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 安徽省兆河流域SWAT模型所需主要數(shù)據(jù)

SWAT模型可依據(jù)DEM圖的信息自動(dòng)計(jì)算流域水系，但是由于本研究區(qū)地處中國(guó)東南河網(wǎng)密集區(qū)，為增加河網(wǎng)生成的準(zhǔn)確度，需導(dǎo)入實(shí)測(cè)水系圖為河道的生成做出指引。為避免DEM范圍相對(duì)研究區(qū)面積過(guò)大，造成不必要計(jì)算浪費(fèi)[17]，本研究閾值參數(shù)選用3 km2為集水區(qū)劃分的閾值，依據(jù)實(shí)際河流空間位置手動(dòng)添加子流域匯水口，以兆河入巢湖口作為流域總出水口，共劃分15個(gè)子流域，2 076個(gè)水文響應(yīng)單元(見(jiàn)圖2)。

圖2 安徽省兆河流域子流域劃分

2.2 模型的適用性

SWAT模型參數(shù)眾多，而不同參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度有著不同程度的影響，相同參數(shù)的不同取值也會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生很大影響。因此，有必要對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)的敏感性分析，本研究采用SWAT-CUP對(duì)模型中與流量和水質(zhì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，最終選定與徑流敏感的參數(shù)10個(gè)與總氮敏感的參數(shù)10個(gè)，與總磷敏感的參數(shù)10個(gè)。具體參數(shù)見(jiàn)表2。

選定主要敏感性參數(shù)之后，運(yùn)行模型對(duì)參數(shù)的取值進(jìn)行率定。取具有實(shí)測(cè)日徑流數(shù)據(jù)的兆河閘水文站為率定和驗(yàn)證的站點(diǎn)，選取2011—2014年為率定期，2015—2017為驗(yàn)證期。采用相對(duì)誤差(r)、可決定系數(shù)(R2)和納什系數(shù)(ENS)對(duì)模型模擬結(jié)果的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式見(jiàn)公式(1)—(3)

(1)

(2)

(3)

表2 安徽省兆河流域模型相關(guān)敏感性參數(shù)

表3 安徽省兆河流域SWAT模型的率定和驗(yàn)證結(jié)果

2.3 非點(diǎn)源污染關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別

非點(diǎn)源污染因其污染來(lái)源不確定、來(lái)源時(shí)間隨機(jī)、來(lái)源方式間接、影響時(shí)間滯后和機(jī)理復(fù)雜的特點(diǎn)，不同區(qū)塊的污染流失強(qiáng)度具有較大的空間差異性，使非點(diǎn)源污染的治理難以集中，并且由于非點(diǎn)源污染來(lái)源涉及范圍較廣，實(shí)際中難以全面采取控制措施，最有效的方法是針對(duì)重點(diǎn)源區(qū)采取有效控制。Giri等[20]對(duì)比分析了流域的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)與中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)布置措施與全流域布置措施，結(jié)果發(fā)現(xiàn)污染物的消減量無(wú)明顯變化，表明將控制措施布設(shè)全流域是不經(jīng)濟(jì)的，同時(shí)也沒(méi)有良好的生態(tài)效益。因此，評(píng)估流域各區(qū)塊的污染流失量，并按照流失強(qiáng)度劃分出流域非點(diǎn)源污染來(lái)源關(guān)鍵區(qū)域，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域優(yōu)先進(jìn)行措施布置，從而提升資金與資源的使用效率，減少工程措施用地，對(duì)降低流域非點(diǎn)源治理難度非常必要。

本研究采用單元負(fù)荷指數(shù)法(LPUAI，load per unit area index)對(duì)各子流域污染負(fù)荷輕度(Pi)進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

(4)

式中：PTi為某子流域在某一時(shí)段內(nèi)污染物負(fù)荷產(chǎn)生量;Ai表示給子流域的面積。

LPUAI方法主要是基于各子流域每單位面積所產(chǎn)生的平均污染物負(fù)荷來(lái)確定關(guān)鍵區(qū)優(yōu)先級(jí)，有效避免因子流域面積劃分不均帶來(lái)的問(wèn)題，并且對(duì)氮磷都有較高的敏感性，是進(jìn)行關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別的常用方法。該方法將單位面積污染負(fù)荷流失強(qiáng)度劃分為5個(gè)等級(jí)，即低、較低、中度、較高、高，再將評(píng)級(jí)高級(jí)的子流域確定為關(guān)鍵源區(qū)[19]，評(píng)價(jià)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 安徽省兆河流域非點(diǎn)源關(guān)鍵區(qū)等級(jí)劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 流域非點(diǎn)源污染分布特征分析

