基于“源-質(zhì)”響應(yīng)的香溪河流域問(wèn)題解析

申振玲，周奉，孫溢點(diǎn)，張萬(wàn)順,2,3*，凌海波，王琪，李龍媛，楊麗娜

1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院

2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3.武漢大學(xué)中國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃研究院

4.湖北省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院

5.宜昌市生態(tài)環(huán)境局

流域水環(huán)境保護(hù)是國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，在推動(dòng)區(qū)域綠色高質(zhì)量發(fā)展上具有重要的戰(zhàn)略地位[1]。流域是由自然要素和人文要素共同構(gòu)成的“自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”復(fù)合系統(tǒng)[2]。以流域?yàn)閱卧猍3-4]，開展地表多要素、多尺度、多過(guò)程的綜合集成研究是當(dāng)前自然地理學(xué)的重要發(fā)展方向之一[5-6]?；诋?dāng)前流域水環(huán)境、水資源與水生態(tài)（“三水”）協(xié)同治理需求，立足于流域一體化視野[7]，準(zhǔn)確甄別流域水環(huán)境問(wèn)題，推動(dòng)“三水”協(xié)同共治，已經(jīng)成為備受學(xué)界與政界關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)[8]。開展流域水環(huán)境問(wèn)題癥結(jié)成因分析并定量精準(zhǔn)解析[9]，是支撐流域水生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理和精準(zhǔn)管控的關(guān)鍵途徑。

針對(duì)流域水環(huán)境問(wèn)題解析，眾多學(xué)者已經(jīng)開展了大量相關(guān)研究[10-16]，主要方法包括相關(guān)性分析法、統(tǒng)計(jì)學(xué)建模和機(jī)理過(guò)程模型3種。流域涉及的人、地、空、生、水等不同環(huán)境組成系統(tǒng)均受物質(zhì)質(zhì)量和能量在不同空間和時(shí)間尺度上的運(yùn)動(dòng)所驅(qū)動(dòng)，且在各系統(tǒng)內(nèi)部具有的同性、平衡、反饋、滯后、弛豫時(shí)間和閾值的特征，使得面向收納水體時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性和復(fù)雜性特征[17-18]，因此，以融合多系統(tǒng)、多要素、多過(guò)程的流域集成模型備受關(guān)注。同時(shí)，流域水環(huán)境惡化的根本原因是人類活動(dòng)下的點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染物排放，因此采用基于完全耦合模式，并統(tǒng)籌自然條件與人類活動(dòng)的流域集成模型才能夠精準(zhǔn)捕捉到各類污染源對(duì)下游水體水環(huán)境的影響[19]。張萬(wàn)順等[7]構(gòu)建的緊密耦合流域自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)的大尺度、全過(guò)程、長(zhǎng)系列、精細(xì)化系統(tǒng)“空-地-水”一體化模型體系，解決了各類過(guò)程的非線性、區(qū)域非均質(zhì)性、參數(shù)尺度效應(yīng)和不確定性等問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)污染物負(fù)荷核算、污染過(guò)程的精準(zhǔn)模擬和污染程度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，并成功應(yīng)用于多個(gè)流域水環(huán)境問(wèn)題研究，如粵港澳大灣區(qū)[20-21]、三峽庫(kù)區(qū)流域[22]、太湖流域[23]、漢江中下游流域[24]等，具有較好的系統(tǒng)性和適用性。

香溪河流域是靠近三峽大壩的長(zhǎng)江中上游一級(jí)支流，發(fā)源于湖北省宜昌市神農(nóng)架林區(qū)，該區(qū)域是三峽水庫(kù)的綠色屏障和水源涵養(yǎng)地，被譽(yù)為“華中水塔”“華中之肺”和“華中之腎”。筆者統(tǒng)籌考慮上下游、水域與陸域、保護(hù)與發(fā)展等重要關(guān)系，根據(jù)污染物多要素多維遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，利用 “空-地-水”一體化模型體系，建立針對(duì)香溪河流域“源-質(zhì)”響應(yīng)關(guān)系模型，研究不同污染源對(duì)流域水環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)，精準(zhǔn)剖析香溪河流域水環(huán)境問(wèn)題成因，以期助力該流域?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)治污，并為我國(guó)流域水環(huán)境綜合治理提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