3.1.1 流域非點(diǎn)源污染分布現(xiàn)狀 研究區(qū)總氮總磷污染負(fù)荷分布現(xiàn)狀如圖3所示。由圖3可知，現(xiàn)狀水平年該流域總氮污染物量為1 495.32 t/a，污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最大的子流域?yàn)榭h河流域，其負(fù)荷量占總量的比例為40.8%；環(huán)圩河與黃泥河流域負(fù)荷量之和占流域總氮負(fù)荷量的24.3%，以上3個(gè)流域的總氮非點(diǎn)源污染負(fù)荷量占流域總負(fù)荷量的60%以上。因此，總氮非點(diǎn)源污染應(yīng)作為總氮污染排放污染治理的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

圖3 安徽省兆河流域氮磷非點(diǎn)源污染負(fù)荷分布現(xiàn)狀

流域總磷污染物總量為71.57 t/a，污染負(fù)荷貢獻(xiàn)量最大的流域仍為縣河子流域，其負(fù)荷量占總磷負(fù)荷量的42.3%；其次為環(huán)圩河流域，占13.9%，說(shuō)明總磷相較總氮污染負(fù)荷分布更加集中，僅縣河與環(huán)圩河兩個(gè)子流域的污染負(fù)荷量就占到流域總負(fù)荷量的50%～60%，這兩個(gè)子流域應(yīng)作為總磷非點(diǎn)源污染治理的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)。

3.1.2 流域規(guī)劃年非點(diǎn)源污染分布預(yù)測(cè) 規(guī)劃年在現(xiàn)狀研究的基礎(chǔ)上，考慮研究區(qū)在未來(lái)隨著常住人口增長(zhǎng)、城市化速度加快、土地利用變化等背景下，非點(diǎn)源污染的變化情況，模擬研究該流域在規(guī)劃年氮磷污染排放空間分布特征，結(jié)果見(jiàn)圖4。

規(guī)劃水平年流域總氮污染負(fù)荷量可達(dá)2 166.5 t/a，總磷排放總量為83.8 t/a，分別比現(xiàn)狀年增加45.3%和8.0%。規(guī)劃年(2022年)縣河子流域仍是總氮污染貢獻(xiàn)量最大的子流域，年污染負(fù)荷總量占整個(gè)流域的40.8%(820.6 t/a)。相較于現(xiàn)狀年，該子流域總氮污染負(fù)荷量平均增加216.6 t/a，但占比減少了2%左右；環(huán)圩河子流域總氮負(fù)荷量?jī)H次于縣河子流域，年污染負(fù)荷量約310.1 t/a，占整個(gè)子流域14.3%，相較現(xiàn)狀年負(fù)荷量約增加了89.7 t/a；該流域規(guī)劃年總氮污染負(fù)荷平均貢獻(xiàn)量最少的子流域?yàn)辄S姑河子流域。

圖4 安徽省兆河流域規(guī)劃年(2022年)氮磷污染負(fù)荷分布預(yù)測(cè)

縣河子流域磷的污染負(fù)荷量最大，可達(dá)37.88 t/a，年污染總量占整個(gè)流域的45.2%，較現(xiàn)狀年增加7.2 t；其次為環(huán)圩河子流域，其規(guī)劃年磷的污染負(fù)荷量占總流域的10.8%，比現(xiàn)狀年占比減少1%～8%。除去縣河與環(huán)圩河子流域之外，相較現(xiàn)狀年污染負(fù)荷量占比變化最大的為黃泥河子流域，污染占比平均減少了2.6%；規(guī)劃年總磷污染貢獻(xiàn)量最少的為順港河與黃姑河子流域。

綜合對(duì)比可以得出，該流域在規(guī)劃年(2022年)總氮總磷污染總量均有所增加，在不同時(shí)期氮磷貢獻(xiàn)量最高子流域均為縣河子流域，表明該子流域可能是流域非點(diǎn)源污染控制的重點(diǎn)。

3.2 流域規(guī)劃年水環(huán)境質(zhì)量預(yù)測(cè)

根據(jù)規(guī)劃年各流域污染負(fù)荷排放量與各流域徑流量模擬結(jié)果，估算了研究區(qū)各流域主要河流斷面總氮總磷多年平均濃度，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)劃分研究區(qū)規(guī)劃年水質(zhì)等級(jí)(見(jiàn)圖5)。其中紅色區(qū)域表示水質(zhì)達(dá)到劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì)；橘色則表示Ⅳ—Ⅴ類(lèi)水；綠色表示Ⅲ類(lèi)水質(zhì)以上。

由模擬結(jié)果可知，該流域規(guī)劃年(2022年)河流水體總氮污染嚴(yán)重，有近2/3的流域?yàn)榱英躅?lèi)水質(zhì)，其中總氮污染最嚴(yán)重的盛橋河子流域，水體總氮濃度可能超過(guò)9 mg/L，為Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的4.7倍，就總氮而言?xún)H有瓦洋河與黃姑河支流兩個(gè)子流域水質(zhì)達(dá)到“清潔小流域建設(shè)”工程所要求的Ⅲ類(lèi)水水質(zhì)。模擬結(jié)果顯示總磷污染雖然較總氮污染程度輕，但盛橋河與裴河兩個(gè)子流域水質(zhì)也是劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì)；近1/2流域面積達(dá)不到Ⅲ類(lèi)水水質(zhì)。

圖5 安徽省兆河流域各子流域規(guī)劃年水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果(濃度mg/L)

由此可見(jiàn)，兆河子流域在不采取任何非點(diǎn)源污染治理措施的情況下，流域水環(huán)境治理很難達(dá)到“清潔小流域建設(shè)”要求。而在整個(gè)流域，總氮污染來(lái)自非點(diǎn)源的比例為40%～50%，總磷污染來(lái)自非點(diǎn)源的比例為40%～45%，因此，在污染治理過(guò)程中僅依靠點(diǎn)源的治理已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，必須重視對(duì)于研究區(qū)非點(diǎn)源污染的控制。

3.3 流域非點(diǎn)源污染關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別

采用單元負(fù)荷指數(shù)法確定流域非點(diǎn)源污染關(guān)鍵區(qū)[21-23]。結(jié)果表明，該流域規(guī)劃年(2022)單位面積總氮非點(diǎn)源污染負(fù)荷量最大的子流域?yàn)槭Р芎幼恿饔?2 040 kg/km2)；盛橋河子流域(1 910 kg/ km2)次之；單位面積負(fù)荷量最小的為黃姑河支流與環(huán)圩河支流子流域。規(guī)劃年單位面積總磷非點(diǎn)源污染負(fù)荷量最大為盛橋河子流域(60 kg/ km2)與縣河子流域(60 kg/ km2)；單位面積負(fù)荷量最小的為兆河上游與西河干流子流域。各子流域單位面積氮磷污染流失強(qiáng)度等級(jí)如圖6所示。

圖6 安徽省兆河流域各子流域非點(diǎn)源總氮(左)總磷(右)污染物流失強(qiáng)度

由圖6可知，該流域總氮非點(diǎn)源污染處于重度流失強(qiáng)度的子流域有縣河、失曹河、裴河、盛橋河子流域；處于較重流失強(qiáng)度的有環(huán)圩河、兆河入巢子流域。流域總磷非點(diǎn)源污染為重度流失強(qiáng)度的有縣河、裴河、盛橋河子流域；較重流失強(qiáng)度的包括環(huán)圩河與失曹河子流域。結(jié)果表明，氮磷流失強(qiáng)度為重度的縣河、失曹河、裴河、盛橋河及環(huán)圩河子流域面積占研究區(qū)總面積的45.1%，但總氮排放量占到研究區(qū)總排放量的69%～71%左右，總磷占63%～75%，可以視為流域污染負(fù)荷關(guān)鍵區(qū)，應(yīng)該作為流域非點(diǎn)源污染控制的主要地區(qū)。

3.4 流域最佳管理措施設(shè)置

在模型中設(shè)置單一措施和組合措施等不同的非點(diǎn)源污染削減措施，其中單一措施包括非工程措施(增加化肥埋深和施肥量削減)和工程措施(植草河道和植被過(guò)濾帶)(表5)。

3.4.1 耕種管理措施對(duì)污染負(fù)荷削減的影響 耕種管理措施主對(duì)非點(diǎn)源污染的削減效率的影響結(jié)果見(jiàn)圖7。其中，增加化肥埋深對(duì)總氮的削減率為3.7%～13.8%，對(duì)總磷的削減率為0.4%～14.1%，表明化肥埋深措施對(duì)總氮的削減效果較為穩(wěn)定，然而其對(duì)總磷的削減影響不穩(wěn)定，由于總磷負(fù)荷量易受氣象水文條件的影響，主要表現(xiàn)為降雨徑流量大時(shí)削減率相對(duì)增加，而在降雨量較小的條件下，削減率僅為0.4%～0.8%。