香溪河流域位于 110°25′E～111°00′E，30°38′N～31°34′N，干流全長(zhǎng) 95 km，有高嵐河、古夫河和南陽(yáng)河三大支流，途經(jīng)興山縣(約78 km)至秩歸縣，是三峽庫(kù)區(qū)壩首的第一大支流（圖1）。2018年該區(qū)域土地利用類型以林地為主，面積占比為86.18%，草地和耕地占比分別為6.26%和5.62%，經(jīng)濟(jì)林占比為1.21%。自三峽大壩蓄水以來(lái)，2013—2019年流域水質(zhì)總氮（TN）的年平均濃度為1.65 mg/L，總磷（TP）年平均濃度為0.12 mg/L；夏季水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重[25-26]，TN濃度高值為3 mg/L，TP濃度高值為0.2 mg/L，濃度季節(jié)性變化明顯。

圖1 香溪河流域范圍、土地利用類型及驗(yàn)證斷面分布Fig.1 Scope and landuse type of Xiangxi River Basin and distribution of its verification sections

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)主要包括中國(guó)科學(xué)院的30 m分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的2018年100 m×100 m土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所的土壤空間數(shù)據(jù)，中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心的逐日氣象數(shù)據(jù)以及宜昌市生態(tài)環(huán)境局提供的2019年監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)和污染源數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 污染源負(fù)荷核算

污染源根據(jù)排放方式分為點(diǎn)源和非點(diǎn)源。根據(jù)不同污染源類型、排污方式，分別確定相應(yīng)的負(fù)荷核算模式。其中，該流域點(diǎn)源包括工業(yè)源、污水處理廠及規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖，其負(fù)荷通過(guò)流量、濃度等相應(yīng)排污信息計(jì)算得到；非點(diǎn)源包括未集中收集生活污水及農(nóng)業(yè)源，其負(fù)荷通過(guò)單元負(fù)荷法計(jì)算得到，具體計(jì)算方法及參數(shù)詳見文獻(xiàn)[27]。

2.2 “源-質(zhì)”響應(yīng)關(guān)系模型構(gòu)建

2.2.1 單元?jiǎng)澐?/p>

基于“空-地-水”一體化模型體系[7]，山區(qū)型香溪河流域“源-質(zhì)”響應(yīng)關(guān)系模型集成了一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型和陸地面源模型，其中陸地面源模型的模擬結(jié)果作為一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型的旁側(cè)入流條件，實(shí)現(xiàn)降雨徑流面源模型與主河道水動(dòng)力水質(zhì)模型的耦合計(jì)算[20-21]。該流域陸面單元共劃分為91個(gè)子流域（圖2），生成2 652個(gè)水文響應(yīng)單元；河道匯流關(guān)系共劃分為5個(gè)主河段以及泗湘溪和長(zhǎng)沙壩2個(gè)關(guān)鍵斷面（圖3）。

圖2 子流域劃分Fig.2 Sub-watershed division

圖3 河道匯流關(guān)系概化及關(guān)鍵斷面所在位置Fig.3 Generalization of river confluence relationship and location of key sections

2.2.2 模型參數(shù)敏感性分析

香溪河流域?yàn)槲覈?guó)富磷地區(qū)。為建立針對(duì)該流域的本土化自然數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)利用SPAW（Soil-Plant-Air-Water）軟件和三次樣條插值法進(jìn)行土壤粒徑轉(zhuǎn)換[28-29]，再結(jié)合拉丁超立方（LH-OAT）方法開展參數(shù)敏感性分析，得到對(duì)徑流和氮磷要素遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程影響較大的主要敏感參數(shù)取值，結(jié)果如表1所示。

表1 香溪河流域敏感參數(shù)取值Table 1 Value of sensitive parameters in Xiangxi River Basin

2.2.3 率定驗(yàn)證

模型率定期為2011—2012年，驗(yàn)證期為2019年，計(jì)算時(shí)間尺度為日尺度。其合理性通過(guò)流域的水文站逐日流量和水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)[29-31]，結(jié)果如表2所示。各相關(guān)指標(biāo)的確定性系數(shù)（R2）>0.71，Nash 效率系數(shù)（ENS）>0.60，相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)，表明模型能夠滿足香溪河流域開展“源-質(zhì)”響應(yīng)關(guān)系研究的要求。

表2 香溪河流域水文、水質(zhì)率定驗(yàn)證Table 2 Calibration and verification of hydrology and water quantity in Xiangxi River Basin