削減10%的化肥用量可使總氮排放削減4.2%～14.3%，總磷削減0.2%～0.4%，平均削減量分別為9.1%與0.9%；當(dāng)化肥削減20%時(shí)，對(duì)非點(diǎn)源總氮的削減率沒(méi)有較大的影響，但對(duì)總磷的平均削減率提升到了1.8%；當(dāng)化肥用量削減50%時(shí)，總氮非點(diǎn)源負(fù)荷量削減6.2%～16.1%，平均削減率10.5%，總磷非點(diǎn)源負(fù)荷量削減0.8%～13.6%，平均削減率4.4%。這些結(jié)果表明減少化肥施用量對(duì)非點(diǎn)源總氮排放的削減效果要優(yōu)于對(duì)總磷的削減效果，其重要原因是農(nóng)田氮流失量相對(duì)磷流失量大。

3.4.2 工程攔截措施 工程攔截措施包括植草河道與植被過(guò)濾帶兩類(lèi)，結(jié)果見(jiàn)圖8。植草河道對(duì)非點(diǎn)源污染排放的削減效率更加顯著。僅1 m長(zhǎng)植草河道可削減總氮污染負(fù)荷47.2%～67.4%，削減總磷非點(diǎn)源污染69.92%～79.53%；總氮和總磷平均削減率分別為54.49%和75.17%；植草河道長(zhǎng)度為5 m時(shí)，總氮總磷平均削減率分別提升至55.4%與78.3%；植草河道長(zhǎng)10 m時(shí)，削減率為57.3%與79.8%。隨著植草河道的不斷延長(zhǎng)其工程措施的單位長(zhǎng)度削減效率呈下降趨勢(shì)。20 m的植草河道，其總氮總磷削減率分別為58.0%與81.2%；將植草河道長(zhǎng)度延長(zhǎng)100 m時(shí)，其對(duì)總氮總磷污染削減率與20 m相比，僅提升了1.6%與2.6%，說(shuō)明當(dāng)植草河道長(zhǎng)度≥20 m時(shí)，植草河道長(zhǎng)度對(duì)氮磷削減影響不明顯。植草河道對(duì)于總磷的削減效率相對(duì)總氮更為有效[13]，因此在總磷污染嚴(yán)重的地區(qū)可以?xún)?yōu)先考慮此措施。植草河道的削減效率在不同的水文氣象條件下相對(duì)穩(wěn)定，并且植草河道不需要占用工程用地，可作為工程治理措施的優(yōu)先選擇。

表5 安徽省兆河流域管理措施方案設(shè)計(jì)

圖7 安徽省兆河流域耕種管控措施的非點(diǎn)源總氮及總磷的污染控制效果

圖8 安徽省兆河流域植草河道非點(diǎn)源總氮及總磷的污染削減率

植被過(guò)濾帶是布設(shè)在農(nóng)田周?chē)闹脖幻芗瘲l帶，其對(duì)污染物的削減機(jī)理包括對(duì)地表徑流中沉積物的攔截、過(guò)濾帶植物對(duì)污染物的吸收、土壤中有機(jī)成分對(duì)污染物質(zhì)的吸附以及土壤微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的降解與轉(zhuǎn)化等[24-25]。常見(jiàn)的植被過(guò)濾帶布設(shè)面積與農(nóng)田面積比多為1/30～1/60之間，但由于1/60的布設(shè)面積對(duì)本研究區(qū)氮磷污染物的削減率微乎其微，因此并沒(méi)有在此處統(tǒng)計(jì)。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，1/45的植被過(guò)濾帶布設(shè)面積比與1/30的布設(shè)面積比對(duì)總氮的削減率分別為3.4%～14.2%與3.9%～14.5%，平均削減率為9.3%與9.8%，對(duì)總磷的削減率分別為0.9%～26.3%與1.1%～29.4%，平均削減率為7.8%與8.6%，布設(shè)面積的增大對(duì)削減效率并無(wú)明顯提升。將過(guò)濾帶面積與農(nóng)田面積比提升至1/10與1/5時(shí)，其對(duì)總氮的平均削減率提升至11.1%與11.8%(最大削減率為20.6%)，對(duì)總磷的平均削減率提升至10.8%與11.9%(最大削減率為42.2%)，但由于植被過(guò)濾帶需占用專(zhuān)門(mén)的工程用地，且后期維護(hù)費(fèi)用較高，因此在實(shí)際布設(shè)過(guò)程中需結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本綜合考慮。