2.3 計(jì)算條件設(shè)置

基于污染源負(fù)荷核算，根據(jù)已構(gòu)建的“源-質(zhì)”響應(yīng)關(guān)系模型，設(shè)置背景值、工業(yè)源、污水處理廠、畜禽養(yǎng)殖、生活源、農(nóng)業(yè)源6種排放條件，建立2019年不同排放條件與流域斷面水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，分析各類污染源排放對(duì)流域斷面水質(zhì)的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域各污染源負(fù)荷核算

香溪河流域各污染源負(fù)荷核算結(jié)果如圖4所示。2019年，研究范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控的工業(yè)企業(yè)有4家，主要排放污染物TP和TN負(fù)荷分別為8.05和10.33 t/a；生活污水處理廠為7座，分布于興山縣新城、榛子鄉(xiāng)、峽口鎮(zhèn)、南陽(yáng)鎮(zhèn)、昭君鎮(zhèn)、水月寺鎮(zhèn)和黃糧鎮(zhèn)，TN和TP負(fù)荷分別為17.39和2.02 t/a；研究范圍內(nèi)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖共有16家，畜禽養(yǎng)殖類型為生豬、肉牛、蛋雞，TN和TP負(fù)荷分別為370.97、54.45 t/a。農(nóng)業(yè)源涉及玉米、水稻和柑橘等作物種植，總面積為51.21×107m2，農(nóng)業(yè)種植污染源產(chǎn)生的TN和TP流失量分別為552.42和27.92 t/a；該區(qū)域常住人口約為21.41萬(wàn)人，其中城鎮(zhèn)人口8.77萬(wàn)人、農(nóng)村人口12.64萬(wàn)人，產(chǎn)生TN和TP負(fù)荷分別為544.40和38.75 t/a?？偟膩?lái)說(shuō)，該流域污染負(fù)荷來(lái)源主要為規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖和非點(diǎn)源污染。

圖4 香溪河流域各污染源負(fù)荷核算Fig.4 Load accounting of pollution sources in Xiangxi River Basin

3.2 流域污染負(fù)荷空間分布特征

香溪河流域單位面積TN、TP負(fù)荷輸出空間分布如圖5所示。由圖5可見，單位面積TN、TP負(fù)荷輸出最高的子流域主要為位于南陽(yáng)水系的昭君鎮(zhèn)，分別為 12 970.24 和 522.07 kg/(km2·a)。對(duì)于 TN，高嵐水系周邊的榛子鄉(xiāng)、黃梁鎮(zhèn)、水月寺鎮(zhèn)單位面積負(fù)荷輸出也較高，為 550.05～2 893.89 kg/(km2·a)；對(duì)于TP，單位面積負(fù)荷輸出較高的子流域主要位于古夫水系與南陽(yáng)水系交匯處及下游部分，涉及古夫鎮(zhèn)、黃梁鎮(zhèn)、昭君鎮(zhèn)和峽口鎮(zhèn)，負(fù)荷為13.94～98.84 kg/(km2·a)。香溪河流域內(nèi)人類活動(dòng)有明顯的沿河分布特征，其中耕地類型最為明顯；其次為建設(shè)用地，多分布于流域中部高嵐水系和香溪河干流處。一方面，受長(zhǎng)期社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響，區(qū)域內(nèi)有較多的工業(yè)企業(yè)、污水處理廠排放污染物；另一方面，基于小農(nóng)生產(chǎn)的自給自足，碎片化農(nóng)業(yè)大多聚集于農(nóng)民生活區(qū)的輻射半徑內(nèi)[32-33]。隨著退耕還林等環(huán)境保護(hù)措施的實(shí)施，雖然部分坡耕地替換為柑橘、茶園等經(jīng)濟(jì)林地[34]，但是受區(qū)域本身自然環(huán)境條件限制[35]，且規(guī)模越小，單位農(nóng)業(yè)用地化學(xué)品投入量越高，利用效率越低，進(jìn)一步導(dǎo)致氮磷流失現(xiàn)象較嚴(yán)重[36]。

圖5 香溪河流域TN、TP污染負(fù)荷分布Fig.5 Distribution of TN and TP pollution load in Xiangxi River Basin

3.3 流域水環(huán)境對(duì)污染源的響應(yīng)