圖9 安徽省兆河流域植被過(guò)濾帶非點(diǎn)源總氮及總磷的污染削減率

3.4.3 綜合管理方案設(shè)計(jì) 綜合以上研究結(jié)果也考慮非點(diǎn)源污染削減率與施工成本，經(jīng)過(guò)比選最終確定耕種管理措施(增加化肥施用埋深、削減50%化肥施用量)加工程措施(植草河道1 m、田間面積與植被過(guò)濾帶面積占比45%)組成最佳管理措施。通過(guò)非點(diǎn)源污染模型，模擬研究將最佳管理措施在非點(diǎn)源污染關(guān)鍵區(qū)實(shí)施之后的效果，統(tǒng)計(jì)分析了實(shí)施之后主要關(guān)鍵區(qū)的非點(diǎn)源污染削減情況，結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 安徽省兆河流域非點(diǎn)源污染物流失關(guān)鍵區(qū)綜合管理措施效果評(píng)估

在關(guān)鍵污染源區(qū)實(shí)施最佳管理措施以后，總氮削減率最顯著為環(huán)圩河子流域，比實(shí)施之前減少了48.63%～79.31%。由于環(huán)圩河流域主要為農(nóng)業(yè)用地，而增加化肥埋深與減少化肥施用量可以有效減少來(lái)自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的非點(diǎn)源污染，從而使得環(huán)圩河流域的總氮污染負(fù)荷得到的顯著削減；其他關(guān)鍵污染源區(qū)總氮平均削減率也均達(dá)到了25%以上。最佳管理措施對(duì)總磷的控制也有顯著有效，各非點(diǎn)源污染關(guān)鍵區(qū)的總磷平均削減率在66%以上，削減效率最高的為失曹河子流域，達(dá)到了68.9%～89.50%；削減效率較低的為縣河子流域，總磷平均削減了59.52%～71.72%。這也說(shuō)明了最佳管理措施對(duì)流域總氮和總磷的非點(diǎn)源污染控制的有效性。

經(jīng)過(guò)比較最佳管理措施后的非點(diǎn)源污染關(guān)鍵區(qū)單位面積非點(diǎn)源污染物流失強(qiáng)度變化如圖11所示?？h河、裴河、盛橋河子流域非點(diǎn)源總氮流失強(qiáng)度由“重度”降為“較重”；環(huán)圩河子流域由“較重”流失強(qiáng)度降至“較輕”；失曹河子流域依然是“較重”強(qiáng)度，但其單位面積總氮負(fù)荷量由2 041 kg/km2降低至1 500 kg/km2。綜合管理措施對(duì)總磷流失強(qiáng)度的削減效果影響較為明顯，研究區(qū)在最佳管理措施實(shí)施之后已無(wú)“中度”流失強(qiáng)度以上的子流域。實(shí)施之后縣河子流域總磷污染由“重度”流失降為“中度”流失；裴河、盛橋河子流域則由“重度”流失將至“較輕”；環(huán)圩河與失曹河子流域由“較重”流失分別變?yōu)椤拜^輕”與“輕度”；可見(jiàn)最佳管理措施對(duì)總磷污染具有較好的控制效果，實(shí)施之后流域污染負(fù)荷能夠滿(mǎn)足清潔小流域建設(shè)要求。

圖11 安徽省兆河流域最佳管理措施實(shí)施后流域非點(diǎn)源污染物流失強(qiáng)度

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)構(gòu)建兆河流域非點(diǎn)源污染模型，模擬研究了該流域非點(diǎn)源污染分布現(xiàn)狀，結(jié)果表明縣河子流域是整個(gè)流域中對(duì)氮磷等非點(diǎn)源污染物貢獻(xiàn)率最大的子流域，環(huán)圩河與黃泥河子流域的貢獻(xiàn)也較大。

(2) 在不采取非點(diǎn)源污染控制措施的情況下，隨著土地利用類(lèi)型變化、人口增長(zhǎng)等影響，該流域規(guī)劃年氮磷等非點(diǎn)源污染負(fù)荷與現(xiàn)狀年相比均有所增加，其中增加45.3%總磷增加8.0%左右。

(3) 通過(guò)單元負(fù)荷指數(shù)法分析該流域的非點(diǎn)源污染關(guān)鍵區(qū)，結(jié)果表明氮磷流失強(qiáng)度為“重度”的縣河、失曹河、裴河、盛橋河及環(huán)圩河子流域的氮磷污染排放量占流域總量比例高，可視為流域非點(diǎn)源污染關(guān)鍵區(qū)。

(4) 通過(guò)合理設(shè)置工程措施和耕種管理方式，可以有效削減非點(diǎn)源污染關(guān)鍵源區(qū)氮磷的產(chǎn)出，使得整個(gè)流域的非點(diǎn)源污染得到有效控制。