面向香溪河流域泗湘溪、長(zhǎng)沙壩斷面，根據(jù)已構(gòu)建的“空-地-水”一體化模型，模擬5種排污條件對(duì)流域斷面水質(zhì)變化的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，不論是泗湘溪斷面還是長(zhǎng)沙壩斷面，工業(yè)源、污水處理廠和畜禽養(yǎng)殖相比于背景值濃度變化較為明顯，全年負(fù)荷增加值最高。去除背景值影響，對(duì)于泗湘溪斷面，污水處理廠全年輸出TN、TP總量為193.28和 40.51 t/a，工業(yè)源為226.25和 31.69 t/a，畜禽養(yǎng)殖為187.75和29.82 t/a。對(duì)于長(zhǎng)沙壩斷面，污水處理廠全年輸出TN、TP總量為376.31和48.97 t/a，工業(yè)源為295.30和39.91 t/a，畜禽養(yǎng)殖為128.09和41.61 t/a。一方面是因?yàn)猷l(xiāng)村人口數(shù)逐年減少，2018—2021年香溪河流域常住人口數(shù)從16.6萬(wàn)人減少到15.3萬(wàn)人，另一方面則是由于城市生活污水均由污水處理廠處理后排入河流。且隨著香溪河流域畜禽養(yǎng)殖數(shù)量及規(guī)模逐步擴(kuò)大，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染對(duì)流域水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)日益突顯[37]。

圖6 2019年不同排污條件下泗湘溪、長(zhǎng)沙壩斷面TN和TP逐日濃度變化Fig.6 Daily variations of TN and TP concentrations in Sixiangxi and Changshaba sections under different sewage discharge conditions in 2019

3.4 污染源對(duì)不同斷面TP和TN濃度的貢獻(xiàn)

不同污染源對(duì)泗湘溪斷面水質(zhì)變化的貢獻(xiàn)率如表3所示。由表3可見，污水處理廠、工業(yè)源和畜禽養(yǎng)殖是影響香溪河流域水環(huán)境的3個(gè)主要污染源，其總貢獻(xiàn)率超過(guò)60%。對(duì)于泗湘溪斷面TN濃度和TP濃度，工業(yè)源貢獻(xiàn)率為29.20% 和20.11%，污水處理廠貢獻(xiàn)率為24.71%和25.97%，畜禽養(yǎng)殖貢獻(xiàn)率為23.95%和18.86%，生活源貢獻(xiàn)率為10.75%和14.95%，農(nóng)業(yè)源貢獻(xiàn)率為11.39%和20.11%。對(duì)于長(zhǎng)沙壩斷面TN濃度和TP濃度，工業(yè)源貢獻(xiàn)率為24.97%和20.44%，污水處理廠貢獻(xiàn)率為32.21%和20.11%，畜禽養(yǎng)殖貢獻(xiàn)率為22.33%和25.35%，生活源貢獻(xiàn)率為10.02%和16.26%，農(nóng)業(yè)源貢獻(xiàn)率為10.47%和16.59%。除傳統(tǒng)工業(yè)源和污水處理廠直接入河的污染源外[38]，畜禽養(yǎng)殖作為目前影響TP、TN濃度的主要來(lái)源[39]，應(yīng)該給予足夠的重視。

表3 各類污染源對(duì)斷面TN和TP濃度的貢獻(xiàn)率Table 3 Contribution rate of pollution sources to TN and TP in different sections %

4 討論

由于香溪河流域各區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然條件差異明顯，流域污染負(fù)荷呈現(xiàn)明顯的空間差異性，不同污染源對(duì)香溪河水環(huán)境影響也呈現(xiàn)一定的差異性。

(1) 受人類活動(dòng)影響，單位面積TP、TN高負(fù)荷輸出的子流域分布較為集中。單位面積TP負(fù)荷輸出較高的子流域主要位于古夫鎮(zhèn)、黃梁鎮(zhèn)、昭君鎮(zhèn)和峽口鎮(zhèn)；單位面積TN負(fù)荷較高的子流域主要集中于昭君鎮(zhèn)、榛子鄉(xiāng)、黃梁鎮(zhèn)、水月寺鎮(zhèn)，其中以昭君鎮(zhèn)最為突出。昭君鎮(zhèn)擁有較多生產(chǎn)化學(xué)品、食品添加劑的化工企業(yè)以及規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖企業(yè)，其中生豬年存欄量超1萬(wàn)頭，同時(shí)還有部分蛋雞養(yǎng)殖；黃梁鎮(zhèn)和峽口鎮(zhèn)受農(nóng)業(yè)面源污染影響較大，一方面兩鎮(zhèn)農(nóng)村人口較多，均超過(guò)1萬(wàn)人，農(nóng)村生活污水直排，且農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量大；另一方面兩鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)耕地面積廣，分別為31.48、30.23 km2，沿河坡度大于15°的耕地及園地種植面積占比約75%，高坡度種植進(jìn)一步加劇了農(nóng)業(yè)面源污染。其他位于高嵐水系周邊的榛子鄉(xiāng)、黃梁鎮(zhèn)、水月寺鎮(zhèn)等也存在類似問(wèn)題，且現(xiàn)象普遍存在于三峽庫(kù)區(qū)諸多流域[40]。

(2)針對(duì)不同監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)TP、TN濃度，區(qū)域污染源對(duì)其貢獻(xiàn)有所差異，但污水處理廠、工業(yè)源和規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖污染排放均是影響水質(zhì)的主要原因。具體體現(xiàn)在：1）流域內(nèi)沿河區(qū)域涉及磷化工生產(chǎn)的部分企業(yè)，污水處理設(shè)施處理率低，對(duì)雨污分流考慮不充分。2）城鎮(zhèn)污水處理廠早期鋪設(shè)的管網(wǎng)雨污混接，尤其在雨季或短時(shí)集中暴雨情況下，污水溢流現(xiàn)象嚴(yán)重，截污納管工程推進(jìn)滯后。3）規(guī)?；B(yǎng)殖方面，流域內(nèi)部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)雖然已經(jīng)要求規(guī)模戶與次規(guī)?；B(yǎng)殖戶全面實(shí)施欄圈改造，做到雨污分流，但很少考慮養(yǎng)殖過(guò)程中糞便沖刷帶來(lái)的污水直排問(wèn)題，導(dǎo)致大量含高濃度氮磷污水直接進(jìn)入環(huán)境。且部分居民集中點(diǎn)和零散住戶沿河分布，農(nóng)村生活污水處理和生活垃圾處置基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)薄弱，沿河農(nóng)村居民生活污水未經(jīng)任何處理直接入河。除前期已確定的由于低山丘陵地貌帶來(lái)的坡耕地氮磷大量流失外[22]，污水處理廠、工業(yè)企業(yè)和畜禽養(yǎng)殖帶來(lái)的高負(fù)荷氮磷輸出對(duì)水質(zhì)的影響也不可小覷。因地制宜，加強(qiáng)流域綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理是當(dāng)下解決該流域水環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

從香溪河流域系統(tǒng)性和特殊性出發(fā)，應(yīng)用“空-地-水”一體化模型體系，構(gòu)建了香溪河流域“源-質(zhì)”響應(yīng)關(guān)系模型，以期 “精準(zhǔn)把脈，精準(zhǔn)施策”，著力破解影響水環(huán)境質(zhì)量的癥結(jié)性問(wèn)題。TP污染負(fù)荷較高區(qū)域?yàn)殂粝嫦苓吋跋掠尾糠肿恿饔颍琓N污染負(fù)荷較高區(qū)域?yàn)橹杏尾糠肿恿饔?，TP與TN最高負(fù)荷子流域單元均位于昭君鎮(zhèn)，負(fù)荷分別為522.07和12 970.24 kg/(km2·a)。其中污水處理廠、工業(yè)源和規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖是影響香溪河水質(zhì)TP和TN濃度的重要污染源。香溪河水環(huán)境問(wèn)題主要是沿河磷化工企業(yè)排放負(fù)荷超標(biāo)、畜禽養(yǎng)殖規(guī)模日益擴(kuò)大、生活污染集中處理設(shè)施薄弱及坡地種植帶來(lái)的氮磷流失。因此，亟需推進(jìn)以工業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖和生活污染源為主的流域污染源綜合治理，同時(shí)加快農(nóng)業(yè)面源污染全面防治，構(gòu)建減排和增容相結(jié)合的污染控制模式，完善流域水生態(tài)環(huán)境空間管控，最終實(shí)現(xiàn)香溪河流域水環(huán)境、水資源與水生態(tài)良性循環(huán)發(fā)展。